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Dicembre 2008 Elaborazione Numerica dei Segnali per Telecomunicazioni F. Benedetto Elaborazione Numerica dei Segnali per 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

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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

3Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto

Standard Radio

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

15Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto

Caso Generale

16Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto

Caso Generale

17Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto

Caso Generale

18Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto

Caso Generale

19Dicembre 2008Elaborazione Numerica dei Segnali per TelecomunicazioniF. Benedetto

Definizione

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