Questa tecnica non indica particolari tipi di modulazione, poiché il cuore del Ricevitore Digitale è il suo Digital Signal Processor, lo stesso sistema può essere usato sia per segnali  e modulazioni di tipo analogico (AM, FM) che per segnali modulati digitalmente (ASK, FSK, QPSK, QAM …),anche simultaneamente se le risorse sono adeguate. Dato che è il software che determina le caratteristiche della radio, cambiando il software cambia la radio: è per questo motivo che si parla di Software Radio.

Certamente si può obbiettare che in questa evoluzione si perde il fascino dell’autocostruzione, sono lontani ormai i tempi della radio a galena che si poteva costruire con pochi componenti dando altresì grandi emozioni, e comunque non è detto che questa nuova architettura sia molto più complicata di molte strutture completamente hardware, si può dire che si lascia all’inventiva personale lo sviluppo del software o di una parte di esso.

Concetti base di Software Radio.

Si può pensare al sistema Software Radio come ad un personal computer: l’hardware interno è standard per una grande varietà di applicazioni mentre il software ne definisce il funzionamento.Idealmente l’architettura hardware per tale sistema è standard da un dispositivo ad un altro. Il software caricato nel Software Radio definirà lo scopo della radio: che sia un telefono cellulare, un telefono cordless, una radio FM o un altro transceiver.

La potenzialità di questa architettura è rappresentata dal fatto di poter sviluppare nuovi sistemi in modo rapido nell’industria wireless senza la necessità di standard comuni.

Un ulteriore obbiettivo è traslare il segnale in forma digitale il più vicino possibile all’antenna, questo permette al software (il componente più flessibile) di avere più capacità di elaborazione. Attualmente la conversione viene fatta a livello di IF anche se si cerca di effettuare la conversione a livello di alta frequenza seguendo in questo l’evoluzione dei convertitori analogico-digitale.

Si fa la un’ulteriore distinzione tra Software Defined Radio che utilizza hardware dedicato riprogrammabile per l’elaborazione di segnali RF e il cosiddetto “pure software radio” inteso come sistema radio in tempo reale che sfrutta un processore generico (un PC ad esempio) e soltanto un minimo front-end a radio frequenza. In questo caso come piattaforma software radio si definisce un’architettura software a stack.

Gli strati di questo stack di comunicazione sono componenti indipendenti che effettuano uno specifico task  mentre i dati sono trasferiti come messaggi tra un componente e l’altro. Lo stack può essere anche dinamico nel senso che ci può essere uno strato definito “modulation detection” che carica l’appropriato strato per demodulare il segnale ricevuto.

Teniamo presente, inoltre, che la stessa tecnica si applica altrettanto bene in trasmissione  anche se questo argomento non sarà trattato in questo articolo . 

Architettura e blocchi fondamentali di un Ricevitore Digitale.

Consideriamo lo schema classico di un ricevitore super-eterodina analogico (è il noto circuito inventato nel 1917 da Armstrong), la tecnologia digitale può sostituire molti dei tradizionali blocchi analogici anche se si applicano gli stessi principi di base della teoria dei segnali.

 Il Ricevitore Digitale risulta costituito dai seguenti blocchi fondamentali:

· Antenna e front-end (RF o IF):

 questo blocco rappresenta la parte analogica del sistema, il front-end è costituito da un filtro a larga banda e un amplificatore a basso rumore per il debole segnale d’ingresso ed, eventualmente, uno stadio di conversione a frequenza intermedia se la frequenza del segnale d’ingresso è troppo elevata per essere direttamente digitalizzata (cioè supera i 500 MHz).

· Convertitore Analogico-Digitale ad alta velocità:

è un tipo di convertitore detto “pipelined” che ha visto uno sviluppo notevole negli ultimi anni.

Fino a pochi anni fa la tecnologia offriva due alternative: convertitori SAR (Successive Approximation Register) con caratteristiche massime 16 bits / 1-2 MSPS, convertitori FLASH con caratteristiche  massime 8 bits / 1-2 GSPS (la Maxim produce il MAX108 un ADC da 8 bits e 1.5 GSPS).

Tipi particolari sono i convertitori sigma-delta, utilizzati soprattutto per applicazioni audio che sfruttano il guadagno di processo per sovracampionamento per accrescere le loro prestazioni.

I convertitori SAR utilizzano sequenzialmente un comparatore ed un DAC N volte in un ciclo (per questo motivo sono limitati in velocità ma non in numero di bits).

I convertitori FLASH utilizzano 2^N comparatori che danno il risultato in un solo confronto (veloci come un lampo di flash ma con complessità e potenza dissipata che cresce esponenzialmente: non si và oltre gli 8 bits).

Tra i due il convertitore “bit-serial pipeline” usa N comparatori per completare una conversione per ciclo, ciascuna con una latenza di N cicli. Una variante di questa architettura sostituisce ciascun singolo comparatore con un convertitore FLASH ad M bits riducendo la latenza ad N/M cicli.

Una caratterista fondamentale del convertitore è anche il circuito sample and hold (S/H o track and hold: T/H) che deve avere un’adeguata banda passante (molto oltre il doppio della frequenza di Nyquist per applicazioni di sottocampionamento).

Per  sfruttare al massimo la configurabilità software il segnale analogico dovrebbe essere convertito in digitale a frequenza RF. Attualmente i componenti disponibili effettuano conversioni fino a frequenze intorno a 500 MHz, per trattare frequenze superiori è richiesto un ulteriore stadio analogico di conversione a frequenza intermedia. I limiti attuali di questi componenti sono

Dato l’SNR di un convertitore ideale ad N bits (dovuto al rumore di quantizzazione) :

SNR = (6.02N + 1.76)dB,

altri parametri da tenere presenti nella scelta del componente si definiscono

SINAD (SIgnal-to-Noise-And –Distorsion ratio) è il rapporto in dB del segnale d’ingresso rms rispetto alla somma delle altre componenti spettrali(tipicamente le prime 5 armoniche escludendo la dc);

ENOB (Effective Number Of Bits) il rumore del componente impedisce che questo valore sia uguale alla risoluzione del convertitore, si ricava dal SINAD:

ENOB = (SINAD – 1.76 dB) / 6.02;

SFDR (Spurious Free Dynamic Range) è il rapporto in dB del segnale d’ingresso rms rispetto al segnale spurio di picco.

• Selettore di Canale ovvero Digital Down Converter:

come accade nel ricevitore analogico il segnale d’ingresso a larga banda (campioni digitali dal convertitore A/D,) è l’insieme dei canali di un’intera banda a rate elevato, la funzione di questo blocco è selezionare il canale d’interesse e abbassare il rate allo stretto necessario per rappresentare il segnale e trasferirlo allo stadio successivo di elaborazione.

Abbiamo così il mixer, costituito da due moltiplicatori i cui ingressi  sono i campioni del segnale d’ingresso e le componenti in fase e in quadratura (I e Q) dell’oscillatore locale, in questo caso è un  NCO (Numerically Controlled Oscillator) o DDS (Direct Digital Synthesizer).

Confrontato con la corrispondente parte analogica, la stabilità e la precisione della struttura digitale riduce drasticamente i prodotti indesiderati del mixer.

Un’altra distinzione è che, moltiplicando il segnale  d’ingresso per il seno e coseno dell’oscillatore locale si effettua una traslazione del segnale complesso a 0 Hz che è una situazione ideale per i filtri successivi.

I filtri passa-basso digitali di tipo FIR (Finite Impulse Response) sono estremamente stabili ed accurati, oltre ad avere una risposta lineare di fase, e non necessitano di calibrazione e di tuning. Cambiando i coefficienti dei FIR  si possono variare le caratteristiche di banda passante e di attenuazione entro un vasto campo. Questi stessi filtri sono usati per decimare il segnale riducendo di fatto il rate  in uscita da questi.

Dispositivi dedicati che integrano la funzione Digital Down Converter, filtri decimatori e filtri passa-basso del segnale RF campionato sono prodotti da Graychip (ora TI), Intersil (ora Harris) e Analog Devices.

Il primo ricevitore digitale single-chip, introdotto da Graychip nel 1990, è stato il GC1011 un ricevitore a banda stretta. Intersil ha introdotto il suo primo chip l’HSP50016, nel 1992. Attualmente c’è una vasta scelta di dispositivi integrati, così come IP cores per implementare queste funzioni dentro gate arrays (Field Programmable Gate Arrays o Application Specific Integrated Circuit).

La tabella seguente confronta le caratteristiche  di alcuni dispositivi presenti sul mercato:

· Demodulatore:

 il blocco è costituito da FPGA, DSP o processori generici che effettuano le funzioni non solo di demodulazione ma anche equalizzazione del canale, symbol tracking, frame detection, correzione degli errori, decodifica e decompressione (successivi strati del protocollo di comunicazione).

Secondo il tipo di segnale da trattare il demodulatore estrae il segnale analogico campionato  o i dati digitali. Per trasmissioni analogiche standard si usano i classici algoritmi a rivelatore d’inviluppo per AM o a discriminatore di frequenza per FM mentre per trasmissioni di dati si usano i vari schemi di demodulazione di ampiezza, fase e frequenza. Poiché questi dispositivi sono programmabili nuovi schemi o algoritmi di demodulazione possono essere upgradati facilmente caricando nuove routines software.

Molte sono le alternative per realizzare questo blocco : DSP di Texas Instruments, di Analog Devices e di Motorola sono adeguati, ma anche costruttori di FPGA (Xilinx o Altera) forniscono dispositivi in grado di fare elaborazioni digitali dei segnali a velocità e con prestazioni anche più elevate, ma con meno flessibilità di programmazione e di messa a punto.

· Convertitore Digitale-Analogico:

questo blocco è un classico convertitore D/A che restituisce in bassa frequenza il segnale analogico, un filtro anti-immagine ed uno stadio amplificatore di BF con diffusore completano il ricevitore. Nel caso di modulazione digitale quest’ultimo blocco sarà una più semplice interfaccia digitale.

Campionamento dei segnali analogici: il teorema di Nyquist.

Il passaggio dal campo analogico a quello digitale implica la definizione dei parametri delle prestazioni del convertitore A/D: range dinamico, frequenza di campionamento, banda del segnale d’ingresso e prestazioni di rumore e distorsione possono essere ottimizzate tramite un’opportuna scelta del dispositivo ed un appropriato progetto elettrico.

Alla domanda “quale frequenza di campionamento usare?” possiamo darci una risposta semplice ed una meno scontata. La  risposta semplice che ci possiamo dare è che bisogna campionare un segnale analogico ad una frequenza almeno due volte la più alta frequenza del segnale d’ingresso (è uno dei teoremi di Nyquist enunciato anche da Shannon). Shannon tuttavia si spinse un po’ oltre e stabilì che quello realmente necessario è campionare ad una frequenza più grande di due volte la banda del segnale d’ingresso. Questa è la regola di “2 volte la banda del segnale” (diversa da “2 volte la massima frequenza del segnale”) che garantisce che non avvenga il fenomeno di aliasing (cioè una porzione dello spettro del segnale si sovrappone al segnale stesso corrompendolo irrimediabilmente e lo spettro del segnale originario non è più distinguibile). Per evitare questo fenomeno si limita la banda del segnale d’ingresso con un filtro per l’appunto chiamato anti-aliasing. Questa tecnica si indica come sottocampionamento rispetto alla massima frequenza del segnale ma sovracampionamento rispetto alla banda del segnale. Si può sfruttare questa regola per effettuare l’analisi di un segnale la cui banda sia inferiore a metà della frequenza di campionamento del convertitore A/D:

B < Fs/2.

Questa tecnica dà risultati similari alla traslazione (dow-conversion) in banda-base (d’altronde il campionamento di un segnale analogico è assimilabile ad una moltiplicazione, quindi all’effetto di un mixer).

Si parla di guadagno di processo quando la banda del segnale è inferiore alla frequenza di Nyquist (Fs/2):

Gain = 10 log (Fs / 2*B).

Implementazioni Software Radio nel settore cellulari digitali 2G e 3G.

Un notevole impulso in questo settore è stato dato dallo sviluppo di architetture per terminali mobili e stazioni radio base dei cellulari 2G (seconda generazione GSM europeo o IS-95 americano) e quelli 3G (terza generazione UMTS che sta per entrare in funzione). Questa architettura rappresenta un investimento contro l’obsolescenza della struttura hardware man mano che vengono sviluppate nuove tecniche e nuovi standard.

Schede commerciali per applicazioni Software Radio.

Ci sono in commercio molte alternative per fare sperimentazioni in questo settore, tuttavia richiedono un investimento non indifferente, dell’ ordine del migliaio di dollari ed oltre.

Una scheda di acquisizione (e generazione) di segnali molto diffusa è la DAS4020. E’ una scheda per PC con interfaccia PCI (32bit/33MHz) dotata di quattro canali di acquisizione analogica con convertitori AD9225 (12bits/25MSPS) con una banda d’ingresso tipica di 17MHz. Sono disponibili diversi software per gestire l’acquisizione e l’elaborazione dei segnali fra cui SoftWIRE, un’estensione grafica di programmazione per VisualBasic.

Un sistema  della Pentek che permette di realizzare un vero e proprio ricevitore digitale in banda HF (da 100 kHz a 30 MHz), è costituito da una scheda di acquisizione modello 6210 dotata di due canali d’ingresso con convertitori AD6640 (12 bits/65 MSPS) e DDC di tipo HSP50214B  più una scheda di elaborazione modello 4291 con 4 dsp floating-point TMS320C6701.

Un tipico sistema proposto da Hunt Engineering  per il Software Radio è costituito da una scheda HERON-IO2 di acquisizione e di generazione (equipaggiata con 2 convertitor1 A/D  AD9432 12 bits / 105 MSPS, 2 convertitori D/A AD9767 14 bits / 125 MHz e un FPGA per elaborazioni ad alta velocità), una scheda di elaborazione HERON4-c6201 cn un dsp fixed-point TMS320C6201 e una scheda  HEPC9 (interfaccia per PC su bus PCI che può alloggiare 4 schede di elaborazione o di I/O)  più il software di sviluppo.

Progetto di Ricevitore Digitale in banda HF.

Un sistema non molto dispendioso per provare la tecnica SDR  può essere l’impiego un front-end d’antenna, di un convertitore A/D AD6644, un generatore di clock programmabile a DDS e un RSP AD6620  più un’interfaccia verso un PC di adeguata potenza (almeno 700MHz di clock). Attualmente stò realizzando qualche prototipo di questo sistema per sperimentarne le prestazioni. Sul sito http://web.tiscali.it/tecnomedialab si possono trovare maggiori dettagli su questo progetto così come altre informazione sul Software Radio e numerosi links per ulteriori approfondimenti.

Applicazioni commerciali broadcast: DAB.

L’ applicazione Software Radio nata come militare (sistema SPEAKeasy) si è rivolto poi ad applicazioni commerciali di radio broadcast: si parla da tempo di sistemi DAB (Digital Audio Broadcasting) sia terrestri che satellitari.

Il servizio satellitare è già attivo con i satelliti Sirius e XM (chip sets per questi ricevitori sono stati sviluppati da Agere Systems e STMicroelectronics) ma richiede un costo supplementare per la sottoscrizione del servizio.

Nel 2003 si attende il lancio della radio digitale terrestre con la tecnica IBOC (In-Band On-Channel, standard americano), sistemi broadcast AM e FM sono disponibili da TI e iBiquity (i cui ASIC sono sviluppati da PHILIPS) che promettono una qualità CD per audio e la possibilità di inviare nello stesso spettro molte altre informazioni.

Il sistema EUREKA 147 è invece supportato da un consorzio europeo ed utilizza un tipo di modulazione digitale OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing).

Esistono poi una serie di sistemi di ricezione digitale per accrescere le prestazioni degli attuali ricevitori AM/FM commerciali broadcast come il Symphony MOTOROLA.

Conclusioni.

Innegabili sono i vantaggi nel passare dal campo analogico a quello digitale, è un’evoluzione inarrestabile in molti settori della tecnologia attuale.

Anche nelle  telecomunicazioni e in particolare nel campo dei Radioamatori si avvertono questi fermenti d’innovazione,  la cosa importante in tutto questo è che si conservi lo spirito di scoperta e di sperimentazione che da sempre caratterizza questo settore.

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Testo in formato PDF dal sito dell' ARI RIETI

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