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Generazione segnali per modulazioni digitaliIl progresso nelle tecniche di generazione dei segnali favorisce la realizzazione di generatori di segnali universali di nuovo tipo, che sono capaci di raggiungere le prestazioni necessarie al collaudo e alla validazione di sistemi avanzati con modulazioni digitali senza imporre gli elevati costi tipici della strumentazione di fascia più elevata.

Vediamo come.

Oggi quasi tutti i servizi di comunicazione wireless usano uno o più metodi di modulazione digitale.

Tradizionalmente, gli strumenti di misura e collaudo per applicazioni wireless sono stati progettati per affrontare uno specifico compito, per cui l’introduzione di nuove e più complessi forme di codifica e modulazione ha spesso richiesto l’aggiornamento e la sostituzione dei relativi sistemi di misura.

Per i segnali di stimolo necessari a validare un ricevitore in fase di progetto o a verificarne le prestazioni in fase di collaudo lo strumento tipico è il generatore di segnali vettoriali (VSG, Vector Signal Generator), un apparecchiatura capace di generare uno o più portanti controllando in tempo reale le rispettive ampiezze e fasi nel tempo.

Le misure possono essere talvolta necessarie lavorando sui segnali a radiofrequenza, ma in molti altri casi le prove si eseguono anche a frequenza più basse, alla frequenza intermedia (IF) o addirittura in banda base.

I moderni generatori di forme d’onda arbitrarie, o AWG (Arbitrary Waweform Generator) possono facilmente generare i segnali in banda base a frequenza intermedia (in certi casi persino a radiofrequenza) con la qualità necessaria per le misure su modulazioni digitali ad un costo decisamente inferiore rispetto a quello dei classici analizzatori di segnali vettoriali.

I generatori di forme d’onda arbitrarie a basso costo sono tipicamente basati sulla flessibile ed economica tecnica della sintesi digitale diretta, o DDS (Direct Digital Synthesis). Purtroppo però, la sintesi digitale diretta soffre di alcune importanti limitazioni che impediscono generalmente di ottenere segnali di qualità sufficiente per le prove su segnali a radiofrequenza o a frequenza intermedia, e talvolta anche per segnali in banda base a larga banda.

Una recente innovazione introdotta da Agilent, battezzata tecnologia Trueform, ha cambiato le regole del gioco, consentendo di ottenere segnali di qualità sufficiente pur in strumento che mantengono il basso costo tipico di quelli tradizionali a sintesi digitale diretta.

Sistemi di comunicazione wireless a modulazione digitale

Prima di addentrarci nei dettagli delle tecnologia Trueform, ricordiamo la struttura generale di un tipico sistema di trasmissione e ricezione che utilizza modulazioni digitali.

Schema di un trasmettitore con modulazione principale
Schema di un trasmettitore con modulazione digitale

In trasmissione la portante è modulata simultaneamente in fase e ampiezza. Il modulatore in quadratura (o modulatore I-Q) esegue entrambe le modulazioni applicando due segnali in banda base a due portanti ortogonali (sfasate di 90°).

Ciascuno dei due segnali in banda base può essere visto coma la parte reale (chiamata I o segnale in fase) e la parte immaginaria (chiamata Q o segnale in quadratura) di un segnale complesso, il cui vettore rappresentativo indica ampiezza e fase istantanea delle portante.

Il segnale in uscita del modulatore a frequenza intermedia viene successivamente elevato in frequenza per essere trasformato in un segnale a radiofrequenza irradiabile da un’antenna.

Schema di ricevitore per modulazioni digitali
Schema di ricevitore per modulazioni digitali

Nel ricevitore avviene il processo inverso. Il segnale a radiofrequenza captato dall’antenna viene convertito a frequenza intermedia dove viene demodulato tramite un oscillatore locale che genera due portanti tra loro sfasate di 90° ottenendo i segnali I e Q in banda base.

Elaborando i due segnali in banda base si possono decodificare i simboli trasmessi osservandone ampiezza a fase secondo lo schema di modulazione utilizzato.

Nei due schemi riportati sono stati indicati con dei cerchi colorati i punti dove tipicamente di può iniettare un segnale di stimolo per verificare il corretto comportamento dei vari componenti di un sistema di ricetrasmissione digitale.

In questo contesto il vantaggio di usare un generatore di forme d’onda arbitrarie e che non è richiesto alcun hardware supplementare per supportare tipi diversi di standard o di modulazione, in quanto l’aggiunta di un segnale di nuovo tipo dipende esclusivamente dalla disponibilità di un pacchetto software per la sua definizione.

Poiché il progresso tecnico ha consentito di realizzare generatori di forme d’onda arbitrarie con frequenze di campionamento e gamma dinamica priva di armoniche sempre superiori, il loro utilizzo come segnali di stimolo per il collaudo di apparecchiature wireless diventa sempre più appetibile.

I generatori di forme d’onda arbitrarie nel collaudo di sistemi wireless

I generatori di forme d’onda arbitrare, da soli o utilizzati insieme a un modulatore in quadratura o un convertitore elevatore di frequenza (up-converter), possono essere applicati a diversi punti di test presenti nei trasmettitori o ricevitori (come indicato nei cerchi colorati delle figure precedenti).

In generale, la generazione di segnali in banda base richiede la presenza di due canali sincronizzati, mentre le generazione di segnali a frequenza intermedia o a radiofrequenza richiedono un solo canale. Più canali possono essere richiesti per emulare le trasmissioni parallele con tecniche MIMO (Multiple Input Multiple Output) o le trasmissioni con orientamento artificiale delle direzione di irradiazione del fascio (beam forming).

I segnali in banda basa possono essere facilmente generati con degli strumenti a basso costo, in quanto le larghezze di banda necessarie sono limitate nella maggior parte delle modulazioni standard più diffuse, dell’ordine di qualche megahertz.

Attenzione però che qualunque piccola differenza nel comportamento dei due segnali in banda base (I e Q) in termini di ampiezza, risposta in frequenza e ritardo, si traduce immediatamente in una riduzione della qualità delle modulazione, in quanto si creerebbero errori nell’ortogonalità e sbilanciamenti tra le portanti modulate.

Una risposta in frequenza il più possibile piatta e un buon allineamento tra i due canali sono pertanto due requisiti fondamentali richiesti a per questo tipo di applicazioni. Alcuni generatori di forme d’onda arbitrarie potrebbero rivelarsi problematici, perché spesso la loro risposta in frequenza risulta ottimizzata per i segnali impulsivi nel dominio del tempo e per la riduzione delle frequenze immagine. Infatti, le frequenze immagine possono generare segnali spuri fuori banda che potrebbero interferire con i canali adiacenti dopo la modulazione.

La maggior parte dei generatori di forme d’onda arbitrarie a basso costo sono basati sulla sintesi digitale diretta, una di tecnica di generazione che intrinsecamente causa fenomeni di jitter. Sebbene un certo livello di jitter risulti accettabile per alcuni segnali nel dominio del tempo, la natura non lineare del fenomeno causa una ricrescita spettrale e rumore in banda (tra cui il rumore di fase) che influiscono notevolmente sulla qualità di una modulazione digitale.

La generazione di segnali a radiofrequenza modulati digitalmente direttamente alla frequenza finale della portante è generalmente preclusa a generatori di forme d’onda arbitrarie a basso costo, ma la maggior parte dei ricevitori e molti trasmettitori dei sistemi wireless non elaborano comunque il segnale modulato alla frequenza di irradiazione, bensì a una frequenza intermedia più bassa.

Tipicamente, i valori delle frequenza intermedia sono dell’ordine delle decine di MHz, una gamma alla portata di molti generatori di forme d’onda arbitrarie economici.

Lavorando sui segnali modulati a frequenza intermedia, gli eventuali sbilanciamenti tra le componenti dei segnali I e Q non sono più in problema, in quanto le componenti esistono separatamente solo sotto forma matematica all’interno del generatore.

La piattezza delle risposta in frequenza è invece ancora un problema da esaminare con attenzione, specialmente per quei tipi di modulazione che usano una larghezza di banda significativa. L’influenza del jitter derivante dall’architettura a sintesi digitale diretta diventa ancora più significativa, in quanto si ripercuote anche sulla portante, con la potenziale insorgenza di fenomeni distorsivi del segnale e di ricrescita spettrale eccessivi.

Anche la capacità di memoria del generatore arbitrario (record lenght) può diventare una fondamentale specifica tecnica da tenere presente. Molti segnali moderni modulati digitalmente richiedono una finestra temporale di durata minima piuttosto lunga (ad esempio una trama completa) per essere riconosciuti correttamente dal ricevitore che si intende verificare.

Ad esempio, un segnale per la TV digitale a standard DVB-T richiede un minimo di 68 simboli OFDM (la lunghezza della trama TPS che trasporta le informazioni sulla modulazione del segnale), ossia circa 70 ms. Per un generatore di forme d’onde arbitrarie che lavora con una frequenza di campionamento di 100 Ms/s, la durata minima del segnale si trasforma in una capacità di memoria minima del generatore di 7 milioni di campioni. Poiché la maggior parte della memoria dei generatori economici a sintesi digitale diretta è limitata a 1 Ms, non è possibile generare molti segnali modulati complessi.

L’architettura Trueform di Agilent

La nuova architettura per la generazione di forme d’onda arbitrarie a basso costo proposta da Agilent è interessante perché mantiene la flessibilità e il basso costo tipico delle soluzioni e sintesi digitale diretta, ma con il vantaggio di superarne le limitazioni dovute all’eccessivo jitter e alla non perfetta riproduzione dei segnali complessi molto dettagliati.

Schema generatore DDS
Schema generatore DDS
Schema generatore Trueform
Schema generatore Trueform

Nella soluzione Trueform viene aggiunto alla classica struttura a sintesi digitale diretta un particolare blocco interpolatore nella catena di generazione del segnale.

Il miglioramento delle prestazioni viene ottenuto interpolando in tempo reale i campioni presenti nella memoria della forma d’onda attraverso un blocco DSP, che comprende un filtro FIR passa-basso. In tal modo, il jitter associato alla mappatura temporale dei campioni presenti nella memoria della forma d’onda può essere praticamente eliminato senza dover aumentare la risoluzione originaria, così viene risparmiata la preziosa memoria delle forma d’onda e si può estendere la potenziale finestra temporale utilizzabile.

Onda generata con sintesi digitale diretta
Onda generata con sintesi digitale diretta
Onda generata con Trueform
Onda generata con Trueform

La frequenza di taglio e la forma del filtro vengono regolati così che il contenuto in frequenza del segnale risultante possa essere riprodotto accuratamente dal convertitore digitale analogico (DAC) dello strumento. Infine, il segnale filtrato e sovracampionato verrà decimato per adattarsi alla frequenza di campionamento fissa del convertitore DAC.

In sostanza, l’elaborazione aggiuntiva del blocco interpolatore può esser vista come un sistema di ricampionamento in tempo reale che userà sempre tutti i campioni disponibili nel processo, poiché tutti i campioni vengono passati al blocco di elaborazione.

La variazioni veloci nel segnale, che aleatoriamente possono essere saltate o traslate temporalmente da un generatore a sintesi digitale diretta, vengono invece riprodotte esattamente con un bassissimo jitter da un generatore Trueform. Inoltre, grazie al processo di interpolazione in tempo reale, questa architettura offre una lunghezza della memorie della forma d’onda equivalente decisamente superiore.

Il filtro passa basso in tempo reale può essere anche sfruttato per migliorare secondo necessità il comportamento nel dominio del tempo o nel dominio della frequenza del segnale in uscita.

Ad esempio, nel generatore Agilent serie 33500B, la combinazione di un’elevata velocità di campionamento rispetto alla larghezza di banda dello strumento (sovracampionamento) con un buon filtro analogico interpolatore in uscita permette di ottenere segnali puliti e privi di immagini.

Il suo filtro digitale è stato progettato per compensare la risposta in frequenza del convertitore digitale/analogico e sono state previste due modalità di funzionamento: filtro “a muro” (brick-wall) per ottenere una risposta in frequenza piatta (utile per i modulatori IQ, i segnali multitono o i segnali IF) oppure filtro “di Bessel” per ottenere una risposta all’impulso rapida ma senza ondulazioni residue (utile per la generazione di impulsi e pattern).

La risposta in frequenza piatta si adatta meglio alla generazione di segnali legati alle modulazioni digitali, perché si tratta di un fattore fondamentale per garantire una buona accuratezza della modulazione.

L’ondulazione residua (ringing) generalmente non è un problema per i segnali modulati, sia in banda base che a frequenza intermedia o radiofrequenza, poiché si tratta di segnali già di per sé con una banda limitata in frequenza che, di conseguenza, hanno già loro stessi un’ondulazione residua.

Nella maggior parte delle situazioni operative, la risposta in frequenza piatta evita di dover correggere il segnale ed aumenta anche la gamma dinamica a migliora l’uniformità di comportamento tra i canali, che è una caratteristica importante per la generazione di segnali in banda base.

Generazione di segnali OFDM

La tecnica di modulazione OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) prevede l’utilizzo di decine, centinaia o anche migliaia di portanti indipendenti fittamente ammassate all’interno del canale trasmissivo per trasmettere un messaggio informativo che viene suddiviso e ripartito tra le varie portanti disponibili. Ripartendo la trasmissione su moltissime portanti, la velocità di simbolo (symbol rate) su ciascuna portante viene di conseguenza ridotta delle stesso fattore.

Normalmente la spaziatura in frequenza tra le portanti viene scelta come l’inverso della frequenza di simbolo, così da rispettare la condizione di ortogonalità che evita l’interferenza di una portante con l’altra.

I numerosi vantaggi offerti dalla modulazione OFDM l’hanno fatta divenire lo schema di trasmissione di riferimento di molti sistemi di comunicazione wireless moderni, come la televisione digitale terrestre DVB-T, le reti LAN WiFi, le reti cellulari LTE e WiMAX. Anche i segnali OFDM hanno però delle criticità, come la loro intrinseca complessità e necessità di accuratezza (specialmente in termini di rumore di fase) , nonché un elevato rapporto tra potenza del segnale di picco e potenza media (PAPR), che li rende molto sensibili alle eventuali non linearità del trasmettitore.

La generazione di segnali OFDM di qualità è particolarmente difficile proprio per la presenza di picchi di potenza elevati rispetto alla potenza media e all’estrema sensibilità a rumore di fase e altre non linearità. Inoltre, segnali statisticamente utili richiedono sequenze composte dal maggior numero possibile di simboli.

Data la lunga durata di ciascun simbolo OFDM, i segnali OFDM statisticamente validi richiedono memorie dei generatori arbitrari molto più lunghe di quelle necessarie per generare segnali per modulazioni a portante singola.

Uno strumento come il generatore di forme d’onda arbitrarie Agilent serie 33500B, con il suo elevato livello di uscita, la risoluzione del DAC interno a 16 bit e la memoria della forma d’onda da 16 milioni di campioni si adatta bene alla generazione di segnali OFDM per numerosi sistemi, come la radiotelevisione digitale terrestre DVT-T , DVB-T2, DAB, DTMB, le reti wireless WiFi, LTE e così via.

Nella figura sottostante è mostrato un segnale DVB-T in modalità 8k portanti che richiede un minimo di 68 simboli OFDM per codificare l’informazione TPS necessaria al ricevitore per demodulare il segnale.

 

Segnale DVB-T perfetto
Segnale DVB-T di ottima qualità con MER > 44 dB

 

Il segnale ideale è stato generato tramite uno strumento Agilent 33322B che garantisce un’ottima qualità della modulazione (MER > 45 dB).

 

Segnale DVB-T degradato
Segnale DVB-T artificialmemte degradato

 

Ecco invece come appare lo stesso segnale artificialmente degradato con un po’ di errore di quadratura (5°) e di sbilanciamento (2%).

L’analizzatore mostra l’accuratezza dei difetti generati artificialmente intervenendo matematicamente sulla definizione della forma d’onda del generatore arbitrario. Si noti come l’errore di quadratura provoca la comparsa di aree di forma quadrata nel diagramma a costellazione anziché nuvole circolari come invece accade quando il segnale è affetto dal solo rumore bianco additivo.

Il grande vantaggio di disporre di un analizzatore di forme d’onda arbitrarie capace di generare segnali di grande accuratezza è di poter eseguire tutte le prove di caratterizzazione e verifica sulla catena di trattamento del segnale semplicemente agendo via software per introdurre le distorsioni e le variabilità desiderate in funzione delle proprie esigenze.

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