Caratterizzazione sperimentale delle catene di trasmissione e ricezione di una SDR commerciale

Introduzione 
 
La sempre crescente domanda per quanto riguarda l’occupazione di bande di 
frequenze, sta portando alla ricerca di soluzioni pratiche che porti ad un 
utilizzo dinamico della banda. 
Proprio in questa direzione va lo studio delle Sofware Defined Radio, in 
quanto, l’obiettivo di questa tesi è quello di fornire dei dati sperimentali 
sulle prestazioni ottenibili da questi dispositivi, valori ottenuti tramite la 
stima di opportuni parametri di qualità delle catene in trasmissione ed in 
ricezione. 
Lo scopo finale di questa attività è implementare degli algoritmi di Sensing 
per andare ad individuare quelle che possono essere le frequenze libere e 
successivamente, tramite dei metodi di scelta delle bande di trasmissione 
creare degli algoritmi in grado di far trasmettere e quindi occupare banda 
alla scheda solo una volta che sono identificate realmente delle bande libere. 
In questo ambito vanno inserite le prove fatte in questa tesi, infatti, tramite i 
parametri di qualità ottenuti, e quindi una conoscenza più approfondita della 
Software Defined Radio, sarà possibile sapere a quali frequenze la scheda 
riesce a trasmettere o ricevere con potenze maggiori, quale modulazione ha 
un funzionamento migliore e il Noise Floor, in modo da utilizzare queste 
informazioni nello sviluppo degli algoritmi sopracitati. 
I dati sperimentali sono stati estratti utilizzando una Software Defined Radio 
di tipo commerciale, in particolare la USRP Ettus E310, questo per provare 
se quanto detto sulla tecnologia SDR in generale può essere applicabile a 
queste schede commerciali e quindi se è possibile utilizzarle per gli scopi 
preposti.
Il lavoro di tesi svolto è stato organizzato in quattro capitoli; nel primo si 
trova una descrizione della tecnologia SDR in generale e sono state inoltre 
elencate le possibili applicazioni attuali e future. 
Nel secondo capitolo è stato fatto uno studio dettagliato di tutti i componenti 
che sono presenti nelle catene di trasmissione e ricezione, per entrambi i 
canali A e B, all’interno della USRP Ettus E310, in questo modo 
conoscendo l’architettura hardware del sistema è stato possibile capire dove 
poter collocare i gradi di libertà che si avevano durante l’esecuzione delle 
misure. 
Nel capitolo tre sono descritti tutti i parametri di qualità, nel dominio del 
tempo, della frequenza e della modulazione, che permettono di dare una 
valutazione oggettiva e standardizzata delle prestazioni di un sistema 
ricetrasmittente. Inoltre in questo capitolo sono state presentate le 
modulazioni utilizzate nelle prove descrivendone in maniera generale le 
caratteristiche. 
Nel quarto capitolo si trovano tutti i risultati delle prove eseguite sulle 
catene di trasmissione e ricezione, atte a caratterizzare in maniera esaustiva 
la scheda. Queste misure sono state eseguite in diverse modalità per valutare 
l’effettiva bontà del sistema e come variavano le prestazioni al variare delle 
condizioni. 
Infine nelle conclusioni sono riassunti i risultati ed i metodi con cui si sono 
ottenuti, oltre alla descrizioni di possibili applicazioni future del lavoro fatto 
e della tecnologia Software Defined Radio in generale.
Capitolo 1 – Le schede SDR e le possibili applicazioni. 
 
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Capitolo 1 
 Le schede SDR e possibili applicazioni 
1.1 Introduzione 
L’obiettivo di questo capitolo è quello di andare a presentare in maniera 
generale quelle che sono le schede SDR, acronimo che sta per Software 
Defined Radio, e le loro possibili applicazioni. 
Il termine Software Defined Radio è stato introdotto da Joe Mitola nel 1991 
in riferimento a radio riconfigurabili, ma originariamente, nel 1984, veniva 
utilizzato solo il termine Software Radio, il quale rappresentava i ricevitori 
digitali in banda base con funzioni di filtraggio. La definizione data 
successivamente da Mitola, invece, è legata al progetto di una stazione GSM 
completamente software-based. 
Le schede SDR sono sistemi in cui modulazioni o elaborazioni del segnale, 
sono realizzati via software, per cui è possibile introdurre nuove tipologie di 
trasmissioni, modulazioni semplicemente utilizzando la loro 
programmabilità. 
 
1.2 La SDR 
La definizione esatta data per le Software Defined Radio definisce questa 
tecnologia come “radio che forniscono un software di controllo di una varietà 
di tecniche di modulazione, operazioni a banda larda e banda stretta, funzioni 
di comunicazioni sicure e requisiti di forme d’onda di standard attuali e futuri 
su un ampio range di frequenze”.
Capitolo 1 – Le schede SDR e le possibili applicazioni. 
 
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Un’altra e forse differente visione del software defined radio è in termini del 
modello OSI tradizionale di un sistema di comunicazione. A questo proposito, 
l’SDR si riferisce in particolare ai due livelli più bassi del modello OSI; 
diventa chiaro che SDR è una tecnologia software riconfigurabile, ma non lo 
sono le applicazioni che sono implementate sulla radio.  
                               
                                                                                       Figure 1.1 - OSI SDR [6] 
In termini di caratteristiche generali della tecnologia SDR,  
è possibili citare: Riconfigurabilità, Connettività Onnipresente, 
Interoperabilità. Per la riconfigurabilità, la SDR fornisce moduli di software 
multipli implementando diversi standard sullo stesso sistema fornendo la 
configurazione dinamica del sistema attraverso la selezione del solo modello 
software da lanciare, mentre l’infrastruttura di rete è autoriconfigurabile. 
 Con la connettività onnipresente, SDR consente l’implementazione delle 
varie interfacce di connettività come moduli software e istanze multiple di 
ogni modulo che implementano differenti standard possono coesistere in 
infrastrutture e portatili, questo aiuta la realizzazione di una struttura di 
roaming globale. Se il terminale è incompatibile con la tecnologia di rete in 
una particolare regione, è necessario installare un modulo software adeguato 
con l’effetto di avere una rete senza limitazioni geografiche.  
Con l’interoperabilità si intende che la SDR facilita l’implementazione di 
sistemi radio con architettura open. Gli utenti finali possono usare 
applicazioni di terze persone senza limiti sui loro dispositivi come in un 
sistema di pc. Questo aumenta la richiesta e l’utilità di questa tecnologia.
Capitolo 1 – Le schede SDR e le possibili applicazioni. 
 
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L’elaborazione dei dati con SDR segue quello che è il modello classico dei 
segnali campionati, il quale si fonda sul teorema di Shannon, che legando la 
banda del segnale con la frequenza di campionamento minima, costituisce il 
vincolo tecnologico per i sistemi digitali in radiofrequenze. In particolare il 
Teorema di Shannon afferma che un segnale limitato in banda B è descritto 
interamente dalle sue misure prese con una frequenza >=2B. Le architetture 
SDR si dividono in due classi fondamentali: la SDR che trasla in analogico il 
segnale di interesse in banda base e applica la demodulazione e 
l’elaborazione; e la SDR in cui il segnale a radiofrequenze viene 
immediatamente campionato e gestito da procedure software. Questa seconda 
categoria di SDR è stata introdotta solo negli ultimi grazie al progresso 
tecnologico che ha permesso l’aumento della potenza di calcolo dei 
dispositivi programmabili come FPGA, rendendo possibile eseguire 
operazioni in virgola mobile in tempi decisamente più brevi, nell’ordine dei 
10 ns, consentendo così di utilizzare frequenze di campionamento nell’ordine 
di 30 - 80 MHz. 
La prima classe di SDR viene detta a conversione diretta, dove le traslazioni 
della banda di interesse in banda base sono analogiche e campionamento ed 
elaborazione sono fatte in banda base; tra gli esempi di questa classe si 
trovano le schede audio. 
I ricevitori a conversione diretta consentono di evitare gli effetti cumulativi di 
“non linearità” presenti ad esempio nei ricevitori a supereterodina. Nella fase 
di ricezione prima dell’introduzione della conversione diretta veniva fissata 
una frequenza intermedia IF alla quale viene applicato il controllo di 
guadagno automatico AGC, il quale al perdere della sensibilità del ricevitore 
interveniva per diminuire il guadagno complessivo del ricevitore. Nel caso 
del ricevitore a conversione diretta non si ha alcuna IF su cui far intervenire 
l’AGC, si ha la possibilità di avere all’uscita dello stadio di conversione, un
Capitolo 1 – Le schede SDR e le possibili applicazioni. 
 
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range molto più ampio di segnali. Questo risultato può essere ottenuto con 
una sola conversione e con l’utilizzo di convertitoti analogico-digitali i quali 
sono in grado di distinguere, contemporaneamente, segnali forti e molto 
deboli. 
La conversione viene eseguita in banda base quindi il segnale RF viene 
convertito in segnale AF ed inviato ad un convertitore. Nonostante questi 
aspetti positivi, l’utilizzo del convertitore AD introduce il problema di non 
poter eliminare la banda laterale opposta. La soluzione trovata è stata quella 
di generare due segnali audio, sfasati tra loro di 90°, in quadratura di fase, e 
di usare il QSD (Quadrature Sampling Detector) per ottenere in uscita i 
segnali I e Q, i quali devono essere inviati su due canali differenti del 
convertitore.  
In figura è mostrato lo schema a blocchi di una SDR a conversione diretta 
 
                                                          Figure 1.2 - Schema a blocchi SDR a conversione diretta [2] 
In questo tipo di ricevitore è il software che esegue la demodulazione e non 
l’hardware, attraverso esso inoltre si possono costruire e modificare filtri 
digitali che non si possono realizzare con componenti analogici. Il DSP è il 
componente hardware che permette di ottenere questi risultati. 
Successivamente con l’incremento tecnologico si è pensato di collegare 
direttamente l’antenna al convertitore ADC, cioè eliminare completamente lo 
stato analogico, trasformare il segnale ricevuto in una seria di numeri e con
Capitolo 1 – Le schede SDR e le possibili applicazioni. 
 
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questi svolgere tutte le operazioni volute. Per fare questo, però, bisogna 
considerare il criterio di Nyquist, (minima frequenza di campionamento 
stabilita dal Teorema di Shannon). Facendo un esempio se si volesse 
campionare un segnale a 30 MHz, si dovrebbe considerare una frequenza di 
campionamento (fc) di almeno 60 MHz. Supponiamo di prendere una fc pari 
a 66 MHz, con una risoluzione di ampiezza di 14 bit. A questo punto si hanno 
66 milioni di campioni per secondo moltiplicato per due bytes per campione 
e questo comporta una quantità di dati eccessiva per qualunque processore di 
un PC. Per questo motivo la soluzione adottata consiste nell’utilizzo dei gate 
di array veloci, cioè FPGA, dove, in pratica, si scrive un programma che la 
faccia comportare come il ricevitore a conversione diretta, con la differenza 
che in questo caso si lavora con i numeri e non segnali analogici, eliminando 
in questo modo dei componenti che possono portare non idealità come il 
mixer. Il segnale campionato viene poi elaborato da uno o più processori di 
classe ARM. Tali processori applicano un’ulteriore sotto-campionatura, 
filtraggio di vario genere, ed implementano anche le funzioni di 
demodulazione.  
Quanto appena descritto rappresenta la SDR a campionamento diretto il cui 
schema a blocchi generale è riportato in figura. 
 
                                               Figure 1.3 - Schema a blocchi SDR campionamento diretto [2]