ITMI952741A1 - Sistema e ricevitore radio per la rivelazione di distorsioni dello spettro di un segnale trasmesso in particolare distorsioni dovute - Google Patents

Abstract

La presente invenzione si riferisce a un sistema per la rivelazione di distorsioni dello spettro di un segnale trasmesso, in particolare distorsioni dovute e fading selettivo.Secondo l'invenzione, si ottengono ciclicamente le ampiezze relative a intervalli di frequenza dello spettro del segnale trasmesso e quindi si ha la possibilità di elaborarle opportunamente per ottenere una indicazione della distorsione dello spettro.Tali ampiezze possono anche essere utilizzate per un controllo automatico di guadagno secondo una qualsiasi strategia.

Description

D E S C R I Z I O N E:

La presente invenzione si riferisce a un sistema per la rivelazione di distorsioni dello spettro di un segnale trasmesso in particolare distorsioni dovute a fading selettivo.

L’invenzione si riferisce anche a un ricevitore radio che comprende un tale sistema.

Un sistema ben noto per la rivelazione di distorsioni dello spettro consiste nel dividerlo in N bande di frequenza tramite N filtri selettivi e quindi misurare l’ampiezza di ogni banda. L’informazione che si ottiene è tanto più completa quanto più il numero N di tali filtri è grande. Questa esigenza risulta però in contrasto con molte altre esigenze in particolare con quella legata alla complessità realizzativa dei filtri selettivi in frequenza (filtri passabanda con banda molto stretta), con la necessità di risparmiare spazio e con l’esigenza non trascurabile di contenere i costi.

A causa di questi ed altri contrasti di esigenze il numero dei filtri impiegati è contenuto tipicamente in due o tre, e l’informazione così ottenuta è comunque incompleta.

Scopo della presente invenzione è quindi di provvedere ad un sistema particolarmente semplice ed efficiente nonché di facile realizzazione che consenta di eliminare gli inconvenienti dell’arte nota.

In accordo all’invenzione tale scopo viene raggiunto mediante un sistema per la rivelazione di distorsioni dello spettro di un segnale trasmesso avente le caratteristiche esposte nella rivendicazione 1 e ad un ricevitore radio come descritto nella rivendicazione 13. Vantaggiosamente secondo l’invenzione si ottengono ciclicamente le ampiezze relative a intervalli di frequenza o porzioni dello spettro del segnale trasmesso e quindi si ha la possibilità di elaborarle opportunamente per ottenere una indicazione della distorsione dello spettro.

Ulteriori aspetti vantaggiosi della presente invenzione sono esposti nelle rivendicazioni dipendenti.

Il rivelatore di potenza secondo una forma preferita di realizzazione consiste in un rivelatore di picco.

Tali ampiezze infatti possono anche essere utilizzate per un controllo automatico di guadagno secondo una qualsiasi strategia; in particolare secondo una vantaggiosa forma di realizzazione si utilizza l’ampiezza più elevata tra le ampiezze degli intervalli di frequenza poste agli estremi laterali di detto spettro, più in particolare dei 2 più estremi.

Per determinare l’ampiezza maggiore si fa uso di un semplice commutatore, in particolare risulta vantaggioso uno a diodi.

Secondo una forma preferita di realizzazione dell’invenzione si produce in uscita una indicazione della distorsione quando almeno una ampiezza è inferiore ad una determinata soglia definita a priori. Per ottenere delle prestazioni migliori e per ottenere una sensibilità omogenea in tutta la banda vengono corrette opportunamente le ampiezze sommando ad ognuna un opportuno coefficiente di correzione.

Al fine di ottenere una selettività maggiore del sistema si fa uso di un amplificatore.

Le ampiezze relative ai vari intervalli di frequenza vengono ottenute ciclicamente. Al fine di poter elaborare questi valori in modo ottimale risulta vantaggioso memorizzarle in opportune memorie. Per migliorare ulteriormente le prestazioni del sistema la scansione ciclica è effettuata in modo che la differenza in frequenza tra un intervallo ed il successivo sia la minore possibile durante tutto il ciclo per evitare problemi dovuti ai transitori e per stabilizzare equamente i circuiti tra una misura e l’altra.

Inoltre la distanza in frequenza tra intervallo, e ..intervallo è. variabile, in modo da ottenere una sensibilità omogenea su tutto lo spettro.

L’invenzione verrà ora illustrata in maggior dettaglio con l’ausilio del disegno allegato in cui figura 1 rappresenta uno schema a blocchi di un sistema per la rivelazione di distorsioni dello spettro di un segnale trasmesso secondo l’invenzione.

In figura 1 è riportato lo schema a blocchi relativo solo alle parti di un ricevitore radio interessate alla misura della distorsione dello spettro di un segnale 1. Tale segnale 1 è applicato ad un amplificatore 2 avente guadagno variabile o analogamente ad un attenuatore avente attenuazione variabile. L’amplificatore 2 è pilotato da un controllo automatico del guadagno 7. In serie all’amplificatore 2 vi è un convertitore di frequenze 3 pilotato da un generatore di frequenze 8. Al convertitore di frequenze 3 è connesso un filtro passabasso 4 per ottenere in uscita solo il segnale voluto. Il filtro 4 lavora in una banda tale per cui lo si può costruire a basso costo e non ha bisogno di tarature. La larghezza minima di questa banda è legata alla velocità di lettura e alla sensibilità che si vogliono ottenere. Dopo il filtro passabasso 4 vi è un rivelatore di potenza 5 e quindi dei mezzi di elaborazione 6 delle ampiezze uscenti dal rivelatore di potenza 5, per produrre in uscita una indicazione della distorsione dello spettro.

Secondo una forma preferita di realizzazione il rivelatore di potenza 5 consiste in un rivelatore di picco.

Per l’ottenimento di prestazioni migliori, le ampiezze uscenti dal rivelatore di potenza 5 vengono anche elaborate per determinare il migliore controllo automatico di guadagno quindi i mezzi 6 pilotano anche il blocco 7. Tra il convertitore 3 e il filtro 4 è meglio porre, anche se non strettamente necessario, un amplificatore per poter pilotare efficientemente il rivelatore 5. Inoltre vi è un generatore di sincronismi 9 che genera i sincronismi relativi ai segnali in gioco per il generatore di frequenze 8 ed i mezzi di elaborazione 6. Il generatore dei sincronismi 9 per ottenere i sincronismi relativi alla scala di tensione che fissa i valori di frequenze del generatore di frequenza 8 utilizza un multiplex analogico, fissando un adeguato valore di tensione all’ingresso di ogni canale. Con questa semplice operazione si ottengono tempi di transizione accettabili e per generare gli indirizzi del multiplex è sufficiente l’impiego di due contatori pilotati dai sincronismi sopra menzionati.

Inoltre dato che le frequenze al di sotto dei 100 KHz non forniscono informazioni utili, le possiamo eliminare con un filtro passa alto messo dopo il convertitore 3.

Questa operazione crea una finestra tra le bande laterali superiore e inferiore convertite di circa 200 KHz.

E’ noto che nel processo eterodina, qui utilizzato, vengono convertite in BF sia la banda laterale superiore che quella inferiore. Nel nostro caso la banda laterale inferiore nella conversione cambia fase e si sovrappone a quella superiore. Questo crea soltanto un cambio costante del livello di . potenza che per i nostri scopi non va ad alterare la misura, e ci consente di filtrare il segnale con un filtro passabasso.

Questa situazione spettrale che abbiamo creato ci risulta molto utile poiché ci consente di tarare le frequenze previste del generatore di frequenze 8 con una grande precisione e semplicità.

Il rivelatore di potenza 5, per migliorare ulteriormente le prestazioni, nell’istante in cui avviene la transizione fra un gradino e il successivo, viene forzato a valore di tensione predefinito, in modo tale che la misura di ogni finestra dello spettro non venga disturbata dalle letture precedenti.

Tutto questo processo avviene in sincronismo tramite il generatore di sincronismi 9, cioè si stabilizza il primo gradino di tensione, il generatore di frequenza 8 si posiziona sulla frequenza prevista e il rivelatore 5 rivela un valore di tensione che viene immagazzinato in una memoria collegata al rivelatore 5 tramite un multiplex analogico (operazioni effettuate dai mezzi di elaborazione 6, sempre sincronizzate dal generatore 9).

II tutto si ripete ogni volta che si passa ad un nuovo gradino; quando il ciclo è stato completato abbiamo disponibile (nei mezzi 6) in modo parallelo i valori di tensione corrispondenti all’ampiezza di ogni intervallo dello spettro.

Nel prototipo il ciclo si ripete ogni millisecondo aggiornando continuamente il valore in memoria.

Secondo una forma di realizzazione dell’invenzione si ha un segnale IF con larghezza di banda di 40 MHz (come ad.es.:1, un segnale 188MBit/s 32 QAM).

Con il generatore di sincronismi 9 si fa variare la frequenza con N salti discreti tra 80 e 90 MHz.

L’effetto è quello di far scorrere lo spettro del segnale su di un filtro fisso passa basso con banda passante B di circa 40/2N MHz. Con i sincronismi del generatore 9, si legge e si memorizza tramite condensatori la tensione rivelata corrispondente all’integrale della densità spettrale di potenza di ciascuna delle N porzioni di spettro di larghezza 2*B esaminate in un intero ciclo. Tutto ciò avviene ciclicamente ed in modo sincrono.

In conclusione si rende disponibile un set di tensioni che rappresentano le ampiezze la cui elaborazione consente di ottenere una consistente serie di informazioni che verranno presentate di seguito.

Il metodo scelto è quindi quello di dividere lo spettro in diverse finestre e misurare l’ampiezza di queste in una frazione di tempo che risulti molto inferiore alle variazioni prodotte dal fading. Ipotizzando di utilizzare i valori limite di velocità del fading pari a 100 MHz/sec e 100 dB/sec, si è scelto di effettuare le misure su tutto lo spettro in un tempo di 1 ms, il che significa che fra una misura e la successiva il notch (il centro di massima distorsione dovuta al fading selettivo) si può spostare, al massimo, di 0.1 MHz (o 0. 1 dB), che provoca un errore di lettura trascurabile.

Come si vede il fading può essere quindi considerato come un fenomeno quasi statico rispetto al metodo di misure.

Chiamiamo Cl, C2, ... Cn gli N campioni ottenuti durante un ciclo completo di scansione dello spettro con gli indici crescenti con la frequenza, supponiamo di disporre di un riferimento di potenza stabile e supponiamo che tutti i campioni abbiano lo stesso valore in assenza di fading Ci = K, con K costante.

E’ evidente che in presenza di fading selettivo aH’intemo dello spettro alcuni dei campioni diminuiranno il loro valore in misura proporzionale alla profondità del notch ed alla loro vicinanza con la frequenza del notch. Pertanto la massima deviazione di uno dei campioni rispetto al valore K è un indicatore della profondità del notch e quindi un parametro con cui generare una indicazione di distorsione:

dove con soglia si intende il valore che corrisponde ad una profondità di notch fissata.

II problema del riferimento stabile è stato risolto controllando il controllo automatico di guadagno 7 con il maggiore dei campioni CI e Cn: infatti in caso di fading laterale soltanto un lato dello spettro viene diminuito dal fading mentre l’altro mantiene praticamente inalterata la propria potenza e quindi uno dei 2 campioni estremi mantiene il valore K di equilibrio. Pertanto l’equazione precedente può essere riscritta cosi:

La strategia che impieghiamo per il controllo automatico di guadagno è quella di combinare informazione disponibile in modo che le variazioni di livello siano le più piccole possibili al passare della perturbazione. Per ottenere questo risultato conviene impiegare le informazioni corrispondenti agli intervalli di frequenza ubicati agli estremi della banda e scegliere fra queste due quella che risulta meno danneggiata, operazione che può essere effettuata in maniera semplice con un commutatore a diodi. Le ampiezze relative ai due intervalli di frequenze sono applicate ai due ingressi di questo circuito. Utilizzando le opportune polarizzazioni, all’uscita si avrà la tensione corrispondente alla maggiore presente in ingresso.

La tensione presente sull’uscita del commutatore viene usata per chiudere l’anello del controllo automatico di guadagno.

Questa procedura ha anche il vantaggio di essere poco sensibile alle variazioni di ampiezza in temperatura in quanto il controllo di guadagno fatto direttamente sul riferimento rende insensibile tutto il circuito alle variazioni dei singoli blocchi.

Questo sistema non ha una sensibilità omogenea su tutta la banda: è minore al centro dello spettro perchè, quando il fading è centrale, esso fa diminuire la potenza non solo in centro ma anche agli estremi per cui la variazione dei campioni centrali rispetto agli estremi è minore della diminuzione in assoluto rispetto al. valore K. A questo problema si è ovviato in questo modo:

a) alle ampiezze dei campioni è stato sommato un opportuno coefficiente di correzione tale da rendere la curva di risposta complessiva della rete più vicina a quella voluta (piatta o sagomata) per una ben definita profondità e ritardo del notch.

b) Il campionamento viene fatto in maniera non uniforme cioè all’interno dello spettro in esame le finestre sono spaziate in modo diseguale in modo da mantenere omogenea la sensibilità in tutto lo spettro.

Sommare un opportuno coefficiente di correzione alle varie ampiezze ci permette di modificare la curva di risposta con grande libertà, e se facciamo in modo che la tensione risultante sia uguale per tutte le finestre, possiamo utilizzare un’unica soglia per generare l’allarme di notch. In effetti è sufficiente utilizzare un circuito come quello del CAG, però questa volta è predisposto per commutare e seguire il minimo valore di tensione. In questo modo si può misurare con una buona precisione la differenza fra la finestra di maggiore ampiezza di segnale e quella di minore ampiezza, in qualsiasi posizione si trovi quest’ultima.

Avendo a disposizione le ampiezze relative agli N intervalli di frequenza si possono effettuare anche altre interessanti elaborazioni come elencato in seguito.

Come misura della distorsione in banda si può considerare la somma delle differenze di tutti i campioni rispetto alla condizione di riferimento (spettro iniassenza di fading);

Un ulteriore criterio potrebbe essere quello di adottare la stessa informazione utilizzata per generare l’allarme di distorsione precedentemente descritta e cioè considerare come misura di distorsione la massima deviazione dall’equilibrio; non per generare un allarme, ma per generare una tensione che rappresenta la dispersione.

La scelta del modo di utilizzare questa informazione deriva ovviamente dal tipo di utilizzo che se ne vuol fare.

Questo tipo di misura trova impiego ad esempio nei combinatori a minima BER dove l’ottimizzazione della BER si ottiene attraverso la minimizzazione di una funzione della potenza ricevuta e della dispersione in banda.

Se ai campioni fin qui considerati ne vengono aggiunti altri relativi a frequenze fuori banda si può avere rinformazione della presenza o meno di segnali interferenti cadenti in prossimità della banda di canale. Scegliendo opportunamente i campioni ed elaborando tutte le informazioni disponibili si è in grado di realizzare dei controlli automatici di guadagno operanti secondo strategie diverse.

Ad esempio minimizzazione degli .effetti, dovuti al fading selettivo che è la strategia presentata precedentemente che poggia sul fato che normalmente un fading selettivo influenza in maniera molto diversa gli estremi della banda passante per cui il maggiore dèi campioni esterni può costituire un buon riferimento per il controllo da attuare.

Risulta possibile anche la minimizzazione degli effetti dovuti ad interferenti.

Infatti, comunemente nei ricevitori si regola il loro guadagno partendo dalla informazione della potenza concentrata nella parte centrale dello spettro. Oggi questo viene attuato utilizzando un filtro selettivo IF seguito da un rivelatore di potenza. Con la nuova struttura questo medesimo controllo potrebbe essere invece attuato ad esempio utilizzando come segnale di controllo la somma dei campioni centrali. Ma è da notare che, per l’elevata selettività del filtro di campionamento e per il fatto che i campioni vengono presi al’interno dello spettro, anche il controllo fatto come descritto precedentemente è di per se totalmente insensibile ad interferenti che cadano completamente fuori banda ma è comunque assai poco vulnerabile anche da interferenti da canale adiacente.

Effettuando un campionamento abbastanza fitto e con un filtro opportunamente stretto, si è in grado di disporre di un set di campioni sufficientemente elevato per poter ricostruire lo spettro del segnale ricevuto (come uno pseudoanalizzatore di spettro) con una qualità dipendente dal numero di campioni N, dalla sensibilità, dal tempo di scansione, dalla velocità massima di variazione del campo ricevuto (dB/s), e dalla banda del filtro passa basso.

In conclusione questa soluzione permette di fornire in maniera: - semplice

- economica

- con efficienza non dipendente dalla larghezza dello spettro - con bassi consumi

- con ingombro contenuto

la caratterizzazione della piattezza in banda del segnale modulato attraverso la misura delle ampiezze associate a N porzioni dello spettro medesimo, dove N è un numero anche elevato scelto secondo la necessità di elaborare informazioni quali:

- rivelazione di fading selettivo e preallarme IF

- rivelazione e misura di distorsione in banda

- rivelazione di segnali interferenti

- controllo automatico di guadagno secondo differenti obiettivi: - minimizzazione degli effetti dovuti al fading selettivo;

- minimizzazione degli effetti dovuti ad interferenti;

- ricostruzione della sagomatura dello spettro dati.

Claims (13)

1. Sistema per la rivelazione di distorsioni dello spettro di un segnale (1) trasmesso in particolare distorsioni dovute a fading selettivo comprendente: - mezzi di amplificazione (2) aventi guadagno variabile riceventi detto segnale (1) trasmesso; - mezzi di controllo automatico di guadagno (7) che pilotano detti mezzi di amplificazione (2); - un convertitore di frequenze (3) connesso a detti mezzi di amplificazione (2); - un generatore di frequenze (8) che pilota detto convertitore di frequenza (3); - un filtro passa basso (4) connesso a detto convertitore di frequenza (3); - un rivelatore di potenza (5) connesso a detto filtro passa basso (4), per produrre in uscita l’ampiezza del segnale al suo ingresso; - un generatore di sincronismi (9) che pilota detto generatore di frequenza (8); caratterizzato dal fatto che detto generatore di frequenze (8) scansiona ciclicamente una pluralità di intervalli di frequenza di dimensioni prestabilite, in modo da ottenere ciclicamente all’uscita dì detto rivelatore di potenza (5) le ampiezze relative ai segnali di detto spettro corrispondenti a detta una pluralità di intervalli di frequenza; e di comprendere ulteriormente mezzi di elaborazione (6) di dette ampiezze connessi a detto rivelatore di potenza (5), sincronizzati da detto generatore di sincronismi (9), per produrre in uscita una indicazione di detta distorsione.

2. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto rivelatore di potenza (5) consiste in un rivelatore di picco.

3. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (6) elaborano, secondo una predefinita strategia, dette ampiezze in modo da produrre ulteriormente in uscita un segnale per pilotare detti mezzi di controllo automatico di guadagno (7).

4. Sistema in accordo alla rivendicazione 3 caratterizzato dal fatto che detta predefinita strategia consiste nel determinare l’ampiezza più elevata tra le ampiezze degli intervalli di frequenza posti agli estremi laterali di detto spettro.

5. Sistema in accordo alla rivendicazione 4 caratterizzato dal fatto che detta ampiezza più elevata viene determinata mediante un commutatore a diodi.

6. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (6) producono in uscita una indicazione di detta distorsione quando almeno una di dette ampiezze è inferiore ad una determinata soglia.

7. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (6) per produrre in uscita una indicazione di detta distorsione comprendono ulteriormente mezzi di correzione di dette ampiezze che sommano ad ogni ampiezza un opportuno coefficiente di correzione.

8. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto di comprendere ulteriormente secondi mezzi di amplificazione posti tra detto convertitore di frequenze (3) e detto filtro passa basso (4).

9. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detti mezzi di elaborazione (6) comprendono memorie per memorizzare dette ampiezze.

10. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detto generatore di sincronismi (9) genera ulteriormente un sincronismo relativo alla temporizzazione di detta una pluralità di intervalli di frequenza.

11. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che detta scansione ciclica di una pluralità di intervalli di frequenza è effettuata in modo che la differenza in frequenza tra detti intervalli sia la minore possibile durante un ciclo.

12. Sistema in accordo alla rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che la distanza in frequenza tra intervallo e intervallo è variabile, in modo da ottenere una sensibilità omogenea su tutto lo spettro.

13. Ricevitore radio comprendente un sistema per la rivelazione di distorsioni dello spettro di un segnale trasmesso, in particolare distorsioni dovute a fading selettivo in accordo a qualsiasi delle rivendicazioni precedenti.