ELETTRONICA DEI SISTEMI WIRELESS
Anno accademico e docente
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- English course description
- Anno accademico
- 2022/2023
- Docente
- GIORGIO VANNINI
- Crediti formativi
- 6
- Percorso
- Components & circuits design
- Periodo didattico
- Secondo Semestre
- SSD
- ING-INF/01
Obiettivi formativi
- Nell'insegnamento, dopo l'introduzione e il richiamo di alcuni concetti fondamentali, vengono esaminate le principali architetture di ricevitori e trasmettitori radio per poi affrontare le più importanti problematiche dei loro componenti circuitali fondamentali (amplificatori di guadagno, a basso rumore e di potenza, oscillatori controllati in tensione, convertitori di frequenza, anelli ad aggancio di fase, convertitori analogico/digitali, ecc.). Vengono prese in esame anche le più diffuse tecnologie e i relativi dispositivi elettronici.
Sebbene l’ambito di riferimento sia quello delle trasmissioni wireless, le problematiche affrontate sono fondamentali in diversi contesti di acquisizione ed elaborazione analogica/digitale dei segnali (e.g. strumentazione elettronica).
Sulla base di un approccio top-down (che analizza architetture e problematiche di ricevitori e trasmettitori radio, non linearità e rumore in dispositivi e circuiti elettronici, circuiti per catene di ricezione e trasmissione di segnali radio) le principali conoscenze acquisite in ambito elettronico saranno:
- principi di funzionamento e tecnologie di dispositivi, circuiti/sistemi elettronici utilizzati ad alta frequenza nell’ambito delle comunicazioni wireless e per l’acquisizione ed elaborazione di segnali analogici;
- tecniche di analisi ed elementi di progettazione di circuiti analogici operanti a frequenze elevate.
Le principali abilità (ossia la capacità di applicare le conoscenze acquisite) saranno:
- analisi e misura delle prestazioni di dispositivi e circuiti elettronici per le telecomunicazioni;
- analisi e criteri di progetto di circuiti/sistemi elettronici analogici operanti a frequenze elevate per applicazioni alle telecomunicazioni;
e più nello specifico:
- elementi di progettazione di amplificatori a basso rumore, di guadagno e di trasmissione;
- elementi di progettazione di mixer e oscillatori;
- criteri di scelta e dimensionamento di massima di sintetizzatori di frequenza. Prerequisiti
- E’ necessario avere acquisito e assimilato le seguenti conoscenze:
comunicazioni elettriche (conversione in frequenza, modulazione analogica e numerica, rumore, ecc.); dispositivi elettronici e circuiti elettronici analogici fondamentali (amplificatori per piccoli e grandi segnali, oscillatori); concetti fondamentali della propagazione libera e guidata; strumenti elettronici di misura di base. Contenuti del corso
- L'insegnamento prevede 60 ore di didattica tra lezioni ed esercizi/esempi in aula.
Lezioni frontali:
Strumenti CAD e modelli per l’analisi/progetto di circuiti e sistemi elettronici wireless:
Modelli dei dispositivi a circuito equivalente e black-box (parametri di diffusione, modelli comportamentali).
Non linearità e rumore - concetti e parametri fondamentali:
Non linearità e suoi effetti in dispositivi e sistemi elettronici. Distorsione lineare e ISI. Rumore. Parametri fondamentali di un ricevitore radio (definizione e cenni a metodi di misura).
Architetture dei transceiver:
Modulatori e de-modulatori (analogici e digitali). Modulazioni a inviluppo costante e problema della ricrescita spettrale. Cenni a tecniche di accesso. Selezione di banda e canale. Ricevitore eterodina: problematiche e implementazioni. Ricevitore omodina (zero IF): vantaggi e problematiche. Ricevitore a reiezione di immagine. Fast ADC e ricevitori RF/IF-sampling. Trasmettitori a conversione diretta e a doppia conversione.
Tecnologie dei componenti:
Cenni a semiconduttori composti, dispositivi per alta frequenza (MESFET, HEMT, HBT) e tecnologie per circuiti ibridi e integrati. Carta di Smith e utilizzo per rappresentare i parametri AC di dispositivi e componenti per alta frequenza.
Amplificatori lineari ad alta frequenza e amplificatori a basso rumore (LNA):
Differenze metodologiche con amplificatori per bassa frequenza. Topologia di amplificatore RF vs BF. Stabilità: incondizionata stabilità e cerchi di stabilità, fattore K. Massimizzazione del guadagno di trasduzione. Carta di Smith e progetto reti di adattamento. Rumore nei dispositivi elettronici: rumore Johnson, Shot, Flicker, Burst. Modelli di rumore di diodi, BJT e FET. Descrizione del rumore in due porte. Analisi di rumore in presenza di sorgenti incorrelate e correlate. Cifra di rumore, parametri di rumore e loro caratterizzazione sperimentale. Criteri di progetto per amplificatori a basso rumore.
Convertitori di frequenza - mixer:
Caratteristiche principali, isolamento, spurie e rumore; singolo e doppio bilanciamento e relative proprietà. Mixer attivi (cella di Gilbert, a transconduttanza) e passivi (switching). Cenni a mixer cold-fet. "Ibridi" ed esempi di realizzazione e applicazione.
VCO e PLL:
Oscillatori a retroazione (ampiezza e frequenza di oscillazione). Oscillatori a tre punti. Stabilizzazione in frequenza (risonatori e quarzi). Oscillatori cross-coupled. Oscillatori controllati in tensione (VCO) e varactor. Rumore di fase: effetti in ricezione e trasmissione. Analisi dei fenomeni di generazione del rumore di fase in oscillatori (formula di Leeson). Architetture per oscillatori. Anelli ad aggancio di fase (PLL): schemi di tipo 1 e 2 con filtri passivi e attivi, PFD e pompa di carica. Rumore di fase. Sintesi di frequenza integer-N e fractional-N. Architetture per sintesi di frequenza diretta e indiretta.
Amplificatori di trasmissione:
Amplificatori con controllo dell'angolo di conduzione (classe A, B e C). Amplificatori ad alta efficienza: classe F, classe E (cenni a classe D). Tecniche di linearizzazione: back-off, pre distorsione, feed-forward, feed-back, EER e LINC. Envelope Tracking. Amplificatore di Doherty: struttura, funzionamento, modulazione del carico e sua implementazione. Calcolo della caratteristica di potenza di uscita e del rendimento. Cenni a implementazione e varianti. Metodi didattici
- L'insegnamento è organizzato nel seguente modo:
lezioni ed esercizi in aula su tutti gli argomenti del corso. Modalità di verifica dell'apprendimento
- L'esame è orale e prevede domande sugli argomenti svolti a lezione con lo scopo di valutare la comprensione delle problematiche affrontate e la padronanza degli strumenti di analisi e sintesi introdotti.
N.B. La cadenza degli esami è di norma settimanale. Le date vengono fissate solitamente con una o due settimane di anticipo. Per motivi organizzativi la lista d'esame si chiude due giorni prima della data dell'appello.
Il superamento dell’esame è prova dell’aver acquisito la capacità di applicare le conoscenze relative alle architetture dei sistemi radio ed all'analisi e sintesi dei relativi componenti circuitali. Testi di riferimento
- Slide delle lezioni e altro materiale didattico fornito dal docente.
Non esiste un libro di testo che copra l'intero programma del corso. Agli studenti interessati ad approfondire i vari argomenti trattati si consigliano i seguenti testi, tutti reperibili presso la Biblioteca.
B. Razavi, RF Microelectronics, Prentice Hall, seconda edizione, 2012.
M. Steer, Microwave and RF Design: A Systems Approach, SciTech Publishing, 2010.
L.E. Larson, RF and microwave circuit design for wireless communications, Artech House, 1997.
Ludwig, Bretchko, RF Circuit Design: Theory and Applications, Prentice Hall, 2000.
Rohde, Newkirk, RF/Microwave Circuit Design for Wireless Applications, John Wiley, 2000.
S.C. Cripps, RF power amplifiers for wireless communications, Artech Hause, 2006.
G. Ghione, Dispositivi per la microelettronica, McGraw-Hill, 1998.
