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)
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
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
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.

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 зависимотси от того, что из них обеспечивает меньшее количество битовых ошибок
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.


На сайте работает сервис комментирования DISQUS, который позволяет вам оставлять комментарии на множестве сайтов, имея лишь один аккаунт на Disqus.com.


Сообщить об ошибке