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Proff. Roberto Cusani e Mauro Biagi

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1.  Architettura funzionale del trasmettitore 2.  Architettura funzionale del ricevitore

3.  Demodulazione analogica

4.  Campionamento, aliasing e conversione AD

5.  Oscillatore locale

6.  Sezione digitale del ricevitore

7.  Radio analogica, radio digitale e radio software

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  il trasmettitore (TX) ed il ricevitore (RX) condividono la stessa antenna

 Modem: bit di informazione segnale a radiofrequenza (RF) e viceversa Es.FSK 0 1

Trasmettitore (TX)

Antenna RF TX bits

Ricevitore (RX)

Disaccop-piatore

RX bits

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  il modulatore digitale separa la Sezione digitale da quella analogica

 Modulazione:

⇒ singolo tono (es. PSK o QAM)

⇒ multitono (DMT, OFDM)

⇒ spread-spectrum (DS-SS, CDMA)

⇒ ultra-wide band (UWB)

Info bits

Sezione digitale

Modulatore digitale

Sezione analogica

(front-end di trasmissione)

Segnale RF trasmesso

TX bits Segnale

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  i bit di informazione possono essere compressi e criptati

  codifica di canale: codificatore convoluzionale , codice a blocchi,

codifica concatenata

  Tramaura: inserimento dei bit (simboli) di sincronismo

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  riduce il BER (Bit Error Rate) del canale (per esempio, da 10-3 a 10-5)

  tipici rapporti di codice 4:3, 3:2, 2:1, 3:1 riduzione del throughput utile

 Decodificatore di Viterbi   L’interallacciamento “sparpaglia” gli errori consecutivi   La punturazione permette di adattare il rapporto di codice

+ + +

u

x

u1,i u2,i u1,i-1 u2,i-1

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  Alternativa al codice convoluzionale

 Decodifica iterativa, ottime prestazioni in termini di BER

 Necessità di operare su blocchi di bit ritardo di codifica

Coder # 1

Coder # 2

MUX

Bit di protezione

P2

Bit sistematico I

Bit di protezione P1

Bit di informazione I Bit codificati I, P1, P2

Interleaver

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  realizza rivelazione d’errore, talvolta anche correzione

(ad esempio, riduce il BER da 10-5 a 10-7)

  pochi bit di parità rapporto di codice poco minore di 1

  esempio: codice Reed-Solomon (255,251) con simboli da 8 bit

  spesso scelto in base alla Applicazione (dati, voce, video)

  Può prevedere procedure ARQ (Automatic Repeat on reQuest)

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 Codice “interno”: a blocchi + codice “esterno”: convoluzionale

codice concatenato

Applicazione

Coder a blocchi

Applicazione

Decoder a blocchi

Canale Decoder convoluzionale

Coder convoluzionale

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  I bit codificati ed interallacciati vengono strutturati in trame o “frames”

  blocchi di simboli codificati si alternano a blocchi di simboli noti

(sequenze di training), utilizzati dal ricevitore per il recupero dei

sincronismi di frequenza e di tempo e per la stima dei parametri

del canale

 Caso tipico: collegamenti in ponte radio

dati dati dati dati

Training ripetuto

Training iniziale

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  In alternativa la trasmissione può essere organizzata in una

successione di timeslot indipendenti, ognuno dei quali prevede la

presenza di bit di training all’inizio od al centro del blocco dati

Training (midambolo)

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  trasla il segnale dalla banda-base alla frequenza RF, eventualmente passando per una frequenza intermedia (IF)

 modulazione analogica di ampiezza (tipicamente la SSB – Single Side Band ) oppure di frequenza

  dopo filtraggio di banda ed amplificazione il segnale RF viene inviato all’antenna, eventualmente insieme ad un tono pilota

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LO cos(2πfc t)

sen(2πfc t)

x(t)

+

y(t)

+ s(t)

90°

LO = Local Oscillator

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1.  Architettura funzionale del trasmettitore

2.  Architettura funzionale del ricevitore 3.  Demodulazione analogica

4.  Campionamento, aliasing e conversione AD

5.  Oscillatore locale

6.  Sezione digitale del ricevitore

7.  Radio analogica, radio digitale e radio software

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  Elabora il segnale a radiofrequenza (RF) ricevuto dall’antenna e ricostruisce i bit di informazione.

  il convertitore analogico-digitale (ADC) separa la Sezione analogica del ricevitore (front-end di ricezione) dalla Sezione digitale

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  La posizione dell’ADC (ovvero del campionatore) determina il modo con cui le diverse funzionalità del ricevitore vengono ripartite tra la Sezione analogica e quella digitale.

 Nelle radio moderne si cerca di posizionate l’ADC il più possibile vicino all’antenna, cosicché le suddette funzionalità vengono realizzate quasi integralmente nella sezione digitale, possibilmente in software piuttosto che in hardware

  All’altro estremo, nelle radio meno recenti le elaborazioni sono realizzate in analogico ed il campionatore si trova al termine della catena di ricezione, seguito dal decisore a soglia.

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Funzioni realizzate:

  filtraggio di canale, amplificazione

  AGC (Automatic Gain Control) analogico

  traslazione di frequenza da RF a banda-base

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1.  Architettura funzionale del trasmettitore

2.  Architettura funzionale del ricevitore

3.  Demodulazione analogica 4.  Campionamento, aliasing e conversione AD

5.  Oscillatore locale

6.  Sezione digitale del ricevitore

7.  Radio analogica, radio digitale e radio software

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  La radio analogica: schema di principio per la ricezione di un segnale modulato in ampiezza (AM – Amplitude Modulation)

  Il diodo è elemento non lineare si richiede un segnale del tutto “pulito”, ovvero privo di interferenze

≈ ≈

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  il segnale ricevuto a RF viene traslato ad una frequenza intermedia fissa IF mediante “battimento” con un oscillatore locale (OL):

f IF = fRF – fLO

  Il “battimento” si ottiene con dispositivi che hanno la risposta del 2° o del 3° ordine

possibile insorgere di spurie dovute alle non-linearità presenti

OL sintetizzatore

ADC

Segnale RF Filtro RF Mixer Filtro IF Amplif. a IF

≈ ≈ ≈ ≈ ≈ ≈

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  il filtro di IF si comporta come una “finestra” che si muove nello spettro

di ricezione

  l’amplificatore rende il segnale idoneo alla successiva conversione A/D

 Dinamica del segnale: intorno a 120 dB, limitata alla zona lineare

(circa 30-60 dB) tramite controllo automatico del guadagno (AGC)

 Dinamica istantanea: rapporto massimo tollerato tra segnale utile e

disturbante, entrambi nella banda trattata dal convertitore, tale che il

rapporto S/N misurato sul segnale utile si mantenga al di sopra di un

limite accettabile (tipicamente 10 dB)

  Valori tipici per la dinamica istantanea: 30-40dB

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  Il segnale desiderato si sposta dalla frequenza fd alla frequenza IF

  I segnali interferenti (frequenza fi) traslano mantenendo la distanza in

frequenza (Δ)

  I segnali che non passano il filtro sono riflessi e generano ulteriori

interferenze

fd fi

f

f

OL dBc / Hz

fd Δ fi

Sd Si

FLT

IF Δ f

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  Il rumore del sintetizzatore limita la dinamica istantanea

fd fi

Δ

IF OL

f

Δ RUMORE

RUMORE dovuto al segnale interferente

traslato

Sd alla frequenza OL – fd = IF

OL + Δ - fi

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LO1 LO2

BPF LNA BPF LPF ADC

BPF HPA BPF LPF DAC

RF  combiner

DSP

STADIO  a  RF STADIO  a  IF STADIO  in  BB

RF: radio frequenza IF: frequenza intermedia

BB: Baseband – bandabase BPF: Band Pass Filter - filtro passabanda

LO1: primo oscillatore locale (LO1) LO2: secondo oscillatore locale

DSP: Digital Signal Processor

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  Segnale a radio frequenza (RF) dall’antenna

  Il filtro passa-banda (BPF) elimina le frequenze indesiderate

  L’amplificazione gli da’ potenza sufficiente da pilotare gli stadi successivi (non troppo elevata, altrimenti problemi per la dinamica)

 Conversione dalla RF alla banda base (BB) in 2 stadi: LO1 converte alla frequenza intermedia (IF); dopo filtraggio, LO2 converte in BB

  I mixer in realtà sono tipo I/Q, con due mixer

  ADC converte dall’analogico al digitale, Il DSP effettua la demodulazione numerica, la decodifica di canale e quella di sorgente

  stadi a RF e IF analogici, realizzati con hardware dedicato

  il componente digitale (blocco DSP) è presente nello stadio in BB.

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Figura 4.1: Selezione del canale in un ricevitore eterodina Figura 4.2: Front-End

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  Filtro esterno per la reiezione dell’immagine

  Alta corrente di polarizzazione per gli stadi che pilotano componenti esterni

 Necessita di una doppia conversione con ulteriori eventuali componenti esterni

  Elevata selettività e sensitività

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Vantaggi:

  Buona selettività

  Buona sensitività

Svantaggi:

 Dissipazione

  Ingombro

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RF LNA ≈ ≈

LO 90°

Q

I LNA ≈ ≈ ≈

LNA ≈ ≈ ≈

Conversione diretta da RF a BB (Direct Conversion, DC)

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LO

BPF LNA LPF ADC

BPF AMP LPF DAC

RF  combinator   DSP

STADIO  a  RF STADIO  in  BB

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Vantaggi:

 Minore dissipazione

 Minore ingombro

  Assenza immagine

Svantaggi:

  Emissioni oscillatore locale

 DC Offset

Soluzioni:

  Schermatura

 Compensazione tramite DSP

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Vantaggi:

 Minore dissipazione

 Minore ingombro

Svantaggio:

  Bassa reiezione del canale immagine

Soluzione:

  Accurata progettazione del mixer a reiezione dell’immagine

LO +

+ ωIF 90°

ωRF

Q(t)

I(t)

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  Frequenza intermedia di poche centinaia di KHz

 Reiezione della frequenza immagine con filtro d’antenna + mixer a reiez. freq. imm.

  Filtro di canale: filtro attivo integrato (es Chebichev 5 ordine integrato)

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  Primo filtro IF non selettivo

  Primo OL a frequenza fissa

  Secondo OL a frequenza variabile

  Filtro di canale passa basso integrato

  Problema dell’offset in DC

Figura 4.3: IF Vestigiale

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Conversione diretta

Interferenza in RX dovuta a OL in TX: un imperfetto isolamento del mixer produce una riga a fOL vicina alla banda di ricezione

Maggiore semplicità, consumo ridotto

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1.  Architettura funzionale del trasmettitore

2.  Architettura funzionale del ricevitore

3.  Demodulazione analogica

4.  Campionamento, aliasing e conversione AD 5.  Oscillatore locale

6.  Sezione digitale del ricevitore

7.  Radio analogica, radio digitale e radio software

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  La frequenza di campionamento di un segnale limitato in banda, è il

doppio della larghezza di banda del segnale - banda di Nyquist-

  Per il contenuto spettrale di tale segnale occorre considerare la banda

attenuata, e non quella passante

  La banda attenuata deve essere considerata fino ai “limiti” del

processo

  La banda totale viene considerata nei calcoli della media frequenza

del circuito numerico, oltre che nel calcolo dell’aliasing

(sovrapposizione degli “spettri campionati”)

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 Campionando un segnale con spettro limitato si generano repliche dello

stesso spettro, a distanza pari alla frequenza di campionamento

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 Dinamica istantanea: massimo rapporto tra segnale utile e segnale disturbante, entrambi nella banda trattata dal convertitore, tale che il rapporto S/N misurato sul segnale utile si mantenga al di sopra di un limite accettabile (tipicamente 10 dB)

  Esempio - Requisito: 100 dB di dinamica istantanea (Din.Ist).

Soluzione: ADC con un numero di bit effettivo pari a:

 Regola generale: aggiungendo un bit si aumenta la dinamica di un

fattore 2 ed il rapporto S/N aumenta di 6.02 dB

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Rumore di quantizzazione

LSB

Livello di sensibilità

Livello di saturazione

Dinamica istantanea

SNR minimo richiesto sul

segnale

SNR del convertitore

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  I livelli di ampiezza che caratterizzano il convertitore AD si riflettono

sui suoi parametri prestazionali

  livello minimo: corrisponde al bit meno significativo (LSB, Least

Significant Bit)

  livello massimo: porta alla saturazione dell’ingresso dell’ADC

  livello di sensibilità: ampiezza minima dell’ingresso tale che il

rapporto segnale/rumore di quantizzazione permetta di realizzare la

prefissata qualità di servizio (solitamente, il BER)

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  Sovracampionando si aumenta la dinamica dell’ADC come

conseguenza della riduzione della banda del canale a livelli

notevolmente minori rispetto alla banda di Nyquist (guadagno di

processo)

  Il fattore fs e’ detto fattore di sovracampionamento (o oversampling)

 Rumore di conversione di tipo bianco: elevata velocità di

campionamento, basso tetto di rumore in banda in quanto la stessa

potenza di rumore viene distribuita su di un range di frequenze maggiore

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  La quantizzazione genera dei segnali spuri nel dominio della frequenza.

  SFDR, Spurious-Free Dinamic Ratio: rapporto in decibel tra l’ampiezza

della frequenza fondamentale e l’ampiezza del segnale spurio più alto

  SFDR è un parametro di qualità che cresce all’aumentare della

risoluzione e che non può essere migliorato con il sovracampionamento

  è difficile avanzare ipotesi sulla collocazione di tale spurie che spesso

coincidono con le armoniche del segnale soggette ad aliasing.

  Le spurie si traducono in un effetto analogo al reciprocal mixing, per

cui i requisiti di SFDR derivano integralmente dai requisiti di reiezione

dei canali disturbanti.

 Un convertitore con SFDR di 70÷85 dB è allo stato dell’arte

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Il convertitore A/D viene scelto in modo da bilanciare opportunamente

  frequenza di campionamento

  numero di bit

  rumore di conversione

si possono raggiungere caratteristiche migliori per il front end

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1.  Architettura funzionale del trasmettitore

2.  Architettura funzionale del ricevitore

3.  Demodulazione analogica

4.  Campionamento, aliasing e conversione AD

5.  Oscillatore locale 6.  Sezione digitale del ricevitore

7.  Radio analogica, radio digitale e radio software

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 Campionando un segnale con spettro limitato si generano repliche dello

stesso spettro, a distanza pari alla frequenza di campionamento

f SPETTRO TOTALE

ST

fRF BANDA PASSANTE

FC

HOLD

SEGNALE ANALOGICO

SAMPLE

t f . . . . . .

FC 2FC 3FC . . . . hFc

FC 2FC

f

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OL IF

fd

fi

Δ f

Δ

[ RUMORE (OL + Δ) ] - fi OL - fd

Sd Segnali dopo il mixer:

IF Sd

RUMORE

FLT

IF

f

fd fi

f

f

OL

dBc/Hz

f

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  L’instabilità del clock di campionamento (jitter) provoca incertezza sugli

istanti di acquisizione dei campioni

  Il “Rumore di Fase” può essere equiparato ad una fluttuazione random della

fase (o frequenza) dell’oscillatore e degrada il parametro SNR sui canali

vicini

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  La riduzione del valore di SNR dovuta al jitter può essere calcolata mediante la seguente equazione:

dove:

e’ la frequenza di ingresso

e’ il valore efficace del jitter

 Dati la frequenza del segnale ed il requisito di SNR, l’equazione fornisce il valore del jitter tollerato sul clock

  ESEMPIO: segnale a 70MHz, SNR desiderato di 75dB

il jitter sul clock non deve essere maggiore di 0.4 picosecondi

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Gli oscillatori di piccole dimensioni più “stabili” contengono quarzi:

  Xtal osc compensati: un quarzo opportunamente “tagliato” e’ l’elemento

risonante del circuito - stabilita’ ~ 10 ppm/ °C -

  TCXO (Thermal Compensated Xtal Oscillator): al precedente circuito si

aggiunge una rete di compensazione nell’ intervallo di temperatura di

funzionamento, stabilita’ ~ 1 ppm/ °C

  CCXO (Computer Controlled Xtal Oscillator): la curva di

compensazione viene immagazzinata in forma numerica, con una

stabilità risultante di circa 0.1 ppm/ °C

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  OVEN: tutto l’oscillatore e’ tenuto a temperatura di almeno 10-20°C

superiore alla massima di funzionamento, con una stabilità risultante di

circa 0.1- 0,001 ppm/ °C

Δf ppm +70

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1.  Architettura funzionale del trasmettitore

2.  Architettura funzionale del ricevitore

3.  Demodulazione analogica

4.  Campionamento, aliasing e conversione AD

5.  Oscillatore locale

6.  Sezione digitale del ricevitore 7.  Radio analogica, radio digitale e radio software

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  I Filtraggi digitali (filtri FIR) a valle dell’ADC isolano il segnale utile

per ridurre rumore e interferenze. Ci può essere una decimazione

dei campioni, che sposta in basso la frequenza centrale.

 Un AGC digitale opera nei diversi passi della catena di elaborazione

digitale, garantendo che la dinamica della sequenza si mantenga nei

limiti di rappresentazione consentiti dal numero di bit a disposizione

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AGC digitale

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  Il Recupero di frequenza digitale può essere realizzato in vari modi,

ad esempio elaborando blocchi di campioni ricevuti e rilevando la

presenza di picchi nel dominio della frequenza

  Stima spettrale: algoritmi basati sulla FFT o su tecniche ancora più

avanzate (Algoritmi AR, metodi di Prony o di Pisarenko

  Può seguire una fase di aggancio, basata sull’impiego di circuiti ad

aggancio di fase (PLL, Phase Lock Loop) numerici.

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Recupero di frequenza

digitale AGC

digitale Filtraggio digitale

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  L’ADC lavora ad una frequenza di campionamento N volte maggiore rispetto alla frequenza di simbolo, ad esempio N=4

  Strategia di largo impiego per recuperare il clock di simbolo: ⇒ considerare le N sotto-sequenze ottenute per sottocampionamento di

un fattore N ⇒ misurare l’energia di ciascuna di esse tramite semplice

accumulazione dei campioni al quadrato ⇒ scegliere infine quella con energia massima

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Recupero di frequenza

digitale

AGC digitale

Filtraggio digitale

Recupero sync di simbolo

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  Può essere presente un equalizzatore, tipicamente un Decision

-Feedback Equaliser (DFE) oppure un Equalizzatore di Viterbi (VE).

  Il demodulatore provvede a ricostruire i bit all’uscita

dell’equalizzatore e li invia all’ingresso del decodificatore

di canale, del tipo Viterbi

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Demodu- lazione

Decodifica di canale

Equalizzazione di canale

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1.  Architettura funzionale del trasmettitore

2.  Architettura funzionale del ricevitore

3.  Demodulazione analogica

4.  Campionamento, aliasing e conversione AD

5.  Oscillatore locale

6.  Sezione digitale del ricevitore

7.  Radio analogica, radio digitale e radio software

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 Negli anni ’80, il SW entra nelle radio: ⇒ Il display diventa “flessibile” ⇒ Programma filtri ed OL ⇒ Gestisce il AGC

  La componentistica comportava: ⇒ caratteristiche tipiche della radio analogica ⇒ una limitata modificabilità dei processi di mo/demodulazione

Front End (analogico)

Media Frequenza (analogico)

Mo/Demodulatore (analogico)

Limitata gestione SW della radio

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  Il front-end rimane analogico, ma con caratteristiche migliorate   L’elaborazione digitale (DSP) comporta:

⇒ AD converter, banda, sottocampionamenti, ⇒ funzioni di trasferimento SW definite ⇒ processi di mo/demodulazione SW modificabili ⇒ SW orientato al particolare HW, ovvero Firmware ⇒ SW di gestione: ampia interfaccia utente

Front- End Media Frequenza

Mo/Demodulatore (digitale)

DSP

SW di gestione + Sistema Operativo Real Time

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utenza

  ADC il più possibile vicino all’antenna, elaborazione via software   Architettura HW modulare basata su ‘OPEN STANDARDS’   Servizi aggiuntivi: interoperabilità di rete (Medium Access Control)

Front End (analogico/ digitale)

SW di gestione + Sistema Operativo Real Time + Interfaccie standard + Middleware standard

Media Frequenza (digitale)

DSP

Mo/Demodulatore (digitale)

Bus comune ‘OPEN STANDARD’

Funzioni MAC

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Flusso logico delle informazioni di interfaccia ai processi DSP e di gestione supportato dallo standard HW ‘OPEN’ Driver SW per servizi di interfaccia

fisica verso l’utente

(BSP = Board Support Package) Parte del SW di gestione che gestisce le interfacce ai processi

CHANNEL Application

INTERNETWORK Application

MANAGEMENT Application

MMI Application

LOGICAL SW BUS

MIDDLEWARE

Real Time OPERATING SYSTEM

BUS SERVICES

Attivazione delle appli-cazioni DSP e di

gestione

Processi DSP e di gestione realizzati nelle risorse HW

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 Hardware Radio (Livello 0): sistemi tradizionali, tutti realizzati in hardware. Nessuna flessibilità.

  Software Controlled Radio, SCR (Livello 1): sistemi realizzati in hardware ad eccezione della sola parte di controllo, implementato via software. La flessibilità è molto limitata.

  Software Defined Radio, SDR (Livello 2): supportano diverse tecniche di modulazione, operazioni su bande sia larghe sia strette, funzionalità di sicurezza, ecc.; una amplificazione e una traslazione di frequenza sono analogiche; discreta flessibilità.

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  Ideal Software Radio, ISR (Livello 3): flessibilità piuttosto elevata, le uniche parti analogiche sono gli estremi delle catene di rice-trasmissione, l’antenna e gli eventuali trasduttori per gli utenti finali; la riprogrammabilità è estesa all’intero sistema.

 Ultimate Software Radio, USR (Livello 4): nessuna limitazione circa le frequenze operative, tempi e capacità di calcolo; livello difficilmente realizzabile, è considerato solo come un punto di riferimento da raggiungere.

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J. G. Proakis, Digital Communications, 4th Edition, McGraw Hill, 2001.

G. C. Clark, J.B.Cain, Error-Correction Coding for Digital Communications, Perseus Publishing, 1981.

P. Burns: “Software Defined Radio for 3G”, Artech House, 2003.

E. Baracchini: “The Software Radio Concept”; IEEE Communications Magazine, vol. 38, pp.138-143, Sept. 2000.

www.sdrforum.org

Basics of Designing a Digital Radio Receiver (Radio 101), Brad Brannon, Analog Devices, Inc. Greensboro, NC, 1995.

Digital Radio - Block Diagrams, Reference Designs and Recommended Design Considerations, in http://focus.ti.com/docs/solution/folders/print/8.html.

Joseph Mitola, Zoran Zvonar, Software Radio Technologies Selected Readings, John Wiley & Sons Inc, 2001.

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 Nel progetto del Ricetrasmettitore (R/T) la parte ricevente è la più critica

 Nei trasmettitori si hanno requisiti di rumore meno gravosi, in rapporto ai livelli dei segnali

 Ricevere un segnale a radiofrequenza (RF) vuol dire estrarne l’informazione associata

  Il livello minimo di detta RF può essere dell’ordine del decimo di microvolt e raramente supera 1 µV

  La figura di rumore è sempre migliore di 10

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Requisiti che condizionano il progetto del Front-End (FE):

 Gamma di frequenza

  Fattore di rumore/sensibilità

  Tipo di collegamento/servizio (dinamica)

 Resistenza a forti segnali interferenti

Requisiti che vengono attribuiti alla sezione di MEDIA FREQUENZA (IF):

 Modalità di trasmissione (modulazione)

 Canalizzazione

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