ITMI991102A1 - Apparato di ricezione multistandard con filtri numerici a struttura multistadio a cascata - Google Patents

Description

La presente invenzione si riferisce ad un apparato di ricezione multistandard.

Più in particolare si riferisce ad un apparato di ricezione nel quale il filtraggio del segnale per la selezione del canale e per l’adattamento di frequenza è ottenuto mediante filtri numerici con un’innovativa struttura multistadio a cascata adatta all’impiego multistandard e definibile via software.

Terminali radio detti “multistandard” (cioè che siano in grado di operare in accordo con un’ampia varietà di standard diversi per la comunicazione radio mobile) sono di estremo interesse. Nel campo radio mobile ciò è particolarmente vero a causa dell’ emergere di nuovi standard a larga banda che si affiancano, almeno inizialmente, a standard già in uso, rendendo desiderabile il fornire apparecchi mobili che permettano di operare sia con lo standard più diffuso, sia con lo standard emergente. Ad esempio, in ambito europeo l’emergere di standard a larga banda quali il DECT deve essere accompagnato ad un qualche grado di compatibilità con i ben noti sistemi basati su GSM/DCS.

Terminali multistandard definiti via software, che siano in grado di operare in accordo con un’ampia varietà di standard per la comunicazione radio mobile, rappresentano uno strumento estrèmamente potente per l’evoluzione verso la futura “terza generazione” di sistemi cellulari.

E’ nota l’elevata complessità computazionale dei filtri software e quindi dei ricevitori definiti via software o ricevitori “software defined” convenzionali. Nel caso si voglia realizzare un ricevitore “software defined"convenzionale adatto ad operare con più standard, la tecnica nota suggerisce di integrare in un unico apparecchio più ricevitori monostandard completi. Ciò però comporta un carico computazionale talmente elevato da rendere non praticamente utilizzabile tale soluzione, specialmente nel caso si vogliano implementare un certo numero di standard in un apparecchio di peso e costo contenuti, come devono essere i terminali radiomobili commerciali.

Scopo generale della presente invenzione è ovviare agli inconvenienti sopra menzionati fornendo un’innovativa struttura di ricevitore multistandard che permetta una realizzazione “software defined” con costo computazionale ridotto, e ciò anche nel caso di un relativamente elevato numero di standard implementati.

In vista di tale scopo si è pensato di realizzare, secondo l'invenzione, un ricevitore multistandard nel quale un segnale ricevuto e digitalizzato viene applicato all’ingresso di una sezione di filtraggio digitale avente uscite dalla quali sono prelevabili segnali corrispondenti a prestabiliti standard di trasmissione e contenuti nel segnale ricevuto, la sezione di filtraggio comprendendo una struttura di filtri multistadio a cascata, in punti lungo la cascata essendo connessi ulteriori filtri di derivazione le cui uscite sono le dette uscite di prelievo dei segnali corrispondenti ai prestabiliti standard di trasmissione, la funzione di trasferimento totale dall’ingresso ad una uscita essendo corrispondente alla funzione di trasferimento richiesta dal corrispondente standard.

Per rendere più chiara la spiegazione dei principi innovativi della presente invenzione ed i suoi vantaggi rispetto alla tecnica nota si descriverà di seguito, con l'aiuto dei disegni allegati, possibili realizzazioni esemplificative applicanti tali principi. Nei disegni:

-figura 1 rappresenta uno schema a blocchi della struttura di un ricevitore “software defined”;

-figura 2 rappresenta l’innovativa struttura della sezione di filtraggio digitale realizzata secondo l’invenzione;

-figura 3 rappresenta una realizzazione dei primi stadi della struttura di figura 2; -figura 4 rappresenta un grafico esplicativo per la scelta della banda di transizione dei filtri di figura 2.

Con riferimento alle figure, in figura 1 è mostrata la struttura di un apparato di ricezione “software defined”, i cui blocchi funzionali sono una sezione analogica 10, una sezione di interfacciamento analogico/digitale (ADC) 11, una sezione di filtraggio digitale 12, una sezione di equalizzazione e decodifica 13.

La sezione analogica 10 riceve il segnale v(t) dall’antenna e serve a selezionare la banda all’interno della qual è contenuto il segnale di interesse, rendendo tale segnale Vi(t) alla successiva sezione ADC opportunamente amplificato. L’interfaccia analogico/digitale riceve il segnale analogico Vi(t) e fornisce un segnale radio a larga banda s(nT) digitalizzato ad una frequenza prefissata F=l/T. La sezione di filtraggio digitale serve a selezionare il canale di interesse e a adattare la frequenza di campionamento a quella imposta dallo standard. Il segnale y(nT) ottenuto in uscita dalla sezione di filtraggio è inviato alla sezione di equalizzazione e decodifica 13. La sezione che nel caso di ricevitori multistandard richiede secondo tecnica nota una potenza computazionale eccessivamente elevata è la sezione di filtraggio digitale 12, ed è di questa sezione che ci si occuperà principalmente nel seguito. Le altre sezioni del ricevitore sono sostanzialmente di tecnica nota e perciò facilmente immaginabili dal tecnico. Per tale motivo non saranno qui ulteriormente descritte e mostrate nei dettagli.

L’innovativa struttura di una sezione di filtraggio secondo l’invenzione sarà nel seguito descritta con riferimento ad un caso esemplificativo in cui si vogliano filtrare gli standard elencati nella seguente tabella 1:

Tabella 1

Fp è la frequenza di taglio della banda passante e Fs è la frequenza di taglio della banda attenuata. Questi standard sono qui stati scelti perché rappresentano un campione abbastanza significativo, poiché sufficientemente ampio e vario, ma l’innovativa struttura della presente invenzione è adattabile a qualsiasi altro tipo di standard. La scelta fatta deve essere considerata a puro titolo esemplificativo e non limitativo della presente invenzione.

Come si vede in figura 2, all’ingresso della sezione di filtraggio digitale entra il segnale radio digitalizzato dal blocco di interfaccia A/D, che dovrà garantire una dinamica sufficientemente elevata per rappresentare in modo ottimale il segnale. Secondo l’invenzione la sezione di filtraggio comprende una struttura multistadio a cascata, formata da blocchi di filtraggio e decimazione 14 disposti in cascata a formare una cascata principale. Fra i blocchi di filtraggio e decimazione 14 della cascata principale sono prelevati i segnali da inviare a opportuni ulteriori blocchi di decimazione e filtraggio 17 per derivare dalla cascata principale alla propria uscita DECT, IS-95, UDPC, GSM, IS-54 i segnali propri dei vari standard. Ciascun percorso dall’ingresso del segnale X(nT) ad un punto di uscita del segnale elaborato per uno standard prestabilito (DECT, IS-95, UDPC, GSM, IS-54) ha globalmente la funzione di trasferimento H(f) propria di tale standard. Si può notare che nel caso la opportuna funzione di trasferimento per un certo standard sia ottenuta direttamente

lungo un tratto della cascata principale, il relativo blocco 17 avrà funzione di trasferimento unitaria. Ciò può essere visto in figura 2 per lo standard IS-95.

L’inserzione di uno standard nuovo comporta semplicemente di prelevare il segnale corrispondente in un opportuno punto della cascata.

I blocchi di filtraggio e decimazione della cascata principale sono formati da filtri 15, ciascuno seguito da un blocco di decimazione 16 che configura il filtro come decimatore. Analogamente, i blocchi di decimazione e filtraggio di “derivazione” 17 o “post-filtri” sono formati da filtri 18, ciascuno seguito da un blocco di decimazione 19.

Con una tale struttura è possibile una realizzazione polifase che permette di ridurre i costi computazionali.

A titolo di esempio, i filtri contenuti nei blocchi di filtraggio e decimazione possono essere FIR. Le caratteristiche dei filtri sono scelte in modo da minimizzare l’ordine. La struttura presenta caratteristiche di flessibilità tali da garantire la possibilità di sostituire i filtri FIR con qualsiasi altro tipo di filtro (IIR, IIR a fase nulla, ecc.) Lo schema che si ottiene è rappresentato, per i primi stadi della cascata, nella figura 3, dove con Ex i(z) è indicata la componente polifase i-ma del filtro. Lo schema a blocchi di figura 3 è autoesplicativo per un tecnico esperto nel ramo L’ottimizzazione della struttura è ottenuta attraverso tre strategie:

1. ripartizione deH’errore in banda passante in modo da avere un ripple elevato per i primi stadi e basso per gli ultimi, garantendo comunque per ogni canale di uscita un errore inferiore ad una certa soglia prestabilita, ad esempio 0.2dB;

2. ripartizione ottimizzata dell’attenuazione fuori banda, garantendo per ogni punto di uscita un’attenuazione totale non inferiore ad un valore prefissato, ad esempio 80dB;

3. scelta opportuna delle bande di transizione di ogni filtro.

La scelta della ripartizione dell’errore in banda passante tra i vari filtri è di cruciale importanza per la riduzione dell’ordine dei filtri risultanti. E’ da notare che l’errore in banda passante si somma nei vari stadi, laddove le bande passanti si sovrappongono. Poiché gli stadi critici dal punto di vista computazionale sono i primi, nei quali si lavora a frequenza più elevata, per garantire alla struttura una complessità computazionale bassa bisogna consentire nei primi stadi il massimo errore consentito, ottenendo così per i primi filtri ordini bassi. Come conseguenza, i filtri successivi saranno di ordine maggiore, però la frequenza di lavoro sarà stata abbassata dalle decimazioni.

Secondo l’invenzione Terrore in banda passante dello stadio i-mo può essere impostato secondo la legge:

dove il denominatore rappresenta il fattore di decimazione totale rispetto al segnale iniziale.

Per quanto riguarda la scelta dell’errore in banda attenuata, il rapporto segnale e rumore di aliasing è definito come:

Si dimostra che per SRN vale la relazione:

M è noto, poiché dipende dal tipo di canale per il quale si esegue il calcolo. Fissato SRN al valore prefissato che si vuole garantire come minimo in ogni punto di uscita (ad esempio, vantaggiosamente 80dB) si ricava 6S. Si osservi che, affinché il filtro il H(f) abbia un ripple 6S desiderato, bisogna in teoria garantire che tutti i filtri che contribuiscono a formare F(f) abbiano la stessa 6S.

Infine, la scelta della banda di transizione di ogni filtro è sicuramente il punto più delicato nella fase di progetto. Per diminuire l’ordine del filtro è infatti indispensabile aumentare la sua banda di transizione. L’algoritmo che massimizza la larghezza di Af deve tenere conto dell’aliasing che si introduce con la successiva decimazione; ai fini della soluzione del problema proposto non è necessario evitare totalmente l’aliasing, basta fare in modo che esso non si presenti all’interno della banda utile dei canali che si vogliono isolare.

Con riferimento alla struttura multistadio di figura 2, il criterio di scelta che si è adottato è rappresentato graficamente in figura 4. Siano le frequenze caratteristiche degli U standard. Nel progetto del filtro Hj della cascata principale valgono le

Si noti che non è sufficiente guardare solo al primo dei canali che seguono, non essendo in generale vero che FP,HÌ = Fs,j e FSiHj = FSJ·. Un esempio è dato dalla figura 4, dove in a) è mostrata la necessaria scelta della banda di transizione dovuta al canale 1 (che è un canale DECT) con banda mostrata in b) e al canale 2 (che è un canale IS-95) con banda mostrata in c). I corrispondenti valori di Fp e Fs sono indicati nella tabella 1.

A questo punto è chiaro come si siano raggiunti gli scopi prefissati. Le soluzioni di tecnica nota per la sezione di selezione del canale e di adattamento della frequenza presentano sempre uguale struttura, e cioè consistono in un filtro decimatore separato per ciascuno standard considerato. Tutte queste soluzioni differiscono solo per la realizzazione adottata per il filtro decimatore. L’uso secondo la presente invenzione di una struttura multistadio, vale a dire che permette una elaborazione multistadio del segnale, è totalmente innovativa rispetto alle strutture convenzionali. Con essa si ottiene la possibilità di selezionare qualsiasi tipo di standard affrontando il problema in modo modulare, cosa che permette, ad esempio, l’introduzione di nuove tipologie di canale con sforzo progettuale minimo.

La struttura secondo l’invenzione permette di filtrare qualsiasi tipo di canale attraverso una scelta opportuna dei punti di inserimento dei post-filtri. Inoltre, essa è caratterizzata da una estrema modularità, cosa che permette di introdurre qualsiasi tipo di canale e, una volta scelti gli standard, di ottimizzare i filtri attraverso i criteri sopra esposti. L’innovativa struttura è anche caratterizzata da una estrema flessibilità poiché permette l’utilizzo di qualsiasi tipo di filtro digitale e, in particolare, di filtri FIR (eventualmente anche COMBI), I1R, IIR a fase nulla. La complessità computazionale è approssimativamente costante per ogni canale di uscita a prescindere dalla sua posizione nella cascata principale.

Naturalmente, la descrizione sopra fatta di una realizzazione applicante i principi innovativi della presente invenzione è riportata a titolo esemplificativo di tali principi innovativi e non deve perciò essere presa a limitazione dell'ambito di privativa qui rivendicato. Come già sopra scritto, gli standard indicati sono solo a titolo di esempio, la struttura qui proposta essendo facilmente espandibile e/o modificabile per potere trattare qualsiasi tipo di standard; per farlo è sufficiente scegliere il punto di inserimento nella cascata principale del post-filtro e progettare il post-filtro secondo i criteri di ottimizzazione sopra illustrati. _

Claims (5)

1. RIVENDICAZIONI 1. Ricevitore multistandard nel quale un segnale ricevuto e digitalizzato viene applicato all’ingresso di una sezione di filtraggio digitale avente uscite dalla quali sono prelevabili segnali corrispondenti a prestabiliti standard di trasmissione e contenuti nel segnale ricevuto, la sezione di filtraggio comprendendo una struttura di filtri multistadio a cascata, in punti lungo la cascata essendo connessi ulteriori filtri di derivazione le cui uscite sono le dette uscite di prelievo dei segnali corrispondenti ai prestabiliti standard di trasmissione, la funzione di trasferimento totale dall’ingresso ad una uscita essendo corrispondente alla funzione di trasferimento richiesta dal corrispondente standard.
2. 2. Ricevitore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascun filtro e post-filtro è seguito da un blocco di decimazione, l’assieme di filtro e blocco di decimazione formando un decimatore a struttura polifase.
3. 3. Ricevitore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascun filtro è scelto per ripartire l’errore in banda passante tra i filtri in modo che l’errore in banda passante dello stadio i-mo sia:

   dove il denominatore rappresenta il fattore di decimazione totale rispetto al segnale iniziale.
4. 4. Ricevitore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che ciascun filtro della cascata è scelto per ripartire l’errore in banda attenuata in modo che sia verificata la relazione:

   con SNR uguale al valore prefissato che si vuole garantire come minimo ad ogni uscita.
5. 5. Ricevitore secondo rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che per ciascun filtro della cascata principale sia:

   ard e