Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Elaborazione Numerica dei Segnaliper Telecomunicazioni
Anno Accademico 2008/2009
Software Defined Radio e Campionamento Passa-Banda
Francesco Benedetto ([email protected])Digital Signal Processing, Multimedia, and Optical Communication Lab.
Applied Electronics Dept. – Univ. Roma Tre
2Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Introduzione
Rete di telecomunicazione: complesso di mezzi che, attraverso le risorse tecniche ed operative necessarie, consente ai suoi utenti il trasferimento dell’informazione
Zone 4:Global
SatelliteZone 3:Suburban
Zone 2:Urban Zone 1:
In building
Macro cellPico cellMicro cellWorld cell
2Gs: Satellitenetworks
public mobile &fixed networks
private residential &fixed networks
4Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
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
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
5Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
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 dedicateAlgoritmi “simili” Potenza di calcolo a disposizione
6Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Applicazioni
Algoritmi comuniAlgoritmi comuni•• Stima del tempo di arrivoStima del tempo di arrivo•• Schemi di ModulazioneSchemi di Modulazione•• CodificatoriCodificatori
Servizi ComuniServizi Comuni•• GPSGPS•• GALILEOGALILEO•• UMTSUMTS
Riutilizzo delle piattaforme esistentiper realizzare servizi multi-standard
SOFTWARE DEFINED RADIOSOFTWARE DEFINED RADIO
7Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
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
8Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
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 terminalimobili 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.
9Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Ricevitore Software Defined Radio
Nei ricevitori tradizionali gran parte dell'elaborazione viene eseguita sul segnale analogico in quanto la conversione in digitale vieneeffettuata solo nella parte di circuito che opera in banda base.Pertanto il desiderio di avere un ricevitore configurabile trovaproprio 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.
10Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
IL RICEVITORE TRADIZIONALE
XX
LOLO
XX
VCOVCO
BPFBPF LNALNA
DOMINIO RFDOMINIO RF
BPFBPF AGCAGC
DOMINIO IFDOMINIO IF BANDA BASEBANDA BASE
A/DA/D DSPDSPLPFLPF
11Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
IL RICEVITORE SDR IDEALE
XX
LOLO
BPFBPF LNALNA
DOMINIO RFDOMINIO RF
A/DA/D DSPDSP
DIGITALDIGITAL
Vantaggi:• Assenza di messa a punto, fenomeni di invecchiamento,
economicita’• Flessibilita’, Portabilita’, Compatibilita’ e riutilizzo del SW.
12Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Segnali in Banda Traslata
13Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Campionamento IFSi sfrutta il fenomeno dell’aliasing per campionare direttamente il segnale RF, ottenendo una replica in banda base dello spettro del segnale.
BPFBPF LNALNA
f0
f
PXX(f)
2W
f
PDD(f)
0
2W
A/DA/D LPFLPFDIGITALEDIGITALE
ffss << f<< f00
f
PYY(f)
kfs
2W
0 f0
• fs > 2W• fs = f0/k
BW > fBW > f00
14Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Idea di Base del Campionamento passa-banda
20Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Architettura sistema radio
CONTROLLER
ANTENNA RFFRONT-END
BASE-BAND
Antenna: interfaccia col mezzo
RF Front-End: filtraggio e conversione A/D, D/A
Banda Base: Elaborazione del segnale
Controllore: gestione dei sotto-sistemi
AntennaAntenna: interfaccia col mezzo
RF FrontRF Front--EndEnd: filtraggio e conversione A/D, D/A
Banda BaseBanda Base: Elaborazione del segnale
ControlloreControllore: gestione dei sotto-sistemi
21Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Sistema radio
ANTENNA RFFRONT-END
HIGH-SPEEDSP
LOW-SPEEDSP
PROTOCOLSTACK
LOCALCONTROL
HUMANINTERFACE
WIRELESSCHANNEL 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
High High SpeedSpeed SPSP: modulazione/de-modulazione
Low Speed SPLow Speed SP: protezione errore (co/decodifica)
ProtocolProtocol StackStack: gestione canale
Controllo localeControllo locale: gestione HW, SW
HumanHuman InterfaceInterface: periferiche I/O utente
22Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Evoluzione sistema radio
Tim
e
PAST
PRESENT
FUTURE
HARDWAREDEFINED
STATE OFTHE ART
IDEAL SDR
Reconfigurable Digital Logic
ANTENNA RFFRONT-END
HIGH-SPEEDSP
LOW-SPEEDSP
PROTOCOLSTACK
LOCALCONTROL
HUMANINTERFACE
WIRELESSCHANNEL USER
23Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
SISTEMA RADIO TRADIZIONALE
BPF LNA X
LO
AGC XBPF
VCO
LPF A/D DEMODDECOD
BPF PA X AMP XBPF
VCO
LPF D/A CODMOD
RF DOMAIN IF DOMAIN BASE-BAND DOMAIN
RFCOMBINER DSP
DIGITALINFORMATIONBITS
Campionamente secondo Nyquist
Tecniche DSP solo per banda base
Utilizzato in TACS (ITALY) e AMPS (USA) con Frequency
Division Multiplexing.
Campionamente secondo Nyquist
Tecniche DSP solo per banda base
Utilizzato in TACS (ITALY) e AMPS (USA) con Frequency
Division Multiplexing.
24Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Ultimate SDR
Campionamento IF (A/D e D/A wideband)
Tecniche DSP utilizzate per tutte le funzioni
Terminali multibanda e multimodo
Campionamento IF (A/D e D/A wideband)
Tecniche DSP utilizzate per tutte le funzioni
Terminali multibanda e multimodo
BPF LNA A/D
RF DOMAIN DIGITAL DOMAIN
DSPDIGITALINFORMATIONBITS
RFCOMBINER
BPF PA D/A
MOD/DEMOD
COD/DECOD
FILTER UP/DOWNCONVERT
25Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto
Stato dell’arte SDR
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
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
NCO
BPF LNA X
LO
BPF LPFA/D X
DIGITALDOWN
CONVERTERDEMODDEMAP DECOD
FRAMEPROCESSINGCONTROL BUS
PC
BPF PA X BPF LPF
RF DOMAIN IF DOMAIN DIGITAL DOMAIN
D/A XDIGITAL
UPCONVERTER
MODMAP CODER
RFCOMBINER
DIGITALINFORMATIONBITS
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