Orecchi ovunque, in grado di sentire tutto: Software Defined Radio
Ogni giorno utilizziamo apparecchi radio dei tipi più diversi, che ci consentono di comunicare in mobilità, indipendentemente dal luogo in cui ci troviamo e senza fastidiosi cavi. Ma cos’altro potranno fare per noi questi dispositivi in futuro? Da tempo la digitalizzazione ha fatto il proprio ingresso anche nel mondo dei segnali radio, aprendo in questo modo la via verso possibilità del tutto nuove nello spazio elettromagnetico.
Dr. Christof Schüpbach, settore specialistico Comunicazione e protezione elettromagnetica, settore di competenza Scienza e tecnologia
Al giorno d’oggi sfruttiamo costantemente e in grande misura i vantaggi della comunicazione senza fili: con lo smartphone, il computer o lo smartwatch possiamo navigare in Internet, guardare video o foto attuali sui social media o richiamare i dati dalla stazione meteorologica direttamente dal nostro giardino. Per questi scopi vengono impiegati i più diversi tipi di segnali, tecnologie e standard di comunicazione radio, come per esempio Wi-Fi, 4G, 5G o Bluetooth. Nella nostra vita quotidiana la loro compatibilità reciproca è qualcosa di ovvio. Ma cosa succede se viene lanciato un nuovo standard e, per così dire, vogliamo parlare un nuovo linguaggio radio?
Nuovo tipo di segnali grazie all’aggiornamento software
Le comuni tecnologie di radiocomunicazione come il Wi-Fi o la rete mobile funzionano generalmente grazie a chip elettronici installati in maniera fissa nei nostri dispositivi elettronici. Tali chip sono in grado di comprendere solo il loro linguaggio specifico, ossia il loro standard radio. Per poterne utilizzare uno nuovo o diverso è pertanto necessario rinnovare l’intero hardware. In poche parole: dobbiamo comprarci un nuovo apparecchio. E se invece fosse sufficiente un semplice aggiornamento software? È proprio questo l’obiettivo ottenuto dalle cosiddette Software Defined Radio (in forma abbreviata: SDR). Come lo dice il nome stesso, in questo caso il protocollo radio è inserito in un programma software. Ciò significa che i segnali inviati e ricevuti vengono elaborati mediante un’applicazione informatica. Per questo motivo, un protocollo radio può essere modificato e sostituito a piacimento senza dover sostituire la parte hardware.
Ciò presenta naturalmente molti vantaggi. Primo fra tutti: in questo modo si allunga la vita utile dell’apparecchio. Inoltre, uno stesso apparecchio può essere impiegato per applicazioni diverse. Per esempio, è possibile comunicare con i sistemi radio più diversi, individuare oggetti tramite metodi radar o rilevare altri sistemi radar. Questo aspetto è particolarmente interessante per l’esercito visto che spesso spazio, peso ed energie sono disponibili solo in piccola quantità a fronte di un gran numero di sistemi diversi.
comunicazione cooperativa
Nelle reti radio tradizionali, un solo mittente alla volta può inviare un messaggio allo stesso tempo e sulla stessa frequenza a un destinatario; in caso contrario, i segnali provenienti da sorgenti diverse si disturberebbero a vicenda. Per contro, nelle moderne reti di comunicazione cooperativa, questi segnali di disturbo reciproci – anche detti interferenze – vengono consapevolmente consentiti e sfruttati in maniera da trarne vantaggio. Diverse stazioni trasmettono in parallelo messaggi a una pluralità di destinatari: contemporaneamente e sulle stesse frequenze. Le parti di segnale indesiderate e di disturbo vengono eliminate tramite una sofisticata codifica; al tempo stesso, le parti di segnale indesiderate trasmesse da diverse sorgenti vengono sovrapposte in maniera da essere amplificate. Se durante la trasmissione una stazione emittente viene meno, oppure se il segnale radio viene deviato o attutito, i segnali delle altre sorgenti raggiungono comunque i destinatari e le trasmissioni proseguono senza interruzioni. In questo modo, i destinatari non si rendono nemmeno conto che una stazione emittente è fuori uso o non più raggiungibile. Attraverso questo cosiddetto guadagno di diversità (o diversity gain) è possibile aumentare nettamente la portata, la velocità di trasmissione dati e il numero di utenti gestibili rispetto alle reti radio convenzionali. Così facendo, le reti diventano molto più efficienti. I nuovi apparecchi radio che l’esercito svizzero intende impiegare in futuro sono essi stessi dispositivi SDR e potrebbero essere in grado di utilizzare anche algoritmi che al momento attuale sono ancora solamente in fase di studio nel quadro di progetti di ricerca.
Radar passivo
Un radar passivo sfrutta i segnali radio per rilevare gli echi dei velivoli. A renderlo possibile sono ricevitori SDR e una grande potenza di calcolo. Con le nostre ricerche stiamo testando questa tecnologia mediante il prototipo rappresentato, che abbiamo sviluppato internamente e con il quale abbiamo già partecipato a campagne internazionali nell’ambito di attività di ricerca NATO/PfP.
Milioni di misurazioni del segnale
La tecnologia SDR è resa possibile da componenti elettronici sempre più potenti, che sono in grado di digitalizzare i segnali radio subito dopo la loro ricezione da parte di un’antenna. Questi commutatori analogico-digitali misurano il segnale da diversi milioni a vari miliardi di volte al secondo e lo convertono in una sequenza numerica. Quest’ultima viene poi elaborata a piacimento da un processore digitale, per esempio un comune computer. Solo così diventa possibile trasferire immagini o video. Siccome la capacità di calcolo di questi processori aumenta sempre più, si possono utilizzare anche algoritmi molto complessi. Ciò consente procedure di comunicazione completamente nuove che non sarebbero possibili in forma puramente analogica (come nel caso dei meno recenti sistemi radio convenzionali).
Chiunque può intercettare un apparecchio radio
Attualmente sul mercato esistono moltissimi apparecchi SDR diversi di tutte le categorie di prezzo e prestazioni. Con soli 20 franchi un appassionato può comprarsi un piccolo ricevitore con il quale ricevere e decodificare un gran numero di segnali radio. Con poco sforzo, chiunque potrebbe dunque intercettare una comunicazione di volo o decodificare messaggi diretti a un pager.
I dispositivi più professionali sono naturalmente molto più costosi, ma offrono anche prestazioni molto superiori: spesso vantano un’enorme frequenza di campionamento e possono rilevare contemporaneamente segnali nei modi più diversi e all’occorrenza anche da diverse antenne. Quest’ultima caratteristica permette per esempio di determinare anche la direzione di incidenza di un segnale, un aspetto che offre un notevole potenziale per le applicazioni nell’ambito della ricognizione e delle tecnologie radar.
Sfide
Nonostante sia disponibile una grande varietà di questi apparecchi SDR, non è ancora sempre semplicissimo utilizzarli. Finora, infatti, non esistono ancora standard per le interfacce tra un apparecchio radio e l’unità processore. Di conseguenza, quando si usa un altro apparecchio SDR, occorre modificare spesso il software. Le elevate velocità di trasmissione, inoltre, fanno sì che i segnali spesso non possano essere elaborati dai processori dei computer tradizionali, ma richiedano unità di elaborazione altamente specializzate, che a loro volta sono molto più difficili e complesse da programmare.
Molte attività di ricerca nell’ambito della tecnologia SDR
Già oggi sistemi radio di ultima generazione sono definiti tramite software e in futuro ci saranno probabilmente sempre meno sistemi radio tradizionali con un linguaggio prestabilito. Non solo per questo motivo, ma anche per il fatto che molti apparecchi SDR consentono numerose nuove misurazioni, il personale del programma di ricerca armasuisse «Comunicazione» si sta occupando di questa tecnologia nell’ambito di molti progetti. Per esempio, sono allo studio nuovi tipi di segnali radio per gli standard del futuro e vengono prese in esame tecniche complesse per l’elaborazione dei segnali che consentono una comunicazione cooperativa, oppure ancora si sfruttano i segnali di comunicazione per il rilevamento dei velivoli. Proprio la possibilità di effettuare diverse operazioni in contemporanea con lo stesso apparecchio è particolarmente attraente per l’esercito. Nel complesso, i risultati dei singoli progetti di ricerca contribuiscono alla realizzazione del seguente scenario futuro.
L’apparecchio radio del futuro: orecchi in grado di sentire qualsiasi cosa
Provate a immaginare un futuro apparecchio radio: probabilmente, l’aspetto esterno sarà molto simile a quello dei modelli attuali. Molto diversa, invece, sarà la situazione interna. Quando l’apparecchio non starà comunicando, scansionerà costantemente lo spettro elettromagnetico e magari misurerà di continuo le condizioni di diffusione dei segnali radio, riconoscendo e classificando i segnali esterni, rilevando quali frequenze sono occupate e secondo quali modelli, intercettando le comunicazioni via radio esterne e scansionandole alla ricerca di determinate parole mediante il riconoscimento vocale. Infine, nei segnali radio rileverà anche gli echi di velivoli e veicoli.
Da un lato, tutto ciò consentirà di migliorare nettamente la qualità della comunicazione radio. L’apparecchio si adatterà infatti in qualsiasi momento all’ambiente e selezionerà automaticamente il giusto tipo di segnale e la frequenza corretta. Dall’altro, un apparecchio di questo tipo fornirà al soldato e all’intero sistema integrato importanti informazioni supplementari in grado di sintetizzare il quadro complessivo della situazione. Per esempio, riuscirà ad avvisare il soldato nel caso in cui vengano rilevati segnali di droni o di apparecchi radio estranei presenti nelle vicinanze. Inoltre, l’apparecchio potrà dare l’allarme qualora vengano pronunciate via radio determinate parole. Allo stesso tempo, inoltrerà costantemente tutte le informazioni a diversi servizi per l’elaborazione di un quadro complessivo della situazione. Le truppe del futuro diventeranno in questo modo per così dire anche dei sensori con gli orecchi ben aperti: sempre, dovunque e per qualsiasi tipo di segnale.