CONCLUSIONESEn este proyecto se ha implementado satisfactoriamente una red inalmbricaBluetooth de tres nodos, dentro de un rango de 10 m y utilizando las tarjetasBlueBoard_UV desarrolladas. La comunicacin se hizo usando tres PCs medianteel uso de los stack Bluez y Affix, los cuales ofrecen herramientas que permitieronrealizar y verificar diferentes conceptos de esta tecnologa inalmbrica.Se estudi detalladamente la versin 1.0b de la especificacin Bluetooth, as comolos stack de protocolos Affix y Bluez. Los conceptos de Bluetooth adquiridosfueron esenciales para el desarrollo de este proyecto y se aplicaronespecficamente en la implementacin de la red inalmbrica Bluetooth, principalobjetivo planteado.Se ha podido investigar y analizar ampliamente el mercado de circuitos integradosy sistemas embebidos Bluetooth encontrndose que la cantidad y diversidad deproductos disponibles en el mercado son muy amplias, al igual que el nmero defabricantes que los ofrecen. La Informacin detallada al respecto se puedeencontrar en el CD-ROM adjunto.A lo largo del proyecto, se han podido corroborar las principales ventajas de latecnologa Bluetooth tales como tamao reducido y bajo consumo de potencia. Nose puede afirmar lo mismo acerca del bajo costo, ya que realmente no es aplicableen este momento en Colombia debido a que la mayor parte de los dispositivosrequeridos para el desarrollo o compra de sistemas Bluetooth no est disponibleen nuestro pas, incrementando los costos. A la fecha (Agosto/2003), la circuiteranecesaria para la implementacin de una tarjeta BlueBoard_UV es deaproximadamente US $200.Las arquitecturas utilizadas por Affix y Bluez para implementar las capassuperiores del stack de protocolos Bluetooth son muy similares y se basan enconceptos del subsistema de red de linux (como el de socket Berkeley entreotros), usados por los drivers de los dispositivos de red independientemente delprotocolo que utilicen (Ethernet, X.25, etc).Para lograr que una red de dispositivos Bluetooth interacte con otras tecnologascomo Ethernet, Token Ring, ATM, etc., y adems brinde y utilice los serviciosTCP/IP que estn disponibles en la red, existen el protocolo de encapsulamientode red BNEP de Bluetooth y el perfil PAN. Para lograr esto, Affix y Bluez, se valendel estndar IEEE 802.1d ethernet bridge, implementado por Linux y utilizado paraunificar en el nodo maestro las interfaces de red de Bluetooth en una sola interfazla cual a su vez puede servir de puente hacia una interfaz ethernet, de tal maneraque la red Bluetooth y esta ltima conformen una red TCP/IP transparente a latecnologa de transporte de datos.Las pruebas de desempeo de las tarjetas BlueBoard_UV, realizadas en estetrabajo, revelaron valiosos datos de operacin de los sistemas Bluetooth. Losvalores mximos de distancia y velocidad de transmisin y los rangos de distanciaentre nodos para un ptimo desempeo (Do) tabulados y calculados como partede este anlisis, demuestran el buen funcionamiento de las tarjetas BlueBoard_UVen ambientes ideales (en los que existe lnea de vista entre nodos) y en ambientesreales (tales como oficinas, plantas de produccin y el hogar en los que lascondiciones de operacin no permiten esta lnea de vista). La cobertura plsticapropia de equipos porttiles, tales como telfonos celulares, agendas electrnicasy teclados, refleja su incidencia en el desempeo de las tarjetas de manerasignificativa solamente para los rangos mayores a Do. Adems se logr establecercomunicacin entre tarjetas BlueBoard_UV hasta una distancia mxima de 12m encondiciones normales de operacin. Informacin detallada de las pruebasefectuadas, se puede encontrar en el captulo 5 de este documento.El conjunto de interfaces de las tarjetas BlueBoard_UV01 y BlueBoard_UV02(USB, UART, I2C y PCM), hacen de stas sistemas muy flexibles y completos quefacilitan la integracin de la tecnologa, en general, a cualquier sistemamicroprocesado o microcontrolado. Las capas superiores del stack de protocolosBluetooth en sus versiones para PC y sistemas embebidos se encuentrandisponibles en internet bajo licencia GPL, ya sea para su directa utilizacin o paraser tomados como modelo de referencia para el desarrollo de stacks mssencillos y dedicados a aplicaciones especficas. Las aplicaciones donde puedenutilizarse las tarjetas son ilimitadas, ofreciendo muchas posibilidades para futurosproyectos. Un ejemplo sera la implementacin de un sistema microprocesado omicrocontrolado que contenga las capas superiores del stack Bluetooth (hoststack) no contenidas en las tarjetas BlueBoard_UV. Este sistema interconectadocon una tarjeta BlueBoard_UV conformara un sistema embebido muy flexible y tilpara aplicaciones especficas tales como redes de sensores y actuadoresinalmbricos.

POR VERIFICAR

1.2 CONCEPTOS BSICOS

1.2.1. No Linealidad y Varianza en el Tiempo

Un sistema es lineal si su salida puede expresarse como una combinacin lineal (superposicin) de respuestas de entradas individuales. Esto es:

SiSi x1(t ) y1(t ), x2(t ) y2(t )

Entoncesax1(t ) + bx2(t ) ay1(t ) + ay2(t )

Cualquier sistema que no satisfaga esta condicin es no lineal. Adems, de acuerdo a esta definicin, consideramos un sistema como no lineal si tiene condiciones inciales distintas de cero u offsets (niveles de CD) finitos.Un sistema es invariante en el tiempo si un desplazamiento del tiempo en su entrada resulta en el mismo desplazamiento en tiempo a su salida. Esto es:

Six(t ) y(t )

Entoncesx(t ) y(t )

Un sistema es variante en el tiempo si no satisface esta condicin.

1.2.2. Interferencia Intersimblica

Los sistemas lineales pueden tambin distorsionar una seal si no tienen suficiente ancho de banda. La atenuacin de las componentes de alta frecuencia de una forma de onda cuadrada peridica en un filtro pasa-bajo es un ejemplo familiar de tal comportamiento.

Si suponemos ahora que la salida de un sistema digital consiste de una secuencia aleatoria de unos y ceros y sta se hace pasar a travs del filtro pasa-bajo, entonces la atenuacin de aquellas componentes de alta frecuencia originar que el nivel de los bits sea corrompido por trazos con decaimiento creados por los bits previos. Este fenmeno llamado interferencia intersimblica (ISI) conduce a ndices altos de error en la deteccin de formas de onda aleatorias que son transmitidas en canales de banda limitada.

1.2.3. Procesos aleatorios.

Un proceso aleatorio (o tambin un proceso estocstico) puede definirse como una familia de funciones en el tiempo. Si medimos el voltaje de ruido a travs de un resistor como una funcin del tiempo del da actual, la forma de onda es distinta de la que se mida maana. Para conocer todo acerca del voltaje de ruido, necesitaramos obtener un nmero infinito de mediciones, cada una durante un intervalo de tiempo tambin infinito. Ya que una sola medicin de la forma de onda no proporciona en general un conocimiento adecuado del proceso, an los procesos aleatorios ms simples se extienden en dos dimensiones; es decir, requieren una coleccin de mediciones. De ah la frase familia de funciones.

Esta es la principal diferencia entre seales aleatorias y determinsticas y la principal fuente de confusin. Al utilizar un generador ordinario de seal, siempre consideramos a la salida como una predecible, nica y bien definida forma de onda (excepto quizs por la fase al momento de encender el equipo la cual usualmente no tiene importancia). Con una seal aleatoria como por ejemplo la voz que viaja a travs de una lnea de telfono, no tenemos este lujo, y debemos recurrir a la estadstica obtenida de mltiples mediciones.

Se debe enfatizar que la razn por la que la teora de seales aleatorias es til y prctica es que en muchos casos de inters tales seales pueden modelarse con funciones estadsticas simples que indican, entre otras cosas, qu tanto y que tan rpido vara su amplitud con el tiempo. Adems, los modelos estadsticos pueden utilizarse en conjuncin con la teora familiar de seales determinsticas y sistemas, permitindonos a menudo olvidar momentneamente su naturaleza aleatoria y utilizar tcnicas de anlisis ms intuitivas.

1.2.4. Ruido

El ruido puede definirse como cualquier interferencia no relacionada a la seal de inters. Esta definicin distingue entre ruido y fenmenos determinsticos tales como la distorsin armnica y la intermodulacin. Como otros procesos aleatorios, el ruido se caracteriza por su funcin densidad de probabilidad (PDF) y su densidad espectral de potencia (PSD).

Figura de Ruido.En muchos circuitos analgicos, el ndice seal a ruido (SNR) que se define como el ndice de la potencia de la seal a la potencia total de ruido, es un parmetro importante. La figura de ruido ha sido definida en un nmero de diferentes formas. La definicin ms comnmente aceptada es:

Figura de ruido = SNRin / SNRout

1.2.5. Sensitividad

La sensitividad de un receptor de RF se define como el mnimo nivel de seal que el sistema puede detectar con un aceptable ndice seal a ruido. Para calcular la sensitividad escribimos:

Pin,mn = 174dBm / Hz + NF +10 log B +SNRmin

Donde NF es la figura de ruido del receptor, B es el ancho de banda y SNRmin es el ndice seal a ruido proporcionado por Pin,mn.

1.2.6. Rango Dinmico

El rango dinmico (DR) generalmente se define como el ndice del mximo nivel de entrada que el circuito puede tolerar al nivel mnimo de entrada para el cual el circuito proporciona una calidad de seal razonable.

1.3. MODULACIN Y DETECCIN

Hay dos tipos de modulacin: analgica y digital. La modulacin analgica puede ser por amplitud, fase y frecuencia. En los sistemas de RF digital, la portadora se modula por una seal de banda base digital. La modulacin digital ofrece muchas ventajas sobre la modulacin analgica y es ampliamente utilizada en los sistemas inalmbricos.

Las contrapartes digitales de AM, PM y FM son llamadas tecleo de amplitud (ASK), tecleo por desplazamiento de fase (PSK) y tecleo por desplazamiento de frecuencia (FSK). La manera en la cual la seal de banda base es extrada de la forma de onda modulada tiene gran impacto sobre el desempeo total del sistema, en particular, la calidad de la seal.

1.4. TCNICAS DE ACCESO MLTIPLE Y ESTNDARES INALMBRICOS

Las tcnicas de modulacin y deteccin proporcionan la base para la comunicacin entre solamente un transmisor y un receptor. Para un gran nmero de transceptores en una red, se requieren mtodos adicionales para asegurar la comunicacin entre mltiples usuarios. Tales mtodos son llamados tcnicas de acceso mltiple.

La complejidad de los sistemas inalmbricos obliga a que conformen un estndar. Adems de las tcnicas de modulacin y de acceso mltiple, un estndar inalmbrico incluye detalles como bandas de frecuencia, temporizacin y codificacin de datos a la vez que define pruebas precisas para el desempeo de transceptores.

Tres de las tcnicas ms generalmente utilizadas en los sistemas inalmbricos de comunicacin son el acceso mltiple por divisin de frecuencia (FDMA), el acceso mltiple por divisin del tiempo (TDMA) y el acceso mltiple por divisin de cdigo (CDMA). Por otro lado, algunos de los estndares inalmbricos ms populares son el North American Digital Communication, Global System for Mobile Communications, Qualcomm CDMA y el Digital European Cordless Telephone.

2.1. EFECTOS DE SEGUNDO RDEN EN ELEMENTOS PASIVOS FSICOS

Unas de las fuentes de interferencia que ms llaman la atencin son las imperfecciones en los componentes pasivos. La ausencia en ellos de ganancia de potencia induce a pensar que tienen muy poco que ver con el problema de interferencia electromagntica (EMI). De hecho, es cierto que ellos de por s no producen propiamente interferencias. Sin embargo, el examen detenido de las especificaciones de los fabricantes muestra claramente que todos estos componentes se comportan no slo de una forma que dista de la ideal, sino a veces incluso de forma opuesta a la deseada y sta es la causa de los problemas.

La discrepancia entre comportamiento real y comportamiento ideal se pone de manifiesto especialmente a altas frecuencias, lo que significa que es grave, no slo en los circuitos digitales rpidos y de radiofrecuencia, sino tambin precisamente cuando se trata de suprimir los transitorios, que son un problema habitual en compatibilidad electromagntica (EMC).

2.2. CIRCUITOS RESONANTES

Los circuitos resonantes se utilizan para seleccionar frecuencias de inters para su procesamiento en un receptor. Un filtro de banda de paso se utiliza en aplicaciones en donde un rango angosto de frecuencias debe pasar con muy poca atenuacin. Todas las seales por arriba y por abajo de la banda de paso seleccionada deben atenuarse en gran medida.

Aunque sera provechoso tener filtros ideales que pasaran una banda de frecuencias sin atenuacin y con atenuacin infinita a todas las frecuencias en las bandas laterales, esto es imposible, tanto en la teora como en la prctica. Todos los filtros tendrn alguna pendiente a los lados u ondulaciones en la banda de paso caracterstica.

Tambin hay cierta prdida de energa en la banda de paso del filtro que es causada por la resistencia en los elementos reactivos que constituyen al filtro.

2.3. ACOPLAMIENTO DE IMPEDANCIAS Y FILTRADO DE ARMNICAS

A altas frecuencias, la ganancia y altos niveles de potencia no son fcilmente obtenidos como cuando son obtenidos a frecuencias de audio. Cuando solamente se puede obtener una ganancia de 5 dB en una etapa a transistor, una prdida de an 1 dB debida a un desacoplamiento de impedancia no puede tolerarse. Ya que la impedancia de salida de una etapa es raramente la misma que la impedancia de entrada de la siguiente etapa, se requiere alguna red de acoplamiento de impedancias.

Adems de desplazar los niveles de impedancia hacia arriba o hacia abajo, estas redes tienen que desempear funciones adicionales; pueden requerir anchos de banda amplios o anchos de banda angostos cuando se utilizan para filtrado de armnicos; tambin puede ser que tengan que dejar pasar niveles de CD para propsitos de polarizacin o puede ser que tengan que bloquearlos. Las prdidas por disipacin en la red tambin deben tenerse en mente; no tendra sentido construir una red de acoplamiento para una situacin donde la prdida por desacoplamiento fuera de solamente 2 dB si la red que se pretende utilizar disipara 3 dB de la potencia aplicada.

Amplificadores de Bajo Ruido yMezcladores

3.1. CONCEPTOS BSICOS SOBRE LNAs (LOW NOISE AMPLIFIERS AMPLIFICADORES DE BAJO RUIDO)

En la siguiente tabla se muestra una lista de valores aceptables como mtrica de desempeo de LNA utilizados en arquitecturas heterodinas.

Caractersticas tpicas de un LNA en sistemas heterodinos.NF2 dB

IIP3-10 dBm

Ganancia15 dB

Impedancia de entrada y salida50 ohm

Prdidas de entrada y retorno a la salida-15 dB

Aislamiento inverso20 dB

Factor de estabilidad> 1

Es instructivo considerar cada valor y su efecto en el desempeo total.

Ya que el LNA es la primera etapa de ganancia en la trayectoria de recepcin en un transceptor, su figura de ruido se aade a la del sistema. Con un NF de 2 dB para el duplexer, esto resulta en un valor total de 4 dB si es que las figuras de ruido de las etapas siguientes son despreciadas. As, si por ejemplo, si se requiere un SNR de 8 dB en un ancho de banda de 200 KHz., la sensitividad de entrada es de aproximadamente -109 dBm.

3.2. MEZCLADORES DE CONVERSIN DESCENDENTE

Los mezcladores realizan una traslacin de frecuencia multiplicando dos seales (y posiblemente sus armnicos). Los mezcladores de conversin hacia abajo empleados en la parte de recepcin tienen dos entradas distintas, llamadas el puerto de RF y el puerto LO (Local Oscillator). El puerto de RF recibe la seal a ser convertida hacia abajo y el puerto LO recibe la forma de onda peridica generada por el oscilador local.

Algunos parmetros de desempeo de mezcladores tpicos se muestran en la tabla 3.2.

Caractersticas de mezclador tpicoNF12 dB

IIP3+ 5 dBm

Ganancia10 dB

Impedancia de entrada50 ohm

Aislamiento de puerto a puerto10 - 12 dB

Osciladores

4.1. OSCILADOR CON RESISTENCIA NEGATIVA Y CON RETROALIMENTACIN

La idea tras el diseo de osciladores con resistencia negativa es crear un sistema sin prdidas .As, a partir de un circuito LC, se trata de cancelar las prdidas que el circuito exhibe debido a la resistencia positiva con una resistencia negativa. El segundo mtodo est basado en la teora de la retroalimentacin. Partiendo de la funcin de transferencia de un amplificador con ganancia A:

A' = Vo / Vi = A / 1 A

Se deben considerar tres condiciones separadas que dependen del valor del denominador de la expresin anterior:

1. Retroalimentacin positiva. Si el mdulo de (1 A) es menor que la unidad, entonces la ganancia del sistema A es mayor que la ganancia del amplificador A y de ah que el efecto de la retroalimentacin se dice que es positivo.2. Retroalimentacin negativa. Si el mdulo de (1 A) > 1, entonces A < A 3. Oscilacin. Si el mdulo de (1 A) = 0, entonces la ganancia A es infinita debido a que sin entrada (Vi = 0) an hay una salida y: A = 1.

Debe notarse que la forma de onda de la seal no necesita ser senoidal y, de hecho, puede tomar cualquier forma siempre que la forma de onda que retroalimentada, Vo , sea idntica a la seal presente en el puerto de entrada del amplificador. Sin embargo, la idea es generar una portadora para un sistema de telecomunicacin y de ah que solamente seales senoidales son aceptables pues cualquier otra forma de onda generar otras portadoras (armnicas de la fundamental) y causarn interferencia con la transmisin de otras estaciones.

4.2. OSCILADOR A CRISTAL

El oscilador utilizado en un transmisor debe tener poca tolerancia en la estabilidad de su frecuencia. Esto es necesario si se tiene que evitar interferencia entre estaciones de radio. La variacin en frecuencia de un oscilador ordinario LC, por ejemplo, lo hace inadecuado para este propsito. Por otro lado, aprovechando las caractersticas de un cristal, se puede obtener mucho ms estabilidad en un oscilador utilizndolo en un oscilador.

4.3. OSCILADOR CONTROLADO POR VOLTAJE (VCO VOLTAGE CONTROLLEDOSCILLATOR)

El VCO debe producir una frecuencia de salida sobre el rango completo que necesita el diseador y debe ser capaz de mover su frecuencia bajo el control total de un voltaje de control de CD. El oscilador debe tener una buena estabilidad en periodo corto para que ningn ruido significante de banda lateral se genere.

En particular, debe prevenirse la modulacin aleatoria de amplitud cuando el lazo de retroalimentacin en un PLL no puede corregir esto. Por otro lado, la variacin en perodo largo no debe considerarse por el diseado, ya que en un PLL sta es controlada por el lazo.

Sintetizadores de Frecuencia

5.1. EL PLL (PHASE LOCKED LOOP LAZO DE AMARRE DE FASE)

Es un dispositivo cuyos componentes principales son un VCO y un comparador de fase. El comparador de fase produce un voltaje de salida que es proporcional a la diferencia de fases entre dos seales que se aplican.

Cuando hay una diferencia de fase entre la salida del VCO y la entrada del PLL, el comparador de fase produce un voltaje que se filtra y retroalimenta a la entrada del VCO. Esta retroalimentacin se dispone de tal manera que el voltaje del VCO la hace cambiar la frecuencia de su salida lo necesario para llevar la diferencia de fase a cero. Se observar que una diferencia pequea entre las dos frecuencias aplicadas al comparador de fase tiene el mismo efecto que una diferencia de fase.

Entre las muchas aplicaciones de un PLL se encuentra la demodulacin de FM que es una de las ms comunes.

5.2. SINTETIZADORES DE FRECUENCIA

Sintetizar significa formar una entidad al combinar partes o elementos. Un sintetizador de frecuencia se utiliza para generar muchas frecuencias de salida a travs de la suma, resta, multiplicacin y divisin de un nmero ms pequeo de fuentes fijas de frecuencias. Dicho de forma sencilla, un sintetizador de frecuencias es un generador de frecuencias variables controlado por cristales.

El objetivo de un sintetizador es doble. Debe producir frecuencias como sea posible con un nmero mnimo de fuentes, y cada frecuencia tiene que ser tan exacta y estable como cualquier otra frecuencia. El sintetizador ideal de frecuencias puede generar cientos o hasta miles de frecuencias distintas con un oscilador de cristal simple.

Un sintetizador de frecuencias puede ser capaz de generar simultneamente ms de una frecuencia de salida, y puede ser sncrona cada frecuencia a una sola referencia o a una frecuencia maestra del oscilador. Los sintetizadores de frecuencia se utilizan extensamente en equipos de prueba y de medicin (generadores de seales para audio y RF), equipo de generacin de tonos para marcar unidades de control remoto (sintetizadores electrnicos), sistemas de comunicaciones de canales mltiples (telefona) y sintetizadores de msica.

Esencialmente hay dos mtodos para la sntesis de frecuencias: directa e indirecta. Con la sntesis de frecuencias directa, se generan frecuencias de salida mltiples al mezclar las salidas desde dos ms fuentes de frecuencias controladas por cristal, o al dividir o multiplicar la frecuencia de salida desde un oscilador de cristal simple. Con la sntesis de frecuencias indirecta, un divisor / multiplicador controlado por retroalimentacin (como el PLL) se utiliza para generar frecuencias de salida mltiples. La sntesis de frecuencias indirecta es ms lenta y ms susceptible al ruido; sin embargo, es menos costosa y requiere filtros menos complicados y muy pocos en cantidad que la sntesis de frecuencias directa.

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