Non è facile individuare tendenze evolutive generali in un campo tecnologico che conta migliaia di applicazioni del tutto diverse tra loro. È questo, appunto, il caso delle tecnologie wireless, utilizzate in tutti gli ambiti (civile, industriale, militare), per trasmettere informazioni di ogni tipo (dai segnali dei sensori fino alle immagini video HD), su distanze che variano tra pochi centimetri e migliaia di chilometri. Non vi è dubbio, però, che la telefonia cellulare abbia assunto un ruolo particolarmente importante tra le applicazioni wireless, in termini di volumi di mercato, velocità di crescita, rapidità dell’evoluzione tecnologica e capacità di accentrare più modalità d’uso. Esaminare alcune delle tendenze che riguardano la telefonia cellulare, quindi, equivale a studiare un campione certamente rappresentativo dell’intero universo wireless.
Più radio nello stesso terminale
Una tendenza evidente nel campo della telefonia cellulare è l’integrazione di più radio diverse nello stesso terminale, ovviamente intendendo con “radio” il ricetrasmettitore destinato a collegarsi a una singola rete. Molti dei nuovi smartphone comprendono, oltre a quanto necessario per utilizzare le reti di telefonia cellulare, anche la connettività Bluetooth e Wi-Fi, un ricevitore Gps e una radio Fm. I produttori di componenti, pertanto, offrono ai produttori di telefoni una varietà di dispositivi – sia single chip, sia moduli multichip – che integrano tre o quattro radio diverse. Ad esempio, il chip WiLink 7.0 di Texas Instruments riunisce le radio Bluetooth, Wi-Fi, FM e un ricevitore Gps. La sua realizzazione ha richiesto la soluzione dei complessi problemi posti dalla coesistenza di queste diverse tecnologie RF nello stesso pezzo di silicio.
Comunicazione peer-to-peer
La situazione, però, potrebbe diventare ancora più complessa: a breve, infatti, gli smartphone potrebbero essere dotati anche della capacità di connettersi tra loro localmente, senza l’ausilio della rete di telefonia cellulare. Questa, almeno, è l’intenzione di Qualcomm, che ha recentemente presentato una soluzione rivolta appunto alla comunicazione “peer-to-peer” tra terminali. Denominata FlashLinq, la tecnologia consente agli smartphone di individuarsi a vicenda e di stabilire comunicazioni dirette - alla velocità tipica di una connessione broadband - fino alla distanza di un chilometro. Le possibili applicazioni della nuova soluzione comprendono la pubblicità di negozi nelle immediate vicinanze, il social networking basato sulla localizzazione fisica dell’utente e la comunicazione machine-to-machine. FlashLinq si basa sulla tecnologia Tdd Ofdma (Time Division Duplex - Orthogonal Frequency Division Multiple Access) e si caratterizza per la capacità di “scoprire” migliaia di telefoni nel raggio di un chilometro dall’utilizzatore, il che richiede sofisticate tecniche di gestione delle interferenze. L’eventuale affermazione di soluzioni come FlashLinq comporterà l’aggiunta di una ulteriore “radio” all’equipaggiamento degli smartphone.
I vantaggi della Software Defined Radio
La concentrazione di più radio nello stesso terminale rende ancora più interessanti, almeno in linea di principio, i concetti della Software Defined Radio (Sdr) e della “radio cognitiva riconfigurabile” (cognitive reconfigurable radio). Concettualmente, nella sua forma più estrema e idealizzata, un ricevitore Sdr consiste in un convertitore analogico/digitale collegato direttamente all’antenna, seguito da un Dsp. La radiofrequenza viene quindi immediatamente digitalizzata e tutte le operazioni successive – necessarie per estrarre l’informazione veicolata dall’onda radio– sono svolte in modalità digitale. Similmente, un trasmettitore Sdr consiste in un Dsp seguito da un convertitore digitale/analogico collegato direttamente all’antenna (o meglio all’amplificatore di potenza RF), cosicché tutte le operazioni necessarie per associare l’informazione all’onda radio sono svolte in modalità digitale. Digitalizzando anche le funzioni tradizionalmente analogiche (mixer, filtri, amplificatori, rivelatori ecc.), diviene possibile estendere ad esse tutti i vantaggi della logica programmata e quindi utilizzare il software per descrivere tutte le elaborazioni da compiere. In altri termini, è sufficiente cambiare il software per cambiare non solo il protocollo di comunicazione ma anche la banda di frequenza utilizzata, cosa impossibile da ottenere con le radio tradizionali. La logica evoluzione della Software Defined Radio è rappresentata dalla “radio cognitiva riconfigurabile” (cognitive reconfigurable radio), un ricevitore che è in grado di esplorare lo spettro per cercare una banda libera e quindi di configurarsi automaticamente, cambiando la frequenza e lo standard di trasmissione a seconda delle necessità.
Verso la digitalizzazione della radiofrequenza
L’identi-kit della radio cognitiva riconfigurabile sembra adattarsi molto bene alle necessità dei futuri terminali mobili. Difficile dire se questa possibilità sarà effettivamente utilizzata, certo è che uno degli ostacoli principali alla diffusione delle software defined radio è stato recentemente abbattuto. Il mercato, infatti, offre oggi nuove generazioni di convertitori analogico-digitale talmente veloci da poter operare anche su segnali a 2,7 gigahertz. In molte applicazioni diviene quindi possibile la digitalizzazione immediata dei segnali in radiofrequenza, presupposto della “software defined radio” nella sua forma più estrema.
Attualmente l’esempio principale è costituito dai convertitori National della famiglia ADC12Dxx00RF, ma indubbiamente anche altri produttori di semiconduttori presenteranno presto prodotti analoghi. I dispositivi National sono in grado di convertire segnali fino a una frequenza di 2,7 gigahertz, con una velocità di campionamento di 3,6 miliardi di campioni al secondo e una risoluzione di dodici bit. Un convertitore di questo genere può rimpiazzare un intero sottosistema di campionamento a frequenza intermedia (oppure un sottosistema ZIF, Zero Intermediate Frequency), composto di mixer, sintetizzatori LO (Local Oscillator), amplificatori, filtri e ADC, riducendo drasticamente il numero dei componenti con tutti i vantaggi che ne conseguono. L’intera banda delle frequenze in ingresso può essere digitalizzata immediatamente e il filtraggio dei canali può essere realizzato nel dominio digitale, tramite Dsp, con una riduzione dei consumi e dei costi e un aumento delle prestazioni. L’ampliamento del dominio digitale, inoltre, rende il sistema riprogrammabile e quindi molto più flessibile. Le possibili applicazioni comprendono stazioni base della telefonia celluare 3G o 4G, i ponti radio a microonde, le comunicazioni militari, le software-defined radio a banda larga. Questo tipo di applicazioni richiede convertitori analogico/digitale dotati di ottime prestazioni per quanto riguarda il “noise floor”, la distorsione di intermodulazione e il “noise power ratio” (NPR).
Un’innovazione significativa
Oltre ad avere una serie di importanti conseguenze pratiche, la digitalizzazione della radiofrequenza ha anche una portata “storica” poiché rende possibile fare a meno della conversione a frequenza intermedia. Si tratta di un aspetto delle radiocomunicazioni che era rimasto sostanzialmente immutato per quasi un secolo: l’introduzione della frequenza intermedia nei ricevitori radio risale infatti al 1918.
Le tecnologie wireless continuano quindi a evolversi molto rapidamente, stimolando – grazie soprattutto ai grandi numeri della telefonia cellulare – lo sviluppo di soluzioni innovative a tutti i livelli. Indubbiamente questo settore tecnologico continuerà a svolgere un ruolo propulsivo per l’intera industria elettronica ancora per molti anni.
