Desenvolvimento de um front-end para cognitive radio

Abstract

Nesta tese de mestrado é apresentada uma proposta para novos Front-Ends em Software De ned Radio (SDR) baseado na teoria dos Bancos de Filtros Híbridos (HFB) e que permite aumentar a largura de banda de operação do rádio sem perdas em resolução e gama dinâmica. Para prova de conceito, são apresentados dois Front-Ends que dividem o sinal de entrada (da antena) em 8 ou 64 bandas contíguas em frequência. Ambos os casos permitem a operação para uma largura de banda de 400MHz e com resolução de 16 bits. A divisão do sinal de entrada em múltiplas bandas contíguas em frequência é o ponto fundamental no desenvolvimento deste receptor. Nos artigos de investigação de HFBs nunca foi abordada a forma como na prática o sinal de entrada é dividido. Nesta tese, é sugerido o multiplexer como o elemento que realiza essa divisão. Infelizmente, também o estado da arte dos multiplexers é muito limitado, estando o estudo dessa tecnologia restringido a realizações com Guias de Onda ou Filtros de Cavidades, con gurações que pecam pelas excessivas dimensões e peso. Assim, o objectivo fundamental desta tese passa pela criação de novos multiplexers de reduzidas dimensões, grande número de canais, simplicidade de sintonização e facilidade de replicação. São propostas versões em tecnologia planar e discreta que permitem a divisão do sinal de entrada em 4, 8 ou 16 bandas contíguas em frequência. Para cada multiplexer criado é depois analisado o seu enquadramento num Banco de Filtros Híbridos, isto é, são analisados os custos de distorção e aliasing associados à divisão e posterior reconstrução do sinal no domínio digital. Para esse efeito é usado um método que permite o cálculo dos ltros digitais de síntese a partir dos multiplexers analógicos desenhados, minimizando assim os erros na reconstrução do sinal. Para os casos dos multiplexers de 8 canais criados, os resultados em distorção e aliasing obtidos rondam valores médios entre 􀀀80dB e 􀀀100dB o que valida a proposta de Front-End de SDR com 8 canais. Para terminar, é sugerido uma nova estratégia para a gestão de espectro em Cognitive Radio que melhor se coaduna com a arquitectura do Front-End proposto e que permitirá uma melhor gestão do consumo de potência em dispositivos móveis que funcionem a bateria - caso crítico no Software Radio e Cognitive Radio. Em suma, os objectivos desta tese são a criação de novos multiplexers que facilitem o projecto de Front-Ends baseados na teoria dos Bancos de Filtros Híbridos, e que permitam um aumento da resolução e gama dinâmica do Software Radio relativamente aos padrões actuais da tecnologia.

In this master dissertation, a new Front-End for Sofware-De ned Radio (SDR) based on the Hybrid Filter Bank theory is proposed. This new Front-End has the ability to increase the radio operational bandwith without losing in resolution or dynamic range. For proof of concept, two Radio Front-Ends are proposed, splitting the incoming signal in 8 or 64 channels that are frequency contiguous. In both cases, a total bandwidth of 400 MHz and a resolution of 16 bits is achieved. The input signal splitting is the fundamental point of the radio's development. In scienti c publications on Hybrid Filter Banks it has never been revealed how in practice the signal is splited in contiguous bands. In this master dissertation it is sugested the use of frequency multiplexers to achieve that goal. Unfortunately, there is not much scienti c research on frequency multiplexers, as those studies are mostly based on Cavity Filters and Wave Guides whose dimentions are not proper for mobility purposes. Therefore, the main goal of this dissertation is to develop Frequency Multiplexers with reduced dimentions, a large number of channels, easy to tune and easy to replicate. It is proposed new multiplexers in planar and discrete technology with 4, 8 or 16 channels that are contiguous in frequency. For each developed multiplexer, the behaviour on a Hybrid Filter Bank system is tested. By analysing the distortion and aliasing results attached to the analogic deconstruction and digital reconstruction of the signal, one can conclude if the system is suitable for a radio aplication or not. To obtain better results, it is used a Hybrid Filter Bank method that automatically designs the synthesis (digital) lters by knowing only the analogic lters response. Using this method we can reduce the aliasing and distortion costs of the Hybrid Filter Bank. For the 8 channel Multiplexers, the aliasing and distortion measured was placed between -80dB and -100dB which validates the usage of those systems in a actual Software De ned Radio designs. Finally, a new strategy for spectrum management in Cognitive Radio that allows to reduce the power consup- tion of mobile devices is proposed. In short words, the main goal of this dissertation is to develop new multiplexers that will ease the design of new Software Radio Front-End based on the Hybrid Filter Bank theory.