In auto la radio è digitale

CAR INFOTAINMENT –

La Software-Defined Radio consente ai radioricevitori per auto di sintonizzarsi su più standard per la radio digitale.

Non si tratta di un sogno ma della realtà: i progettisti possono oggi investire in un'unica piattaforma hardware mantenendo la flessibilità per soddisfare i diversi requisiti dei moderni sistemi di infotainment per auto. La Software-Defined Radio è stata oggetto di intensi studi e di notevole interesse da quando il concetto è stato introdotto da Joseph Mitola a metà degli anni '90. La Sdr risolve infatti brillantemente una serie di problematiche di difficile soluzione incontrate dai progettisti di applicazioni wireless, in particolare i molteplici standard che le radio wireless devono essere in grado di supportare per operare ovunque e i costi associati al supporto di tutti questi standard. Ma allora perché tutto questo avviene soltanto ora?

Lo sviluppo della tecnologia Sdr
Nonostante il concetto di Sdr abbia trovato applicazione già da diversi anni in ambito militare, soltanto recentemente i progettisti che sviluppano prodotti soggetti a limitazioni di costo, quali apparecchi radio per auto e telefoni cellulari, hanno iniziato a realizzare soluzioni basate sulla tecnologia Sdr. Un fattore importante alla base di questo cambiamento è la legge di Moore e la risultante capacità di milioni di transistor necessari a realizzare chip ad alta capacità di calcolo per l'elaborazione dei segnali. Tuttavia, la semplice potenza di calcolo non è sufficiente, in quanto nelle applicazioni pratiche le prestazioni di un apparecchio radio sono determinate anche da altri fattori quali consumo di corrente, dimensioni del chip e flessibilità dell'architettura di elaborazione per supportare nuovi standard. Se a ciò si aggiunge la necessità di soddisfare le esigenze degli standard regionali per i sistemi di infotainment a bordo auto, i progettisti sono chiamati a sviluppare soluzioni dove un unico modello non è sufficiente per dei costruttori di auto chiamati a servire una base di clienti su scala globale. Per esempio, negli Stati Uniti lo standard HD Radio costituisce oggi un elemento base del pacchetto di entertainment a bordo auto offerto da numerosi produttori di autoveicoli. In Europa invece, a cominciare dalla Gran Bretagna, i governi hanno scelto la famiglia degli standard Dab/Dab+/T-Dmb mentre altri Paesi quali la Germania, la Francia e l'Italia hanno mostrato un rinnovato entusiasmo rispettivamente per gli standard Dab, Dab+ e T-Dmb.

Un concetto flessibile di Sdr
Per risolvere il problema degli standard i progettisti di NXP Semiconductors hanno sviluppato un concetto di Sdr altamente flessibile nel quale gli elementi di elaborazione del segnale diventano funzioni che possono essere condivise da standard differenti. Utilizzando core embedded per l'elaborazione dei segnali digitali all’avanguardia sviluppati da NXP e dai suoi partner, questa soluzione è in grado di adattarsi alle esigenze dell'attuale set di standard radio impiegati nelle applicazioni automotive. Questa è inoltre in grado anche di supportare nuovi standard per mezzo del software: il dispositivo NXP SAF3560/SAF3561, il primo coprocessore baseband multi-standard del mercato per radio digitali terrestri, incorpora infatti un software che può essere modificato per supportare nuove capacità, compresi standard come Drm o Drm+. Come processore multi-standard in grado di sostituire i molteplici circuiti integrati impiegati attualmente nei sistemi di entertainment per auto assicurando nel contempo la flessibilità per supportare nuove funzioni e la flessibilità dell'upgrade software, il dispositivo NXP SAF356x offre ai produttori Oem e ai fornitori di primo livello del settore automobilistico la possibilità di ridurre il costo di possesso complessivo dei sistemi di ricezione digitali. Il coinvolgimento di NXP e dei partner di settore nella definizione degli standard e in altre attività associate allo sviluppo delle specifiche Dab, Dab+, T-Dmb, Drm, Drm+ e HD-radio assicura loro la conoscenza approfondita necessaria per progettare un'architettura flessibile ed efficiente. In particolare, NXP e i suoi partner sviluppano e possiedono il know-how e la proprietà intellettuale per fabbricare, mantenere, migliorare e produrre circuiti integrati per ricevitori radio multi-standard qualificati per sistemi radio digitali per autoveicoli. I concetti di ricevitori radio multi-standard per sistemi radio digitali qualificati per autoveicoli possono essere sviluppati per una moltitudine di standard per la radio digitale: Drm (Digital Radio Mondiale); Drm+; Dab (Digital Audio Broadcasting); Dab+; T-Dmb (Terrestrial Digital Multimedia Broadcasting) e HD-radio. È inoltre importante notare come tutti questi standard possano essere supportati sia come sintonizzatore singolo che come sintonizzatore dual con processore singolo, e possono essere regolati attraverso il software, come per esempio gli algoritmi che permettono il miglioramento nella ricezione del segnale Dab-Fm. Tutta questa flessibilità è resa possibile dalla Software-Defined Radio. Per illustrare comunanze e differenze esaminiamo in dettaglio gli standard menzionati precedentemente:

Digital Radio Mondiale (Drm):
Drm è un sistema radio digitale a onde corte, medie e lunghe caratterizzato da frequenze inferiori a 30MHz. Lo standard Drm fornisce una qualità audio prossima a quella Fm unitamente all'intuitività delle trasmissioni digitali. Il miglioramento rispetto allo standard Am è immediatamente percepibile. Lo standard Drm utilizza il sistema Cofdm (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex). Tutti i dati audio codificati digitalmente e i segnali associati vengono trasmessi da un vasto numero di carrier ravvicinati. Tutti i carrier sono contenuti nel canale di trasmissione. Sono applicati intervalli temporali e di frequenza per ridurre il fading derivante da interferenze multi-path. È possibile variare alcuni parametri Ofdm e di codifica per consentire ai sistemi Drm di operare con successo in numerosi ambienti di propagazione differenti. Il bit rate massimo dello standard Drm è 72 kbit/s.

Drm+
La sigla Drm+, che indica un ulteriore sviluppo delle specifiche Drm, si riferisce a uno standard per trasmissioni radio digitali in Banda I e Banda II (Fm). Anche in questo caso il supporto Ofdm garantisce un impiego altamente efficiente dello spettro assicurando una ricezione mobile esente da disturbi e interferenze. Caratterizzato da un'ampiezza di banda di 95 kHz, lo standard Drm+ si inserisce nello schema Fm da 100 kHz utilizzato in Europa e può quindi essere utilizzato per trasmissioni nei relativi gap in Banda ll. Il data rate massimo effettivo è fino a 186 kbit/s per multiplex. L'utilizzo della compressione audio Mpeg 4 HE AAC+ permette l'integrazione in un unico Multiplex Drm+ di un massimo di 4 stream audio differenti, compresi ulteriori servizi dati o persino stream video.

Digital Audio Broadcasting
Quando il sistema Dab viene concepito alla fine degli anni ’80, questo si propone cinque obiettivi principali: fornire trasmissioni radio in qualità CD; fornire una qualità di ricezione a bordo auto superiore allo standard Fm; utilizzare lo spettro in maniera più efficiente; consentire la sintonizzazione in base al nome dell'emittente anziché in base alla frequenza e supportare la trasmissione di dati. Questo sistema è ben conosciuto e non sarà dunque oggetto di particolari approfondimenti nel presente articolo. È però il caso di ricordare che gli standard Dab+ e T-Dmb, derivanti entrambi dl sistema Dab, hanno incorporato le specifiche di compressione audio MPEG-4 HE-AAC+ v2 e la funzione Ecc (Error Correction Coding) Reed-Solomon, caratterizzata da ulteriore interleaving. Di seguito vengono descritti brevemente questi due sistemi.

Dab+
La principale differenza tra i sistemi Dab e Dab+ consiste nel fatto che una trasmissione radio digitale Dab utilizza lo standard di compressione audio MPEG-2 Audio Layer II mentre una trasmissione Dab+ utilizza la compressione audio Mpeg-4 HE-AAC+ v2. HE-AAC+ v2 è un superset dello standard di compressione audio AAC. Tale superset offre tre opzioni utilizzabili in base al bit rate richiesto: AAC normale per bit rate elevati; AAC e Spectral Band Replication (SBR) (HE-AAC) per bit rate medi; e AAC, SBR e Pseudo Stereo (PS) (HE-AAC+ v2) per bit rate bassi. Ogni super frame audio è trasmesso in cinque frame Dab logici consecutivi, facilitando la sincronizzazione e la gestione delle riconfigurazioni. Il codice abbreviato Reed-Solomon RS (120, 110, t = 5), derivato dal codice sistematico originale RS (255, 245, t = 5) è applicato alle porzioni di 110 byte di ogni super frame audio per generare un pacchetto protetto da errori. Il (de-)interleaver esterno può essere considerato come una linea da un (de-) interleaver Column Block (120).

T-Dmb
Anche il sistema T-Dmb è basato sul sistema di trasmissione Dab convenzionale in accordo con lo standard ETSI EN 300 401. Ciò significa che la trasmissione Dab può essere utilizzata per le trasmissioni T-Dmb semplicemente aggiungendo un video encoder T-Dmb a un sistema Dab esistente. Poiché le trasmissioni T-Dmb e Dab sono supportate dagli stessi sistemi, i dispositivi T-Dmb possono ricevere non soltanto i servizi multimediali T-Dmb ma anche i servizi audio Dab. Il sistema T-Dmb utilizza la codifica audio Bsac (Bit Sliced Arithmetic Coding) o HE-AAC+ v2 per i servizi audio, la codifica Avc (Advanced Video Coding) per i servizi video e la codifica Bifs (Binary Format for Scene) per i servizi dati interattivi.

HD-radio
HD-radio è un metodo per la trasmissione dei segnali radio digitali sul medesimo canale e contemporaneamente ai segnali Am o Fm convenzionali. Poiché HD-radio è un sistema a IP chiuso verrà descritto soltanto brevemente nel presente articolo. HD-radio è anche un sistema Cofdm che crea un set di sideband digitali su ciascun lato del normale segnale Am/Fm. Il segnale radio combinato Am/Fm e digitale rispetta la stessa maschera spettrale specificata per le trasmissioni Am/Fm convenzionali. Il sistema concede spazio per la crescita verso l'eventuale pieno utilizzo dello spettro da parte del segnale digitale secondo un processo articolato in tre fasi per il sistema HD-radio Fm - Hybrid, Extended Hybrid e Full Digital.

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