CAPITOLO 2

CAPITOLO 2

SOFTWARE DEFINED RADIO

L’enorme diffusione dei sistemi di comunicazione di tipo wireless ed il successivo sviluppo ad un ritmo frenetico di numerosi standards e protocolli, ha portato alla necessità di creare dispositivi che permettano l’interoperabilità tra i vari sistemi.

Il concetto di Software Defined Radio (SDR) sta riscuotendo ultimamente un enorme interesse nel campo delle telecomunicazioni radio. Il SDR infatti, promette di risolvere le problematiche brevemente introdotte in precedenza, e qualora applicata rivoluzionerebbe il mondo delle trasmissioni wireless. Il punto chiave del SDR è la flessibilità garantita dalla riprogrammabilità software di questi dispositivi digitali. Un vantaggio chiaramente intuibile è che ciò aiuterà ad estendere le funzionalità del sistema ad un ampio range di trasmissioni radio.

In questo capitolo si illustrano inizialmente i concetti fondamentali del SDR ed in seguito i benefici di un terminale flessibile e riconfigurabile. Si analizza inoltre in che modo il concetto SDR si rifletta nella struttura del terminale, che cosa si intende per software e in che modo verrebbe eseguito il download.

2.1 Verso la Software Defined Radio

Software defined radio (SDR) è emersa dall’oscurità per essere proclamata, negli ultimi anni, come una potenziale soluzione alla nostra storica e continua incapacità di ottenere un unico standard globale [17]. Un tale scenario di terminali riconfigurabili, capaci di adattarsi alle diverse interfacce radio regionali, sembra un opzione veramente avvincente.

Ad una prima analisi, l’introduzione del vero software riconfigurabile “universal handset” è tuttora un’utopia. Comunque, il potenziale impatto delle tecnologie software radio sarà profondo, estendendosi a reti, applicazioni, servizi, gestione dello spettro e strutture industriali.

Nell’ultimo decennio del ventesimo secolo SDR ebbe una incredibile e rapida transizione, da un oscuro concetto militare e accademico verso una credibilità commerciale nel mercato della telefonia mobile. In parte questo era dovuto sia ad un rapido cambiamento dell’ambiente tecnologico, sia alla sua attrazione come potenziale panacea per le difficoltà di assicurare comuni standard globali per le comunicazioni mobili ed in parte dovuto all’esistenza di tecnologie che potevano prontamente adottare l’acronimo SDR.

Software radio nella sua forma pragmatica sta già influenzando il mercato; nelle sue forme più avanzate influenzerà senza dubbio, a tempo debito, il complesso mondo delle tecnologie emergenti del ventunesimo secolo coinvolgendo l’intera industria.

Come sarà realizzato? Quali saranno i benefici che deriveranno dall’introduzione delle tecnologie software radio e chi trarrà questi benefici? In primo piano:

• per gli utenti: roaming internazionale più semplice, servizi migliori e più flessibili, aumento della personalizzazione e della scelta

• per gli operatori delle reti mobili: il potenziale rapido sviluppo e l’introduzione di nuovi strumenti per l’incremento della clientela, nuovi servizi addizionali e fonti di guadagno, costi ridotti e incremento di reti evolute, aumento di flessibilità nell’uso e gestione dello spettro

• per handset e base station: la promessa di nuove economie di scala, aumento e miglioramento della flessibilità di produzione e una rapida evoluzione dei prodotti • per i moderatori: la prospettiva di un aumento dell’efficienza spettrale, miglior uso di

“Software radio” è apparso come un termine accettato durante gli ultimi anni, ma questo in realtà si è sviluppato nel tempo assumendo diversi significati secondo il campo di utilizzo. La velocità di sviluppo delle tecnologie digitali e software continuerà ad accelerare, così come il proliferare di consumatori di prodotti wireless, nonostante il ribasso del mercato nel 2001. Tutti questi fattori hanno spinto investimenti nella “software radio”, così da permettere di raccogliere i frutti del 3rd Generation Mobile Communications (3G), mercato del “sempre e dovunque”.

Tutti i tipi di prodotti nel campo della multimedia, internet, digital set-top boxes fino ai terminali personal mobile, saranno influenzati dalla “software radio” [17].

In realtà, come sopra scritto, la “software radio” non è una nuova tecnologia ma piuttosto rispecchia la convergenza di due forti tecnologie dinamiche sviluppate negli anni novanta, radio digitale e tecnologie software. La prima ha facilitato la rivoluzione wireless che segnò l’inizio del grande mercato della telefonia mobile mentre la seconda, nello stesso periodo, ha sia agevolato che dominato la diffusione crescente di internet.

L’enorme crescita e convergenza di questi due mercati ha permesso nuove applicazioni su reti di comunicazioni mobili di seconda (2G) e terza (3G) generazione e ha simultaneamente cambiato la preesistente regola di base dell’industria wireless.

Gli innovativi concetti tecnici della software radio furono originati non in ambito commerciale ma militare. Agli inizi degli anni novanta il dipartimento della difesa americano fondò un considerevole programma orientato alla difesa, meglio conosciuto come SPEAKeasy; da allora altri programmi nazionali e collaborazioni multinazionali sono stati messi in pratica.

SPEAKeasy introdusse una rivoluzione nella dominante architettura dei sistemi di comunicazione radio. Il suo concetto principale era ottenere uno standard ben definito di interfacce e funzioni che permetteva di realizzare sistemi radio interoperabili e flessibili.

Per l’esercito, la tecnologia software radio fu pensata come un modo di migliorare l’interoperabilità e contemporaneamente ridurre i costi di approvvigionamento, assicurandosi molti dei benefici del Commercial Of the Shelf (COTS), utilizzare cioè applicazioni prefabbricate di terze parti, evitando così molte costrizioni.

Il Modular Multifunction Information Transfer System (MMITS) forum aveva origine all’interno dell’esercito, verso la fine degli anni novanta cambiò pretesti e nome diventando l’attuale Software Defined Radio (SDR) forum.

La facile credibilità della software radio nel mercato wireless commerciale fu subito ben pubblicizzata dalla BellSouth Cellular nel dicembre 1995. Da quel momento la ricerca e lo sviluppo ebbero una frenetica attività, inizialmente in nord America e successivamente in Europa e in altri paesi.

La Commissione Europea riconobbe la potenziale importanza della software radio e organizzò conferenze con la partecipazione del MMITS forum. Di seguito il progetto di ricerca e sviluppo sotto l’auspicio dell’Unione Europea, con i programmi di lavoro Advanced Communications Technologies and Services (ACTS) e Information Society Technologies (IST), si concentrò sul concetto di “radio riconfigurabile” per 3G e oltre.

Il legame fra SDR forum e l’Institute of Electronics, Information, and Communication Engineers (IEICE) forum in Giappone stimolava analogamente ricerca e innovazione nella regione asiatica.

Vediamo ora una breve panoramica dei progetti di ricerca in ambito SDR nel mondo [21]. Uno dei più significativi è il Joint Tactical Radio System (JTRS), basato sulla architettura SCA e sviluppato dal dipartimento della difesa americana congiuntamente con SDR Forum. L’esigenza principale che ha portato a questo progetto è l’esistenza di numerosi standard di trasmissione differenti tra i vari corpi militari. Questo, in un’azione congiunta, comprometterebbe la possibilità di comunicazione tra di loro senza l’ausilio di terminali multi-mode. Lo scopo del progetto è quello di realizzare un terminale mobile capace di coprire inizialmente frequenze da 2 MHz a 2 GHz e che sia riconfigurabile con la maggior parte degli standard sia militari che civili. Molti prototipi limitati sono stati realizzati in modo promettente [22].

Un progetto molto ambizioso è quello del MIT denominato Oxygen, che si propone di realizzare dispositivi intelligenti e pervasivi, in modo da entrare sempre più pesantemente nella vita degli esseri umani. Un punto fondamentale di questa visione è la capacità di questi sistemi di interoperare tra di loro e soprattutto con tutti gli altri sistemi già esistenti. Per soddisfare questo requisito, nel progetto Oxygen stanno testando approcci basati su SDR [23]. L’istituto francese Eurecom sta sviluppando un progetto che ha l’obiettivo di realizzare su una piattaforma SDR, denominata Open Software Radio Platform, molteplici standard di telefonia mobile.

2.2 Il concetto di Software Defined Radio

Storicamente il termine “Software Radio” fu introdotto per la prima volta da Joe Mitola nel 1991 per segnalare il cambiamento dalla radio digitale degli anni ’80 alla innovativa radio di nuova generazione multi-banda, multi-modo definibile via software [12].

Al giorno d’oggi non esiste una vera e propria definizione univoca e globale di Software Defined Radio. Il termine è di solito usato per riferirsi ad un ricetrasmettitore radio i cui parametri chiave sono definiti via software. Agendo semplicemente su programmi software, senza modificare la piattaforma hardware, è possibile riconfigurare il sistema in modo che possa riuscire ad operare in qualsiasi contesto trasmissivo e supportare diverse funzionalità. Nella letteratura vengono utilizzati diversi termini per indicare sistemi mobili programmabili o riconfigurabili:

• Software Defined Radio (SDR): questo termine è adottato dall’SDR forum, un ente internazionale che valuta gli aspetti standard del “software radio”.

• Multi-Standard Terminal (MST): questo tipo di terminale non è necessariamente un software defined radio, anche se può essere implementato in questo modo. Semplicemente esso si riferisce a terminali che sono capaci di operare con diversi standard. Questo tipo di terminali offrirà sia un roaming internazionale completo rispetto ad un componente single-standard, sia un facile processo di upgrade in grado di trasformare un sistema che utilizza standard datati in uno di nuova concezione, ad esempio, la transizione da Global System for Mobile Communications (GSM) a Wideband Code-Division Multiple Access (WCDMA).

• Reconfigurable Radio: questo termine è usato per indicare la possibilità di riconfigurare sia il software che il firmware, ad esempio, attraverso l’uso di componenti logici programmabili come i Field Programmable Gate Array (FPGA). • Flexible Architecture Radio (FAR): questa è una definizione più estesa rispetto alla

precedente. Essa suggerisce che tutti gli aspetti del sistema radio sono flessibili, non solamente la sezione baseband/digital. Una vera FAR deve consentire ai parametri come numero e tipo di stadi up/downconversion di essere alterati via software come anche, per esempio, la banda dei filtri a IF e quella a RF. Questo è chiaramente un obbiettivo puramente utopistico per la “software radio”.

Ulteriori termini, che sono una semplice variazione di quelli sopra menzionati, sono in uso; tuttavia, questi si riconducono ad una delle suddette categorie [20].

Oggi il punto di riferimento per la ricerca e sviluppo in questo campo è costituito dall’SDR Forum, una organizzazione internazionale senza scopo di lucro nata nel 1996 con il fine di accelerare lo sviluppo di sistemi di comunicazione radio basati sul concetto di SDR fornendo delle linee guida. Il concetto di SDR ha avuto un consenso altamente positivo, tale che si contano più di 100 organizzazioni in tutto il mondo che partecipano al forum. Tra queste molte sono costituite da aziende costruttrici di apparati radio, che ovviamente trarrebbero ampi benefici da uno standard, anche de-facto, comune, ma anche da università che contribuiscono con la ricerca scientifica.

Il Forum ha definito il concetto di SDR distinguendo 5 livelli:

• Il livello 0: Hardware Radio (HR), si riferisce ad un sistema implementato usando solo componenti hardware non riprogrammabili e che quindi non può essere aggiornato a meno di una sostituzione fisica di una parte del sistema.

• Il livello 1: Software Controlled Radio (SCR), fa riferimento ad un sistema realizzato in software nella sola parte di controllo ed ha quindi una flessibilità limitata. Questo modello è molto simile agli apparati radio digitali odierni.

• Il livello 2: Software Defined Radio (SDR), tale sistema inizia ad assomigliare all’idea che Mitola sviluppò. Rispetto al modello precedente, la flessibilità è introdotta anche al livello fisico. Tramite software è possibile realizzare un controllo su varie funzionalità, come le tecniche di modulazione, funzioni di sicurezza, elaborazioni del segnale a banda larga e a banda stretta. Inoltre è possibile coprire un ampio intervallo di frequenze, che comprende diversi standard di comunicazione, grazie ad una operazione di commutazione del sistema di antenna.

• Il livello 3: Ideal Software Radio (ISR), è il punto di riferimento del concetto di radio definita via software. Il segnale viene trattato in digitale in tutto il sistema, fatta eccezione per l’antenna ed eventuali trasduttori per l’utente finale. Rispetto al livello precedente, si eliminano l’amplificazione, il filtraggio e la conversione di frequenza che vengono realizzati con componenti analogici prima della conversione analogico/digitale. Il sistema è completamente programmabile.

• Il livello 4: Ultimate Software Radio (USR), risulta essere un dispositivo puramente utopico che possiede il massimo della flessibilità e che raramente riuscirà ad essere

realizzato, ma che appunto è visto come la meta da raggiungere e funge solo come termine di confronto. Supporta via software traffico programmabile, informazioni di controllo, diverse applicazioni in un ampio intervallo di frequenze. Può operare in qualsiasi contesto, fornendo servizi con qualsiasi standard di comunicazione, con qualsiasi banda di frequenza. In tempi dell’ordine dei millisecondi, l’utente può cambiare il tipo di air-interface in base al tipo di scenario in cui si trova. Con la tecnologia delle smart card, l’utente può gestire il suo denaro che può essere utilizzato per accedere a vari servizi, videoconferenza ed e-commerce, nonché per assicurarsi garanzie sulla QoS. Esso risulterebbe superleggero e a basso consumo energetico in modo da poter essere facilmente integrato in un terminale mobile. Non avrà nessuna antenna esterna e nessuna limitazione sulle frequenze operative e avrà una capacità enorme di calcolo per poter soddisfare tutte le esigenze dell’utente.

Come si può intuire dal suo nome, l’SDR forum indica il più ambizioso terminale oggi realizzabile, che può essere introdotto nel mercato delle telecomunicazioni, quello classificato come Software Defined Radio [13],[16].

Il concetto di Software Defined Radio sta riscuotendo ultimamente un enorme interesse nel campo delle telecomunicazioni radio. La SDR infatti, promette di risolvere le problematiche brevemente introdotte in precedenza e qualora applicata rivoluzionerebbe il mondo delle trasmissioni wireless.

Negli ultimi anni si è assistito all’avvio della sostituzione nei sistemi radio degli stadi analogici con quelli digitali, e la tendenza sembra essere quella di muoversi verso “il tutto” digitale, per i moltissimi vantaggi che questo ultimo comporta a differenza dell’analogico. L’ultimo passo nell’evoluzione digitale sembra portare nella direzione della SDR. Il concetto di SDR è semplice, si tratta di un sistema radio interamente implementato in digitale. Ciò equivale a dire che si cerca di sostituire per quanto possibile gli stadi analogici a favore di hardware riprogrammabile (DSP, FPGA, processori generici).

Il punto chiave della SDR è la flessibilità, garantita dalla riprogrammabilità software di questi dispositivi digitali. Un vantaggio chiaramente intuibile è che questo aiuterà ad estendere le funzionalità del sistema ad un ampia gamma di trasmissioni radio. Infatti i moduli software che implementano i diversi standard potranno essere caricati in tempo reale sul dispositivo a seconda dell’esigenza, con tecniche Over-The-Air (OTA) o con moduli di memoria, smartcard. Inoltre si potranno aggiungere nei terminali mobili nuovi servizi e gli eventuali

aggiornamenti, ad esempio per la correzione dei difetti, potranno essere realizzati in maniera automatica ed autonoma.

Un SDR è definito come una radio in cui la digitalizzazione del segnale in ricezione è eseguita in qualche stadio a valle dell’antenna, tipicamente dopo il filtro a banda larga o l’amplificatore a basso rumore. Il processo inverso avviene per la digitalizzazione in trasmissione.

La figura 2.1 fornisce un illustrazione della definizione concettuale [16].

Figura 2.1 Definizione concettuali di Software Defined Radio (SDR)

Nell’esempio di figura 2.1, il convertitore analogico-digitale (A/D) è posizionato dopo l’elaboratore a frequenza intermedia. Come indicato, l’elaborazione in banda base è gestita via software e un’interfaccia uomo-macchina permette l’inserimento manuale di qualche parametro da parte dell’utente. L’architettura in questo caso, dove l’elaborazione del segnale è portata a termine via software, viene considerata solo da alcuni una SDR.

Sicuramente è possibile implementare processi digitali in banda base con Application-Specific Integrated Circuits (ASIC), in questo caso la radio può essere considerata una radio digitale ma non un SDR. Se il convertitore A/D viene spostato nelle vicinanze dell’antenna, la radio tende alla condizione ideale chiamata Software Radio (SR). Sebbene le definizioni di SR siano molte e talvolta non compatibili fra loro, possiamo senza dubbio riferirci ad esso intendendo un terminale radio che utilizza una piattaforma hardware statica e definisce tutte le sue funzioni, tutte le elaborazioni del segnale, generalmente svolte da componenti analogici, con dei programmi software. Invece di utilizzare filtri, amplificatori e mixer per elaborare il segnale analogico, tutto viene svolto in digitale grazie, ad esempio, all’uso di un calcolatore ad utilizzo generico, un PC. In ricezione il segnale analogico è captato dall’antenna e, dopo la trasduzione, un filtro passa banda e un amplificatore a basso rumore, viene campionato,

quantizzato e convertito in una sequenza di bit [12]. Il segnale in forma digitale va in ingresso al calcolatore, che è stato programmato in modo opportuno per elaborare il segnale e quindi estrarne il contenuto informativo. Se il segnale utile è richiesto in forma di audio e/o video, allora è necessario utilizzare un convertitore digitale/analogico e un trasduttore.

In trasmissione opportuni programmi sul calcolatore generano il segnale da trasmettere, svolgono la modulazione, l’amplificazione e tutte le operazioni necessarie per ottenere una forma del segnale adatta per la trasmissione, quindi si utilizza un convertitore digitale/analogico e il segnale viene inviato all’antenna per essere trasmesso.

2.3 Benefici

Un terminale Multi-standard (MST) è un unità capace di operare con diversi standards radio. Sebbene non sia rigorosamente necessario implementare un terminale usando la tecnica SDR, questo è probabilmente, in molti casi, l’approccio più economico [12]. Alcuni dei benefici chiave di un MST riconfigurabile sono qui elencati:

• Economie di scala: se l’adeguamento del software con tecniche Over-The-Air (OTA) o con moduli di memoria, smartcard, non fosse possibile o non fosse permesso, i benefici di un approccio SDR sui prodotti non ne giustificherebbero l’esistenza. L’ampia gamma di nuovi ed esistenti standard nel mercato della telefonia mobile, porta all’adozione di una serie di terminali utente e base–station diversi per i vari sistemi sviluppati nel mondo. L’abilità di sviluppare e fabbricare un singolo terminale riconfigurabile, che può essere definito alla fine del processo costruttivo per un particolare mercato, rappresenta chiaramente un grande beneficio per le case produttrici. Con un progetto, un processo costruttivo e una componentistica universale per i vari terminali, si allarga l’economia di scala a livello mondiale. Tutto questo permetterebbe di bilanciare i costi dell’hardware addizionale che è inevitabile nella realizzazione di un componente generico.

• Roaming Globale: l’attuale proliferazione di svariati standard per la telefonia mobile e la migrazione graduale verso i sistemi di terza generazione, porterà a livello globale, in un futuro prossimo, ad un elevato numero di reti tecnologiche e sistemi. Infatti anche nel caso di sistemi 3G, in cui fu fatta, dagli enti di standardizzazione internazionale, un’azione combinata per assicurare che fosse prodotto un singolo

standard globale, ci sono ancora significative differenze, in particolare tra le offerte in Europa, U.S.A e Cina. In questo scenario è chiaramente desiderabile la produzione di un terminale capace di operare sia con sistemi datati sia con i vari standard 3G. Infatti, non è in discussione che questo sia un modo per far accettare agli utenti il sistema 3G, anche se l’enorme costo di una rete a copertura totale che fornisce quindi il solito livello di copertura degli esistenti sistemi 2G scoraggia molti operatori. Una architettura SDR rappresenta una soluzione appetibile a questo problema.

• Upgrading dei servizi: un potente vantaggio dei terminali SDR, dal punto di vista degli operatori di rete, è la possibilità di scaricare nuovi servizi una volta acquistati. Attualmente l’upgrade di importanti servizi richiede l’acquisto di nuovi terminali, con incorporato il software necessario, questo scoraggia chiaramente l’adozione di questi nuovi servizi. Il lancio del General Packet Radio Service (GPRS) sulla rete GSM ne è un buon esempio. Con una architettura SDR, i servizi possono essere scaricati durante la notte, quando la rete è vuota, da un sito web nel solito modo in cui sono distribuiti gli upgrade software ad un personal computer (PC). Ci sono chiaramente un numero di problemi logistici per questi benefici, ad esempio terminali che si spengono durante l’upgrade oppure telefoni particolari che vanno in crashes con il nuovo software. Molti di questi quesiti sono stati risolti dall’industria dei PC e così è probabile che questi vantaggi saranno in qualche modo realizzati con SDR.

• Modulazione e codifica adattativi: l’abilità di adattare o i parametri chiave di trasmissione o le condizioni di traffico al canale è un beneficio ulteriore della SDR. Ad esempio è possibile ridurre la complessità del formato di modulazione, come da un 16-QAM (Quadrature Amplitude Modulation) ad un QPSK (Quadrature Phase Shift Keing) quando le condizioni del canale diventano sfavorevoli, così da migliorare l’immunità al rumore e il margine di decodifica. Inoltre è anche possibile adattare lo schema di codifica del canale in accordo con un particolare tipo di interferenza, invece che il rumore Gaussiano, quando ci si muove da un ambiente cellulare rurale ad urbano. Molti altri parametri possono essere adattati dinamicamente, per esempio: struttura del burst, tipo di modulazione, data rate, codifica di canale e di sorgente, schema di accesso multiplo e così via.

2.4 Architettura di base

Con il termine architettura si indica l’insieme di componenti, funzioni e design di riferimento in base a cui un sistema deve essere pensato, costruito e sviluppato. Essa descrive i componenti che caratterizzano il sistema preso in esame, le loro funzioni e in che modo sono legati tra loro attraverso delle interfacce fisiche. A queste ultime corrispondono altrettante interfacce logiche per le funzioni.

Una architettura non descrive in che modo un sistema deve essere implementato, ma indica le linee guida da seguire per il costruttore. Queste regole devono essere tali che, quando i componenti hardware e software sono messi insieme, si possa ottenere un sistema che lavori con prestazioni non inferiori ai limiti prestabiliti in fase di progetto [12],[13].

Per un sistema è molto importante una caratterizzazione attraverso diversi livelli di astrazione. Un tale approccio consente sia di scomporre un problema complesso in sottoproblemi facilmente gestibili sia una progettazione modulare (se si vuole aggiungere un nuovo servizio, può darsi che sia necessario modificare le funzioni di un solo livello, riutilizzando le operazioni svolte dagli altri livelli). L’architettura di un Software Radio, vedi figura 4.1, può essere idealmente suddivisa in quattro livelli di astrazione:

• Piattaforma hardware, hardware platform: questo è il livello più basso e comprende moduli programmabili, quali processori e logiche programmabili.

• Infrastruttura radio, radio infrastructure: in questo livello i dati utili sono distribuiti ai diversi componenti della piattaforma hardware.

• Applicazioni radio, radio applications: in questo livello i processi lavorano insieme per supportare una applicazione radio, inoltre tale strato prevede protocolli wireless e protocolli standard per lo scambio dei dati come TCP/IP.

• Servizi di comunicazione, communications services: nel più alto livello di astrazione le applicazioni software consegnano agli utenti i servizi di comunicazione.

Tra i diversi livelli di astrazione esiste un legame che, generalmente, è ottenuto attraverso una Applications Programming Interface (API) che fornisce una sintassi per accedere ai servizi offerti dal livello sottostante. In una architettura SR le applicazioni software devono essere totalmente astratte dalla piattaforma hardware utilizzata, in modo da ottenere la flessibilità tipica di un siffatto terminale. Questo obbiettivo si raggiunge attraverso quello che si definisce “middleware”, ossia un insieme di programmi software non specifici per le varie applicazioni. Il middleware può essere considerato come uno strato di software che si trova tra il sistema operativo e le applicazioni che possono essere supportare con il sistema.

Grazie ad esso è possibile sia riuscire ad integrarsi con i diversi standard di comunicazione sia la comunicazione tra sistemi distribuiti che utilizzano hardware, sistemi operativi e linguaggi di programmazione diversi.

Il middleware più appropriato per implementare un SR è quello che prevede l’uso di una programmazione Object Oriented, che consiste nel suddividere il sistema in componenti indipendenti chiamati “oggetti” definiti via software.

Un oggetto può essere considerato un contenitore astratto che contiene codici, dati e informazioni relative sia al suo comportamento sia alle funzioni che svolge. Più precisamente un oggetto è identificabile come un insieme di variabili, messaggi e “methods”. Le variabili contengono dei dati utili per l’oggetto. I messaggi vengono utilizzati per la comunicazione con il resto del sistema. I “methods” sono dei codici che permettono di implementare ogni messaggio, ciascun “methods” restituisce un valore che rappresenta la risposta al messaggio. Attraverso la sua interfaccia un oggetto mostra le sue funzionalità, ma non consente di accedere alla sua essenza, di conoscere il modo in cui opera. Nel caso specifico di SDR i moduli corrispondono proprio ai vari elementi degli stadi di un sistema di trasmissione (filtro, amplificatore, antenna, ecc.). Utilizzando tale sistema si semplifica lo studio funzionale, la riusabilità del codice e l’aggiornamento [23].

Il modo più appropriato per implementare un sistema SDR, mantenendo la massima flessibilità, è attraverso l’uso degli Object Brokers che costituiscono il middleware più

utilizzato, il CORBA (acronimo di Common Object Request Broker Architecture). Tale metodologia è basata sulla programmazione Object Oriented ed è in grado di fornire le astrazioni necessarie per sviluppare applicazioni distribuite, svincolandosi dall’eterogeneità della rete. Per lo sviluppo della struttura di comunicazione, e quindi per lo sviluppo degli oggetti server (entità passiveche offrono servizi) e oggetti client (entità attiveche accedono ai loro servizi), lo standard CORBA definisce, mediante il linguaggio IDL (Interface Definition Language), un insieme di interfacce di base che si preoccupano totalmente di gestire la comunicazione tra programmi che, in mancanza di questo strumento, non potrebbero in alcun modo interagire. IDL definisce quindi la sintassi che un client deve utilizzare per richiedere delle operazioni al server. Il programmatore lavora esclusivamente ad alto livello e ha solo la responsabilità di definire le strutture dati che devono essere scambiate.

Con CORBA un qualsiasi programma su un calcolatore, con un qualsiasi sistema operativo e linguaggio di programmazione, può interoperare con quasi tutti gli altri programmi su una qualunque macchina remota.

2.4.1 Architettura software

Per implementare un SDR, sistema che deve essere compatibile con altri sistemi, è necessario utilizzare una architettura comune, standardizzata e aperta. In tal modo i produttori possono far riferimento ad un unico modello, rendendo possibile la compatibilità tra dispositivi diversi. Un’architettura aperta non è definita attraverso regole molto strette, ma rappresenta più una visione concettuale. Non indica quale sia l’implementazione di un sistema, ma le caratteristiche principali che questo deve avere. L’utilizzo di una tale architettura permette di ottenere dei vantaggi commerciali notevoli. Infatti il fatto che esista un unico modello di riferimento per i diversi produttori promuove la competizione tra loro, quindi una probabile diminuzione dei prezzi nel mercato [18].

In questi ultimi anni due organizzazioni promuovono l’adozione di standard software per lo sviluppo della SDR. La Software Communications Architecture Specification (SCAS), scelta dal JTRS, fissa gli obbiettivi per i futuri sistemi di comunicazione (ad esempio l’aumento della flessibilità e l’interoperabilità, il facile aggiornamento e la riduzione dei costi di supporto, acquisizione e operazione). Il progetto JTRS (Joint Tactical Radio System) è un sistema SDR ad uso militare che è stato sviluppato per la comunicazione tra le varie divisioni delle forze difensive americane. Questo afferma che la SCAS non è un sistema specifico ma

piuttosto una serie di principi da seguire durante il progetto per raggiungere i suddetti obbiettivi. Il governo U.S.A. inizialmente si aspettava che la SCAS diventasse uno standard commerciale apprezzato e designò le specifiche per soddisfare i requisiti delle applicazioni commerciali oltre che militari.

L’altra azione è portata avanti dal SDR forum, che ha sviluppato un Distributed Object Computing Software Radio Architecture (DOCSRA), una struttura software per architetture radio aperte, object oriented e programmabili via software. Questa usa le metodologie raccomandate dal IEEE per la descrizione di una architettura. Le architetture presentate, SCA e DOCSRA, hanno idee simili con alcuni termini comuni e sono di tipo object oriented. In seguito tratteremo in particolare l’architettura SCAS.

L’architettura SCAS descrive in che modo operano e come sono legati tra loro i componenti software e hardware che formano un JTRS. Indica inoltre quali sono le specifiche minime di cui necessita una piattaforma hardware per essere compatibile con il modello, cioè in modo che il software creato secondo le regole SCAS sia funzionante.

La struttura software della SCAS definisce l’ambiente operativo e ne specifica i servizi e le interfacce. L’ambiente operativo è caratterizzato da:

• una struttura base, core framework (CF) • middleware CORBA

• un sistema operativo basato sullo standard POSIX

Una rappresentazione grafica della relazione tra l’ambiente operativo (CF e COTS) e i componenti SDR non di base (non core) è fornita in figura 4.1.1.

La struttura software SDR mostra che i componenti non di base sono riassunti fuori dall’hardware fondamentale e tutte le entità sono connesse attraverso un bus logico di tipo software utilizzando CORBA. Per consentire ai modem non-CORBA, sicurezza e dispositivi I/O di interfacciarsi con componenti CORBA attraverso il CORBA bus sono previsti degli adattatori. Si possono utilizzare bus diversi nei sottosistemi Red e Black (nell’ambito della sicurezza, i componenti che portano informazioni riservate protette da meccanismi di crittografia sono detti “Red”, quelli che portano informazioni accessibili a tutti sono detti “Black”).

Figura 4.1.1 Struttura software

Il sistema operativo fornisce tutte le funzionalità necessarie per il supporto delle applicazioni in tempo reale. È utile disporre di interfacce standards per i servizi del sistema operativo, in modo da facilitare la reusability delle applicazioni.

Portable Operating System Interface (POSIX) è uno standard industriale molto diffuso, che può essere compatibile con il middleware CORBA. Questo standard presenta delle caratteristiche che vanno oltre quelle strettamente necessarie, per questo SCAS raccomanda l’uso di POSIX 1003.13, che ha requisiti minori ma sufficienti [18].

Il CF rappresenta l’insieme di servizi e interfacce per il livello applicativo, astraendo dai livelli inferiori software e hardware. In particolare esso prevede:

• interfacce di livello per le applicazioni • interfacce per il controllo del sistema

• interfacce di servizio che supportano applicazioni principali e secondarie

• un profilo di sistema, cioè un insieme di file che descrivono le caratteristiche dei dispositivi hardware e dei componenti software, quali interfacce, funzionalità, locazioni logiche e interdipendenze.

Le applicazioni comprendono tutte le funzioni per la comunicazione, quali elaborazione numerica dei segnali, protocolli al livello di collegamento, protocolli di rete per la gestione

del routing, sicurezza, operazioni di I/O. Si distinguono: applicazioni principali (che fanno parte del CF) e altre più generali, dove le prime forniscono supporto alle seconde con una operazione di controllo.

Le applicazioni usufruiscono dei servizi forniti dal CF, mentre il loro accesso alle funzionalità del sistema operativo è limitato dal profilo definito per POSIX. Le funzionalità di rete, definite da protocolli ad un livello inferiore rispetto a quello applicativo, non sono limitate da questa interfaccia in quanto già presenti nel cuore del sistema operativo.

Per un sistema SDR si utilizza un modello di riferimento noto come Programmable Modular Communication System (PMCS), mostrato in figura 4.1.2. Questo introduce i vari ruoli funzionali svolti dai diversi componenti software e le interfacce per il controllo e per il trasferimento dei dati.

Figura 4.1.2 Modello di riferimento software

La SCAS realizza i blocchi funzionali del modello di riferimento definendo delle unità funzionali standards di tipo software chiamate “Resource”. Si definiscono poi i “Devices” che rappresentano tipi di “Resource” utilizzati dalle applicazioni come componenti software per il supporto dei dispositivi hardware utilizzati.

L’architettura software non indica le funzionalità di un “Resource” ma sarà il programmatore a definirle. Le “Resources” sono gestite da un componente software chiamato DomainManager, per mezzo del quale definiscono dei parametri che le caratterizzano e che possono essere controllati. Possono comunicare tra loro e talvolta esiste anche una dipendenza tra una “Resource” e l’altra. In accordo con il middleware CORBA, esse sono degli oggetti di

cui sono definite le interfacce con il linguaggio IDL. Grazie a questa definizione, agendo soltanto su queste interfacce è possibile eliminare “Resource” o crearne di nuove.

L’architettura prevede degli adattatori, questi sono delle “Resource” o dei “Devices” che permettono l’utilizzo di componenti non compatibili con CORBA [18].

La figura 4.1.3 mostra esempi di implementazioni di “Resource”.

Figura 4.1.3 Modello concettuale di “Resource”

Il ModemDevice rappresenta uno standard per il controllo, per l’interfaccia del blocco funzionale modem e per le sue funzionalità. Le funzionalità del ModemDevice dipendono dal particolare sistema SDR che si vuole realizzare e non sono stabilite dal CF. Comunque le principali funzioni sono modulazione/demodulazione, codifica, sincronizzazione e funzioni di spread spectrum. Inoltre questo “Device” comprende l’implementazione dell’antenna e l’elaborazione del segnale a RF.

Il I/ODevice permette l’accesso ai dispositivi hardware del sistema, grazie a delle interfacce fisiche esterne. Anche queste funzioni non sono stabilite dal CF, ma dipendono dalla struttura hardware del sistema.

Il SecurityDevice estende le funzioni di sicurezza ai dispositivi hardware.

Il NetworkResource prevede funzioni quali bridge, link, repeater e router. Queste non sono specificate dal CF, ma vengono abilitate in base alle caratteristiche del sistema.

Le funzioni della UtilityResource consistono nella traduzione dei messaggi e anch’esse non sono definite dal CF.

2.4.2 Architettura hardware

L’architettura di una Software Defined Radio ideale è mostrata in figura 4.2.1, si noti che il convertitore A/D ha al suo interno un filtro anti-alias e che il convertitore D/A ha internamente un filtro ricostruttore [12].

Il SDR ideale ha le seguenti caratteristiche:

• Gli schemi di modulazione, di equalizzazione, dei protocolli e di canalizzazione per il trasmettitore e per il ricevitore sono realizzati internamente al digital processing subsystem via software. Tuttavia come già evidenziato prima c’è una grande varietà di soluzioni hardware per l’elaborazione del segnale in sostituzione del DSP.

Figura 4.2.1 Architettura Software Radio ideale

• Il circolatore ideale è usato per separare il segnale trasmesso da quello ricevuto, questo componente vanta un perfetto accoppiamento sia con l’antenna che con l’amplificatore di potenza, cosa utopica in pratica. L’alternativa è il diplexer, un componente a frequenza fissa all’interno della radio. La sua eliminazione è quindi un elemento chiave in un sistema multi-banda e multi-standard. Notiamo che il

circolatore ha anche una banda larga, che molti attuali componenti non possiedono.

• L’amplificatore di potenza lineare, o linearizzato, fornisce un segnale ad elevata potenza in trasmissione con bassa emissione sui canali adiacenti. Notiamo che possiamo ottenere questa caratteristica attraverso una sintesi a RF, in questo caso la funzione del convertitore D/A e dell’amplificatore di potenza possono essere combinati in un singolo blocco.

• Filtri anti-alias e filtri ricostruttori, sono necessari in questo tipo di architettura ma non sono mostrati in figura 4.2.1 Questi, tuttavia, dovrebbero essere relativamente facili da implementare assumendo che i convertitori A/D e D/A hanno frequenze di campionamento di molti GHz. Al giorno d’oggi trasmettitore e ricevitore possono raggiungere eccellenti rate nei terminali portatili e specialmente nelle base station. Il principale cambiamento sarebbe trasformarli da passa banda a passa basso dove serve.

2.5 Componenti critici

Il ricevitore Software Defined Radio esaminato nel paragrafo 2.4.2 e mostrato in figura 4.2.1, viene definito ideale perchè attualmente non risulta fattibile [12]. Due problemi ne costituiscono l’ostacolo principale per una eventuale realizzazione:

• le parti analogiche che operano a frequenza radio supportano con grande difficoltà il multiband, infatti, allo stato attuale, è necessario utilizzare più stadi che elaborano il segnale analogico a frequenze radio, facendoli operare in parallelo

• l’ADC a frequenza radio è molto difficile da realizzare.

La tabella 5.1 mostra alcune specifiche di base per i terminali SDR, sono possibili comunque molte altre varianti di questi requisiti e quelli evidenziati rappresentano solo una, auspicabile, collezione di valori. Le specifiche tracciate in tabella 5.1 mettono in luce alcune importanti difficoltà per la realizzazione di un ricetrasmettitore capace di soddisfare questi requisiti. Vale la pena di esaminare in dettaglio le relative problematiche in modo da valutare la possibilità di realizzazione dei componenti necessari nei prossimi anni.

Tabella 5.1 Specifiche base per un “Handportable” Software Defined Radio

Antenna

Viene richiesta un antenna di tipo omnidirezionale, a bassa perdita con un gain/loss di circa 0 dBi, a banda larga in modo tale da essere utilizzata da una grande varietà di sistemi wireless e a basso ingombro e costo. Realizzare un componente con queste caratteristiche diventa estremamente ambizioso.

I sistemi Software Radio sono piuttosto flessibili per supportare algoritmi che sono alla base delle “smart antennas”. La suddetta antenna è costituita da un array di antenne, che è gestito da un algoritmo intelligente, “smart”, implementato via software.

I vantaggi che si ottengono con questo tipo di antenna sono:

- la possibilità di ricevere segnali relativi a differenti standard di comunicazione, quindi segnali che spaziano su un ampio range di frequenze

- la regolazione del guadagno d’antenna verso le direzioni opportune

- la capacità di realizzare lo Space Division Multiple Access (SDMA) in cui l’antenna orienta il fascio nella direzione dell’utente selezionato. L’accesso multiplo, multiple access, è ottenuto variando la direzione dell’antenna oppure attraverso la cancellazione dell’interferenza, cioè assegnando un nullo nella direzione dell’utente o segnale indesiderato.

L’utilizzo di questa tecnologia permette così di ottenere importanti benefici come:

- minore probabilità di insuccesso di una comunicazione

- maggiore qualità di trasmissione ottenibile aumentando la potenza del segnale desiderato e riducendo le interferenze.

Negli ultimi anni si sta sviluppando un prodotto specifico per SDR che consiste in antenne riconfigurabili che sfruttano la tecnologia dei MEMS [20]. Questi innovativi prodotti permetteranno di operare nelle bande dei principali sistemi di comunicazione. I MEMS sono sistemi miniaturizzati che coniugano le proprietà elettriche degli integrati a semiconduttore con proprietà opto-meccaniche. In pratica si tratta di chip con minuscole parti mobili in funzione di segnali elettrici. Questi micro-circuiti meccanici vengono utilizzati per realizzare svariate tipologie di componenti adatti all’uso in RF come switch molto veloci senza perdita, filtri di alta qualità ed anche antenne.

Lo stadio RF tende ad essere la parte rigidamente più fissa per particolari bande, quindi è difficile ottenere la flessibilità voluta per un sistema SDR. Attraverso i MEMS è possibile realizzare interruttori idealmente senza perdita ed ultraveloci (ordine di microsecondi) adatti ad implementare banchi di stadi RF per gestire un ampio range di frequenze. I MEMS hanno altissime prestazioni e sono implementati in piccoli circuiti integrati, il che permette di realizzare stadi RF con un buon isolamento, con dimensioni molto contenute e con consumi ridotti. Prototipi di MEMS usati come switch possiedono perdite di inserzione di 0.1 dB e isolamento di 50 dB usando frequenze dalla continua a 4 GHz.

In Figura 5.1 è rappresentato uno schema ideale di come la tecnologia MEMS permetta di sostituire vari apparati analogici in RF in modo efficiente e flessibile, attraverso l’utilizzo del controllo software.

Circulator o duplexer

Necessita di un alto grado di isolamento e di un range frequenziale ampio. Nel caso convenzionale questo ultimo requisito è fondamentalmente impossibile da realizzare con le attuali tecnologie.

Convertitore A/D (ADC)

La conversione in digitale del segnale, come menzionato più volte, è uno degli aspetti più critici per la realizzazione di sistemi SDR essendoci una forte limitazione tecnologica nei componenti disponibili, come verrà illustrato di seguito [16],[20].

I parametri principali che determinano le prestazioni di un ADC sono:

- la velocità in termini di milioni di campioni al secondo (Milion Samples per Second, MSPS)

- la risoluzione (numero di bit utilizzati per codificare ogni campione) - la linearità (precisione della conversione).

Un indice prestazionale, P, utilizza appunto le prime due caratteristiche. Tale indice vale P = 2(n° bit) × Fcampionamento.

Quindi a pari P un raddoppio della frequenza di campionamento comporta una riduzione di un bit di risoluzione. Si deve perciò stabilire un compromesso tra la velocità e la risoluzione di un ADC, anche se SDR necessita di alti valori per entrambi. Non esistono oggi convertitori in commercio che riescano a campionare a frequenza elevata e forniscano, allo stesso tempo, un’elevata risoluzione. Gli ADC disponibili oggi sul mercato non sono tali da soddisfare i bisogni di un Software radio, che necessita di valori grandi sia per n° bit che per Fcampionamento.

Prima del concetto di SDR non ci sono stati molti incentivi nello sviluppo di tale dispositivo, poiché si era rivolta sempre l’attenzione sull’efficienza energetica tralasciando le prestazioni di conversione. Da uno studio accurato effettuato da Robert H. Walden che illustra lo

sviluppo nel tempo degli ADC, si osserva che il miglioramento di P è stato solo di circa 1,5 bit di quantizzazione negli ultimi 7-8 anni [12].

Per un sistema SDR ideale, vedi le specifiche in tabella 5.2, l’ADC dovrebbe campionare a RF e gestire tutti gli standard più comuni, ma oggigiorno non esistono dispositivi capaci di campionare a frequenze intorno alla decina di gigahertz e nel contempo garantire una risoluzione adeguata (sui 16 bit o più) e questo neanche nell’immediato futuro. I comuni ADC abbastanza economici raggiungono la frequenza di 100 MHz, non sufficiente per realizzare una conversione a RF.

Tabella 5.2 Specifiche di un ADC ideale per Software Defined Radio

Una soluzione che diminuisce i requisiti prestazionali degli ADC per i segnali a banda limitata è il campionamento in banda passante, che consiste nel sottocampionare senza creare aliasing traslando il tutto vicino a BB.

Altro principale fattore limitante dei convertitori ad elevata frequenza di campionamento riguarda il jitter, cioè la variazione nel tempo dell’istante di campionamento ottimo. Tale incertezza determina seri problemi quanto più la frequenza di campionamento è elevata [20]. Gli ADC di tipo Flash sono i più rapidi e raggiungono velocità massime di 14 GSPS, ma purtroppo la loro struttura parallela di comparatori (2n-1) limita la risoluzione a circa 8 bit. Comunque la loro evoluzione porta ad un miglioramento di 1 bit ogni 3 anni, quindi se la tendenza rimane la stessa si potranno avere presto a disposizione 18 bit a 60 MSPS. Ulteriori sviluppi utilizzano tecnologie basate sull’Arseniuro di Gallio (GaAs) o il Fosfuro di Indio (InP).

Nel corso degli ultimi anni si sono sperimentati vari metodi per incrementare la dinamica degli ADC. Un possibile rimedio è suddividere la banda in sotto-bande e in parallelo

campionare ciascuna con un ADC, ma vi sono problematiche di costo e flessibilità. Un altro metodo per ridurre la dinamica è comprimere logaritmicamente il segnale prima di convertirlo.

Come già introdotto precedentemente allo scopo di raggiungere il modello ideale di conversione a RF, si sono fatti studi al fine di utilizzare la tecnologia dei superconduttori per realizzare componenti digitali ad altissima velocità. Le prime applicazioni raggiunsero velocità di circa 1 GHz, mentre attualmente utilizzando una tecnica evoluta chiamata trasferimento rapido di quanti di flusso, Rapid Single Flux Quantum (RSFQ), si sono raggiunti i 250 GHz. Questa tecnologia può essere implementata in circuiti integrati standard ed è possibile realizzare dispositivi che lavorano tra i 10 e i 100 GHz. ADC a 14 bit e DAC a 19 bit sono già stati realizzati con questa tecnica. L’unico grosso svantaggio è che i superconduttori RSFQ lavorano a temperature di circa 4-5° Kelvin e quindi serve un trattamento criogenico, alquanto impensabile per l’utilizzo con terminali mobili, ma che può essere pensato nelle BTS dei sistemi di rete. Si potrebbe così sopperire al principale collo di bottiglia per la realizzazione della conversione a RF, anche se a condizioni particolarmente estreme.

Gli ADC sono sicuramente un fattore limitante per l’introduzione dei sistemi SDR ideali ma, con la tendenza attuale e gli enormi sviluppi in corso, si arriverà in un tempo medio ad ottenere risultati soddisfacenti.

Filtro anti-aliasing

Un altro aspetto importante nella progettazione dello stadio di conversione è il filtro anti-aliasing da porre prima dell’ADC. Questo deve avere una caratteristica di fase lineare e non deve attenuare troppo la potenza del segnale. Viene richiesta per questo componente, nel caso di sistema SDR ideale, una attenuazione di 60 dB, questa è estremamente difficile, se non impossibile, da raggiungere con un filtro passa banda capace di sintonizzarsi tra 100 MHz e 2.2 GHz. Per ridurre i requisiti di tale filtro è necessario sovracampionare, ovvero campionare ad una frequenza superiore rispetto a quella minima necessaria, dettata dal teorema di Nyquist, di conseguenza alcune forme di SDR potranno essere implementate. Inoltre sovracampionando si migliora linearmente anche il rapporto segnale/rumore di quantizzazione (Signal-to-Quantization Noise Ratio, SQNR). Questo implica sia l’utilizzo di ADC più veloci che di numerosi dati da elaborare, sebbene si possano ridurre i campioni utilizzando il sistema multirate che sarà illustrato nel prossimo paragrafo. Si può utilizzare un filtro Surface Acustic

Wave (SAW) con cui è possibile ottenere una banda di transizione molto netta, tuttavia questo tipo di filtro è piuttosto costoso e attenua considerevolmente il segnale. Per questo ultimo motivo è necessario utilizzare prima del filtro un amplificatore a basso rumore.

DSP, FPGA e ASIC

Una Software Defined Radio è un tipo di ricetrasmettitore in cui, idealmente, tutte le operazioni sono realizzate utilizzando hardware versatili, general purpose, la cui configurazione è controllata via software. Spesso questo avviene attraverso DSP che sono utilizzati frequentemente in questo tipo di sistema, tuttavia FPGA ,ASIC e altre tecniche possono essere applicate [13],[16],[17].

DSP:

I Digital Signal Processor (DSP) attuano l’elaborazione digitale dell’informazione. Negli ultimi anni si sono imposti come soluzione ideale a problematiche applicative di media ed elevata complessità nella maggior parte dei settori tecnici. Alcune delle applicazioni dei DSP possono essere analisi e sintesi dei segnali vocali, elaborazione di immagini, audio digitale, la strumentazione biomedica e di laboratorio, automazione e in generale l’elettronica destinata alle applicazioni consumer.

Un DSP può essere considerato specifico per una determinata applicazione, “task”, oppure essere un supporto ad altri elaboratori dell’informazione, in questo caso la sua funzione è quella di “co-processore”. Le motivazioni all’utilizzo di un DSP si ottengono valutando i fattori che rendono preferibile l’approccio digitale a quello analogico.

Utilizzando una serie di algoritmi gestiti da un software opportuno, il processore svolge funzioni come codifica/decodifica, filtraggio, individuazione dell’errore, modulazione/demodulazione. Attraverso un blocco di elaborazione ad elevata velocità, noto come Multiply and Accumulate (MAC), un DSP reperisce le istruzioni e i dati dalla memoria, svolge le operazioni richieste, memorizza i risultati ottenuti in memoria.

In una struttura SDR ideale emerge sempre più chiaramente il problema principale, il DSP general purpose. I DSP general purpose allo stato attuale non sono in grado di soddisfare le esigenze computazionali richieste da un ricevitore software radio. Una stima approssimata potrebbe consistere in una richiesta di 1.2 ÷ 1.5 GIPS (Giga-Instructions Per Second), attualmente irraggiungibile per un processore general purpose. Altri autori hanno dato valutazioni molto più precise sulle esigenze computazionali di questi DSP giungendo

comunque alla stessa conclusione: non sono disponibili processori in grado di reggere questo carico di lavoro. E questo senza considerare tre circostanze aggravanti:

- i terminali devono usare circuiti low power

- le dimensioni fisiche devono essere compatibili con le esigenze dei terminali wireless - il costo deve essere contenuto

Si potrebbe far notare come in un futuro prossimo, grazie all’evoluzione tecnologica, i DSP potrebbero raggiungere un livello di prestazioni sufficiente a soddisfare le esigenze del software radio. Va purtroppo rilevato come, nel frattempo, l’introduzione di nuovi e più esigenti standard di comunicazione avrà sicuramente aumentato le richieste computazionali. Nel futuro si profila dunque una specie di rincorsa e, allo stato attuale, non è possibile prevedere se l’evoluzione dei DSP general purpose riuscirà mai a raggiungere l’obiettivo prefissato. Si rende pertanto utile la ricerca di soluzioni alternative.

FPGA

Un sistema costituito da un processore general purpose rappresenta sicuramente un esempio di riconfigurabilità, basta sostituire il programma in memoria per variare la funzione svolta dal processore. Questo è semplice ma potrebbe non essere sufficiente. Vi sono infatti applicazioni in cui una configurabilità a livello di software non permette di ottenere i risultati sperati, il software radio è una di queste ma non la sola, si pensi ad esempio all’elaborazione di immagini. In tutti questi casi sarebbe desiderabile auspicabile avere una configurabilità a livello hardware. Questo risultato è ottenibile grazie alle Field Programmable Gate Array (FPGA). Le FPGA nacquero inizialmente per prototipare in modo veloce ed economico Application Specific Integrated Circuit (ASIC) con l’obbiettivo di accelerare i tempi di progetto dei chip. Un FPGA è un dispositivo a semiconduttori contenente componenti a logica programmabile ed interconnessioni programmabili in un momento successivo alla fabbricazione. I componenti possono essere programmati via software per emulare le funzionalità di porte logiche di base (AND, OR, XOR, NOT) oppure funzioni combinatorie più complesse, come decoder o semplici funzioni matematiche. La configurazione in queste FPGA è mantenuta in una memoria, spesso on board. La natura di queste unità funzionali e della memoria costituiscono due utili criteri di classificazione.

Infatti, in base alle unità funzionali si possono distinguere:

- Netlist computer: in queste FPGA gli elementi sono programmabili a livello di porte logiche e flip flop. Questo fatto consente una flessibilità massima in quanto qualsiasi circuito può essere realizzato a patto che non superi i limiti imposti dalla disponibilità di porte logiche da parte della FPGA. Il progettista deve tenere conto di questo vincolo così come della disponibilità e dell’ottimalità delle interconnessioni. Va inoltre considerato come possa richiedere notevoli sforzi riuscire a progettare unità aritmetiche particolarmente efficienti dal punto di vista delle prestazioni dal momento in cui si elaborano vettori di bit, mentre queste FPGA sono particolarmente adatte ad applicazioni orientate al singolo bit, bit oriented.

- Chunky function unit architecture: mettono a disposizione delle strutture più complesse, ad esempio una collezione di moltiplicatori, di cui il progettista può programmare l’interconnessione. Evidentemente una soluzione di questo tipo penalizza la flessibilità dando però la possibilità di utilizzare strutture già ottimizzate, specialmente a livello di interconnessione.

Un’altra classificazione può essere fatta in base alla memoria in cui è mantenuta la configurazione della FPGA, le cui caratteristiche influiscono direttamente sul grado di configurabilità:

- Configurable logic, sono le FPGA che possono essere configurate una sola volta dopo la vendita

- Reconfigurable logic, sono generalmente dotate di memorie di tipo Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (EEPROM ) o Flash, che possono essere riprogrammate più volte

- Dinamically configurable logic utilizzando memorie volatili facilitano molto la riprogrammazione della FPGA

- Virtual logic, supportano una riconfigurazione dinamica parziale. Queste FPGA sono molto complesse e rendono possibile la riconfigurazione di una parte della logica mentre un’altra parte continua il normale funzionamento

Le caratteristiche delle FPGA più recenti e soprattutto la sempre maggiore flessibilità, rendono questi dispositivi una soluzione interessante per la realizzazione di ricevitori software

radio. Infatti dispositivi hardware riconfigurabili riescono a soddisfare contemporaneamente due requisiti fondamentali per i ricevitori software radio:

- riconfigurabilità, basta cambiare il contenuto della memoria di configurazione per ottenere l’implementazione di una nuova funzione

- prestazioni che si avvicinano alle implementazioni special purpose, grazie alla possibilità di effettuare delle ottimizzazioni sulla funzione svolta dal circuito, caratteristica, questa, del tutto sconosciuta ai processori general purpose

Un’attuale FPGA riesce ad operare 18×18 moltiplicazioni ad una frequenza di 200 MHz, queste capacità permettono alla logica programmabile di svolgere operazioni quali FFT, filtri FIR, correlatori, etc. Tuttavia questi dispositivi non possono soppiantare completamente i processori, le operazioni a virgola mobile sono difficili da realizzare con FPGA, inoltre funzioni che coinvolgono inversioni o divisioni di matrici sono sicuramente più efficienti se implementate con un processore. Il grado di riprogrammabilità di una FPGA è comunque inferiore a quello di un DSP.

Si può discutere se una FPGA possa essere definita programmabile via software, la questione viene risolta positivamente se si considera software il file di configurazione. L’uso di FPGA presenta però anche dei problemi, legati soprattutto all’uso iniziale come strumenti per aiutare lo sviluppo di ASIC, costi e velocità di riconfigurazione. I costi sono sostanzialmente irrilevanti nell’uso che si faceva in origine di questi dispositivi, ma diventano critici nel caso di grandi volumi di produzione, come è preventivabile per i sistemi wireless che hanno un mercato in continua e incredibile espansione. A loro volta lunghi tempi di riconfigurazione non sono più tollerabili nel momento in cui si pensa a dei terminali che devono essere riconfigurati con una velocità compatibile con le modalità di utilizzo da parte degli utenti. Un’altra grossa limitazione delle FPGA sono gli strumenti di sviluppo. Per ogni particolare modello di FPGA esistono specifici tool di sviluppo CAD (Computer Aided Design), inoltre non esiste compatibilità tra i formati dei file di configurazione supportati da diversi produttori. Questo causa gravi difficoltà nella realizzazione del software download.

ASIC:

Gli Application Specific Integrated Circuit (ASIC) sono dispositivi progettati per svolgere solo funzioni specifiche. La tecnologia ASIC consente l’integrazione di funzioni complesse,

che richiedono milioni di transistori, in un singolo substrato di silicio, utilizzando celle standard, core di microprocessori, memorie statiche e dinamiche, convertitori, celle analogiche.

La velocità necessaria per elaborare i segnali previsti da un sistema Software Radio non è raggiungibile da un comune processore ragionevolmente economico. Potrebbe essere possibile effettuare alcune operazioni, eventualmente quelle più esigenti da un punto di vista computazionale, utilizzando degli ASIC (circuiti hardware dedicati non programmabili) rispetto alla soluzione che prevede l’uso del solo DSP. Per ogni protocollo supportato si renderebbe necessario un ASIC separato. Si può comprendere che una tale soluzione presenta molti problemi per un terminale che supporta diversi standard di comunicazione e diverse bande di frequenza, il numero di componenti hardware dedicati deve essere piuttosto grande, con conseguenti problemi tipici della moltiplicazione di risorse, vale a dire costo, consumo di potenza e dimensioni. Inoltre questo approccio presenta il problema di riuscire ad aggiungere o modificare air-interface quando un tale terminale è già stato introdotto nel mercato. Per risolvere questo problema, si potrebbero utilizzare due DSP in parallelo che permettono di soddisfare i requisiti dei sistemi Software Radio senza bisogno di ASIC.

Il problema principale dell’utilizzo degli ASIC, in un sistema SDR, sta nella loro mancanza di flessibilità.

2.6 Il ricevitore

Per implementare un sistema basato su SDR è possibile utilizzare diverse configurazioni, la cui scelta è dettata essenzialmente dall’analisi costi/benefici o meglio dal giusto compromesso tra essi. Un primo modello è la conversione a radio frequenza che coincide con il concetto di SDR ideale (ISR), questo approccio non è ancora realizzabile per i limiti tecnologici, già analizzati in precedenza, dovuti alla frequenza portante elevata dei principali standard di trasmissione che si vogliono implementare. Tuttavia è possibile utilizzare due metodi che permettono di ridurre la frequenza da trattare: la conversione a IF, nella quale la banda viene portata ad una frequenza più bassa e la conversione singola, in cui si porta direttamente il segnale in banda base (BB) [13],[16],[20].

Conversione a radio frequenza

La conversione a radio frequenza (RF) realizza il campionamento direttamente a RF, ossia subito dopo l’antenna come si può notare in Figura 6.1. Questo è il modello ideale che ci permette di gestire il maggior numero possibile di standard, in quanto è possibile eliminare la gran parte dei componenti analogici che limitano la flessibilità del sistema. Dopo l’antenna si utilizza un filtro passa banda, un amplificatore a bassa cifra di rumore ed un convertitore analogico/digitale. L’ADC analizza l’intera banda interessata che copre più sistemi trasmissivi e in seguito viene selezionato il canale dello standard interessato in digitale. Il segnale viene convertito in forma numerica già a RF, in seguito viene portato in BB ed elaborato da un processore in maniera opportuna.

Questa configurazione è attualmente realizzabile se si utilizzano frequenze molto basse (VLF), ma per usi pratici, è necessario considerare almeno i principali standard trasmissivi compresi tra gli 800 MHz e i 2.1 GHz. Questo non è possibile al giorno d’oggi a causa dei limiti tecnologici nei componenti attualmente disponibili sul mercato. Il sistema in questione dovrebbe infatti operare su una banda molto larga ed a frequenze elevate (almeno nell’ordine dei GHz). Requisiti maggiori sono necessari se si volesse includere un più ampio insieme di standard a frequenza più alta come 802.11b e 802.11a ed eventuali standard futuri.

Figura 6.1 Ricevitore a conversione a Radio Frequenza

Ma vediamo quali sono i principali limiti tecnologici.

Come abbiamo già analizzato in precedenza un primo limite tecnologico è costituito dal fatto che una singola antenna come pure un amplificatore a bassa cifra di rumore (Low Noise Amplifier, LNA) non riescono a gestire porzioni di spettro che vadano da qualche MHz alla decina di GHz. La soluzione adottata è quella di realizzare banchi di stadi a RF a seconda delle bande di impiego, anche se questo comporta un costo maggiore e minore flessibilità. Recentemente le Smart Antenna e altre tecnologie in continuo sviluppo come i sistemi

micro-elettro-meccanici (Micro Electro-Mechanical Systems, MEMS), stanno suscitando molto interesse come soluzione al problema.

Nonostante l’eliminazione di gran parte dei componenti analogici, uno stadio di filtraggio analogico, dopo l’antenna, rimane. Nell’utilizzo con SDR sono necessari filtri variabili a larga banda, anche in questo caso la realizzazione potrebbe essere problematica, una soluzione potrebbe essere ancora MEMS o tecnologie basate sui superconduttori.

La limitazione principale risulta essere l’ADC che non permette, oggi, di campionare adeguatamente segnali a RF che comprendano gli standard trasmissivi più comuni.

Nonostante la conversione a RF sia impensabile in un futuro vicino, già dagli inizi degli anni ’90 si stanno effettuando ricerche sulla tecnologia dei superconduttori che sfruttano il quanto di flusso magnetico per implementare la logica digitale. I risultati ottenuti sembrano essere promettenti.

Spostando il campionamento vicino all’antenna si riduce la parte analogica, di conseguenza aumentano i moduli da implementare digitalmente e questo comporta un enorme carico computazionale che deve essere eseguito in tempo reale, ciò potrebbe portare all’impiego di più unità di elaborazione in parallelo. Un tale fatto comporta numerosi svantaggi come le dimensioni, i costi, la potenza ed anche la difficoltà progettuale.

In definitiva la conversione a RF non è fisicamente attuabile allo stato attuale, ed anche se lo fosse bisognerebbe comunque valutare bene quanti sono i benefici rispetto ai costi di implementazione.

Conversione singola

La conversione singola illustrata nella Figura 6.2 è un altro approccio che sta riscuotendo particolare successo. In questo caso è impiegato uno stadio di conversione in frequenza, ma possono essere anche più di uno, per portare il segnale da RF a BB o vicino a BB.

In questo modo, il segnale è facilmente trattabile dal ADC ed il processo diventa anche meno dispendioso in termini energetici perché si campiona ad una frequenza molto ridotta rispetto a RF. Nel caso particolare di modulazioni in fase è necessario utilizzare due rami di conversione separati, uno per la parte in fase (I) ed uno per la parte in quadratura (Q), altrimenti non si riesce a separare i 2 canali una volta in BB (Figura 6.3).

Figura 6.3 Ricevitore a conversione singola con modulazione I-Q

Rispetto al caso predente (conversione a RF), l’introduzione del mixer per la conversione provoca elementi di interferenza come il self-mixing e l’instabilità di fase.

Il self-mixing è causato dal non perfetto isolamento tra mixer e il segnale al suo ingresso, per cui vi è una conversione della frequenza dello stesso oscillatore che provoca la nascita di una componente continua (DC voltage offset) in uscita. La DC offset, che può essere tempo-variante, deve essere ridotta in modo tale che successivamente, attraverso delle tecniche di compensazione, si possa eliminarla completamente così da non degradare le prestazioni complessive del sistema. Una possibile soluzione è quella di utilizzare una configurazione con IF molto bassa (Near-Zero IF) e fare la traslazione in BB nel dominio digitale. In questo modo si evita il problema della componente continua analizzato in precedenza. Esiste un altro problema relativo all’oscillatore locale, ossia la possibilità che la frequenza del segnale da esso prodotto sia anche solo di poco diversa da quella del canale; in questo modo si creano delle componenti frequenziali in banda base.

L’instabilità di fase è invece causata da una conversione non ideale delle componenti in fase e quadratura che rende la costellazione in uscita affetta da distorsione.

Il principio della conversione singola risulta molto interessante perché è adatto alla realizzazione di ricetrasmettitori compatti ed economici, in modo da essere inseriti in

dispositivi portatili. Tutto questo è ottenuto evitando l’uso di costosi filtri passivi che inoltre occupano anche molto spazio. Inoltre risulta adatto per implementare un sistema multi-standard, infatti converte l’intera banda del sistema dopo la traslazione in BB e successivamente tratta tutto in digitale con il DSP. Si filtra il singolo canale digitalmente, il che rende tutto molto flessibile dato che si può agire sul filtro in modo semplice, cambiando solo pochi parametri via software.

Conversione a frequenza intermedia

Un ulteriore rimedio all’impossibilità di utilizzare la conversione a RF è quello di abbassare analogicamente la frequenza del segnale ad un valore compatibile con le capacità dell’ADC. Mentre il metodo a conversione diretta porta il segnale in BB, qui ci si limita ad una frequenza intermedia (IF). Questa tipologia di conversione è in pratica un sistema eterodina.

Figura 6.4 Ricevitore a conversione a IF

Come si può notare in Figura 6.4 viene effettuata una prima conversione analogica da RF a IF (gli stadi possono essere più di uno), dopodichè avviene il campionamento e successivamente in digitale si effettua la conversione in BB.

L’inconveniente che si verifica utilizzando lo stadio IF è la frequenza immagine. Durante il processo di traslazione entrambi i segnali, utile ed immagine, vengono portati a IF come si nota in Figura 6.5. Quindi, per non avere disturbi dovuti alla frequenza immagine, è opportuno eliminare i segnali fuori banda con un filtro anti-aliasing. Ciò comporta l’utilizzo di filtri aggiuntivi che aumentano il costo complessivo. Una soluzione a questo problema è utilizzare una trasmissione in quadratura che attraverso i segnali complessi ha la capacità di eliminare il segnale immagine. La conversione a IF risulta ideale nelle trasmissioni con spaziatura stretta tra i canali, però la notevole componentistica analogica non lo rende particolarmente adatto per l’implementazione di sistemi multi-mode.

Un vantaggio riguarda la modulazione I-Q, nella quale la conversione in BB è effettuata in digitale, per cui oltre a limitare i blocchi di conversione analogica per i due rami, si migliora anche la qualità. Infatti, una proprietà interessante della moltiplicazione digitale sta nel fatto che le sequenze numeriche presenti nei due rami, ottenute dalla moltiplicazione con una sinusoide digitale, sono perfettamente in quadratura, ovvero sfasate di π/2, cosa che non avviene nel caso analogico.

Sebbene la tecnologia dei DSP e dei semiconduttori si sia evoluta velocemente negli ultimi anni, la potenza di elaborazione non è ancora sufficiente per trattare segnali multicanale ad alta velocità in IF, a meno di usare sistemi multi-processore.

Come si è visto l’idea di un sistema totalmente flessibile implica l’eliminazione della maggior parte degli stadi analogici, poiché sono difficilmente parametrizzabili, a favore di moduli digitali programmabili via software. La configurazione ottimale per implementare SDR risulta sicuramente la conversione a RF, ma non avendo ancora risolto tutte le problematiche inerenti le limitazioni tecniche, nel breve periodo si dovrà ricorrere alla conversione diretta oppure a IF. Inoltre, a causa del consumo elevato, delle varie limitazioni degli ADC e dei costi ancora proibitivi, SDR è attualmente usato principalmente per l’implementazione delle BTS che sono meno sensibili a fattori come dimensioni, consumi e costi, ma se la tecnologia lo consentirà, si porteranno tutti i molteplici benefici al mondo dei terminali mobili.

Il sistema multirate

Per i ricevitori multi-mode spesso è utile alterare la frequenza di campionamento lungo la catena del sistema di ricezione. In questo modo si può condividere l’ADC e la frequenza di campionamento iniziale per l’uso con differenti sistemi di trasmissione aventi anche bande molto diverse. Il campionamento è fissato in accordo con lo standard che ha la frequenza