Ricezione Satelliti NOAA Ricevitore Digitale Introduzione alla SDR Alberto Trentadue IZ4CEZ - A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore Sommario Il ricevitore digitale nel progetto NOAA Introduzione fondamentale alla Software Defined Radio 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Introduzione fondamentale alla Software Defined Radio (SDR) Parte 1^ Introduzione fondamentale alla Software Defined Radio (SDR) 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore Analogico e Digitale Nell'elettronica e telecomunicazioni i sistemi possono essere analogici o digitali Analogici se si basano sulla trasformazione di grandezze che assumono valori continui in un tempo continuo Digitali se si basano sulla trasformazione di grandezze che assumono solo certi valori predefiniti misurati in istanti regolari 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Sistema elettronico analogico classico Trasfornazione analogica Ti To V, I V, I Trasduttore di ingresso Trasduttore di uscita V = R*I ΔV = L*ΔI/Δt ΔI = C*ΔV/Δt Ic = β*Ib 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Sistema analogico classico: un ricevitore radio Campo EM Trasformazione analogica Antenna Filtro Amp Filtro Amp mixer Speaker Suono Trasduttore di ingresso Oscillatore Trasduttore di uscita 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore Il Campionamento Ti Conv A/D ...156...164...180...175...166...153...138... V … t0 ... t1 … t2 … t3 … t4 ... t5 … t6 ... Tci = 1 / Fci Fci = 1 / Tci Sequenza numerica To Conv D/A ...116...124...100...92...112...134...145... … t0 ... t1 … t2 … t3 … t4 ... t5 … t6 ... V Tco = 1 / Fco Fco = 1 / Tco Sequenza numerica 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Dalla trasformazione all'elaborazione Elaborazione Numerica dei Segnali Digital Signal Processor (DSP) V = R*I ΔV = L*ΔI/Δt ΔI = C*ΔV/Δt Ic = β*Ib Yt = a0*Xt + a1*Xt-1 + a2*Xt-2+a3*Xt-3 + … + aN*Xt-N 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Teorema del Campionamento Chi ci garantisce che passare da grandezze continue a sequenze numeriche e viceversa non altera le caratteristiche dei fenomeni che stiamo elaborando?? Introdotto da H. Nyquist (1928) e perfezionato da C. E. Shannon (1949) Fc > 2*B B è la banda del segnale elettrico: frequenza in cui lo spettro del segnale ha ancora componenti rilevanti Il teorema vale se la conversione D/A è ideale (teorica) cioè ottenuta componendo speciali funzioni matematiche 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Rumore di quantizzazione In realtà Fc deve essere molto di più del minimo di Nyquist Il convertitore D/A reale introduce distorsione La distorsione è tanto più debole quanto maggiore è la frequenza di campionamento maggiore è la precisione dei numeri (numero di BIT per campione) Le imperfezioni dei sensi umani fanno “sparire” il rumore di quantizzazione da una certa soglia in poi Conv D/A ...116...124...100...92...112...134...145... Tc = 1 / Fc Fc = 1 / Tc … t0 ... t1 … t2 … t3 … t4 ... t5 … t6 ... 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Elaborazione in tempo reale Un sistema analogico è per sua stessa natura in tempo reale Una elaborazione di un DSP potrebbe non esserlo! L'esecuzione delle procedure di elaborazione dei campioni introducono ritardi Affinché il sistema digitale sia usabile il ritardo deve essere tollerabile dall'utilizzatore (umano) Il processore deve essere in grado di eseguire tutte le trasformazioni del sistema in un tempo simile a Tc!! Leggere i campioni dalle memorie Eseguire tutte le moltiplicazioni a 16 (o 32 o 64) bit Scrivere tutti i risultati nelle memorie 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Un'applicazione esigente Ricapitoliamo le esigenze di un DSP per applicazioni Radio Una frequenza di campionamento oltre i 60 Mhz Tc < 17ns Una alta precisione per la fedeltà del segnale Almeno 16 bit Elaborazione in tempo reale Ritardo complessivo sotto il secondo Migliaia di moltiplicazioni e somme a 16bit + accessi e scritture in memoria – TUTTO in meno di 17nS??? 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

SDR: Una tecnologia degli ultimi 20 anni Frequenza della CPU almeno 500MHz Memorie ad accesso veloce (Tcycle < 5 ns) Altissimo grado di integrazione Parallelismo e multiprocessori Prima del 2000, non esistevano tecnologie adeguate per campionare direttamente la RF 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

IZ0CEZ - Introduzione alla SDR Le generazioni DSP Primi I Gen. II Gen. III Gen. IV Gen. -16 bit – virgola fissa -MAC 400-200ns -Arch. Harvard -24 bit – virgola fissa -MAC 75-20ns -Spazi di mem. mult. -Istruzioni in HW -Low power -MAC 20-10ns -Maggiore memoria on-board -Moduli e coprocessori per applicazioni specifiche (telecom...) TI TMS320C60xx FreeScale MSC81xx SDR-RF TMS320C540 Motorola MC68356 TMS320C50 -Alte frequenze di clock -Architetture parallele, multi istruzione e multi- core - MAC <10ns SDR AT&T DSP16 Motorola 56001 TMS32010 Motorola 56000 AT&T DSP1 NEC μPd7720 1980 1990 2000 IZ0CEZ - Introduzione alla SDR A.R.I. Modena

Architettura di un ricevitore digitale con downconverter Elaboraz. Numerica DSP A/D D/A BF OSC Architettura tipica prima del 2000 Necessaria ancora oggi per frequenze superiori a 30 MHz 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Architettura di un ricevitore digitale a campionamento diretto Elaborazione numerica DSP Elaborazione a radio frequenza Elaborazione in banda base (audio) A/D D/A BF Fc1 Scheda di acquisizione Fc2 PC Architettura introdotta dal 2001 in poi Applicabile (ad oggi) a segnali fino a 30 Mhz Due frequenze di campionamento Fc1 e Fc2 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Il ricevitore digitale del progetto NOAA Parte 2^ Il ricevitore digitale del progetto NOAA 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Caratteristiche del segnale NOAA APT : Automatic Picture Transmission E' un segnale ANALOGICO Misura il livello di luminosità del pixel (in B/N) Telemetrie Il segnale analogico modula in AM una prima portante a 2.4KHz La AM poi modula in FM la portante principale a 137 MHz Larghezza di banda di circa 34 KHz 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Formato del pacchetto APT Rif: [1] 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Perchè un approccio digitale? Non esistono ricevitori specifici per il NOAA Le FM commerciali hanno una banda troppo larga Le radio amatoriali con filtri opportuni sono molto costose La costruzione di un ricevitore FM dedicato è possibile ma complesso (fase 2?) E' necessario un sistema in cui l'investimento sia commisurato all'uso che si prevede di fare 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore Il ricevitore SDR RTL-2832 Chipset nato per il Digitale Terrestre su PC Larga banda: 50MHz – 1200MHz Extra-low cost: circa 20 EUR Gira sotto Windows con il SW SDR Sharp 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Dettagli Tecnici Il Software SDR Il software utilizza la scheda audio per demodulare il segnale Il SW diventa parte integrante del ricevitore radio Per questo la tecnica di demodulare un segnale radio col SW si chiama Software Defined Radio: Radio definita dal Software Il ricevitore da sentire ciò che il software SDR è in grado di demodulare 17/09/2018 Ricezione Satelliti NOAA - Dettagli Tecnici A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Dettagli Tecnici Il SW SDR WinRad WinRad è un software SDR ideato da un radioamatore americano, Jeffrey Pawlan, WA6KBL e realizzato da un radioamatore italiano, Alberto Di Bene I2PHD Offre tutte le funzionalità di un ricevitore radio professionale all'interno di un PC E' quindi in grado di demodulare anche il segnale dei satelliti NOAA E' assolutamente libero e gratuito 17/09/2018 Ricezione Satelliti NOAA - Dettagli Tecnici A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Dettagli Tecnici Il SW SDR WinRad 17/09/2018 Ricezione Satelliti NOAA - Dettagli Tecnici A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore Grazie e Buon Lavoro! 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena

Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore Riferimenti [1]: http://www2.ncdc.noaa.gov/docs/klm/html/c4/sec4-2.htm#f422-1 05/03/2013 Ricezione Satelliti NOAA - Antenna e Preamplificatore A.R.I. Modena