Aplicaciones avanzadas del principio superregenerativo a comunicaciones por radiofrecuencia

Abstract

There exists today an increasing demand for wireless devices which require low cost and minimum power consumption radiofrequency front-ends. Precisely, these are two remarkable characteristics of the superregenerative receiver (SR). In this thesis, we present some novel applications of the SR receiver which make use of both simple methods and simple implementations that fit perfectly with its main features.

The superregenerative reception principle was presented for the first time in 1922, and it was initially used with analog amplitude modulations, such as voice communications. The same principle was spread to digital amplitude modulations in applications where data transmission was required. Moreover, it has also been used in frequency modulation reception through an FM-to-AM conversion mechanism, but due to the inherent characteristics of the receiver, it is only suitable with wide band modulations.In the latest few years, some SR receiver proposals for phase modulation detection have emerged. It has been demonstrated that, with this type of modulation, the resulting architecture might be even simpler than the traditional ones devoted to detect amplitude modulations.

This thesis advances in this line and its main goal is to discover new possibilities of the SR receiver in angular modulation detection, which have been little exploited so far. With this aim, a variety of prototypes were designed and implemented for PSK modulations on the one hand and, on the other hand, for narrow band FSK modulations.

More specificifically, the thesis describes a SR QPSK transceiver and a SR M-PSK transceiver. These transceivers make use of a digital phase detection technique that is very simple. In order to confirm the viability of the proposed idea, some implementations in the HF band operating at a symbol rate of 10 kHz were developed. Regarding frequency modulations, we present a SR receiver detection method suitable for the narrowband case. This method is based on the observation of the instantaneous phase once per symbol, so that we are able to detect the received frequency through the value of the detected phase. For this case two implementations are presented: a SR receiver for Sunde's FSK modulation, and a SR receiver for MSK modulation.

By using the designed SR receiver for the MSK modulations as a starting point, a SR MSK transceiver compatible with the IEEE 802.15.4 standard is implemented. This standard defines the physical layer and the medium access control (MAC) layer used for low speed wireless personal area network, a field in which the SR receiver fits perfectly.

Finally, we describe a synchronization method for SR MSK receivers at the symbol, chip and frame levels. This method is presented in a general way and it is able to sinchronize through any preamble satisfying some specific requirements. In particular, we describe an implementation that aims to synchronize IEEE 802.15.4 standard frames.

Simplicity has been prioritized in all the presented designs and implementations in order to potentiate the characteristic low cost and low power consumption features of the SR receiver. Likewise, we prove that this kind of receiver is especially efficient in the detection of phase and narrowband frequency modulations.

Actualmente existe una demanda creciente de dispositivos inalámbricos que requieren el uso de front-ends de radiofrecuencia de bajo coste y consumo de potencia reducido, requisitos en los que el receptor superregenerativo (SR) destaca de forma especial. En esta tesis, se presentan distintas aplicaciones novedosas del receptor SR con métodos e implementaciones simples en consonancia con sus principales prestaciones. El principio de recepción superregenerativo fue presentado en el año 1922, siendo utilizado en sus inicios para modulaciones analógicas de amplitud como, por ejemplo, comunicaciones de voz. El mismo principio fue extendido posteriormente a modulaciones de amplitud digitales en aplicaciones que requerían la transmisión de datos. Por otro lado, también se ha utilizado en la recepción de modulaciones de frecuencia, mediante un mecanismo de conversión de modulación de frecuencia a modulación de amplitud. Sin embargo, debido a las características intrínsecas del receptor, este solo resulta adecuado para modulaciones de banda ancha. En los últimos años, han surgido algunas propuestas de receptor SR para modulaciones de fase. Se ha demostrado que, con este tipo de modulaciones, la arquitectura resultante puede ser incluso más simple que las tradicionales para la detección de modulaciones de amplitud. Esta tesis avanza precisamente en esta línea y tiene como objetivo descubrir nuevas posibilidades de utilización del receptor SR en la detección de modulaciones angulares, poco explotadas hasta el momento en combinación con este tipo de receptor. Con este objetivo, se diseñan e implementan diversos prototipos para modulaciones de fase PSK, por un lado, y para modulaciones de frecuencia FSK de banda estrecha, por otro. Más concretamente, se describe un transceptor SR QPSK y un transceptor SR M-PSK. Estos transceptores se basan en una técnica de detección de fase digital de gran simplicidad. Se han realizado implementaciones en la banda de HF operando a una frecuencia de símbolo de 10 kHz, con el fin de demostrar la viabilidad del concepto propuesto. Con respecto a las modulaciones de frecuencia, se presenta un método de detección con receptor SR para el caso de banda estrecha. Este método se basa en observar la fase instantánea una vez por símbolo, consiguiendo detectar la frecuencia recibida a través del valor de la fase detectada. En este caso, se presentan dos implementaciones: un receptor SR para la modulación FSK de Sunde y un receptor SR para la modulación MSK. Utilizando el receptor SR para la modulación MSK diseñado como punto de partida, se implementa un transceptor SR MSK compatible con el estándar 802.15.4. Este estándar define la capa física y la capa de control de acceso al medio (MAC) para redes inalámbricas de área personal de baja velocidad, ámbito en el cual el receptor SR encaja a la perfección. Finalmente, se describe un método de sincronización para receptores SR MSK a nivel de símbolo, de chip y de trama. Este método se presenta de forma genérica, pudiéndose sincronizar con cualquier preámbulo que cumpla unas características determinadas. En particular, se describe una implementación que tiene como objetivo sincronizar tramas del estándar IEEE 802.15.4.