Dalla sua creazione, circa trent'anni fa, la tecnologia dei sistemi radio definiti via software (Software-defined radio, SDR) ha fatto progressi enormi.
Le soluzioni altamente avanzate dei nostri giorni hanno superato i migliori auspici dei creatori di una tecnologia nata come programma militare volto a fornire un'architettura a singola radio ad ampio spettro e protocolli multipli. Sebbene inizialmente l'approccio SDR fosse solo teorico, la tecnologia e le tecniche sviluppate in seguito hanno consentito di sviluppare una strategia pratica volta a semplificare l'hardware, introdurre nuove caratteristiche e supportare diverse tecniche di modulazione, tra cui l'aggiornamento delle nuove metodologie man mano che vengono inventate. SDR è oggi una tecnologia a basso costo, altamente integrata e versatile, molto lontana dai complessi e dispendiosi progetti del passato. Adesso, grazie a progressi quali la rivoluzionaria capacità di AD9361 e AD9364 (i ricetrasmettitori RF Agile a chip singolo di Analog Devices), SDR garantisce anche elevate prestazioni. Analog Devices si è inoltre impegnata affinché la tecnologia fosse accessibile ai progettisti con un ecosistema completo per hardware e software basati su progetti di riferimento ben documentati e facili da utilizzare.
Estremamente innovativa per il suo tempo, la tecnologia SDR vanta una lunga storia, iniziata nel 1970 con l'ideazione di un ricevitore digitale. In seguito alla rapida trasformazione avvenuta nei moderni sistemi wireless, le numerose sfide di natura tecnica presentate da questa tecnologia ne hanno tuttavia frenato lo slancio iniziale. Nel tentativo di rendere le comunicazioni militari "prova di futuro" e di supportare l'interoperabilità, il sogno di una radio universale è divenuto realtà solo negli anni '90, grazie ad Advanced Defense Research (DARPA). Tale tentativo è culminato nel programma multimiliardario del Ministero della difesa degli Stati Uniti noto come Joint Tactical Radio System (JTRS) e in un di livello di astrazione chiamato Software Communications Architecture (SCA). Pur essendo fallito dopo oltre un decennio di ricerca e sviluppo, l'ambizioso progetto ha comunque portato a enormi progressi nell'ambito della tecnologia sottostante. Nonostante tali progressi tuttavia, i notevoli costi, le dimensioni e il consumo energetico del sistema, non hanno permesso a SDR di affermarsi sul mercato dei prodotti di consumo e la tecnologia è rimasta confinata al campo militare e delle infrastrutture fino a quando recenti innovazioni, tra cui AD9361, non l'hanno trasformata in una realtà pratica e accessibile dal punto di vista economico.
Figura 1: Presentazione del ricetrasmettitore AD9361 Agile
Il punto di svolta per l'utilizzo di SDR nei prodotti d comunicazione commerciale sono stati l'avvento dei processori di segnali digitali (DSP) a basso costo e i progressi nel processo CMOS di integrazione analogica e RF. Tali innovazioni hanno consentito la digitalizzazione delle frequenze intermedie (IF) e dei sottosistemi banda base nei sistemi cellulari di seconda generazione. La digitalizzazione ha inserito gli elementi di un'architettura radio nella traiettoria della Legge di Moore. Con l'aumentare della potenza di elaborazione, sono state introdotte rapidamente sofisticate funzionalità algoritmiche, tra cui correzione dell'errore, schemi di modulazione avanzati, metodi efficiente di codificazione dati ed equalizzazione dei canali. L'aumento della capacità di elaborazione e i miglioramenti in termini di logica riconfigurabile hanno reso tali elementi implementazioni semplici da aggiornare e modificare. Grazie alla configurabilità estremamente flessibile, al pratico interfacciamento CMOS o LVDS e al supporto dei driver Linux, AD9361 è il complemento ideale per queste piattaforme digitali.
I più recenti sviluppi nel campo SDR sono le radio adattative e cognitive, concetti simili i quali richiedono entrambi AD9361 per poter raggiungere la potenza e il livello di integrazione richiesti. I sistemi radio regolano automaticamente la configurazione dei ricetrasmettitori in termini di forma d'onda, protocollo, frequenza e networking per utilizzare al meglio lo spettro disponibile piuttosto che ricevere una banda di frequenza o un protocollo fisso da utilizzare. Quando il dispositivo si sposta, l'ambiente cambia e la connessione RF risponde in maniera dinamica per un utilizzo ottimale del migliore servizio immediatamente disponibile. Tale funzionalità è resa possibile dall'ampia banda di frequenza e dalle ampie larghezze di banda di modulazione di AD9361. Alcuni sistemi radio intelligenti possono integrare reti mesh adattive, mentre altre propongono il protocollo OFDMA (orthogonal frequency division multiple access) per avvalersi dello spettro non utilizzato in un approccio di pooling dello spettro di frequenze. Sebbene la direzione finale della prossima generazione sia ancora da definire, quando i sistemi radio cognitivi a banda larga saranno adottati su larga scala, rivoluzioneranno la comunicazione wireless. Ad ogni modo, a prescindere dalla direzione finale, tutte le potenziali strategie presentano le stesse sfide associate alla flessibilità e alle prestazioni raggiungibili grazie a AD9361.
Nonostante i progressi in termini di elaborazione digitale, i ricetrasmettitori richiedono stadi analogici RF ad alte prestazioni per l'amplificazione front end, il filtraggio, la generazione di frequenza e la conversione verso il basso. La difficoltà nell'integrazione della funzionalità RF con prestazioni e flessibilità sufficienti è uno degli aspetti che ha maggiormente limitato la tecnologia SDR. I tentativi di integrare gli elementi RF ha portato a compromessi in termini di sensibilità, selettività, linearità e isolamento a causa delle limitazioni nelle prestazioni del semiconduttore sottostante. Ciò ha, a sua volta, generato la concezione generalmente diffusa secondo cui non sarebbe possibile ottenere un aumento della flessibilità e del livello di integrazione senza sacrificare prestazioni e funzionalità. AD9361 di Analog Devices ha dimostrato il contrario con prestazioni che soddisfano specifiche come 4G LTE. Questo ricetrasmettitore offre una riduzione senza precedenti in termini di dimensioni e numero di componenti, senza compromettere le prestazioni richieste dai progettisti. Interamente configurabile e scalabile, può essere utilizzato sincronicamente nei sistemi multi-chip per una maggiore capacità. Il risultato del più alto livello di flessibilità e integrazione è un'accelerazione dei tempi di introduzione sul mercato e una riduzione del consumo di energia e dell'area della scheda. Le applicazioni di destinazione comprendono sistemi di comunicazione P2P, stazioni di base femtocelle/picocelle/microcelle, sistemi radio di uso generico, radio cognitiva a banda larga e MIMO. Le principali caratteristiche a livello di hardware includono:
• Due ricetrasmettitori completamente indipendenti con percorsi di segnale separati che possono essere utilizzati in configurazioni a singolo chip 2x2 o sincronizzati in sistemi 4x4, 8x8 o di maggiori dimensioni per applicazioni tra cui beamforming e MIMO. Ciascun ricevitore incorpora fino a tre ingressi differenziali/6 ingressi singoli. Il ricetrasmettitore AD9364 Agile è una versione a chip singolo di AD9361.
• Due oscillatori locali (LO) che permettono al ricetrasmettitore di operare in modalità FDD (frequency division duplex) o TDD (time division duplex). Sintetizzatori frazionali-N integrati che supportano una risoluzione di frequenza da 2,5 Hz.
• Gamma di frequenza (70 MHz – 6000 MHz).
• Velocità di campionatura configurabile da 547 kSPS* a 61,44 MSPS con ADC da 12 bit su chip.
• Correzione di offset AGC, CC e correzione di quadratura integrate.
• Valore di rumore eccellente (2 dB @800 MHz LO).
• Eccellente livello di rumore di fondo del trasmettitore (-157 dBm/Hz).
• Opzioni interfaccia CMOS e LVDS per un pratico collegamento al processore banda base.
*Il valore è attualmente soggetto a revisione
Figura 2: Schede di valutazione di AD9361
(a) Scheda AD-FMCOMMS2-EZB di Analog Devices
(b) Scheda HSMC ARRADIO di Arrow Electronics
AD9361 è inserito in un ecosistema completo per consentire una rapida valutazione di AD9361 e degli sviluppi dei prodotti SDR. Si tratta di un modo assolutamente rivoluzionario di sviluppare i sistemi di comunicazione poiché elimina la necessità dello sviluppo iniziale di un prototipo funzionante di hardware e di driver software. Ciò consente al team di sviluppo di concentrarsi sulle caratteristiche distintive del progetto piuttosto che sull'architettura sottostante. SDK offre un supporto software completo e modelli di simulazione. Analog Devices vanta una lunga esperienza nel campo RF ed SDR, con un ambiente di simulazione per AD9361 basato sugli strumenti MathWorks SimRF. Sebbene non siano specificamente dedicati al ricetrasmettitore AD9361, l'azienda offre numerosi riferimenti tecnici riguardanti tecniche simili a SDR per la massimizzazione della gamma dinamica nei ricevitori. Tali documenti spiegano importanti calcoli associati alla tecnologia SDR, tra cui il valore di rumore (NF) e il rapporto segnale/rumore (SNR) come funzione di distorsione del clock. AD9361 è inoltre supportato da un Wiki di Analog Devices che contiene praticamente di tutto, dal codice della fonte del driver a guide passo passo con esempi pratici per circuiti stampati di valutazione. Dal punto di vista del software, le caratteristiche dei dispositivi e dell'ecosistema di AD9361 e AD9364 comprendono:
• Facilità di configurazione mediante comandi software. Semplice da utilizzare.
• Ecosistema completo per lo sviluppo del ricetrasmettitore. La suite comprende l'applicazione per utenti Linux e Linux e bare-metal/driver per dispositivi non-OS. Hardware di riferimento disponibile per semplificare il progetto.
• Sistema Arrow per il progetto di riferimento hardware ARRadio disponibile. Scheda mezzanino HSMC compatibile con il Kit di sviluppo SoCKit a basso costo basato su Cyclone V SOC dual ARM Cortex-A9s.
• Progetto di riferimento hardware AD-FMCOMMS2 – EZB EMC disponibile. Scheda mezzanino FMC compatibile con schede operatore basate su FMC.
• SDK dispone di connettori FMC indipendenti per collegarsi facilmente a qualsiasi sistema di elaborazione in banda base.
• SDK dispone di un'applicazione utente e di un progetto di riferimento in grado di generare DDS per toni continui per le uscite di prova, trasmettere direttamente dai file di streaming e catturare le emissioni del ricevitore da visualizzare sullo schermo.
• Applicazione oscilloscopio Linux Industrial input output (IIO). Consultare le informazioni del ricevitore nel dominio di tempo, nella costellazione e nello spettro FFT. Consente peak e poke di basso livello dei registri all'interno di AD9361 grazie all'opzione di debug.
• Grazie a Linux, la modifica delle caratteristiche del dispositivo avviene mediante semplici operazioni di apertura, lettura, scrittura e chiusura del file.
• È disponibile un modello Matlab Simulink SimRF che rappresenta accuratamente il rumore e le non linearità del ricetrasmittente a differenti livelli di potenza e frequenze, i quali possono essere utilizzati per prevedere le prestazioni e le impostazioni di controllo del progetto in un ambiente virtuale per una stretta approssimazione all'hardware effettivo. MathWorks Instrument Control Toolbox™ è in grado di automatizzare le misurazioni RF e collegarsi agli analizzatori dello spettro e ai generatori di segnale per testare il dispositivo mediante l'hardware di riferimento.
Figura 3: Sistemi di valutazione AD-FMCOMMS2 e ARRadio
Percorso del segnale SDR di AD9361
Le sezioni del ricevitore duale convertono i segnali RF in dati digitali prima di trasferirli al processore in banda base (BBP). Due canali indipendenti consentono l'utilizzo di sistemi MIMO (multiple input multiple output) condividendo, allo stesso tempo, un sintetizzatore di frequenza comune. Per ciascun ricevitore è possibile effettuare il multiplexing di tre ingressi, consentendo l'utilizzo di AD9361 in sistemi di ricevitori diversity che richiedono più di un'antenna. Il ricevitore di conversione diretta immette i dati provenienti dall'antenna e li trasferisce a un amplificatore a basso rumore (LNA). Tale operazione è seguita da amplificatori di quadratura abbinati ed elementi mixer. I filtri passa banda formano i segnali e rimuovono lo spettro di aliasing man mano che il segnale RF viene decimato alla banda base. Qualora sia richiesta una maggiore amplificazione o selettività, è possibile incorporare un LNA o un sistema di filtraggio prima del dispositivo. Il controllo del guadagno automatico (AGC) può regolare i livelli del segnale automaticamente o grazie al controllo BBP. Altri elementi integrati sono: RSSI (Received Signal Strenght Indicator), offset-tracking CC e la circuiteria necessaria alla calibrazione autonoma. Le frequenze di campionamento degli ADC da 12 bit possono essere regolate. I segnali digitalizzati possono essere ulteriormente decimati da una serie di filtri e da un filtro FIR da 128 tap. I trasmettitori duali di conversione diretta ricevono dati digitali dal BBP, dove vengono interpolati mediante un filtro FIR da 128 tap programmabile e da una serie di filtri di interpolazione. Un DAC da 12 bit con velocità di campionatura regolabile converte il segnale da digitale ad analogico. I canali di quadratura risultanti vengono trasformati in RF dai mixer mediante upconversion. I segnali di quadratura vengono combinati e passati attraverso filtri passa banda per la modellazione. Il segnale RF viene inviato all'amplificatore di uscita per la trasmissione. Ciascun canale dispone di attenuatori regolabili, calibrazione autonoma in tempo reale e un monitor di potenza Tx.
Radio cognitiva: SDR militare attuale e futuro
Attualmente, le forze militari utilizzano radio SDR JTSR come AN/PRC-154 Rifleman di Thales.
Si tratta di radio intelligenti con funzioni di auto-modellazione e risoluzione automatica dei problemi ad hoc, reti voce e dati simultanee e capacità di aggiornamento e interoperabilità definita dal software. Possono inoltre svolgere la funzione di ripetitori per altre radio. Le radio SDR per uso militare possono adattarsi a un'ampia varietà di protocolli e interoperare tra organizzazioni militari e civili. In futuro, la capacità SDR consentirà alle comunicazioni militari di adattarsi dinamicamente agli ambienti spettrali congestionati e di offrire miglioramenti in termini di efficienza e ampiezza di banda utilizzando la migliore connessione disponibile (radio cognitiva). La migliore connessione potrebbe consistere nell'utilizzo di uno spettro non utilizzato, una condizione in evoluzione dinamica. Come nel caso delle reti dei telefoni cellulari e dei sistemi radio trunking a banda stretta, le autorità di difesa civile e governative possono bloccare gli utenti fuori dal sistema per assicurare il servizio. Tale possibilità è particolarmente importante nei casi di emergenza di difesa civile. Le radio cognitive militari non si limitano a un utilizzo passivo dello spettro, ma possono catturarlo attivamente laddove necessario. Il modo in cui una radio cognitiva interagisce con i proprio ambiente spettrale prende il nome di etichetta.
Grazie all'ottimizzazione della connettività a banda larga, la tecnologia SDR viene vista come un notevole vantaggio in termini di conoscenza situazionale. Un altro aspetto importante della tecnologia dal punto di vista militare è la possibilità di aggiornamento. Essendo in grado di aggiornare le radio con i progressi più recenti in termini di codificazione, insiemi di caratteristiche e database, il sistema può adattarsi a nuovi requisiti e capacità. Ciò dovrebbe inoltre comportare una maggiore durata del sistema radio. Le forze militari considerano la radio cognitiva come un'estensione e una parte integrante del rispettivo processo OODA Loop (observe, orient, decide and act)
Con il progressivo aumentare dell'importanza delle caratteristiche associate alla moderna connettività di rete wireless per la comunicazione sul fronte, il settore militare tende verso un concetto di telefono cellulare tattico. Come nel caso di tutte le attrezzature di infanteria, la necessità di ridurre peso e dimensioni aumentando la durata della batteria determina la richiesta di maggiori livelli di integrazione. Tali necessità possono essere soddisfatte dai ricetrasmettitori SDR basati su AD9361. Questo futuro telefono cellulare tattico richiederà la capacità di radio cognitiva e potrebbe persino essere una radio intelligente con funzionalità di apprendimento automatico integrate per l'ottimizzazione dinamica delle prestazioni. Come per l'elettronica di consumo, le forze militari devono essere dotate di diversi dispositivi connessi, tra cui tablet, computer portatili e fotocamere. I veicoli, gli aerei e i sistemi autonomi intelligenti (come droni e apparecchi robotici) e persino gli esoscheletri potrebbero un giorno richiedere capacità di radio cognitiva (e dunque SDR) per interoperare e collegarsi sul fronte. Attualmente, la ricerca si concentra sulla possibilità di dotare le radio SDR militari della capacità di eseguire contromisure (tra cui il jamming) e di aggiungere controlli per la robotica e il monitoraggio dei dati dei sensori. Il monitoraggio dei sensori di background da parte delle reti delle radio cognitive può offrire dati dinamici sul terreno per individuare i livelli delle sostanze chimiche e biologiche e delle radiazioni e fornire una panoramica più completa del fronte.
Conclusione
La tecnologia SDR è tuttora in fase di rapido sviluppo grazie al crescente bisogno di dispositivi intelligenti in grado di utilizzare in maniera più efficiente uno spettro limitato e congestionato. AD9361 e la sua versione a basso costo, AD9364, sono perfettamente posizionati per soddisfare le esigenze delle generazioni presenti e future di SDR. AD9361 è un dispositivo eccellente che consente l'utilizzo di sistemi di radio cognitiva. Il suo elevato livello di flessibilità e integrazione contribuisce a ridurre il numero e le dimensioni dei componenti nonché il consumo di energia. Grazie ai kit di sviluppo completi e facili da utilizzare e ai progetti di riferimento ben documentati, lo sviluppo dei ricetrasmettitori non è mai stato così semplice. La disponibilità di progetti di riferimento dell'hardware compatibili con i kit di sviluppo SOC FPGA di Xilinx e Altera consente un rapido percorso di sviluppo per RF e BBP basati su SOC FPGA dotati di ARM Cortex A9 duale. La suite è completata da driver Linux comprovati che semplificano il processo di sviluppo del software.