Применение SDR технологий.

Введение

Как известно, Герц не предвидел возможности применения электромагнитных волн в технике. В самом деле, было трудно увидеть в слабых искорках, которые Герц рассматривал в лупу, будущее средство связи, перекрывающие ныне космические расстояния до Венеры и Марса и позволяющее управлять самоходным аппаратом на Луне. Даже человеку с неистощимой фантазией, знаменитому писателю Жюлю Верну не удалось предвидеть радиосвязь, и герои его романа “Плавучий остров”, написанного после опытов Герца, не знают способов беспроволочной связи.

ИСтория открытия радио, в которой сплелись имена многих исследователей разных стран, еще раз подтверждает важный закон истории науки, о котором писал Ф. Энгельс, об этом говорит его изречение: «Если время для открытия созрело, то это открытие должно было сделано!»
Открытие радио подтвердило справедливость теории Максвелла высшим критерием истины - практикой. Теория Максвелла выдвинула перед физикой ряд острых и глубоких вопросов, решение которых привело к новому революционному этапу в истории физики.

Сегодня же современный мир невозможно представить без радиосвязи, телевидения, радиовещания, радионавигации. В основе этих отраслей лежат принципы генерации и распространения электромагнитных волн в пространстве. Радиотехнические методы и устройства применяются в автоматике, вычислительной технике, астрономии, физике, химии, биологии, медицине.
Современные ноутбуки, сотовые телефоны, КПК и прочие мобильные устройства имеют множество дополнительных функций, позволяющих поддерживать связь друг с другом, выходить в шнтернет, обмениваться информацией, слушать радио, управлять различными устройствами и т.п.

Зачастую одно и то же устройство оснащено поддержкой нескольких стандартов и методов передачи, причём как проводных, так и беспроводных. Однако для корректной одновременной работы нескольких приложений необходимо, чтобы информация передавалась по нескольким параллельным каналам.
Сейчас это реализуется с помощью многоядерных процессоров или на нескольких кристаллах. Но есть более подходящий путь: использование программно-конфигурируемого радио — Software Defined Radio (SDR).

Все его настройки и параметры задаются программно, а само устройство помещается на одном кристалле, имеет очень малый размер и значительные функциональные возможности.

Глава 1. Технология SDR

«Прогресс в развитии технологии построения устройств цифровой обработки сигналов привел к появлению ряда новых концепций выполнения радиооборудования. Определения этих концепций, их трактование, зачастую отличаются у различных групп исследователей.»(5)

«Разработчики и производители беспроводного оборудования уделяют много внимания технологии программно-управляемого радио (Software Defined Radio — SDR), позволяющей изменять эксплуатационные параметры радиооборудования на уровне ПО. Первая лицензия на использование данной технологии выдана в начале 2006 года ирландским государственным органом в сфере регулирования связи.»(5)

Устройства связи, в которых предусмотрена возможность изменения рабочего диапазона, типа модуляции, стандарта связи и ряда других параметров, можно назвать настоящей панацеей в нынешней ситуации, когда мы имеем несколько различных стандартов и технологий, нацеленных на разные приложения, и массу зачастую несовместимого радиооборудования. Технология SDR призвана решить проблемы несовместимости, она позволяет создавать унифицированные многофункциональные беспроводные терминалы с большим сроком жизни.

Существует так же несколько определений SDR технологий, которые можно встретить в информационных ресурсах.

На Форуме разработчиков SDR можно найти и совсем короткое, но емкое определение:

• «Оборудование SDR – это элементы беспроводной сети, режимы работы и параметры которой могут быть изменены или расширены уже после изготовления элементов с помощью программного обеспечения.»(4)

Определение шнститута инженеров по электротехнике и электронике:

• В программно определяемом радиооборудовании РЧ параметры функционирования, могут быть установлены или изменены при помощи программного обеспечения и/или оборудования, с помощью которого это достигается. Это касается диапазонов частот, типа модуляции, выходной мощности, но не ограничивается только этими параметрами.
• Концепция SDR применима ко многим технологиям радио и стандартам. В мобильном оборудовании SDR методы применимы и к передатчикам, и к приемникам. Концепция не относится к изменениям параметров режима работы, которые происходят в течение нормального предустановленного (pre-installed) и предопределенного (predetermined) функционирования радиооборудования, соответствующего системным техническим требованиям или стандарту.

Определение SDR, данное Федеральной комиссией связи FCC (США):

• Радиооборудование, включающее приемопередатчик, в котором такие параметры режима работы, как диапазон частот, тип модуляции и выходная мощность, могут быть изменены при помощи программного обеспечения без любых изменений в аппаратных компонентах, используемых для излучения радиочастот.

Такая концепция выполнения радиооборудования является альтернативой традиционным многодиапазонным и многомодовым устройствам, в которых для каждого диапазона, стандарта или технологии используются отдельные специализированные компоненты или даже тракты РЧ блока.

Принятый аналоговый сигнал оцифровывается и затем обрабатывается с использованием цифровых сигнальных процессоров. Преобразование сигнала в цифровую форму может произойти в РЧ, ПЧ или бейсбенд (информационном) трактах. В тракте передачи модулированный сигнал в генерируется в цифровой форме, а его преобразование в аналоговую форму для последующей передачи может производиться в ПЧ или РЧ трактах.

В идеальном случае радиооборудование SDR не должно иметь аналоговых функциональных узлов, за исключением малошумящего усилителя МШУ тракта приема и усилителя мощности тракта передачи (рис. В SDR приемопередатчиках аналоговый сигнал должен преобразовываться в цифровой на выходе антенно-фидерной системы и проходить далее обработку только в цифровой форме. На современном же этапе развития техники для реализации входной части приемника используются раздельные аппаратные устройства для каждого диапазона, а программно определяемая обработка сигналов производится только на частотах ПЧ.

Таким образом, программно-определяемое радиооборудование обладает рядом характерных свойств. Основной отличительной чертой такого радиооборудования является то, что программируемость устройств, реализованная программно (software programmability), в отличие от реализованной аппаратно (hardware programmability), позволяет изменять основные параметры и характеристики радиооборудования наиболее простым образом.

«За последние пять - семь лет количество абонентов сотовой связи увеличилось в сотни раз, а сама сотовая связь превратилась из роскоши в область услуг с жесточайшей конкуренцией. За это же время сменилось поколение сотовой связи (кто из неспециалистов сейчас вспомнит, например, про стандарт AMPS?). Более того, уже разработаны и активно внедряются системы связи третьего поколения (3GPP и 3GPP2).»(2)

Ресурс дорогостоящего оборудования, такого как базовые станции сотовой связи, на сегодняшний день существенно превышает срок их конкурентоспособности по предоставляемым услугам и параметрам. В то же время модернизация уже развернутых систем связи практически невозможна, поскольку требует полной замены существующего оборудования. Разрабатываемые в рамках тех или иных стандартов улучшенные алгоритмы обработки сигнала и новые виды сервиса не могут быть внедрены по причине их низкой окупаемости. Аналогичный эффект - в случае перехода от одного стандарта связи к другому. Существующие приемопередатчики разработаны, как правило, для работы с сигналами, соответствующими одному определенному стандарту связи. При необходимости работы с сигналами других стандартов пользователь вынужден полностью менять оборудование. Конкурентные преимущества в этих условиях получают системы с наибольшей гибкостью.

Технология SDR (Software Defined Radio) позволяет решать такие проблемы и позволяет "малой кровью" модернизировать одну из наиболее сложных и дорогих частей приемо-передающей аппаратуры - ее трансивер. Трансивер, разработанный в концепции SDR, обеспечивает поддержку широкого спектра стандартов связи. Перепрограммирование трансивера для его адаптации под другой стандарт связи не влечет за собой изменения в аппаратной части. Отличительными чертами таких устройств являются:

• «Сверхширокополосная и малошумящая радиочастотная часть, обладающая большим динамическим диапазоном;
• Высокоскоростной с большим динамическим диапазоном тракт аналого-цифрового преобразования;
• Обладающий большой вычислительной мощностью сигнальный процессор и специализированный цифровой тракт фильтрации.»(2)

ИСпользование SDR технологии обусловлено тем, что она позволяет принимать и передавать сигналы с использованием разных частот и стандартов, выбор которых зависит от самых различных факторов. Эта технология поддерживается как производителями оборудования, так и поставщиками услуг систем связи и позволяет устранить противоречие между ними: производители используют стандарты, четко описывающие систему и позволяющие им производить крупные партии стандартных устройств, поставщики же не любят эти стандарты, поскольку стандарт делает затруднительным дифференциацию услуг. SDR технология позволяет
производить стандартные устройства и делать эти устройства уникальными программным способом. При этом конечный пользователь получает большую "мобильность", благодаря возможности использования мультистандартных мобильных станций, в которых переключение с одного стандарта на другой происходит автоматически без участия последнего.

Одной из составных частей концепции SDR является использование цифровой ПЧ (промежуточной частоты) для обеспечения режимов Digital IF на прием и Direct IF на передачу, и перепрограммируемых устройств частотной селекции сигнала.

«Приемники (как и передатчики) с цифровой ПЧ являются на настоящий момент быстро развивающейся областью, находящей применение в современных базовых станциях 2-3 поколения. Использование цифровой ПЧ стало реальностью благодаря появлению высокоскоростных АЦП и ЦАП с большой разрядностью и высокой линейностью, а также высокопроизводительных устройств цифровой обработки сигналов. Произошедший в последние годы прорыв в технологии производства электронных компонентов и в первую очередь высокоскоростных сигнальных процессоров подстегнул интерес к этой тематике.»2

Важность использования цифровой ПЧ в идеологии построения приемника тесно связана с удешевлением аналоговой его части. Если параметры цифрового фильтра могут быть улучшены за счет повышения его порядка и разрядности, то для аналогового фильтра ситуация совсем иная. Параметры цифровой фильтрации и гетеродинирования на практике обычно ограничены здравым смыслом разработчика, в то время как для аналоговых устройств ограничения чисто физические, такие как самые разнообразные шумы и нелинейности. Именно этим обусловлено использование нескольких гетеродинов и поэтапной аналоговой фильтрации.

SDR включает аппаратную и программную части. Аппаратная состоит из трех функциональных блоков

«RF-секция, IF-секция и секция базовой станции. RF-секция (называемая также RF front-end) включает только аналоговые аппаратные модули (в то время как две другие целиком содержат цифровую аппаратуру) и отвечает за передачу/прием радиосигнала. IF-секция отвечает за цифро-аналоговое преобразование и модуляцию/демодуляцию сигнала.»(1)

Секция базовой станции, содержащая протокол второго уровня (Layer 2, согласно семиуровневой модели OSI), выполняет базовые операции связи: установку сеанса связи, уравнивание, хоппинг, восстановление тайминга, корреляцию и т. д. В программно-управляемом радио протокол второго уровня и операции модуляции/демодуляции реализованы программно.

Архитектура программной части изображена на схеме:

По сути, ее функция сводится к распределению ресурсов аппаратных средств для их использования различными приложениями связи и трансляции протокола второго уровня вышестоящим протоколам (WAP, TCP/IP).

«Устройства нулевого уровня поддержки (свидетельствующего о полном отсутствии поддержки SDR) представляют собой чисто аппаратные решения, отсюда и название — Hardware Radio. Любое изменение функциональности таких устройств невозможно без изменения их конструкции.»(1)

«Первый уровень сформирован так называемым программно-управляемым оборудованием (Software Controlled Radio). Эти устройства характеризуются ограниченными функциями программного управления. Тип модуляции или рабочий диапазон остаются неизменными. Использование нескольких программно-управляемых приемопередатчиков в одном устройстве позволяет организовать поддержку многостандартности. В качестве примера можно привести двухстандартные (GSM/CDMA) мобильные телефоны, а также двухдиапазонные точки доступа Wi-Fi.»(1)

«Второй уровень (Software Defined Radio) составляют собственно SDR-устройства. В них с помощью ПО можно управлять такими параметрами, как ширина полосы пропускания, тип модуляции, безопасность (например, хоппинг) в широком диапазоне частот. В настоящее время отдельные элементы, относящиеся в этому уровню, используются в базовых станциях операторов беспроводной связи. Ожидается, что ведущие производители оборудования широкополосного беспроводного доступа реализуют SDR в своих WiMAX-системах. В результате не возникнет проблем, например, с использованием оборудования, сертифицированного для диапазона 5,8 ГГц и даже, возможно, свыше 6 ГГц. В более отдаленные планы входит реализация SDR в абонентских терминалах.»(1)

«SDR Forum описал также и третий уровень, названный Ideal Software Radio — идеально программируемые радиоустройства. В данном оборудовании все процессы цифровые, за исключением (в случае мобильного телефона) таких аналоговых элементов, как антенна, микрофон и громкоговоритель. Подобные устройства пока не присутствуют на рынке, но именно с ними SDR Forum связывает качественный скачок в развитии технологии SDR.»(1)

«Есть и четвертый уровень — Ultimate Software Radio (полностью программируемые радиоустройства). По определению SDR Forum, оборудование, соответствующее данному уровню, допускает полный контроль и управление трафиком, поддерживает широкий диапазон частот, радиоинтерфейсов и приложений. Способно мгновенно переключаться с одного радиоинтерфейса на другой, использовать систему GPS для отслеживания местоположения пользователя, обеспечивать трансляцию видео на мобильный терминал с ближайшей вещательной станции, передавать спутниковый сигнал и т. д.»(4)

В приемной аппаратуре построение дешевого и малошумящего аналогового тракта возможно только за счет ослабления требований по фильтрации в нем сигнала и обеспечении всей необходимой избирательности в цифровом тракте. С учетом мультистандартного характера проектируемого устройства, которое к тому же может быть многоканальным, использование цифровой ПЧ представляется единственно возможным вариантом обработки принимаемого сигнала.

С передатчиком ситуация обстоит еще интереснее. Поскольку современные системы используют самые разнообразные схемы модуляции, требующие зачастую сложных и высокоточных схем формирования квадратурных компонент сигнала (зачастую многоканальных), сформировать их на нулевой частоте просто не представляется возможным.

Таким образом, использование технологии SDR обусловлено тем, что она позволяет обрабатывать и передавать сигналы с использованием разных частот и стандартов, выбор которых зависит от самых различных факторов.

Глава 2. Основные особенности SDR

1. «Многополосность. Для решения ряда задач требуется одновременная работа на нескольких частотах. Обычно для этого используют несколько приёмников с разными диапазонами. Программируемое радио может заменить их и работать как на одной полосе частот, так и на нескольких одновременно.» (7)
2. «Многоканальность. SDR может работать одновременно на нескольких частотах, например, передавать данные и голос на двух разных несущих частотах.»(7)
3. «Способность одновременной работы в разных стандартах (AM, FM, GMSK, CDMA и др.).»(7)
4. «Возможность передавать данные с разной скоростью, например, при одно временной работе с двумя сигналами в разных стандартах или при обработке частей одного и того же сигнала (многоскоростной фильтр).»(7)
5. «Полоса пропускания программируемого радио определяется цифровыми фильтрами, поэтому её можно легко менять. Более того, цифровые фильтры не реагируют на некоторые помехи, а также могут компенсировать искажения, вносимые линией передачи.»(7)

Ниже на рис. 4 и 5 соответственно иллюстрируются основные недостатки традиционного аналогового подхода и достоинства использования цифрового SDR приемника для построения радиоприемных каналов.
Принятые на рис. 4 и рис. 5 сокращения: ВЧ - высокая частота; ПЧ - промежуточная частота; НЧ - низкая частота.

Недостатки традиционного аналогового приемника: требуется точная настройка; чувствительный к температуре и разбросу параметров компонентов; нелинейные искажения; сложно строить перестраиваемые фильтры и фильтры с подавлением более 60ДБ.

Достоинства SDR приемника: не требует настройки; низкая чувствительность к температуре и разбросу параметров компонентов; простая реализация перестраиваемых фильтров с подавлением более 100Дб; высокая точность и широкий диапазон перестройки фазы и частоты гетеродина.

Глава 3. Перспективы SDR технологии

«Над разработкой SDR сейчас работают IMEC, Altera и BittWar, ESD, Nallatech, Samsung, NXP Semiconductors, T3G Technologies и другие компании.»(7)

«В центре IMEC уже разработан прототип чипа SDR, который имеет всего одну полосу пропускания и поддерживает WiFi, WiMax, мобильное телевидение и 3GPP LTE. Переключение и настройка диапазонов передачиосуществляется только программным методом. Это не самое удачное решение, но уже первый шаг на пути к настоящему SDR.»(7)

В прошлом году появились специальные методы оптимизации программ, которые позволяют автоматически выбросить неиспользуемый код и подобрать оптимальный размер памяти для данной системы.

Глава 4. Технологии SDR на службе у разработчиков систем

В телекоммуникационных технологиях продолжается стремительный переход от аналоговых методов передачи и обработки сигналов к цифровым. Все больше функций современных радиосистем реализуются посредством программного обеспечения (ПО), что приводит к появлению радиооборудования, функциональность которого задается и изменяется программно. Речь идет о технологии
SDR (Software-Defined Radio, программно определяемое радио). До недавнего времени с этой технологией связывали исключительно телекоммуникационные приложения. Однако специалисты компании "Центр АЦП" создали SDR-платформу, позволяющую строить на ее основе не только телекоммуникационное, но и контрольно-измерительное оборудование.

«В SDR-оборудовании форма модулированного радиосигнала задается в ПО. Формируется цифрой сигнал, который затем с помощью широкополосного ЦАП преобразуется в аналоговый на промежуточной частоте (ПЧ). Далее сигнал ПЧ посредством преобразования вверх превращается в высокочастотный сигнал. В приемнике все происходит в обратном порядке. Широкополосный АЦП преобразует в цифровой вид множество узкополосных сигналов, попадающих во входной тракт приемника. В соответствии со встроенным ПО приемник извлекает, преобразует вниз и демодулирует сигналы каждого канала, т.е. технология SDR позволяет изменять эксплуатационные параметры радиооборудования на уровне ПО.»(6)

«Технология SDR использует комбинацию методов, затрагивающих аппаратную и программную части. Аппаратная часть включает многодиапазонные антенны и радиочастотные преобразователи; широкополосные ЦАП и АЦП; а обработка сигналов ПЧ, демодулированных сигналов и результирующего цифрового потока происходит с помощью программируемых процессоров общего назначения. Традиционный аналоговый приемник, где АЦП преобразует сигнал с выхода аналоговых квадратурных каналов, имеет следующие недостатки: необходимость точной настройки; чувствительность к температуре и разбросу параметров компонентов; нелинейные искажения; сложность построения перестариваемых фильтров и фильтров с подавлением более 60 дБ. Но благодаря развитию современной полупроводниковой элементной базы, в первую очередь – АЦП и ЦАП, теперь можно преобразовывать сигнал непосредственно с выхода промежуточной частоты. Достоинства SDR-приемника: не требует настройки; низкая чувствительность к температуре и разбросу параметров компонентов; простота реализации перестраиваемых фильтров с подавлением более 80 дБ; высокая точность и широкий диапазон перестройки фазы и частоты гетеродина. Технология SDR традиционно используется в специальных областях телекоммуникаций (например, для создания систем связи специального назначения). Однако ее с успехом можно применять для весьма широкого круга задач, в том числе – для создания высокочастотного контрольно-измерительного оборудования.»(6)

«Яркий представитель SDR-устройств – плата DSP5016-1402 компании "Центр АЦП". Она предназначена для работы с сигналами промежуточной частоты в диапазоне от 3 до 250 МГц. Плата включает АЦП с частотой дискретизации 200 МГц и разрешением 14 бит, устройство цифровой обработки сигнала и интерфейса связи с компьютером. В качестве АЦП использован преобразователь фирмы Texas Instruments ADS5546, обладающий оптимальным сочетанием динамических характеристик и частотных параметров (рис.2). После преобразования данные поступают в модуль цифровой обработки (цифровой SDR-приемник). Он выполнен на ПЛИС и специализированной СБИС. Цифровой приемник с двумя независимыми каналами выполняет квадратурное демодулирование, перенос заданного сигнала на нулевую несущую частоту (удаление высокочастотной несущей с выделением модулированного сигнала), фильтрацию и прореживание (децимацию) с программируемыми параметрами. Непрерывная квадратурная демодуляция выполняется в полосе частот до 30 МГц.»(8)

Сигнал после первичной обработки в цифровом приемной обработке во внешнем устройстве (компьютере). Для передачи непрерывного цифрового потока IQ внешнему устройству предусмотрен интерфейс USB 2.0 (сигнал с полосой от 30 кГц до 3 МГц), а также цифровой порт вывода (полоса от 30 кГц до 30 МГц).

Высокая частота дискретизации 200 МГц с мгновенным линейным динамическим диапазоном 87 дБ обеспечивают минимальное время измерения параметров сигнала во всей полосе частот и минимальное число пораженных частот, а также позволяет работать с широкополосными сигналами. Кроме того, благодаря высокой частоте дискретизации достигаются высокие соотношения сигнал/шум в узкой полосе частот за счет дополнительной цифровой фильтрации.

«Мгновенная широкая полоса анализа и большой динамический диапазон позволяет работать с многочисленными сигналами в линейном диапазоне. Например, если в полосе имеется 1000 узкополосных сигналов, то можно, не опасаясь перегрузки, работать с любым из них (при условии, что динамический диапазон суммы этих сигналов не превышает 87 дБ). Конечно, для отдельно взятой задачи аппаратные средства платы могут оказаться избыточными. Но это оправданно, поскольку на базе единой SDR-платы DSP5016-1402 можно строить разнообразные приемники, спектроанализаторы, селективные вольтметры, другие измерительные приемные устройства и т.п. Для этого пользователю достаточно поменять программное обеспечение. Плату можно использовать и как OEM-модуль для широкого ряда приборов и систем радиотехнического назначения.»(8)

Заключение

В будущем системы связи будут совмещать множество технологий передачи информации. С точки зрения пользователя это означает, что все возможные операции можно будет проводить с помощью одного и того же устройства. Для этого нужна поддержка всех скоростей работы, типов модуляции, физических полос пропускания и несущих частот в одном устройстве.

Возможно, потребуется наличие нескольких антенн и передатчиков для работы параллельных приложений. Такие системы уже начинают появляться. Однако проблем на пути к системам программно-определяемой связи остаётся ещё очень много.

Список литературы

1. Web: Статья «Умное Радио» 2006г. С. Прокопенко. http://citcity.ru/13782/
2. Web: Статья «"Мультифлекс" - технология SDR для радиосвязи и радиолокации» 2005г. http://multicore.ru/index.php?id=20
3. Web: Статья «Технология SDR или Умное радио» 2006г. http://web.geowap.mobi/703-tehnologia-sdr.html
4. Web:SDR-Forum http://www.wirelessinnovation.org/mc/page.do;jsessionid=967A985721780597469FE3B4130C1DB9.mc0?sitePageId=98428
5. Web: Статья «Программно определяемое радиооборудование
6. SDR (Software Defined Radio)» 2007г. http://www.rfdesign.ru/multi/sdr.htm
7. Журнал «Электроника: Наука, технология, бизнес», статья «Технологии SDR на службе у разработчиков систем», П. Руднев, 2009г.
8. Журнал «Электронные Компоненты №9», статья «SDR — ПРОГРАММНО- КОНФИГУРИРУЕМОЕ РАДИО», Е. Клюева, 2008г.
9. Web: Портал: «СОВРЕМЕННЫЕ ЦИФРОВЫЕ ТЕХНОЛОГИИ» http://www.centeradc.ru/produkcija/platy-s-cifrovoj-obrabotkoj-signala/dsp5016-1402