Le nuove tendenze nel collaudo RF

STRUMENTAZIONE –

L’evoluzione delle comunicazioni wireless, sempre più orientate alle trasmissioni di servizi dati, e l’avvento dei nuovi schemi di modulazione richiesti dagli standard WiFi, WiMax, 3G e Lte, comportano per i sistemi di collaudo RF l’insorgere di nuove problemi.


La tecnologia radio commerciale sta vivendo un momento di profondo cambiamento. La richiesta di soluzioni di comunicazioni wireless sta aumentando rapidamente, mentre le applicazioni "data intensive", come la navigazione sul Web, l'invio di messaggi tramite terminali portatili e il trasferimento di contenuti video stanno acquisendo un'importanza sempre maggiore. I clienti si aspettano ampiezze di banda wireless sempre più estese mentre l'obiettivo dei fornitori di servizi è quello di vendere servizi ad alto valore aggiunto oltre a quelli vocali.
Per supportare queste nuove richieste dell'utenza, le tecnologie di base che forniscono servizi voce e dati stanno subendo un processo evolutivo. Le applicazioni come quelle appena descritte richiedono velocità di trasmissioni sempre maggiori, al fine di assicurare una migliore fruizione da parte dell'utilizzatore, per cui risulta necessario adottare nuovi approcci che consentano di utilizzare al meglio uno spettro di frequenza limitato.

Tendenze nelle tecnologie di comunicazione
Le tendenze probabilmente più significative nel settore delle comunicazioni wireless sono il passaggio dalla modulazione a singola portante alla modulazione Ofdm (Orthogonal Frequency Domain Modulation) e quello dalle semplici configurazioni Siso (Single Input Single Output) alle più complesse strutture Mimo (Multiple Input Multiple Output). La modulazione a singola portante prevede la trasmissione di un simbolo digitale alla volta su una sola frequenza portante. Per aumentare la velocità di trasferimento dati con questo tipo di modulazione, viene incrementata la velocità di simbolo (symbol rate). Nel momento in cui aumenta questa velocità, si fa più critico l'effetto di problemi quali ad esempio l'evanescenza (fading - diminuzione dell'intensità del segnale) in presenza di percorsi multipli, specialmente nelle applicazioni che prevedono un'elevata mobilità. Nel caso della modulazione Ofdm, invece, vengono utilizzate parecchie portanti e i dati vengono trasmessi in parallelo su tutte le portanti. In questo modo la velocità di simbolo relativa a ciascuna portante è inferiore, fattore questo che permette di ridurre l'impatto di problematiche come quelle segnalate in precedenza. La modulazione Ofdm richiede la disponibilità di maggiori risorse in termini di elaborazione digitale dei segnali all'interno dei dispositivi mobili. Grazie ai progressi compiuti nel campo della tecnologia Dsp, è ora possibile integrarla all'interno dei dispositivi mobili e garantire il livello di prestazioni richiesto a fronte di costi e consumi di potenza contenuti. La modulazione Ofdm è utilizzata per gli standard WiFi e WiMax ed è prevista per il futuro standard Lte (Long Term Evolution) per telefoni mobili.
Il passaggio dalla configurazione Siso a quella Mimo consente la trasmissione di più flussi di dati contemporaneamente utilizzando il medesimo spettro di frequenza. Questi flussi di dati paralleli possono essere impiegati per incrementare la quantità di dati trasferiti mediante la trasmissione di dati differenti su ciascuna antenna o di aumentare la copertura mediante l'invio dei medesimi dati su tutte le antenne. Questi cambiamenti sono in larga parte ascrivibili sia alla richiesta da parte dei consumatori di poter disporre di un maggior numero di servizi mobili, sia alla diminuzione dei costi delle tecnologie Dsp richieste per la diffusione su larga scala di sistemi wireless a larga banda. La tecnologia Mimo può ora essere utilizzata in un'ampia gamma di dispositivi di comunicazione commerciali tra cui telefoni mobili, Pda e laptop, che ora possono garantire velocità di trasferimento dati nettamente superiori.

Le problematiche del collaudo
Con la tecnologia Mimo aumenta l'efficienza spettrale grazie alla possibilità di trasmettere e ricevere più segnali. L'incremento dell'efficienza spettrale comporta un inevitabile aumento del grado di complessità. Nel passaggio dai sistemi Siso ai sistemi Mimo sorgono parecchie problematiche che gli ingegneri che si occupano di collaudo devono tenere in considerazione. Uno dei problemi imputabili alla complessità dei sistemi Mimo e della modulazione Ofdm è il numero di flussi spaziali che possono essere supportati dal sistema di test. Per esempio le tecnologia Wlan (Lan wireless) e Lte supportano quattro configurazioni di flusso, mentre l'attuale tecnologia WiMax prevede il supporto di due flussi. Il problema che si presenta dal lato ricevitore è la scomposizione del segnale misto in più segnali indipendenti o flussi. Il problema di maggiore entità è comunque quello relativo alla sincronizzazione. La trasmissione di più segnali richiede un'accurata sincronizzazione di più canali nei confronti dell'allineamento di campionamento e di fase. Ciò implica che i generatori e gli analizzatori di segnali devono garantire un allineamento preciso al fine di garantire misure accurate e ripetibili. Un altro problema coinvolge l'ampiezza di banda (BW). Per esempio, mentre per le tecnologie WiMax e Lte l'ampiezza di banda richiesta è 20 MHz, nel caso di Wlan conformi a 802.11n l'ampiezza di banda è di 40 MHz: le apparecchiature di test, di conseguenza, devono essere in grado di gestire ampiezze di banda elevate senza possibilmente richiedere, da parte del costruttore, l'acquisto di altri strumenti. Se da un lato in molti dispositivi wireless si va diffondendo l'impiego di più standard, dall'altro un produttore può realizzare più dispositivi che adottano molteplici standard. Le apparecchiature di collaudo devono quindi poter gestire tutti i più diffusi standard (Gsm, Gprs, Edge, Wcdma, cdmaOne e cdma2000). Gli strumenti devono essere in grado di effettuare le misure necessarie relativamente e ciascuno standard in maniera accurata, ad esempio minimizzando l'ampiezza del vettore errore o Evm (Error Vector Magnitude). Nel momento in cui il produttore adotta nuovi standard, si presentano i problemi relativi alla migrazione delle apparecchiature di collaudo. Idealmente il costruttore dovrebbe essere in grado di aggiornare le apparecchiature di collaudo nel momento in cui si affacciano alla ribalta nuovi formati di modulazione e cellulari in maniera semplice ed economica, possibilmente tramite sole modifiche a livello software.

Il problema dei costi
All'aumentare della complessità dei dispositivi wireless, cresce il livello di competitività, spingendo al ribasso i margini di profitto. Il collaudo, nel frattempo, diventa più complicato con riflessi sfavorevoli sui costi unitari. Dovendo fare i conti con margini sempre più ridotti, i produttori cercano di "limare" i costi laddove possibile, compresi quelli delle apparecchiature di collaudo e quelli complessivi del test. Ciò è valido non solo in produzione, ma anche nei laboratori di ricerca e sviluppo. In tutti e due gli ambiti, vi è una necessità sempre crescente di disporre di apparecchiature di test economiche ma capaci di assicurare più funzionalità, un throughput maggiore e la massima semplicità d'uso. Per quanto concerne la presenza di più flussi spaziali previsti dalle tecnologie Wlan, Lte e WiMax, l'obbiettivo principale è ridurre il costo per flusso senza penalizzazioni in termini di prestazioni. Nel caso dei sistemi Mimo, comunque, i costi delle apparecchiature di test possono aumentare rapidamente. Per risolvere queste problematiche sono stati introdotti sistemi di test di nuova concezione. Per esempio, la piattaforma per il test di sistemi Mimo di prossima generazione di Keithley Instruments permette di aggiungere senza problemi e senza aggravio di costi il supporto per nuovi standard di segnale e nuove configurazioni Mimo. Questo sistema è formato dal generatore di segnali vettoriali 2920 e dall'analizzatore di segnali vettoriali 2820, oltre che dall'unità di sincronizzazione Mimo 2895 e dal software per la creazione delle forme d'onda SignalMeister. Il sistema in questione è in grado di effettuare misure su sistemi Mimo fino alla configurazione 8x8 ed è predisposto per supportare gli attuali standard wireless commerciali come 802.11n WiFi, 802.16e Mobile WiMax Wave 2 così come gli standard futuri quali 3Gpp Release 8 Lte e Umb (Ultra Mobile Broadband). Tutte queste funzionalità sono frutto di recenti innovazioni. Per esempio, un'architettura Sdr (Software Defined Radio) basata su Dsp è in grado di adattarsi rapidamente alle variazioni dei requisiti di test. Gli strumenti che sfruttano questa architettura possono generare o analizzare praticamente qualsiasi segnale grazie a un semplice aggiornamento software. La tecnologia Dsp è anche in grado di assicurare prestazioni di assoluto rilievo. Essa consente infatti di ottenere segnali precisi e ripetibili grazie ai quali è possibile minimizzare gli errori di misura. Analogamente, gli analizzatori di segnali vettoriali basati su Dsp possono misurare bassi valori di Evm a livello sia di canale sia di simbolo. La tecnologia Dsp contribuisce anche ad aumentare il throughput. Essa permette una sintonizzazione rapida, grazie alla possibilità di effettuare la commutazione di frequenza in meno di 1 ms relativamente a parecchi step di frequenza. In modo del tutto simile, il tempo di assestamento dopo una variazione delle ampiezze del segnale è dell'ordine di alcuni millisecondi. Una piattaforma Dsp è solitamente completata da una memoria delle forme d'onda di dimensioni abbastanza ampie. Ciò consente all'utente di immagazzinare un gran numero di forme d'onda per un richiamo immediato. L'abbinamento di tutte queste tecnologie, realizzato in maniera economica, ha permesso lo sviluppo delle apparecchiature per il test RF della prossima generazione grazie alla quale è possibile ridurre il costo totale del collaudo. Esse possono effettuare molteplici test in maniera più rapida, con conseguente riduzione del time-to-market, assicurando nel contempo il rispetto dei parametri prestazionali critici.

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