Proff. Roberto Cusani e Mauro Biagi

Transcript

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INFO-COM Dpt.
Dipartimento di Scienza e Tecnica
dell’Informazione e della Comunicazione
Università degli Studi di Roma La Sapienza
2
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
3
  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
TX bits
Trasmettitore
(TX)
RX bits
Ricevitore
(RX)
Antenna
RF
Disaccop
-piatore
4
  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
TX
bits
Modulatore
digitale
Segnale
Sezione
analogica
(front-end di
trasmissione)
Segnale RF
trasmesso
5
  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
u
10-5)
  tipici rapporti di codice 4:3, 3:2, 2:1, 3:1
 riduzione del throughput utile
u1,i u2,i u1,i-1 u2,i-1
+
  Decodificatore di Viterbi
  L’interallacciamento “sparpaglia” gli errori consecutivi
  La punturazione permette di adattare il rapporto di codice
+
+
x
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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
Bit sistematico I
Bit di informazione I
Coder # 1
Bit di protezione P1
Bit codificati
I, P1, P2
MUX
Interleaver
Coder # 2
Bit di
protezione
P2
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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
Applicazione
Coder a blocchi
Decoder a blocchi
Coder
convoluzionale
Canale
Decoder
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
Training
iniziale
dati
dati
dati
Training ripetuto
dati
11
  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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x(t)
cos(2πfc t)
sen(2πfc t)
LO
+
+
s(t)
90°
y(t)
LO = Local Oscillator
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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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  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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Segnale RF
Filtro RF
≈
≈
≈
Mixer
Filtro IF
Amplif. a IF
≈
≈
≈
ADC
OL sintetizzatore
  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
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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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fd
fi
fd Δ
fi
Sd Δ
Si
IF
f
f
FLT
OL
dBc / Hz
f
  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
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OL + Δ - fi
IF
Δ
fi
fd
RUMORE
OL
Δ
f
Sd alla frequenza
OL – fd = IF
RUMORE dovuto al
segnale interferente
traslato
  Il rumore del sintetizzatore limita la dinamica istantanea
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STADIO a RF
BPF
STADIO a IF
LNA
RF combiner
BPF
LO1
BPF
HPA
STADIO in BB
LPF
ADC
LO2
BPF
LPF
DSP
DAC
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 4.2: Front-End
Figura 4.1: Selezione del canale in un ricevitore eterodina
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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:
Svantaggi:
  Buona selettività
  Dissipazione
  Buona sensitività
  Ingombro
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Conversione diretta da RF a BB (Direct Conversion, DC)
≈
≈
≈
RF
≈
≈
I
LNA
LO
LNA
90°
≈
≈
≈
Q
LNA
31
STADIO in BB
STADIO a RF
BPF
RF combinator LPF
LNA
ADC
LO
BPF
AMP
DSP
LPF
DAC
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Vantaggi:
  Minore dissipazione
  Minore ingombro
  Assenza immagine
Svantaggi:
  Emissioni
  DC Offset
Soluzioni:
oscillatore locale
  Schermatura
  Compensazione tramite DSP
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Vantaggi:
Svantaggio:
  Minore dissipazione
  Bassa reiezione del canale
immagine
  Minore ingombro
I(t)
Soluzione:
ωRF
LO
90°
+
+
ωIF
  Accurata progettazione del
mixer a reiezione dell’immagine
Q(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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  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
41
42
  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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Livello di
saturazione
Dinamica
istantanea
Livello di
sensibilità
Rumore di
quantizzazione
LSB
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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  Campionando un segnale con spettro limitato si generano repliche dello
stesso spettro, a distanza pari alla frequenza di campionamento
SEGNALE
ANALOGICO
SAMPLE
HOLD
......
t
FC
fRF
f
FC
2FC
3FC . . . . hFc
BANDA
PASSANTE
FC
SPETTRO
TOTALE
ST
2FC
f
f
53
fi
IF
fd
Sd
IF
f
f
OL
RUMORE
f
FLT
dBc/Hz
f
OL
IF
Segnali dopo il
mixer:
fi
Sd
fd Δ
Δ
f
OL - fd
[ RUMORE (OL + Δ) ] - fi
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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
58
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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
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.
Filtraggio
digitale
AGC
digitale
Recupero di
frequenza
digitale
62
  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
Filtraggio
digitale
AGC
digitale
Recupero di
frequenza
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
Equalizzazione
di canale
Demodulazione
Decodifica
di canale
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Limitata gestione SW della
radio
Front End
(analogico)
Media Frequenza
(analogico)
Mo/Demodulatore
(analogico)
  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
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SW di gestione +
Sistema Operativo Real Time
Front- End
Media
Frequenza
Mo/Demodulatore
(digitale)
DSP
  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
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SW di gestione +
Sistema Operativo Real Time +
Interfaccie standard +
Middleware standard
Front End
(analogico/
digitale)
Media Frequenza
(digitale)
Mo/Demodulatore
(digitale)
utenza
Funzioni
MAC
DSP
Bus comune ‘OPEN STANDARD’
  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)
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CHANNEL
Application
MANAGEMENT
Application
INTERNETWORK
Application
MMI
Application
Processi DSP e di
gestione realizzati
nelle risorse HW
LOGICAL SW BUS
Attivazione delle appli
-cazioni DSP e di
gestione
Flusso logico delle
informazioni di
interfaccia ai processi
DSP e di gestione
supportato dallo standard
HW ‘OPEN’
MIDDLEWARE
Real Time OPERATING SYSTEM
Driver SW per servizi di interfaccia
fisica verso l’utente
(BSP = Board Support Package)
BUS SERVICES
Parte del SW di gestione che
gestisce le interfacce ai processi
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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.
71
  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.
72
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.
73
  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
74
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

Proff. Roberto Cusani e Mauro Biagi

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