Национальный исследовательский ядерный университет
«МИФИ»
Факультет автоматики и электроники
Кафедра микро- и наноэлектроники
Курс «Локальные сети ПК»
ОТЧЕТ О ДОМАШНЕМ ЗАДАНИИ №1
Технология SDR
Выполнил: студент гр. А9-09 Лебедев И. В.
Преподаватель: доц. Лапшинский В. А.
Москва 2012
СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
1 ГЛОССАРИЙ
2 ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ SDR-ТЕХНОЛОГИИ
3 ПРИМЕНЕНИЕ
4 SDR В СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
ВВЕДЕНИЕ
Software-defined radio, SDR (рус. Программно-определяемая радиосистема)— радио-телекоммуникационная система, которая может быть настроена на произвольную полосу частот и принимать различные виды модулированного сигнала, состоящая из программируемого оборудования с программным управлением.
Термин "software defined radio" был введен в 1991 году Джозефом Митолой, который опубликовал первую статью по данной тематике в 1992 году. Хотя концепция была впервые предложена в 1991, программно-определяемые радиосистемы берут свое начало в области военных технологий начиная с 70-х годов прошлого века. Одним из первых проектов в этой области был американский проект под названием SpeakEasy. Целью проекта было использование программной обработки для эмуляции более 10 существующих военных радиосистем, функционирующих в диапазоне от 2 до 20 МГц. Другой целью была возможность поддержки любых новых схем кодирования и модуляции, чтобы военные могли использовать более совершенные модуляции и кодирования.
ГЛОССАРИЙ
DSP (Digital signal processor, цифровой сигнальный процессор, ЦСП) – специализированный микропроцессор, предназначенный для цифровой обработки сигналов (обычно в реальном масштабе времени).
SDR (Software-defined radio, программно зависимое радио, программно-определяемая радиосистема) – радио-телекоммуникационная система, которая может быть настроена на произвольную полосу частот и принимать различные виды модулированного сигнала, состоящая из программируемого оборудования с программным управлением.
АЦП – аналого-цифровой преобразователь.
Динамический диапазон – отношение точки однодецибельной компрессии к мощности собственных шумов приёмника.
ПЧ – промежуточная частота.
ФНЧ – фильтр нижних частот.
ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ SDR-ТЕХНОЛОГИИ
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 сиг¬нал. В приемнике все происходит в обратном порядке. Широ¬кополосный АЦП преобразует в цифровой вид множество уз¬кополосных сигналов, попадающих во входной тракт прием¬ника. В соответствии со встроенным ПО приемник извлека-ет, преобразует вниз и демодулирует сигналы каждого кана¬ла, т.е. технология SDR позволяет изменять эксплуатационные параметры радиооборудования на уровне ПО.
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.
На рис. 1 иллюстрируются основные недостатки традиционного аналогового подхода и достоинства использования цифрового SDR-приемника для построения радиоприемных каналов.
Рис. 1 Сравнение традиционного аналогового приемника и цифрового SDR-приемника
Технология SDR использует комбинацию методов, затраги¬вающих 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 перестраиваемых 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.
ПРИМЕНЕНИЕ
Уникальная архитектура многорежимного трансивера SDR характеризуется рассеиваемой мощностью и площадью чипа, сравнимыми с современными однорежимными радио и обладает хорошим сочетанием параметров и невысокой стоимостью, поэтому можно предположить, что эти микросхемы будут приняты на вооружение производителями мобильных устройств в объемах массового производства.
Современные многорежимные терминалы имеют ограниченную гибкость вследствие поддержки только двух или трех стандартов и страдают повышенным энергопотреблением, а также требуют большого количества «обвязочных» компонентов. SDR-приемник обладает гораздо большей гибкостью, довольно низким энергопотреблением и способен работать со всеми текущими и любыми будущими стандартами, что не может остаться незамеченным разработчиками.
Входные каскады SDR имеют высокую степень интеграции, их конструкция оптимизирована с точки зрения экономии пространства и достижения максимально низкой стоимости.
SDR В СЕТЕВЫХ ТЕХНОЛОГИЯХ
При создании аппаратных платформ с архитектурой SDR обычно используется модульная архитектура построения системы.
Одним из основных необходимых компонентов являются программируемые логические микросхемы ПЛИС и цифровые сигнальные процессоры DSP для обработки цифровых сигналов. Эти компоненты широко распространены и имеют невысокую стоимость. Использование связки DSP+FPGA позволяет применять традиционный подход к проектированию, снизить стоимость системы и время разработки.
Примером такой платформы SFF может служить система с модульной архитектурой построения фирмы Lyrtech, выполненная на базе компонентов фирм Texas Instruments (цифровой сигнальный процессор) и Xilinx (ПЛИС).
Рис.2 Вид платформы SDR формата FFM фирмы Lyrtech
Рис. 5. Структурная схема платформы SDR формата FFM фирмы Lyrtech
Радиочастотный модуль представляет собой плату беспроводного интерфейса, обеспечивающего приём и передачу радиосигналов в некотором рабочем диапазоне. Модуль преобразования данных служит для аналого-цифрового (для приёмной части) и цифро-аналогового (для передающей части) преобразования сигналов и содержит микросхемы АЦП и ЦАП с предварительными буферными усилителями. Модуль цифровой обработки данных является самым сложным в этой платформе и содержит следующие узлы: управление питанием платформы, узел цифровой обработки данных на базе DSP и необходимую ему периферию (SDRAM и память NAND Flash), а также интерфейсные узлы (контроллер MAC Ethernet, USB, интерфейс с картами памяти типа SD, линейные вход и выход). Платы расширения могут представлять собой контроллеры клавиатуры, жидкокристаллического дисплея, устройств человеко-машинного интерфейса. Итак, можно сказать, что рассматриваемая платформа содержит узлы для полной цепочки обработки сигнала, начиная от антенн (которые также присутствуют в этой платформе) и кончая цепями обработки сигналов.
Этот набор может быть использован для создания одно- или многопротокольных радиосистем для военных и коммерческих приложений, включая системы общественной безопасности (например, TETRA или APCO). Военные могут использовать эту платформу в тактических системах связи (например, MILCOM), коммуникационных шлюзах и ранцевых радиостанциях и автомобильных станциях связи. В коммерческом секторе SDR может быть применен в качестве устройств чтения меток бесконтактной радиочастотной идентификации RFID, абонентским оборудованием WiMAX и Wi-Fi[7].
Большим плюсом этой платформы является тот факт, что она может быть использована для быстрого прототипирования и проверки различных вариантов платформ и их конфигураций. Ещё одним важным фактом является то, что эта платформа интегрируется с инструментами на базе моделей Simulink, благодаря чему разработчики имеют возможность использовать системы C/HDL или MATLAB Simulink для быстрой проверки концепции опытной системы и оптимизации её параметров с целью обеспечения минимума стоимости и др.
В основе данной платформы лежит цифровой медиа-процессор (DMP) на базе системы-на-кристалле производства Texas Instruments — TMS320DM6446, содержащий:
• DSP-ядро VLIW C64x+ (594 МГц);
• RISC-ядро ARM926EJ-S (297 МГц);
• богатый набор периферии (последовательные порты, USB, EMAC и DDR2 EMIF).
В качестве ПЛИС используется микросхема Virtex-4 SX35 фирмы Xilinx, АЦП TI ADS5500 (с производительностью 125 MSPS и разрешением 14 бит), ЦАП TI DAC5687 (производительность 500 MSPS, разрешение 16 бит, два канала с интерполяцией). Используемый радиомодуль позволяет регулировать ширину полосы пропускания от 5 до 20 МГц, при этом передатчик может работать в диапазоне частот от 200 до 930 МГц, а приёмник — от 20 до 928 МГц. В модуле беспроводного интерфейса используется микропотребляющий микроконтроллер MSP430, имеется собственная подсистема энергосбережения. Система-на-кристалле использует оперативную память SDRAM типа DDR2 объёмом 128 Мбайт и Flash-память типа NAND объёмом также 128 Мбайт.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В настоящее время область применения SDR чрезвычайно широка: от использования в военных целях до мобильной телефонии. Технология SDR традиционно используется в специаль¬ных областях телекоммуникаций (например, для создания систем связи специального назначения). Однако ее с успе¬хом можно применять для весьма широкого круга задач, в том числе – для создания высокочастотного контрольно-из¬мерительного оборудования.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ ИНФОРМАЦИИ
1. http://valinfo.ru
2. http://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_radio
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Программно-определяемая радиосистема
4. http://www.radioexpert.ru/articles/vtoroj-razdel/95/
5. Руднев П. Технологии SDR на службе у разработчиков систем// ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2009. № 7. (Журнал).
6. http://valinfo.ru
7. http://www.wireless-e.ru/articles/technologies/2007_2_22.php
8. Койнов А. Решения SDR для аппаратуры WiMAX: ПЛИС, DSP или нечто иное?// ЭЛЕКТРОНИКА: Наука, Технология, Бизнес. 2007. № 2. (Журнал). |
