Migliorare la ricezione del segnale con la diversità d’antenna impiegando più convertitori D/A ad alta velocità

Nei moderni sistemi wireless si impiegano numerose tecniche di diversità – di tempo, di frequenza e di codice – per massimizzare la velocità di trasmissione dei dati e migliorare l’affidabilità della trasmissione; risulta così possibile trasmettere segnali a più utenti simultaneamente nonché la massima quantità di dati possibile. Trasmettendo in tempi o a frequenze diverse oppure con sequenze di dati binari diverse note come codici Gold, i segnali vengono prodotti in modo tale da poter essere differenziati l’uno dall’altro ed essere ricevuti senza errore. Queste tecniche sono ben note e sono state perfezionate nel corso di decenni d’uso; inoltre sono utilizzabili con la diversità d’antenna (o diversità spaziale). La diversità d’antenna comporta l’uso di più antenne per trasmettere o ricevere un segnale; può essere realizzata in una versione semplice, che utilizza la combinazione di antenne che assicura i migliori risultati di decodifica del segnale, o in versioni più complesse: sistemi a più ingressi e uscite (MIMO, multiple input, multiple output) e applicazioni di formazione del fascio, in cui si impiegano più antenne in corrispondenza del trasmettitore e del ricevitore per incrementare la diversità spaziale. Quando si usano più antenne per la trasmissione, è cruciale avere variazioni temporali nell’intervallo di picosecondi fra i convertitori digitale-analogico (D/A) su ciascun canale; ciò richiede che i convertitori possano essere sincronizzati fra di loro affinché i dati siano trasmessi simultaneamente. Quando questo criterio è soddisfatto, il sistema sarà in grado di trasmettere dati identici tramite più antenne a un ricevitore comune, massimizzando la probabilità di corretta ricezione del segnale e riducendo al minimo la probabilità di perdita di un segnale da un trasmettitore.

TDMA, FDMA, CDMA

I sistemi di comunicazione possono gestire più utenti tramite tecniche di diversità, la cui versione più semplice è la TDMA (time division multiple access), che essenzialmente comporta la trasmissione dei dati a più utenti in tempi differenti: il ricevitore quindi semplicemente attende il corrispondente intervallo di tempo (time slot) e decodifica i dati appropriati. La tecnica FDMA (frequency division multiple access) opera in modo analogo ma nel dominio della frequenza: i dati vengono trasmessi a utenti differenti su frequenze specificate e il ricevitore decodifica solo quelli trasmessi a tali frequenze. Sistemi più moderni, wireless, incorporano la tecnica CDMA (code division multiple access) in cui prima che i dati siano trasmessi se ne esegue la convoluzione mediante uno specifico codice, che viene quindi utilizzato al ricevitore per decodificare i dati trasmessi specificamente a tale utente. Poiché queste tecniche vengono implementate in domini diversi, è possibile impiegarle insieme nello stesso sistema ai fini della massima diversità.

Queste tecniche sono state sfruttate in numerose generazioni di protocolli wireless e a ciascuna iterazione hanno migliorato la velocità di trasmissione dati del sistema; mitigano un effetto inevitabile quando si trasmettono dati a qualsiasi distanza, ossia la loro attenuazione (fading). Il fading è il risultato della riduzione dell’ampiezza di un segnale a causa della cancellazione nel canale in cui viene trasmesso. Quando viene trasmesso da un’antenna, il segnale si propaga sempre per numerosi percorsi diversi mentre raggiunge il ricevitore, e la sua fase varia in ciascun percorso; questi sfasamenti lo possono anche cancellare in corrispondenza al ricevitore. Per mitigare il fading, è possibile usare più antenne di trasmissione o ricezione, poiché è molto improbabile che quando un segnale viene trasmesso o ricevuto con più antenne, la cancellazione si verifichi in tutti i casi. La diversità d’antenna consiste per l’appunto nell’uso di più antenne e può migliorare ulteriormente la velocità di trasmissione dei dati in un sistema wireless.

Diversità d’antenna

Esistono molti modi per attuare la diversità d’antenna in un sistema wireless. La diversità d’antenna è uno dei modi con cui si può implementare la tecnica SDMA (spatial division multiple access), poiché la distanza tra le antenne permette di distinguere i vari segnali. Possono esservi più antenne al punto di trasmissione e una sola antenna al punto di ricezione (MISO), una sola antenna trasmittente e più antenne riceventi (SIMO) o più antenne sia trasmittenti che riceventi (MIMO). I sistemi MIMO offrono i risultati migliori per quanto riguarda la diversità d’antenna, ma la complessità della decodifica richiede un trasmettitore e un ricevitore sofisticati. In un ambiente in costante cambiamento, è necessaria una caratterizzazione costante del canale; inoltre, all’aumentare della distanza fra il trasmettitore e il ricevitore, la complessità del canale fra le antenne trasmittenti e riceventi diventa instabile e difficile da differenziare, riducendo i vantaggi della tecnica MIMO. Sistemi con più antenne di trasmissione e una sola antenna di ricezione sono alquanto comuni nelle comunicazioni wireless e sfruttano la diversità d’antenna per migliorare le prestazioni.

In un sistema wireless MISO con diversità d’antenna, più convertitori D/A trasmettono i dati su più antenne simultaneamente; poiché queste sono disposte in punti fisicamente diversi, ad esempio su torri, il segnale si propaga verso il ricevitore lungo percorsi diversi e il segnale ricevuto proveniente da ciascuna delle antenne sarà differente a causa degli effetti multipath in ciascuno dei canali. La caratterizzazione di ciascun canale individuale con toni pilota trasmessi dà al ricevitore informazioni preziose sulle prestazioni del canale stesso, utilizzabili per modificare il formato digitale dei dati prima della trasmissione, massimizzando la probabilità di ricezione all’arrivo. Poiché ciascun canale richiede una specifica modifica e correzione, per ciascuna antenna trasmittente sono necessari convertitori D/A separati e un processore di segnali digitali (DSP) dedicato. Se i convertitori D/A non sono perfettamente allineati nel tempo, i segnali trasmessi saranno disallineati e la precisione di formazione del fascio sarà scadente; il trasmettitore non sarà in grado di mantenere un canale stabile da punto a punto e il ricevitore non sarà in grado di correggere questi errori. Per evitare questo problema nel dominio del tempo, questi convertitori D/A devono essere sincronizzati, ossia i dati devono essere trasmessi da ciascun convertitore D/A nello stesso istante; anche la più lieve variazione nel tempo può peggiorare le prestazioni del sistema.

Sincronizzazione

Quando i convertitori D/A generano i dati a frequenze dell’ordine dei gigahertz (GHz), è estremamente difficile sincronizzarne le uscite su più dispositivi: se un convertitore D/A esegue il campionamento a 2,7gigacampioni/s, il codice di uscita varia ogni 370ps. Il clock di campionamento e quello dei dati generati dall’FPGA devono essere allineati per ciascuno dei convertitori D/A di trasmissione. L’LTC2000A, un convertitore D/A a 16 bit da 2,7gigacampioni/s, semplifica la sincronizzazione includendo un registro interno [...]

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Una risposta

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 14 gennaio 2016

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