La qualità della comunicazione tra il trasmettitore di una stazione base e il ricevitore di un terminale mobile è strettamente legata alle condizioni di propagazione del canale.

Nel loro percorso tra antenna trasmittente e antenna ricevente, le onde elettromagnetiche sono soggette e fenomeni di assorbimento e riflessione che influenzano in modo significativo l’ampiezza e la fase del segnale ricevuto.

Tali fenomeni di attenuazione del segnale sono generalmente dipendenti dalla frequenza del segnale stesso e vengono generalmente sintetizzati con il termine di fading (o evanescenza).

La riflessione, diffrazione o diffusione delle onde elettromagnetiche causata dagli ostacoli porta il segnale a percorrere diversi cammini tra il trasmettitore e il ricevitore.

Questo tipo di ambiente di propagazione, molto comune in tutte le applicazioni pratiche delle radiocomunicazioni, indicato come propagazione multicammino. In sostanza, al ricevitore arrivano diverse copie dello stesso segnale, con un ritardo, ampiezza e fase che variano nel tempo e in base alla frequenza.

Nel caso della ricezione da parte di terminali mobili si aggiunge un’ulteriore complicazione, quella dovuta all’effetto Doppler, che modifica la frequenza del segnale ricevuto in base alla velocità e alla direzione relativa tra ricevitore e trasmettitore.

Per garantirne il funzionamento corretto nelle condizioni operative reali, tutti i ricevitori radio, come i telefonini, devono essere collaudati simulando varie condizioni realistiche di propagazione e per tale ragione da tempo i vari organismi internazionali, come l’ITU (International Telecommunication Union), hanno definito dei modelli di riferimento delle condizioni di propagazione che servono verificare quantitativamente in laboratorio le prestazioni degli apparati ricetrasmittenti

La simulazione dei fenomeni di fading in un canale di propagazione multi cammino non si limita certo alla rete di comunicazioni commerciali, bensì è di fondamentale interesse per tutte le applicazioni militari basate sulle radio definite via software o SDR (Software Defined Radio) nelle quali si utilizzano forme d’onda molto complesse nel dominio del tempo che sfruttano sequenze di sincronizzazione estremamente brevi.

In generale tutte le radio aeronautiche sono soggette a condizioni di propagazioni estreme, dove le lunghe distanze in gioco introducono ritardi notevoli sul segnale trasmesso.

Ricordiamo che le onde elettromagnetiche si propagano alla velocità della luce e che una distanza di 300 km un segnale subisce un ritardo di circa 1 ms. Di conseguenza, le prestazioni di un sistema radio a salto di frequenza (frequency hopping) devono essere verificate nel caso peggiore per verificarne la conformità alla sue specifiche di progetti.

Utilizzando un simulatore di fading, è possibile verificare in modo sistematico e ripetibile le prestazioni di un sistema radio durante il suo sviluppo e nelle procedure di collaudo finale senza dover ricorrere a lunghe e costose prove direttamente sul campo.

Esistono diversi metodi per simulare le condizioni di propagazione con fading.

Normalmente, il metodo ottimale sarebbe quello di generare il fading direttamente nella sezione digitale in banda base del generatore di segnali che viene usato per collaudare il ricevitore. Si tratta di un metodo largamente usato, economico e che garantisce la miglior qualità e ripetibilità del segnale.

Un altro metodo per la simulazione del fading prevede l’intervento su un segnale RF (radiofrequenza) che viene modificato tra ingresso e in uscita. I simulatori di fading che funzionano con questa modalità sono costosi e, inoltre, la qualità del segnale potrebbe essere degradata dagli effetti delle conversioni di frequenza multiple tra segnale IF (a frequenza intermedia) e in banda base e viceversa che sono necessarie.

Comunque, ci sono molte applicazione non esistono alternative alla simulazione del fading intervenendo sul segnale RF, semplicemente perché il segnale in banda base non è accessibile. Per esempio, le prove sulle trasmissioni di una stazione radiobase reale che include anche la segnalazione richiedono un simulatore di fading RF. Lo stesso si verifica per le prove sulle radio militari che utilizzando trasmissioni a salto di frequenza. Ma anche le prove su segnali TV reali o persino di semplici trasmettitori FM richiedono di effettuare misure in condizioni di fading.

Per il settore dei radiomobili, l’ITU ha specificato dei profili di fading che vengono utilizzati per modellare il canale radio negli standard GSM e UMTS/WCDMA.

Lo standard GSM definisce tre modelli di propagazione del canale, corrispondenti a tre tipiche situazioni d’uso si un telefono cellulare: area urbana, zona collinare e zona rurale.

I modelli di propagazione del canale definiti negli standard UMTS/WCDMA sono derivati da quelli definiti dall’ITU e definiscono le tre situazioni d’uso: ambiente interno, movimento pedonale, movimento veicolare. Tutti questi modelli del canale simulano le condizioni di propagazione attese nell’ambiente a cui si riferiscono.

I modelli di canale definiti dall’ITU sono basati su un canale costituito da una linea di ritardo con prese intermedie (tapped delay line) e differiscono, ad esempio, dal numero e dalla distribuzione dei percorsi di fading e della distribuzione dei vari ritardi introdotti dal canale.

Oltre al profilo di fading del canale, viene simulata anche la traslazione di frequenza percepita a causa dell’effetto Doppler che si genera quando il ricevitore si sposta rispetto al trasmettitore.

Infatti, quando un ricevitore, o qualunque delle strutture che riflettono il segnale, si spostano, la velocità relative del ricevitore rispetto al trasmettitore causa una traslazione della frequenza del segnale trasmesso lungo ciascun cammino di propagazione. Poiché i segnali che percorrono cammini diversi possono subire traslazioni di frequenza per effetto Doppler diverse, il risultato complessivo e una corrispondente differente variazione nel tempo della fase dei segnali ricevuti.

Un versatile simulatore di fading RF può essere facilmente realizzati utilizzando un analizzatore di segnali con un’interfaccia digitale in banda base (come il modello R&S FSQ) usato come downconverter (convertitore abbassatore di frequenza) collegato a un generatore di segnali vettoriali RF dotato di ingressi in banda base digitali e opzione fading (come il modello R&S SMU200A).

Questa versatile combinazione di due strumenti permette di introdurre in modo controllato sul segnale a banda base gli vari tipi di disturbo, per esempio un rumore bianco di tipo gaussiano (AWGN). Poiché in molti laboratori già si dispone di un analizzatore e un generatori di segnali adatti allo scopo, questa soluzione è spesso più economica rispetto all’utilizzo di un simulatore di fading RF dedicato.

Il segnale RF da sottoporre a fading viene immesso nell’ingresso RF dell’analizzatore di segnale, che lo trasla in frequenza digitalizzandone il segnale a frequenza intermedia (IF).

Ad esempio, con lo strumento R&S FSQ è possibile elaborare in questo modo segnali in tempo reale con una larghezza di banda fino a 28 MHz. L’interfaccia digitale del segnale in banda base dello strumento emette un flusso continuo di bit in formato LVDS (Low Voltage Differential Signalling) compatibile con quello dell’ingresso digitale I/Q del generatore di segnali RF.

Con questo collegamento, il generatore di segnali RF produce alla sua uscita un segnale che ha lo stesso livello, modulazione e frequenza di quello originale immesso nell’analizzatore di segnale.

Le versatili funzioni di fading in banda base disponibili nel generatore di segnale, tra cui l’aggiunta di rumore bianco gaussiano, possono essere applicate al segnale in banda base prima che vengo convertito a radiofrequenza.

La combinazione di questi due strumenti costituisce un simulatore di fading RF con una banda in tempo reale di 28 MHz su un segnale a radiofrequenza fino a 6 GHz, ossia quanto basta per coprire tutti i più comuni standard di comunicazione radio attuali sia nella direzione uplink (da mobile a stazione base) che downlink (da stazione base a mobile).

Tra i collaudi più importanti da eseguire sui ricevitori di terminali radiomobili vi sono le prove di fading necessarie a verificare che la comunicazione tra la stazione radio base e il dispositive mobile possano essere mantenute anche nelle più avverse condizioni di propagazione definite nelle specifiche.

La figura mostra come sia possibile configurare una prova di fading su un ricevitore radiomobile.

Il segnale RF della stazione radiobase viene immesso, tramite un attenuatore di potenza, all’ingresso dell’analizzatore di segnali. Si collega l’uscita digitale in banda base dell’analizzatore all’ingresso digitale in banda base del generatore.

Avendo impostato l’analizzatore di segnali e il generatore a lavorare come simulatore di fading, l’uscita del generatore di segnali viene portata all’ingresso del ricevitore da collaudare ad un livello opportuno.

A questo punto è possibile impostare nello strumento R&S SMU200A lo scenario di fading desiderato secondo lo standard di riferimento della propria applicazione radiomobile (GSM, 3GPP, LTE etc.).

I moderni sistemi di comunicazione militare basati su radio definite via software utilizzano forme d’onda complesse che hanno sequenze di sincronizzazione estremamente brevi. Inoltre, vengono tipicamente utilizzati schemi di trasmissione a banda larga che adottano veloci salti di frequenza (frequency hopping) come contromisura per la guerra elettronica.

Le sequenze di salti di frequenza spesso coprono bande superiori ai 100 MHz con ritmi di salto di migliaia di frequenze al secondo. Prima che una comunicazione possa avvenire in sicurezza, tutti sistemi radio coinvolti devono essere sincronizzati con un riferimento di clock principale (master clock). Successivamente, ciascuna radio seguirà lo schema di salto definito centralmente basandosi esclusivamente sul proprio clock interno.

La finestra di sincronizzazione per stabilire un collegamento tra due radio è però molto stretta. I tempi di ritardo e l’accuratezza dei singoli sistemi di clock diventano pertanto un fattore molto critico in queste applicazioni. I clock di sistema vengono frequentemente risincronizzati con il clock principale. Ma le radio devono sempre affrontare i ritardi temporali e quelli caratteristici che derivano dall’utilizzo dello schema a salto di frequenza.

Le radio aeronautiche sono particolarmente soggette a dover funzionare in condizioni estreme. Le lunghe distanze potenzialmente esistenti tra trasmettitore e ricevitore causano ritardi considerevoli del segnale anche fino a diversi millisecondi. Nei casi peggiori, non si riesce a stabilire la comunicazione. Inoltre, la velocità supersonica degli aerei militari crea effetti Doppler molto significativi nel segnale ricevuto che possono creare notevoli problemi.

Le prestazioni dei sistemi radio a salto di frequenza nelle condizioni di caso peggiore devono essere controllate dai costruttori per ottimizzarne il progetto e verificarne la conformità alles specifiche di sistema.

Di solito, le aziende specialzzare in questo tipo di collaudi devono noleggiare elicotteri, aree di volo, personale e antenne per eseguire nel prove in ambienti ‘realistici’, un’operazione ovviamente molto lunga e costosa. I risultati di queste prove sono oltretutto influenzata da molte sorgenti di errore note e meno note, come la posizione delle antenne e altri parametri.

La figura mostra un banco di prova per ricetrasmettitori militari a salto di frequenza.

La sincronizzazione del ricevitore (dispositivo in basso) con il trasmettitore (dispositivo in alto) viene provata introducendo un ritardo di diversi millisecondi nel segnale trasmesso mediante la sezione di fading del generatore di segnale. Questi ritardi si verificano nei casi reali quando due aeroplano comunicano essendo a centinaia di kilometri di distanza.

Per eseguire la prova, il ricetrasmettitore di riferimento invia un segnale RF all’analizzatore di segnali R&S FSQ , che lo converte in banda base. Il risultante flusso I/Q in forma digitale viene passato in tempo reale al generatore di segnali vettoriali R&S SMU200A. Le sue funzionalità di fading interne introducono in modo controllato gli effetti di ritardo, Doppler e fading desiderati per simulare le condizioni operative reale, come il volo a velocità molto differente. Il segnale di prova viene traslato a radiofrequenza prima di essere passato al ricetrasmettitore in prova usato per demodulare il contenuto del segnale originalmente trasmesso.

La corretta sincronizzazione tra trasmettitore e ricevitore viene controllata confrontando con un oscilloscopio i segnali di sincronismo emessi da trasmettitore e ricevitore.

Applicando vari ‘scenari ambientali’ mediante le opzioni di fading disponibili nel generatore R&S SMU200A è possibile identificare rapidamente i limiti prestazionali del ricetrasmettitore in prova.

L’analizzatore di segnali R&S FSQ supporta lo streaming in tempo reale di segnali con una larghezza di banda fino a 28 MHz. Le forme d’onda a salto di frequenza che eccedono questa banda sono tipicamente collaudate utilizzando schemi a salto di frequenza a minor banda fornito dal costruttore della radio.

Questo tipo di banco di misura elimina le fonti di errore sconosciute e permette ai costruttori di ottimizzare i progetti delle radio e permette alle aziende specializzati in collaudo, agli integratori di sistemi o agli utilizzatori militari di verificare la conformità delle apparecchiature alle specifiche e norme internazionali oppure alle condizioni operative reale nelle quali dovranno funzionare.

Un versatile simulatore di fading RF può essere facilmente realizzato combinando un analizzatore di segnali con interfaccia digitale in banda base (usato come down-converter) con un generatore di segnali vettoriali con ingresso digitale in banda base e opzione fading.

Le versatili funzionalità di fading del generatore di segnali vettoriali, compresa l’aggiunta di rumore bianco gaussiano, possono essere sfruttate per modificare il segnale RF secondo le esigenze di molte applicazioni diverse.

Per i tecnici che già dispongono in laboratorio di un analizzatore di segnali e di un generatore di segnali vettoriali adatti, la configurazione descritta può rappresentare una soluzione particolarmente conveniente rispetto all’utilizzo di un simulatore di fading dedicato.

*Informazioni sull’autore

Roland Minihold lavora come Senior Application Engineer nel dipartimento Application Development della divisione Test and Measurement di Rohde & Schwarz.