Le piattaforme SDR per applicazioni di test e misura

Le piattaforme Software-Defined Radio (SDR) possono essere usate per sviluppare equipaggiamento di test e misura ad uso generico, in grado così di essere specializzato per svolgere differenti funzionalità come la generazione di segnale e di clock, la misura della potenza e l'analisi spettrale. Il principale vantaggio di un approccio basato su una piattaforma SDR è la possibilità di integrare tutte queste funzionalità in un unico dispositivo senza la necessità di modifiche hardware. Inoltre, una piattaforma SDR può essere facilmente connessa ad un host fornendo il controllo e la visualizzazione dei dati alla portata di tutti.

Introduzione

Il rapido ritmo nello sviluppo tecnologico rappresenta un problema per i laboratori di test e misurazione. Dispositivi, protocolli, bande di frequenza, e molte altre caratteristiche e parametri di progettazione vengono costantemente aggiornati. La strumentazione convenzionale presenta spesso un'interfaccia utente e un firmware fissi che richiederebbero un tempo di sviluppo significativo per adattarsi a una nuova configurazione di misurazione. Il massiccio aumento dei dispositivi wireless impone che le apparecchiature di test possano essere riconfigurate. Le piattaforme hardware basate sugli SDR offrono la possibilità di eseguire più applicazioni software su un unico dispositivo hardware che può essere ampliato e personalizzato. Un singolo dispositivo SDR può fungere da modulatore/demodulatore, trasmettitore a onda continua (CW), analizzatore di spettro, tester per apparecchiature utente (UE) e tester per stazione base (BS) semplicemente utilizzando l'applicazione software appropriata o modificando l'FPGA. Un approccio di test e misura basato su SDR offre numerosi vantaggi rispetto ad uno convenzionale. Alcuni di questi vantaggi sono riassunti di seguito:

Rimozione della necessità di hardware specializzato. Un singolo modulo può affrontare un'ampia gamma di casi d'uso, anche quelli attualmente sconosciuti
Gli SDR offrono flessibilità, soprattutto nella loro capacità di essere accoppiati con altri SDR o dispositivi, oltre ad essere modulari nel loro design
Ampia copertura della gamma di frequenza da DC a 18 GHz
L'elevato numero di canali Tx e Rx consente più test contemporaneamente. Ad esempio, testare più protocolli su frequenze/larghezze di banda diverse contemporaneamente produce enormi risparmi in termini di tempo, che sono fondamentali nello sviluppo di prodotti commerciali
La progettazione e la costruzione di apparecchiature hardware per test e misura ha costi generalmente elevati, ma la distribuzione degli aggiornamenti software ha costi associati generalmente inferiori
La maggior parte dell'hardware per test e misura diventa rapidamente obsoleto a causa delle continue innovazioni tecnologiche. Gli SDR sono flessibili sia nel software che nell'hardware e hanno la capacità di crescere con la tecnologia, grazie alla modularità e alla tecnologia software-defined. Ciò consente di ridurre i costi di sviluppo iniziali e gli aggiornamenti delle apparecchiature in futuro.

Questo articolo mette in rassegna l'integrazione delle piattaforme SDR nelle tecniche di test e misura per applicazioni RF. Nella prima parte verranno discussi i concetti base di un SDR, inclusi i blocchi costitutivi di un generico sistema e le sue capacità, le principali applicazioni di queste piattaforme e i vantaggi rispetto agli approcci convenzionali. Nella seconda parte verranno discusse le metodologie per l'applicazione delle piattaforme SDR nei sistemi di test e misura, la configurazione iniziale, il software necessario e le sfide che tali piattaforme possono risolvere negli scenari industriali. Infine, verranno presentati alcuni esempi di sistemi di test e misura basati su SDR e in che modo essi hanno influenzato lo sviluppo di dispositivi wireless.

Struttura di una piattaforma SDR

La struttura generale di una piattaforma SDR (Figura 1) consiste di due blocchi funzionali principali: il front-end radio (RFE) e il backend digitale. Sono necessari anche altri moduli ausiliari, come ad esempio un generatore di clock per scopi di sincronizzazione o una scheda di alimentazione.

Figura 1: Generica struttura di una piattaforma SDR

Il front-end radio contiene sia i canali di trasmissione che di ricezione, elaborando i segnali in ingresso/uscita con operazioni di filtraggio, amplificazione, sintonizzazione e miscelazione. Piattaforme SDR professionali possono operare su un ampio intervallo di frequenze di sintonizzazione, raggiungendo anche i 3 GHz di larghezza di banda istantanea su multipli canali indipendenti. Ogni canale contiene un'interfaccia ADC/DAC e in tal modo l'RFE può operare con protocolli MIMO.

Il backend digitale tipicamente consiste di una FPGA di fascia alta con elevate capacità di elaborazione numerica così da poter eseguire gli algoritmi a radio frequenza più all'avanguardia e allo stesso tempo permettere un alto grado di flessibilità e adattabilità. Il backend digitale esegue modulazione, demodulazione, up e down conversion, impacchettamento dati su collegamenti Ethernet, algoritmi specifici per applicazioni, inclusi protocolli di comunicazione e anche Intelligenza Artificiale e Machine Learning.

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