Введение в программно определяемые радиосистемы (SDR)

Добавлено 26 ноября 2018 в 03:45

Что такое программно определяемое радио (SDR)? Как SDR разрабатываются? Каковы преимущества и недостатки? В данной статье представлена вводная информация по этой интересной теме.

Введение в программно определяемые радиосистемы (SDR)

Связанная информация

Определение «программно определяемого»

Насколько мне известно, «программно определяемое радио» не является полностью стандартизированным термином, имеющим одно официальной значение. Поэтому первое, что мне нужно сделать, это определиться, что именно я имею в виду, когда говорю «программно определяемое радио» или «SDR». На самом деле, я начну с упоминания двух вещей, которые я не имею в виду:

Типовая аппаратно реализованная радиочастотная система связи, которую можно каким-то образом модифицировать с помощью программного обеспечения, не является SDR. Например, если радио имеет аппаратное обеспечение и для частотной модуляции, и для амплитудной модуляции и позволяет пользователю выбирать между ними с помощью программного обеспечения (или прошивки), мы имеем дело не с SDR. Это можно было бы назвать программно управляемой радиосистемой.
Полностью аппаратно реализованный канал цифровых данных не является SDR. «Программное обеспечение» в «программно определяемой радиосистеме» не относится к тому, что система передает цифровые данные.

Теперь, когда у нас есть два примера того, что не является SDR, вот моя попытка дать определение «программно определяемому радио»:

Программно определяемая радиосистема – это концепция, согласно которой радиочастотная связь осуществляется посредством использования программного обеспечения (или прошивки) для выполнения задач обработки сигналов, которые обычно выполняются аппаратными средствами. Программно определяемое радио (а именно само устройство) представляет собой систему радиосвязи, которая включает в себя значительное количество этого программно определяемого функционала обработки сигналов.

Некоторые детали

Это дает нам основную идею; а вот два момента, которые расширяют основное определение:

SDR не должна быть цифровой системой связи. Это может показаться противоречивым, но очень сложная цифровая (на самом деле, смешанных сигналов) печатная плата может использоваться для реализации чисто аналоговой радиочастотной связи, такой как передача аналоговых аудиосигналов.
SDR не должна обеспечивать функции и передачи, и приема. Это может быть только передатчик или только приемник. Если устройство способно и передавать, и принимать, это может быть реализовано, как приемный тракт – программно, а передающий тракт – аппаратно. Нет никакой причины, по которой программное обеспечение должно использоваться для всего.

Пример приемного тракта в программно определяемом радиочастотном канале данных

Минимальные требования

Радиосистемы, как и любая другая электронная система, могут включать различную степень программно определяемого функционала. Возникает вопрос: когда обычная радиосистема становится программно определяемой? Как много программного обеспечения она должна содержать?

Что ж, мой ответ заключается в том, что определение производится не на основе количества программного обеспечения, а на основе задач, выполняемых этим программным обеспечением. На мой взгляд, если вы хотите назвать что-то SDR, то программное обеспечение должно отвечать за основные задачи обработки радиочастотного сигнала, которые традиционно выполняются аппаратными средствами. К ним относятся следующее:

для передающего тракта:
- генерирование модулирующего сигнала основной полосы частот;
- генерирование сигнала ПЧ (промежуточной частоты);
- генерирование РЧ сигнала (здесь «РЧ» относится к конечному высокочастотному сигналу, который посылается на антенну);
для приемного тракта:
- выборка и демодуляция принятого РЧ сигнала или сигнала ПЧ;
- выборка и декодирование сигнала основной полосы частот (это относится только к каналам передачи данных, потому что под «декодированием» я имею в виду анализ сигнала основной полосы частот для определения двоичной информации, представленной каждым символом).

Возможно, вы заметили, что я не включил в этот список фильтрацию. Удаление нежелательных частотных компонентов, например, фильтрация нижних частот сэмплированного сигнала основной полосы частот, безусловно, является важным аспектом радиочастотной связи; однако, на мой взгляд, система не квалифицируется как SDR, если основная задача, выполняемая программным обеспечением, состоит только в фильтрации. Но не стесняйтесь не соглашаться, мое мнение – не истина в последней инстанции.

Использование программного обеспечения и ЦАП для генерирования частотно-манипулированного (FSK) сигнала основной полосы частот

Компоненты

Я думаю, что можно с уверенностью утверждать следующее: если ваша система не имеет преобразователя данных и довольно сильно загруженного процессора, то это не SDR.

Как правило, процессор представляет собой DSP, что в данном случае означает «цифровой сигнальный процессор», а не «цифровая обработка сигналов». Это название дано процессорам, чтобы подчеркнуть их определенные возможности, такие как высокие частоты ядер и аппаратное обеспечение, которое облегчает математические вычисления. Эти функции выделяют микросхемы DSP от микроконтроллеров, но, очевидно, разделительная линия может размываться, поскольку микроконтроллеры становятся всё быстрее и сложнее.

DSP должен быть достаточно мощным, если вы хотите реализовать декодирование программно, поскольку это связано с серьезной математикой, и процессор должен выполнять вычисления декодирования достаточно быстро, чтобы не отставать от входящих данных. С другой стороны, если всё, что вы делаете с процессором, это генерирование сигнала основной полосы частот, который будет отправлен на ЦАП и перенесен вверх по частоте аппаратно, микроконтроллер с возможностями выше среднего должен с этим справиться.

Приемник RTL-SDR COM версия V3

Преобразователем данных будет АЦП или ЦАП (или оба). Для приема вам нужны функции АЦП, а для передачи – ЦАП. Очевидным ограничением здесь является максимальная частота дискретизации: радиочастотная связь включает в себя высокие частоты (ВЧ), иногда очень высокие частоты (ОВЧ), а частота дискретизации преобразователя должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить адекватное отношение сигнал/шум.

Достоинства и недостатки

Мне кажется, что большинство радиочастотных систем связи всё еще реализованы аппаратно, и это не слишком удивительно: SDR обычно требует обширной разработки программного обеспечения и сложного проектирования печатных плат. Кроме того, важные компоненты (высокопроизводительные преобразователи данных и мощный процессор) совсем не дешевы. Сравните всё это с высокоинтегрированным приемопередатчиком на одной микросхеме (таким как этот), техническое описание на который предоставляет многочисленные подробности и страницы данных о производительности, чтобы вы примерно знали, на что ваша система будет способна, даже прежде чем вы откроете свой редактор электрических схем.

Так зачем беспокоиться об SDR? Ну, во-первых, я нахожу их довольно интересными, потому что они предоставляют средство для тщательного анализа радиочастотных сигналов и экспериментирования с методами модуляции и декодирования. Они также делают специализированные системы радиосвязи более доступными для тех, кто имеет ограниченный опыт радиочастотного проектирования.

Более практическое преимущество – гибкость – большая гибкость. Если значительная часть радиочастотной системы управляется программно, следовательно, значительная часть функциональных возможностей системы может быть улучшена, модифицирована или даже переработана просто путем загрузки нового файла программы. На самом деле, улучшения и модификации могут быть даже включены в существующее программное обеспечение, что открывает дверь в высоко адаптивную радиосвязь – система может быть спроектирована так, чтобы реагировать на событие или длительное состояние, автоматически меняя схему модуляции или алгоритм декодирования.

SDR может переключаться между FSK и QPSK в зависимости от того, что из них обеспечивает меньшее количество битовых ошибок

Заключение

Надеюсь, у вас теперь есть четкое, хотя, возможно, довольно теоретическое понимание о том, что такое программно определяемая радиосистема. С точки зрения стоимости и простоты SDR не могут конкурировать с однокристальными аппаратными решениями. Тем не менее, они являются интересными и ценными инструментами для проектов НИОКР, а также обеспечивают расширенные функциональные возможности, которые могут быть очень полезны в специализированных высокопроизводительных радиочастотных системах.

Благодаря стремительному развитию цифровой техники и электроники в последнее время наблюдается значительный прогресс в области радио. Сегодня мощные вычислительные ресурсы позволяют создавать так называемые программно-определяемые радиосистемы (software-defined radio или SDR) вместо аппаратных радиосистем на основе требуемых в таких случаях компонентов (фильтров, смесителей, модуляторов, демодуляторов и т.п.).

Впрочем, словосочетание «программно-определяемая радиосистема» не является полностью стандартизованным термином, имеющим один официальный смысл. Поэтому первое, что нужно сделать, это конкретизировать, о чем идет речь.

Простой SDR приемник

Во-первых, нужно заметить, что типичная аппаратная радиочастотная система связи, которую можно каким-то образом модифицировать с помощью программного обеспечения, не является SDR. Например, если радио имеет аппаратное обеспечение как для частотной модуляции, так и для амплитудной модуляции и позволяет пользователю выбирать между ними с помощью программного обеспечения (или прошивки), мы не имеем дело с SDR. Это можно было бы назвать радио, управляемым программным обеспечением.

Во-вторых, полностью аппаратная цифровая линия передачи данных не является SDR. «Программное обеспечение» в «программно-определяемом радио» не определяет то, что система передает цифровые данные.

Теперь, когда у нас есть два примера того, чем не является SDR, попытаемся конкретизировать понятие «программно-определяемая радиосистема»: программно-определяемая радиосистема представляет собой концепцию, согласно которой радиосвязь достигается посредством использования программного обеспечения (или прошивки) для выполнения задач обработки сигналов, которые обычно выполняются аппаратными средствами. Программно-определяемое радио (как и само устройство) представляет собой систему радиосвязи, которая включает в себя значительную часть такой программной обработки сигналов.

Это дает нам общую картину; но вот еще два момента, которые расширяют основное определение. Во-первых, SDR не должна быть цифровой системой связи. Это может показаться противоречивым, но очень сложная цифровая (фактически, смешанная сигнальная) плата может использоваться для реализации чисто аналоговой радиочастотной связи, такой как передача аналоговых аудиосигналов. Во-вторых, SDR не должна обеспечивать как функции передачи, так и приема. Это может быть только передатчик или только приемник. Если она способна передавать и получать, то в ней может быть реализован приемный тракт на основе программного обеспечения и тракт передачи на основе аппаратного обеспечения. Нет никакой причины, по которой программное обеспечение должно использоваться для всего.

Радиостанции, как и любая другая электронная система, могут включать различную степень функциональности на основе программного обеспечения. Возникает вопрос: тогда, когда обычное радио становится программно-определяемым радио? В каком объеме программного обеспечения оно должно иметь? Ответ заключается в том, что определение производится не на уровне программного обеспечения, а на основе задач, выполняемых программным обеспечением. Если вы хотите назвать что-то программно-определяемой радиосистемой, программное обеспечение должно отвечать за основные задачи обработки радиочастотного сигнала, которые традиционно выполняются аппаратными средствами. Сюда относится генерирование сигнала основной полосы, генерирование IF (промежуточной частоты) сигнала, генерирование высокочастотного сигнала, выборка и демодуляция принятого радиочастотного сигнала или сигнала ПЧ, выборка и декодирование сигнала основной полосы частот.

Возможно, вы заметили, что в этот список не включена фильтрация. Извлечение нежелательных частотных компонентов, например фильтрация низких частот сигнала основной полосы частот, безусловно, является важным аспектом радиочастотной связи. Однако, система не квалифицируется как SDR, если только основная задача, выполняемая программным обеспечением, является фильтрацией.

Также можно с уверенностью утверждать следующее: если ваша система не имеет преобразователя данных и довольно мощный процессор, это не SDR. Как правило, процессор представляет собой DSP (процессор с цифровой обработкой сигналов). DSP должен быть достаточно мощным, если вы хотите реализовать декодирование в программном обеспечении, потому что это связано с серьезной математикой, и процессор должен выполнять вычисления декодирования достаточно быстро, чтобы не тормозить обработку входящих данных. Преобразователем данных будет АЦП или ЦАП (или оба). Вам нужны функции АЦП для приема и ЦАП для передачи. Очевидным ограничением здесь является максимальная частота дискретизации: радиочастотная связь включает в себя высокие частоты, иногда очень высокие частоты, а частота дискретизации преобразователя должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить адекватное отношение сигнал/шум.

Большинство радиочастотных систем связи все еще реализованы в аппаратных средствах, и это не слишком удивительно: SDR обычно требуют качественной разработки программного обеспечения и сложного дизайна печатной платы. Кроме того, существенные компоненты – высокопроизводительные преобразователи данных и мощный процессор – не совсем дешевы. Сравните все это с одночиповым, высокоинтегрированным приемопередатчиком (например, таким как SPIRIT1 компании STmicroelectronics), который заботится о многочисленных деталях радиосвязи.

Тогда зачем нужны программно-определяемые радиосистемы? Они обеспечивают средство для тщательного анализа радиочастотных сигналов и экспериментирования с методами модуляции и декодирования. Они также делают заказные системы радиосвязи более доступными для тех, кто имеет ограниченный опыт разработки радиочастотных устройств. И они имеют большое практическое преимущество – гибкость. Если значительная часть радиочастотной системы регулируется программным обеспечением, то это значит, что значительная часть функциональных возможностей системы может быть уточнена, изменена или даже переработана просто путем загрузки нового файла программы. На самом деле, уточнения и модификации могут быть даже включены в существующее программное обеспечение, которое открывает дверь для высоко адаптивной радиосвязи – система может быть спроектирована так, чтобы реагировать на событие или длительное состояние, автоматически меняя схему модуляции или алгоритм декодирования.

Как сделать "авиарадар" дома

С точки зрения стоимости и простоты SDR не могут конкурировать с однокристальными аппаратными решениями. Тем не менее, они являются интересными и ценными инструментами для проектов НИОКР, а также обеспечивают расширенные функциональные возможности, которые могут быть очень полезны в специализированных высокопроизводительных радиочастотных системах.

Версия для печати &nbsp&nbsp&nbspБлагодарим Вас за интерес к информационному проекту digitrode.ru. &nbsp&nbsp&nbspЕсли Вы хотите, чтобы интересные и полезные материалы выходили чаще, и было меньше рекламы, &nbsp&nbsp&nbspВы можее поддержать наш проект, пожертвовав любую сумму на его развитие. —> Вернуться2407—> В

Категория: Статьи, Интерфейсы

Уважаемый посетитель, Вы зашли на сайт как незарегистрированный пользователь. Мы рекомендуем Вам зарегистрироваться либо войти на сайт под своим именем.