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Ultima modifica: Venerdì, 17 Maggio 2024 12:35

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Sdr = Software-defined radio = Radio definita dal software

La radio definita dal software ( SDR ) è un sistema di comunicazione radio in cui componenti che convenzionalmente sono stati implementati in hardware analogico (ad esempio mixer , filtri , amplificatori , modulatori / demodulatori , rilevatori , ecc.) sono invece implementati tramite software su un computer o sistema incorporato . Sebbene il concetto di SDR non sia nuovo, le capacità in rapida evoluzione dell'elettronica digitale rendono pratici molti processi che una volta erano possibili solo teoricamente.

Un sistema SDR di base può consistere in un computer dotato di una scheda audio o di un altro convertitore analogico-digitale , preceduto da una qualche forma di front-end RF . Quantità significative di elaborazione del segnale vengono affidate al processore per uso generale, anziché essere eseguite in hardware per scopi speciali ( circuiti elettronici ).
Un tale progetto produce una radio in grado di ricevere e trasmettere protocolli radio molto diversi (a volte indicati come forme d'onda) basati esclusivamente sul software utilizzato.

Le radio software hanno un'utilità significativa per i servizi militari e di telefonia cellulare , entrambi i quali devono servire un'ampia varietà di protocolli radio mutevoli in tempo reale.
Nel lungo termine, sostenitori come il Wireless Innovation Forum si aspettano che le radio definite dal software diventino la tecnologia dominante nelle comunicazioni radio.
Gli SDR, insieme alle antenne definite dal software, sono gli abilitatori della radio cognitiva .

Principi di funzionamento
Concetto di radio definita dal software

I ricevitori supereterodina utilizzano un VFO ( oscillatore a frequenza variabile ), un mixer e un filtro per sintonizzare il segnale desiderato su una IF comune ( frequenza intermedia ) o sulla banda base .
Tipicamente in SDR, questo segnale viene quindi campionato dal convertitore analogico-digitale. Tuttavia, in alcune applicazioni non è necessario sintonizzare il segnale su una frequenza intermedia e il segnale in radiofrequenza viene campionato direttamente dal convertitore analogico-digitale (dopo l'amplificazione).

I veri convertitori analogico-digitali non hanno la gamma dinamica necessaria per captare segnali radio di potenza inferiore a microvolt e nanowatt prodotti da un'antenna. Pertanto, un amplificatore a basso rumore deve precedere la fase di conversione e questo dispositivo introduce i propri problemi.
Ad esempio, se sono presenti segnali spuri (cosa tipica), questi competono con i segnali desiderati all'interno della gamma dinamica dell'amplificatore . Potrebbero introdurre distorsioni nei segnali desiderati o bloccarli completamente.
La soluzione standard è quella di inserire filtri passa-banda tra l'antenna e l'amplificatore, ma questi riducono la flessibilità della radio. Le radio software reali spesso hanno due o tre filtri di canali analogici con larghezze di banda diverse che vengono attivati ​​e disattivati.

La flessibilità dell’SDR consente l’utilizzo dinamico dello spettro, alleviando la necessità di assegnare staticamente le scarse risorse spettrali a un unico servizio fisso.

Storia

Nel 1970, un ricercatore presso un laboratorio del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti ha coniato il termine "ricevitore digitale". Un laboratorio chiamato Gold Room presso TRW in California ha creato uno strumento software di analisi in banda base chiamato Midas, il cui funzionamento era definito nel software.

Nel 1982, mentre lavorava con un contratto del Dipartimento della Difesa degli Stati Uniti presso la RCA , il dipartimento di Ulrich L. Rohde sviluppò il primo SDR, che utilizzava il chip COSMAC (Complementary Symmetry Monlytic Array Computer). Rohde fu il primo a presentare questo argomento con il suo discorso del febbraio 1984, "Digital HF Radio: A Sampling of Techniques" alla terza conferenza internazionale sui sistemi e le tecniche di comunicazione HF a Londra.

Nel 1984, un team della Divisione di Garland, Texas , della E-Systems Inc. (ora Raytheon ) coniò il termine "radio software" per riferirsi a un ricevitore digitale in banda base, come pubblicato nella newsletter aziendale dell'E-Team. Il team di E-Systems ha sviluppato un laboratorio di "Software Radio Proof-of-Concept" che ha reso popolare Software Radio all'interno di varie agenzie governative.
Questa radio software del 1984 era un ricevitore digitale in banda base che forniva cancellazione e demodulazione programmabile delle interferenze per segnali a banda larga, in genere con migliaia di prese di filtro adattivo , utilizzando più processori di array che accedevano alla memoria condivisa.

Nel 1991, Joe Mitola reinventò in modo indipendente il termine radio software per un piano per costruire una stazione base GSM che avrebbe combinato il ricevitore digitale di Ferdensi con i jammer di comunicazione controllati digitalmente di E-Systems Melpar per un vero ricetrasmettitore basato su software.
E-Systems Melpar vendette l'idea della radio software all'aeronautica americana. Melpar costruì un prototipo di terminale tattico per comandanti nel 1990-1991 che utilizzava processori TMS320C30 della Texas Instruments e set di chip per ricevitori digitali della Harris Corporation con trasmissione sintetizzata digitalmente. Il prototipo Melpar non durò a lungo perché quando la divisione ECI di E-Systems costruì le prime unità di produzione limitata, decise di "buttare via quelle inutili schede C30", sostituendole con un filtraggio RF convenzionale in trasmissione e ricezione e ripristinando una banda base digitale. radio invece dello SpeakEasy come gli ADC/DAC IF del prototipo di Mitola.
L'Air Force non avrebbe permesso a Mitola di pubblicare i dettagli tecnici di quel prototipo, né avrebbe permesso a Diane Wasserman di pubblicare le relative lezioni apprese sul ciclo di vita del software perché lo consideravano un "vantaggio competitivo dell'USAF". Così, invece, con il permesso dell'USAF, nel 1991, Mitola descrisse i principi dell'architettura senza dettagli di implementazione in un documento, "Software Radio: Survey, Critical Analysis and Future Directions" che divenne la prima pubblicazione IEEE a utilizzare il termine nel 1992 Quando Mitola presentò il documento alla conferenza, Bob Prill del GEC Marconi iniziò la sua presentazione dopo Mitola con: "Joe ha assolutamente ragione riguardo alla teoria di una radio software e ne stiamo costruendo una". Prill ha tenuto un articolo GEC Marconi su PAVE PILLAR, un precursore di SpeakEasy. SpeakEasy, la radio software militare, è stata formulata da Wayne Bonser, allora del Rome Air Development Center (RADC), ora Rome Labs; di Alan Margulies di MITRE Roma, NY; e poi il tenente Beth Kaspar, l'originale project manager DARPA SpeakEasy e da altri a Roma tra cui Don Upmal. Sebbene le pubblicazioni IEEE di Mitola abbiano prodotto la più grande impronta globale per la radio software, Mitola attribuisce privatamente al laboratorio del Dipartimento della Difesa degli anni '70 con i suoi leader Carl, Dave e John l'invenzione della tecnologia del ricevitore digitale su cui basò la radio software una volta che fu possibile trasmettere. tramite software.

Pochi mesi dopo la National Telesystems Conference del 1992, in una revisione del programma aziendale di E-Systems, un vicepresidente della Divisione E-Systems Garland si oppose all'uso da parte di Melpar (Mitola) del termine "radio software" senza credito per Garland. Alan Jackson, all'epoca vicepresidente del marketing di Melpar, chiese al vicepresidente di Garland se il loro laboratorio o i loro dispositivi includessero trasmettitori.
Il vicepresidente della Garland ha detto: "No, certo che no, il nostro è un ricevitore radio software". Al rispose: "Allora è un ricevitore digitale ma senza trasmettitore, non è una radio software". La leadership aziendale era d'accordo con Al, quindi la pubblicazione rimase valida.
Molti radioamatori e ingegneri radiofonici HF avevano compreso il valore della digitalizzazione HF a RF e dell'elaborazione con i processori di segnale digitale (DSP) Texas Instruments TI C30 e i loro precursori durante gli anni '80 e l'inizio degli anni '90. Gli ingegneri radiofonici di Roke Manor nel Regno Unito e di un'organizzazione in Germania avevano riconosciuto parallelamente i vantaggi dell'ADC sulla RF. La pubblicazione di Mitola della radio software nell'IEEE ha aperto il concetto all'ampia comunità di ingegneri radiofonici. Il suo numero speciale del maggio 1995 dell'IEEE Communications Magazine con la copertina "Software Radio" è stato considerato un evento spartiacque con migliaia di citazioni accademiche.
Mitola è stato presentato da Joao da Silva nel 1997 alla Prima Conferenza Internazionale sulla Radio Software come "padrino" della radio software, in gran parte per la sua volontà di condividere una tecnologia così preziosa "nell'interesse pubblico".

Forse il primo ricetrasmettitore radio basato su software è stato progettato e implementato da Peter Hoeher e Helmuth Lang presso l'istituto tedesco di ricerca aerospaziale ( DLR , precedentemente DFVLR ) a Oberpfaffenhofen , in Germania, nel 1988. Sia il trasmettitore che il ricevitore di un satellite digitale adattivo I modem sono stati implementati secondo i principi di una radio software ed è stata proposta una periferia hardware flessibile.

Nel 1995, Stephen Blust ha coniato il termine "radio definita dal software", pubblicando una richiesta di informazioni da parte di Bell South Wireless al primo incontro del forum Modular Multifunction Information Transfer Systems (MMITS) nel 1996, organizzato dall'USAF e dalla DARPA sulla commercializzazione del loro programma SpeakEasy II. Mitola si oppose al termine di Blust, ma alla fine lo accettò come un percorso pragmatico verso la radio software ideale. Sebbene il concetto sia stato implementato per la prima volta con un ADC IF all'inizio degli anni '90, le radio definite dal software hanno le loro origini nei settori della difesa statunitense ed europeo della fine degli anni '70 (ad esempio, Walter Tuttlebee descrisse una radio VLF che utilizzava un ADC e un 8085 microprocessore ), circa un anno dopo la Prima Conferenza Internazionale di Bruxelles.
Una delle prime iniziative di software radiofonico pubblico è stato il progetto militare statunitense DARPA-Air Force denominato SpeakEasy . L'obiettivo principale del progetto SpeakEasy era utilizzare l'elaborazione programmabile per emulare più di 10 radio militari esistenti, operanti in bande di frequenza comprese tra 2 e 2000 MHz .
Un altro obiettivo della progettazione di SpeakEasy era quello di essere in grado di incorporare facilmente nuovi standard di codifica e modulazione in futuro, in modo che le comunicazioni militari possano tenere il passo con i progressi nelle tecniche di codifica e modulazione.

Nel 1997, Blaupunkt ha introdotto il termine "DigiCeiver" per la sua nuova gamma di sintonizzatori basati su DSP con Sharx nelle autoradio come la Modena e Losanna RD 148.

SpeakEasy fase I

Dal 1990 al 1995, l'obiettivo del programma SpeakEasy era quello di dimostrare una radio per il gruppo tattico di controllo aereo terrestre dell'aeronautica americana che potesse operare da 2 MHz a 2 GHz e quindi potesse interoperare con le radio delle forze di terra ( VHF agile in frequenza , FM e SINCGARS ), radio dell'aeronautica militare (VHF AM ), radio navali ( telescriventi VHF AM e HF SSB ) e satelliti ( microonde QAM ).
Alcuni obiettivi particolari erano fornire un nuovo formato di segnale in due settimane partendo da zero e dimostrare una radio a cui più appaltatori potessero collegare parti e software.

Il progetto è stato dimostrato all'esercitazione di guerra avanzata TF-XXI e ha dimostrato tutti questi obiettivi in ​​una radio non di produzione. C'era un certo malcontento per l'incapacità di queste prime radio software di filtrare adeguatamente le emissioni fuori banda, di impiegare più delle più semplici modalità interoperabili delle radio esistenti e di perdere la connettività o bloccarsi inaspettatamente.
Il suo processore crittografico non poteva cambiare contesto abbastanza velocemente da mantenere in onda più conversazioni radiofoniche contemporaneamente.
La sua architettura software, sebbene abbastanza pratica, non somigliava a nessun'altra.
L'architettura SpeakEasy è stata perfezionata al Forum MMITS tra il 1996 e il 1999 e ha ispirato il team di processo integrato (IPT) del Dipartimento della Difesa per i sistemi di comunicazione modulare programmabile (PMCS) a procedere con quello che è diventato il Joint Tactical Radio System (JTRS).

La disposizione di base del ricevitore radio utilizzava un'antenna che alimentava un amplificatore e un convertitore (vedi Mixer di frequenza ) che alimentava un controllo automatico del guadagno , che alimentava un convertitore analogico-digitale che era su un computer VMEbus con molti processori di segnale digitale ( Texas Instruments C40). Il trasmettitore aveva convertitori digitale-analogico sul bus PCI che alimentavano un convertitore (mixer) che portava a un amplificatore di potenza e un'antenna.
L'ampia gamma di frequenze è stata divisa in poche sottobande con diverse tecnologie radio analogiche che alimentano gli stessi convertitori da analogico a digitale. Da allora questo è diventato uno schema di progettazione standard per le radio software a banda larga.

SpeakEasy fase II

L'obiettivo era quello di ottenere un'architettura riconfigurabile più rapidamente, ovvero più conversazioni contemporaneamente, in un'architettura software aperta , con connettività cross-channel (la radio può "collegare" diversi protocolli radio). Gli obiettivi secondari erano renderlo più piccolo, più economico e pesare meno.

Il progetto ha prodotto una radio dimostrativa solo quindici mesi dopo un progetto di ricerca triennale.
Questa dimostrazione ebbe un tale successo che ulteriori sviluppi furono interrotti e la radio entrò in produzione con solo una gamma da 4 MHz a 400 MHz.

L'architettura software ha identificato interfacce standard per i diversi moduli della radio: "controllo radiofrequenza" per gestire le parti analogiche della radio, "controllo modem" risorse gestite per schemi di modulazione e demodulazione (FM, AM, SSB, QAM, ecc.) , i moduli "elaborazione della forma d'onda" eseguivano effettivamente le funzioni del modem , "elaborazione delle chiavi" e "elaborazione crittografica" gestivano le funzioni crittografiche, un modulo "multimediale" eseguiva l'elaborazione vocale, un'"interfaccia umana" forniva controlli locali o remoti, c'era un " routing" per i servizi di rete e un modulo di "controllo" per mantenere tutto in ordine.

Si dice che i moduli comunichino senza un sistema operativo centrale. Invece, si scambiano messaggi tramite il bus del computer PCI con un protocollo a più livelli.

In quanto progetto militare, la radio distingueva fortemente il "rosso" (dati segreti non protetti) e il "nero" (dati protetti crittograficamente).
Il progetto è stato il primo noto a utilizzare FPGA (array di gate programmabili sul campo) per l'elaborazione digitale di dati radio. Il tempo per riprogrammarli era un problema che limitava l'applicazione della radio. Oggi, il tempo necessario per scrivere un programma per un FPGA è ancora significativo, ma il tempo per scaricare un programma FPGA memorizzato è di circa 20 millisecondi. Ciò significa che un SDR potrebbe modificare i protocolli e le frequenze di trasmissione in un cinquantesimo di secondo, probabilmente un’interruzione non intollerabile per tale compito.

Il sistema SpeakEasy SDR nel 1994 utilizza un processore di segnale digitale (DSP) CMOS TMS320C30 di Texas Instruments , insieme a diverse centinaia di chip di circuiti integrati , con la radio che riempie il retro di un camion. Verso la fine degli anni 2000, l'emergere della tecnologia RF CMOS ha reso pratico ridimensionare un intero sistema SDR su un singolo sistema su chip a segnale misto , come Broadcom ha dimostrato con il processore BCM21551 nel 2007. Broadcom BCM21551 ha caratteristiche pratiche applicazioni commerciali, per l'utilizzo nei telefoni cellulari 3G .

Utilizzo militare
stati Uniti

Il Joint Tactical Radio System (JTRS) era un programma dell'esercito americano per produrre radio che fornissero comunicazioni flessibili e interoperabili. Esempi di terminali radio che richiedono supporto includono radio portatili, veicolari, aeree e smontate, nonché stazioni base (fisse e marittime).

Questo obiettivo viene raggiunto attraverso l'uso di sistemi SDR basati su un'architettura di comunicazione software aperta (SCA) approvata a livello internazionale. Questo standard utilizza CORBA sui sistemi operativi POSIX per coordinare vari moduli software.

Il programma fornisce un nuovo approccio flessibile per soddisfare le diverse esigenze di comunicazione dei soldati attraverso la tecnologia radio programmabile tramite software. Tutte le funzionalità e l'espandibilità si basano sulla SCA.

La flessibilità degli SDR si traduce in una costosa complessità, incapacità di ottimizzare, capacità più lenta di applicare la tecnologia più recente e raramente un'esigenza tattica dell'utente (poiché tutti gli utenti devono scegliere e rimanere con l'unica radio se vogliono comunicare).

La SCA, nonostante la sua origine militare, è in fase di valutazione da parte dei fornitori di radio commerciali per l'applicabilità nei loro domini. L’adozione di strutture SDR per scopi generali al di fuori degli usi militari, di intelligence, sperimentali e amatoriali, tuttavia, è intrinsecamente ostacolata dal fatto che gli utenti civili possono accontentarsi più facilmente di un’architettura fissa, ottimizzata per una funzione specifica e come tale più economica. nelle applicazioni del mercato di massa.
Tuttavia, la flessibilità intrinseca della radio definita dal software può produrre vantaggi sostanziali nel lungo termine, una volta che i costi fissi di implementazione sono scesi abbastanza da superare il costo della riprogettazione iterata di sistemi appositamente realizzati. Ciò spiega quindi il crescente interesse commerciale per la tecnologia.

Il software infrastrutturale basato sulla SCA e gli strumenti di sviluppo rapido per la formazione e la ricerca SDR sono forniti dal progetto Open Source SCA Implementation – Embedded (OSSIE  ).
Il Wireless Innovation Forum ha finanziato il progetto SCA Reference Implementation, un'implementazione open source della specifica SCA. ( SCARI ) può essere scaricato gratuitamente.

Uso amatoriale e domestico
Microtelecom Perseus – un SDR HF per il mercato radioamatoriale

Una tipica radio software amatoriale utilizza un ricevitore a conversione diretta . A differenza dei ricevitori a conversione diretta del passato più lontano, le tecnologie del mixer utilizzate si basano sul rilevatore di campionamento in quadratura e sull'eccitatore di campionamento in quadratura.

Le prestazioni del ricevitore di questa linea di SDR sono direttamente correlate alla gamma dinamica dei convertitori analogico-digitali (ADC) utilizzati.
I segnali a radiofrequenza vengono convertiti nella banda di frequenza audio, che viene campionata da un ADC a frequenza audio ad alte prestazioni.
Gli SDR di prima generazione utilizzavano una scheda audio per PC da 44 kHz per fornire funzionalità ADC .
Le radio definite dal software più recenti utilizzano ADC integrati ad alte prestazioni che forniscono una gamma dinamica più elevata e sono più resistenti al rumore e alle interferenze RF.

Un veloce PC esegue le operazioni di elaborazione del segnale digitale (DSP) utilizzando un software specifico per l'hardware della radio. Diverse implementazioni di radio software utilizzano la libreria SDR open source DttSP.

Il software SDR esegue tutte le operazioni di demodulazione, filtraggio (sia radiofrequenza che audiofrequenza) e miglioramento del segnale (equalizzazione e presentazione binaurale).
Gli usi includono ogni comune modulazione amatoriale: codice morse , modulazione a banda laterale singola , modulazione di frequenza , modulazione di ampiezza e una varietà di modalità digitali come radioteletipo , televisione a scansione lenta e radio a pacchetti .
I radioamatori sperimentano anche nuovi metodi di modulazione: ad esempio, il progetto open source DREAM decodifica la tecnica COFDM utilizzata da Digital Radio Mondiale .

Esiste un'ampia gamma di soluzioni hardware per radioamatori e uso domestico.
Esistono soluzioni di ricetrasmettitori di livello professionale, ad esempio Zeus ZS-1 o FlexRadio, soluzioni fatte in casa, ad esempio il ricetrasmettitore PicAStar, il kit SoftRock SDR, e soluzioni di avviamento o ricevitori professionali, ad esempio il FiFi SDR per le onde corte, o il ricevitore SDR multicanale coerente Quadrus per le onde corte o VHF/UHF in modalità di funzionamento digitale diretta.
RTL-SDR modificare
Componenti interni di un dongle USB DVB-T a basso costo che utilizza Realtek RTL2832U come controller e Rafael Micro R820T come sintonizzatore

Eric Fry ha scoperto che alcuni comuni dongle USB DVB-T a basso costo con controller e sintonizzatore Realtek RTL2832U , ad esempio Elonics E4000 o Rafael Micro R820T,  possono essere utilizzati come banda larga ( 3 MHz) Ricevitore SDR. Gli esperimenti hanno dimostrato la capacità di questa configurazione di analizzare lo sciame meteorico delle Perseidi utilizzando i segnali radar di Graves . Questo progetto è mantenuto presso Osmocom .
HPSDR

Il progetto HPSDR (High Performance Software Defined Radio) utilizza un convertitore analogico-digitale a 16 bit e 135 MSPS che fornisce prestazioni nella gamma da 0 a 55 MHz paragonabili a quelle di una radio HF analogica convenzionale. Il ricevitore funzionerà anche nella gamma VHF e UHF utilizzando l'immagine del mixer o le risposte alias. L'interfaccia con un PC è fornita da un'interfaccia USB 2.0, sebbene sia possibile utilizzare anche Ethernet . Il progetto è modulare e comprende un backplane su cui si collegano altre schede. Ciò consente di sperimentare nuove tecniche e dispositivi senza la necessità di sostituire l'intero set di schede. Un eccitatore fornisce 1/2 W di RF sulla stessa gamma o nella gamma VHF e UHF utilizzando uscite immagine o alias.

WebSDR

WebSDR è un progetto avviato da Pieter-Tjerk de Boer che fornisce l'accesso tramite browser a più ricevitori SDR in tutto il mondo che coprono l'intero spettro delle onde corte. De Boer ha analizzato i segnali del trasmettitore Chirp utilizzando il sistema accoppiato di ricevitori.
Altre applicazioni modificare

A causa della sua crescente accessibilità, con hardware a basso costo, più strumenti software e documentazione, le applicazioni dell’SDR si sono espanse oltre i loro casi d’uso primari e storici.
L'SDR viene ora utilizzato in settori quali il monitoraggio della fauna selvatica, la radioastronomia, la ricerca sull'imaging medico e l'arte.

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