Radio SDR: tutto in un unico dispositivo?

Il mondo si muove sempre più in direzione di una connettività wireless onnipresente e anche i dispositivi a funzione fissa, come i cellulari, utilizzano varie bande e protocolli differenti che coesistono nello stesso spazio limitato. Tutto ciò di certo non agevola il lavoro dei progettisti di dispositivi wireless. I moderni smartphone e tablet possono simultaneamente trasmettere e ricevere dati e voce in 3G/4G (e presto anche 5G), Bluetooth, Wi-Fi e forse GPS. La diffusione delle reti PAN (Personal Area Network) a supporto di periferiche e computer “indossabili” aggiungerà un ulteriore carico RF ai progetti già complessi dal punto di vista delle comunicazioni.

Anche all'interno della stessa banda di frequenza, protocolli e servizi differenti e a volte non interoperabili competono per riconoscimento, accettazione, timeslot e quote di mercato. Prendiamo ad esempio la banda ISM a 2,4 GHz: abbiamo Bluetooth, Wi-Fi, ZigBee, telefoni cordless, telemetria e molti altri servizi, tutti esistenti nello stesso spazio.

Ma non finisce qui: i progettisti che devono ottenere il collegamento in un mondo wireless che cambia devono essere consapevoli degli sviluppi dei chipset, degli stack di protocollo, della proprietà intellettuale, nonché di tutta una serie di ambienti di sviluppo, certificazioni, strumenti ed apparecchiature di test.

E se ci fosse un'altra via? Se tutto ciò potesse essere gestito da una singola sezione RF?

Questo articolo esaminerà l'architettura radio SDR (Software-Defined Radio) e i componenti che la supportano. La tecnologia SDR mantiene la sua promessa: è un singolo sistema di elaborazione RF ultraflessibile che può essere programmato per il funzionamento con più frequenze e più protocolli contemporaneamente. Inoltre, la completa programmabilità e la capacità di elaborazione del segnale che caratterizzano la tecnologia radio SDR sono la protezione ideale da nuovi protocolli e servizi che emergono, ma che potrebbero non prendere piede tanto rapidamente. Tutti componenti, le schede dati, i tutorial e i kit di sviluppo che vengono citati sono reperibili nel sito Web di DigiKey.

L'obiettivo è la sostituzione

Le radio hanno funzioni abbastanza compartimentalizzate che lavorano insieme. Ad esempio, un ricevitore utilizzerà un'antenna per accedere a un segnale di basso livello, amplificarlo, filtrarlo, miscelare le frequenze, demodulare un segnale recuperato (utilizzando uno o più schemi di modulazione/demodulazione) e presentare i dati di output come forme d'onda analogiche o digitali. Per i trasmettitori il processo è lo stesso, ma invertito e con la modulazione al posto della demodulazione.

I blocchi di hardware altamente ottimizzati si sono evoluti fino a ottenere stabilità, chiarezza, bassa deriva, buona stabilità termica, dimensioni compatte, basso consumo, buona sensibilità e agevole integrazione dei sistemi. L'obiettivo di una radio SDR in un certo senso è la sostituzione di questi componenti altamente specializzati con tecnologia programmabile e automatizzata.

Idealmente un'antenna si connette a un convertitore A/D , che invia la forma d'onda in banda larga a uno stadio di elaborazione del segnale. Il blocco di elaborazione del segnale estrae quindi il segnale desiderato dal canale desiderato e la banda desiderata dal timeslot desiderato (se applicabile). Tuttavia nella pratica non è così semplice, almeno non ancora.

Tanto per cominciare, non sono disponibili convertitori A/D a velocità dell'ordine dei GHz. Inoltre, se da un lato la profondità di memoria è cresciuta in modo esponenziale, a bande ad esempio di 5 GHz la memoria dello schema sopraindicato richiederebbe 10 Gbyte per creare un buffer di un secondo (considerando campioni a 16 bit).

D'altro canto, i progressi ottenuti nei campi dei processori e dei circuiti integrati hanno certamente reso possibile il partizionamento degli stadi front-end RF in blocchi di elaborazione flessibili e ad alte prestazioni in grado di svolgere la maggior parte delle operazioni di recupero ad alta frequenza e intensità del segnale. A questo punto, i dati vengono passati ad un processore per uso generale, come un PC, un tablet o addirittura uno smartphone, in grado di utilizzare autonomamente il software per creare interfacce utente, controlli, schermate e persino di eseguire alcuni degli schemi di modulazione/demodulazione utilizzando interfacce A/D e D/A o schede audio (Figura 1).


Figura 1: L'hardware front-end ad alta velocità e densità acquisisce i segnali direttamente dall'antenna per eseguire la canalizzazione e la conversione della frequenza di campionamento. I dati possono essere inviati direttamente ad uno stadio di elaborazione del segnale digitale per l'elaborazione in banda base. Un processore per uso generale, come ad esempio un PC, è in grado di utilizzare gli ingressi analogici come una scheda audio per eseguire la demodulazione e gli ingressi/uscite del segnale finale.

I componenti hardware discreti possono essere sostituiti con stadi programmabili per filtri, mixer, modulatori, demodulatori, rilevatori, comparatori, amplificatori, oscillatori e molto altro. Sono già disponibili vari dispositivi per queste operazioni, ideali per i progetti SDR. Ad esempio, prendiamo in considerazione il transceiver Agile RF di Analog Devices: questo dispositivo denominato AD9364 combina un front-end RF con un processore in banda base a segnale misto flessibile e a banda larga (Figura 2).


Figura 2: Il transceiver 1x1 modulare presenta stadi A/D e D/A a 12 bit con bus dati paralleli. I mixer e gli oscillatori locali su chip sono utilizzabili nella bande da 70 MHz fino a 6 GHz.

Sebbene progettato inizialmente per le comunicazioni dati RF 3G/4G, è configurabile tramite un'interfaccia digitale su un processore host che ne consente il funzionamento come transceiver Agile per molti protocolli e bande. L'inclusione di sintetizzatori di frequenza di fascia alta integrati comporta un'interfaccia digitale configurabile nelle operazioni RF.

L'intervallo di frequenza supportato va da 70 MHz a 6 GHz, rendendo il transceiver utile per il supporto di dispositivi esistenti oltre a quelli Wi-Fi moderni. Rientra pertanto anche nell'intervallo di GSM, DECT, Bluetooth, Wi-Fi, WiMAX, ZigBee, nonché di molti altri protocolli e servizi wireless diffusi.

Le altre interessanti funzioni comprendono il controllo e il monitoraggio in tempo reale dei guadagni di segnale e delle funzioni di controllo automatico del guadagno (AGC), nonché un filtro a risposta impulsiva finita (FIR) a 128 tap che produce un segnale di uscita a 12 bit alla frequenza di campionamento appropriata. La programmabilità permette inoltre di utilizzare il dispositivo per entrambe le tecniche TDD (duplex a divisione temporale) e FDD (duplex a divisione in frequenza). Offre larghezze di banda canale sintonizzabili (da 200 kHz a 56 MHz) ed è in grado di dividere parti della banda per flussi di dati ad alta velocità o di suddividere porzioni più ristrette per i segnali a velocità di trasmissione inferiori.

È inoltre disponibile il sistema di sviluppo AD-FMCOMMS4-EBZ, che supporta l'intera gamma da 56 MHz a 6 GHz.

Un altro chip companion del processore da utilizzare in una radio SDR è offerto da Lime Microsystems, con il suo chip transceiver integrato multistandard e multibanda LMS6002DFN. Questo componente offre inoltre una connessione di ingresso e uscita differenziale con bus dati di trasmissione e ricezione paralleli a 12 bit, esattamente come il componente di Analog Devices. LMS6002DFN copre le bande da 300 MHz a 3,8 GHz e offre anche risoluzioni A/D e D/A a 12 bit; è progettato per le nuove stazioni base e i ripetitori a pico- e femto-celle. Questo componente utilizza tecniche di gestione del segnale differenziale all'interno per tutti gli stadi analogici. Il singolo componente copre le radio WCDMA, HSPA, LTE, GSM, CDMA2000 e IEEE 802.16x, tutte sotto controllo software.

Una caratteristica particolarmente interessante di questo componente è rappresentata dai sintetizzatori doppi e separati che permettono il funzionamento full-duplex. Inoltre, possono essere attivi simultaneamente due uscite trasmettitore e tre ingressi ricevitore. Ciò consente il supporto simultaneo di standard e protocolli differenti.

Un'altra caratteristica utile è il controllo del guadagno in trasmissione a due stadi (Figura 3A): uno nella sezione IF, l'altro nella sezione RF. Una singola parola di controllo controlla entrambe le diramazioni I e Q. In modo analogo, sul lato di ingresso è presente un controllo del guadagno a tre stadi (Figura 3B). Gli amplificatori a basso rumore hanno un controllo fine del guadagno tramite una parola di controllo a 6 bit con risoluzione in passi di ±6 db. Un passo di 1 dB sull'AGC può ridurre il guadagno in preparazione del filtraggio dei canali.

Sul sito Web di DigiKey è disponibile un modulo didattico per l'uso del transceiver RF multifunzione LMS6002. Inoltre, questo componente è supportato dal kit di sviluppo MYRIADRF-1 di Lime, basato sul transceiver multistandard flessibile LMS6002 e un modulo FPGA di Altera.


Figura 3A: Uno stadio di trasmissione flessibile a guadagno programmabile sfrutta due amplificatori indipendenti a guadagno programmabile.


Figura 3B: Tre stadi di controllo del guadagno forniscono flessibilità sul condizionamento del segnale di ingresso, compresa la possibilità di effettuare il bypass del filtro passa basso, con una perdita di 0 dB.

Altre soluzioni

Per realizzare una radio SDR è possibile utilizzare, oltre ai componenti specificamente progettati per il funzionamento all'interno di un tale dispositivo, anche i componenti per uso generale di fascia alta che abbiano molte risorse, periferiche e potenza di elaborazione. Un esempio ci è offerto dal processore di segnali digitali (DSP) per uso generale ad alte prestazioni TMS320DM6446AZWT di Texas Instruments. È realmente un sistema su chip, in quanto il CI 361 BGA Digital Media ospita due core: un ARM926 di fascia alta a 297 MHz e un core DSP TMS320C64x+ a 594 MHz.

Questo componente, che appartiene alla serie DaVinci dell'azienda, offre funzioni video, di rete, controllo grafico, segnale misto, smart card, audio, interfaccia ATA e Flash, controllo memoria DDR e USB, solo per elencare alcune delle tante caratteristiche.

L'uso del componente DSP a virgola fissa TMS320C64 nel dispositivo permette a tutti i modulatori, demodulatori e filtri esistenti, nonché ad altri algoritmi di elaborazione del segnale, di essere attivi contemporaneamente al lato digitale. Internamente il DSP indipendente ha le proprie risorse di memoria e la cache per migliorare le prestazioni e ridurre al minimo le interazioni ARM/DSP. TI offre una vasta gamma di strumenti di progettazione, note applicative e materiale didattico utili a tecnici e ingegneri per acquisire dimestichezza con un componente così sofisticato. Un esempio è il modulo di valutazione TMDSEVM642, che supporta le serie di processori C6000, DaVinci e VelociT1.2.

Per riepilogare

È possibile realizzare un approccio unificato di controllo e comunicazioni RF senza dove ricorrere a un gran numero di dispositivi separati. Sebbene alle prime fasi di perfezionamento, gli esempi di radio SDR oggi disponibili sono sufficienti a dimostrare la flessibilità e la validità di questo approccio, che non può che migliorare. Nella sua forma più pura e in un futuro non meglio identificato, un ricevitore SDR potrà consistere semplicemente di un chip di conversione analogico/digitale collegato a un'antenna. Tutte le funzioni di filtraggio e rilevamento del segnale possono avvenire nel dominio digitale, in un normale PC, smartphone, tablet, laptop o computer indossabile.
Per ulteriori informazioni sui componenti discussi in questo articolo, utilizzare i collegamenti forniti per l'accesso alle pagine di prodotto sul sito DigiKey.