SDR Software Define Radio.

Tecnologia ad alte prestazioni e flessibilità, adatta al monitoraggio e controllo dello spettro radioelettrico.

Questo articolo l’ho scritto per la rivista mensile, “radiokit elettronica” dedicata alle radiocomunicazioni ed è stato pubblicato nel mese di luglio/agosto 2025.

SDR Software Define Radio.

Tecnologia ad alte prestazioni e flessibilità, adatta al monitoraggio e controllo dello spettro radioelettrico.

     Il monitoraggio dello spettro radioelettrico è sempre stato una necessità da quando a cavallo fra il diciannovesimo e ventesimo secolo Guglielmo Marconi ha inventato e sviluppato la radio. Ma è dalla fine della seconda guerra mondiale che questa necessità è diventata fondamentale per il controllo delle telecomunicazioni. I due blocchi, occidentale con gli Stai Uniti e orientale con l’Unione Sovietica, alleati durante l’ultima guerra, cominciarono a fronteggiarsi ideologicamente e tecnologicamente per la supremazia mondiale. Fu così che incominciò la guerra fredda che sta continuando fino ai giorni nostri, anzi si è riacutizzata negli ultimi due anni con la guerra russo/ucraina. Il controllo e la registrazione delle telecomunicazioni fra i due blocchi ostili è sempre stato un punto cruciale della guerra fredda. Per questo è una attività che è sempre stata all’avanguardia della tecnologia impegnando la ricerca e lo sviluppo di sistemi sempre più aggiornati e performanti.

     Le attività di controllo, siano esse militari o civili, necessitano strumenti di misurazione e analisi dei segnali molto precise specialmente nelle zone o nelle bande molto affollate. Apparecchiature basate su hardware molto sofisticato sono molto costose, voluminose e progettate per il monitoraggio di poche frequenze alla volta difficilmente aggiornabili senza sostituire componenti hardware. Anche la registrazione per un successivo ascolto e analisi era molto complicata e limitata.

     Le stazioni di intercettazione della Nato che si trovavano in Europa occidentale dalla fine degli anni quaranta del secolo scorso, impiegavano decine di ricevitori lf, hf, vhf, uhf e operatori che ascoltavano le emissioni del blocco contrapposto e le registravano. Ma nonostante l’impegno massiccio di uomini e mezzi, la probabilità di intercettazione era molto bassa.

     Il P.O.I., Probability of Intercept (Probabilità di Intercettazione) è la misura del minimo tempo necessario di trasmissione perché un segnale radio venga intercettato e rivelato da un sistema di intercettazione con il 100% di probabilità. È usuale esprimere il P.O.I. in millisecondi, microsecondi o nanosecondi. Quando un sistema di intercettazione è descritto come ad alto P.O.I., significa che ha un tempo di intercettazione molto basso per una intercettazione al 100%. L’uso di sistemi ad alto P.O.I. significa aumentare la capacità di catturare segnali di interesse anche della durata di un singolo burst.

     Perfino i tradizionali sistemi di analisi e registrazione dello spettro elettromagnetico con spazzolamento di una banda definita hanno un basso P.O.I. e non sono adatti alla cattura di brevi segnali.

     La ricerca militare in questo campo è stata spasmodica fin dagli anni cinquanta del secolo scorso, ma solo negli anni settanta, con l’avvento di sistemi di calcolo a bassa potenza di calcolo, rispetto ad oggi, è nato l’embrione del ricevitore S.D.R. Software Defined Radio. Lo sviluppo è stato costante, restando segreto di stato fino a qualche decennio fa.

     I moderni ricevitori S.D.R., invece, sono in grado di misurare con continuità e registrare su file lo spettro radioelettrico su un intervallo di frequenze comprese nella banda passate che può essere molto ampia, in questo modo anche segnali molto brevi non sfuggono e possono essere rivelati e analizzati.

     Una caratteristica del sistema S.D.R. è che la banda passante dello spettro da ricevere e analizzare può essere regolata a piacimento su frequenze di nostro interesse e può essere modificata secondo le nostre esigenze durante la ricezione. Inoltre la banda passante reale del ricevitore, a -3 dB dal massimo del modulo della curva di risposta, è regolabile secondo il segnale da ricevere e decodificare e dipende dal tipo di servizio a cui il ricevitore è adibito: intercettazione, sorveglianza o a sistemi civili o di radioamatore.

     La parte superiore della schermata di figura 1 mostra lo spettrogramma istantaneo, mentre la parte inferiore fornisce informazioni sulla durata nel tempo, frequenza e ampiezza dei singoli segnali che transitano in banda.

     Mentre la schermata di figura 2 rappresenta la densità di segnali presenti per un dato tempo, per una certa banda passante rappresentati spettralmente. Con i colori dal verde chiaro al rosso sono rappresentati i segnali più frequentemente presenti, con i colori dal verde scuro all’indaco sono rappresentati i segnali più raramente presenti nell’intervallo di frequenze e nel tempo considerati. La sorgente dello strumento potrebbero essere i files precedentemente registrati e immagazzinati con il sistema SDR in studio. Le schermate sono state acquisite dal sito della Agilent Technologies, citato in bibliografia, di cui si riconosce la proprietà.

     Uno degli aspetti interessanti del sistema S.D.R. è il D.S.P. Digital Signal Processor, per il trattamento e rivelazione dei segnali, attuato dal software che può essere implementato con F.P.G.As(1) Fiel Programmable Gate Array, oppure con ASICs(2) Application Specific Integrated Circuits. Questo permette una flessibilità incredibile riguardo l’aggiornamento del sistema attraverso il software permettendo una grande longevità del complesso senza dover sostituire o aggiungere hardware.

     Anche le amministrazioni statali hanno sentito il bisogno del controllo dello spetto radioelettrico man mano che gli utenti di telecomunicazioni civili aumentavano occupando sempre più porzioni di spetro.

     Il monitoraggio e l’archiviazione dello spettro radioelettrico permettono agli addetti delle amministrazioni di pianificare l’uso delle frequenze, nelle varie bande e gamme d’onda, per evitare interferenze fra servizi incompatibili, identificare soggetti di emissioni elettromagnetiche non autorizzate che possono compromettere la corretta attività dei servizi accreditati e controllare che gli utenti dei servizi radioelettrici non sconfinino dai segmenti di banda a loro assegnati. Tutto questo è possibile monitorando e misurando accuratamente i parametri delle emissioni nello spettro radioelettrico. Per questo anche le amministrazioni statali si avvalgono di moderni sistemi S.D.R. che permettono anche di registrare l’enorme mole di dati che contengono i files dello spettro per una analisi dello spetro in una fase successiva o per un eventuale uso futuro.

     I sistemi di monitoraggio e registrazione S.D.R. professionali devono essere in grado di catturare e trasferire una grande massa di dati ai sistemi di archiviazione e registrazione, specialmente in aree o bande molto affollate di segnali radioelettrici, per questo l’analisi dei segnali non viene fatta in tempo reale nel ricevitore. I dati vengono trasferiti ed elaborati successivamente per rendere più veloce e performante il complesso. I dati vengono trasferiti provvisoriamente in un sistema di immagazzinamento per poi essere richiamati, elaborati ed analizzati successivamente.

      Il trasferimento di tale mole di dati nell’area di stoccaggio, che può essere un hard disk drive, può avvenire attraverso un normale protocollo e data bus ma con il rischio di perdita di dati. Per evitare la corruzione dei data files viene preferito il più moderno sistema di trasferimento Ethernet, 10G, 40G oppure 100G (3) che garantiscono un’alta velocità di trasferimento con integrità di dati al 100%. La velocità di trasferimento dipende anche dal NIC (4) (Network Interface Card).

     La successiva analisi dei dati permette di analizzare ed individuare, tramite lo spettrogramma, le caratteristiche dei segnali come, frequenza ed eventuali suoi spostamenti nel tempo, l’ampiezza e durata del segnale. L’analisi della modulazione, e delle forme d’onda su tempi prolungati come parzialmente illustrato nelle schermate di Fig 1 e 2.

     In Fig 3 c’è lo schema a blocchi di un moderno ricevitore S.D.R. adibito al controllo delle telecomunicazioni.

Passando nel campo dei ricevitori S.D.R. radioamatoriali. Nello schema precedente vediamo che dopo il primo stadio di entrata “Rf front end”, troviamo lo stadio “ADC” Analogic Digital Converter, dove avviene la conversione da analogico a digitale di tutti i segnali che si trovano in uscita dallo stadio “Rf front end” e che si presentano in entrata dello stadio “ADC”. Questo tipo di architettura rivoluzionaria, rispetto alla canonica supereterodina, ha cambiato completamente i classici parametri di valutazione e di funzionamento dei ricevitori radio come IMD (Intermodulation Distorsion), DR (Dinamic Range), IP3 (Punto di Intercetta di Terzo Ordine), attribuendo maggiore rilevanza alla qualità dell’ADC in entrata e alla potenza di calcolo del PC dov’è installato il software di gestione dell’ricevitore SRD che è il vero cuore pulsante del sistema.

Fiorino De Lazzari/i3fdz

1. FPGA (Field Programmable Gate Array) è un dispositivo logico hardware ad alta integrazione che ha la capacità di essere programmato dall’esterno così da aggiornare le sue prestazioni in base alle richieste dell’utilizzatore.
2. ASIC (Application Specific Integrated Circuit) È un dispositivo logico hardware ad alta integrazione progettato per eseguire un’unica applicazione ben precisa ad altissima velocità di elaborazione e con caratteristiche aggiornabili. Sostituisce il dispositivo FPGA in sistemi di elaborazione dove è richiesta un’alta capacità di calcolo.
3. 100GbE (100 Gigabits Ethernet) è un gruppo di dispositivi tecnologici digitali per il trasferimento di dati ad alta velocità con protocollo Ethernet alla velocità di 100 Gigabits al secondo. Lo standard, per i canali di trasferimento, prevede l’uso di fibre ottiche per brevi distanze, massimo 7 metri mentre per distanze maggiori, fino a 80 km vengono usati speciali cavi coassiali con due conduttori interni isolati fra di loro e attorcigliati.
4. NIC (Network Interface Card) È un componente hardware che connette un computer, o un altro dispositivo come un hard disk esterno, ad una rete di comunicazione. Serve ad abilitare la comunicazione fra i due dispositivi, può essere interno o esterno al dispositivo. Deve essere adatto a supportare la velocità di trasferimento dei dati definita dal sistema.

Bibliografia:

Aerospace & Defense supplemen of Microvawe Jurnal. june 2021

Software Defined Radio: High Performance, Flexible Technology by Reza Mohamadi and Simon Ndiritu.

Understanding and Calculating Probability of Intercept

Understanding POI at a practical level

IMD DR Intermodulation Distorsion Dinamic Range e IP3, Punto di Intercetta di terzo Ordine e loro effetti sui ricevitori