Elaborazione Numerica dei Segnali per Telecomunicazioni. Software Defined Radio e Campionamento Passa-Banda

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1 Elaborazione Numerica dei Segnali per Telecomunicazioni Anno Accademico 2008/2009 Software Defined Radio e Campionamento Passa-Banda Francesco Benedetto (fbenedet@uniroma3.it) Digital Signal Processing, Multimedia, and Optical Communication Lab. Applied Electronics Dept. Univ. Roma Tre

2 Introduzione Rete di telecomunicazione: complesso di mezzi che, attraverso le risorse tecniche ed operative necessarie, consente ai suoi utenti il trasferimento dell informazione Satellite Zone 4: Global Zone 3: Suburban Zone 2: Urban Zone 1: In building World cell Macro cell Micro cell Pico cell 2Gs: Satellite networks public mobile & fixed networks private residential & fixed networks 2

3 Standard Radio 3

4 Frequenze operative Stessi standard presentano differenti frequenze operative a seconda dell area geografica Terminali multi-band Nuovi standard (UMTS, WLAN, WiMax) Applicazioni VoIP basate su piattaforme multi-standard 4

5 Motivazioni Ampia varieta di sistemi di comunicazione wireless differenti frequenze operative, tecniche di modulazione, tecniche di codifica, protocolli, etc.; Ogni sistemi richiede terminali ed infrastrutture dedicate Algoritmi simili Potenza di calcolo a disposizione 5

6 Applicazioni Algoritmi comuni Stima del tempo di arrivo Schemi di Modulazione Codificatori Servizi Comuni GPS GALILEO UMTS Riutilizzo delle piattaforme esistenti per realizzare servizi multi-standard SOFTWARE DEFINED RADIO 6

7 Software Defined Radio Possibile soluzione: Software Defined Radio: insieme di tecnologie Hardware e Software che permettono di ottenere architetture riconfigurabili per reti e terminali wireless; Utilizzo dello stesso HW per diverse funzioni; Configurazione dinamica a seconda del contesto operativo; Si ottiene con: Hardware flessibile ; Livello di interfaccia Software 7

8 Benefici del Software Defined Radio Flessibilità garantita dalla riprogrammabilità software Un vantaggio chiaramente intuibile è che ciò aiuterà ad estendere le funzionalità del sistema ad un ampio range di trasmissioni radio. Inoltre si potranno aggiungere nei terminali mobili nuovi servizi ed aggiornamenti che potranno essere realizzati in maniera automatica ed in autonomia. Riconfigurabilità e il funzionamento multi-standard. La riconfigurabiltà permette al sistema riprogrammabile di estendere le capacità del terminale senza la sostituzione di alcuna parte hardware, mentre con multi-modalità, che ne è diretta conseguenza, si intende la capacità di poter utilizzare vari standard su un unico apparato. 8

9 Ricevitore Software Defined Radio Nei ricevitori tradizionali gran parte dell'elaborazione viene eseguita sul segnale analogico in quanto la conversione in digitale viene effettuata solo nella parte di circuito che opera in banda base. Pertanto il desiderio di avere un ricevitore configurabile trova proprio nella parte analogica un ostacolo insidioso. La soluzione a questo problema è la seguente: spostare il convertitore ADC (Analog to Digital Converter) il più possibile vicino all'antenna. Da questa esigenza si può ricavare uno schema di ricevitore software radio ideale. 9

10 IL RICEVITORE TRADIZIONALE BPF LNA X BPF AGC X LPF A/D DSP LO VCO DOMINIO RF DOMINIO IF BANDA BASE 10

11 IL RICEVITORE SDR IDEALE BPF LNA X A/D DSP LO DOMINIO RF DIGITAL Vantaggi: Assenza di messa a punto, fenomeni di invecchiamento, economicita Flessibilita, Portabilita, Compatibilita e riutilizzo del SW. 11

12 Segnali in Banda Traslata 12

13 Campionamento IF Si sfrutta il fenomeno dell aliasing per campionare direttamente il segnale RF, ottenendo una replica in banda base dello spettro del segnale. P XX (f) P YY (f) 2W 2W f s > 2W f s = f 0 /k f f f 0 0 kf s f 0 BW > f 0 P DD (f) BPF LNA A/D LPF DIGITALE 2W f s << f 0 0 f 13

14 Idea di Base del Campionamento passa-banda 14

15 Caso Generale 15

16 Caso Generale 16

17 Caso Generale 17

18 Caso Generale 18

19 Definizione 19

20 Architettura sistema radio ANTENNA RF FRONT-END BASE-BAND CONTROLLER Antenna: interfaccia col mezzo RF Front-End: filtraggio e conversione A/D, D/A Banda Base: Elaborazione del segnale Controllore: gestione dei sotto-sistemi 20

21 Sistema radio WIRELESS CHANNEL ANTENNA RF FRONT-END HIGH-SPEED SP LOW-SPEED SP PROTOCOL STACK LOCAL CONTROL HUMAN INTERFACE USER High Speed SP: modulazione/de-modulazione Low Speed SP: protezione errore (co/decodifica) Protocol Stack: gestione canale Controllo locale: gestione HW, SW Human Interface: periferiche I/O utente 21

22 Evoluzione sistema radio WIRELESS CHANNEL ANTENNA RF FRONT-END HIGH-SPEED SP LOW-SPEED SP PROTOCOL STACK LOCAL CONTROL HUMAN INTERFACE USER PAST HARDWARE DEFINED PRESENT Time STATE OF THE ART FUTURE IDEAL SDR Reconfigurable Digital Logic 22

23 SISTEMA RADIO TRADIZIONALE BPF LNA X BPF AGC X LPF A/D DEMOD DECOD RF COMBINER LO VCO VCO DSP DIGITAL INFORMATION BITS BPF PA X BPF AMP X LPF D/A COD MOD RF DOMAIN IF DOMAIN BASE-BAND DOMAIN Campionamente secondo Nyquist Tecniche DSP solo per banda base Utilizzato in TACS (ITALY) e AMPS (USA) con Frequency Division Multiplexing. 23

24 Ultimate SDR BPF LNA A/D MOD/ DEMOD COD/ DECOD RF COMBINER DSP DIGITAL INFORMATION BITS FILTER UP/DOWN CONVERT BPF PA D/A RF DOMAIN DIGITAL DOMAIN Campionamento IF (A/D e D/A wideband) Tecniche DSP utilizzate per tutte le funzioni Terminali multibanda e multimodo 24

25 Stato dell arte SDR BPF LNA X BPF A/D DIGITAL DOWN CONVERTER X LPF DEMOD DEMAP DECOD PC RF COMBINER LO NCO CONTROL BUS FRAME PROCESSING DIGITAL INFORMATION BITS BPF PA X BPF D/A X LPF DIGITAL UP CONVERTER MOD MAP CODER RF DOMAIN IF DOMAIN DIGITAL DOMAIN Front-End a banda larga Campionamento IF di intere porzioni di spettro Tecniche DSP utilizzate per le funzioni a basso bit rate Terminali multibanda e multimodo 25