- Суть технологии Software Defined Radio заключается в том, что базовые параметры приёмопередающего устройства определяются именно программным обеспечением, а не аппаратной конфигурацией, как мы привыкли видеть в классических конструкциях. Таким образом, это словосочетание можно перевести, к примеру, как “радио, определяемое программным обеспечением”, но можно пойти дальше и сократить до двух слов: “программное радио”, но с этим вариантом следует быть осторожным и в контексте стараться подчёркивать, что несмотря на упоминание эпитета “программный”, мы имеем дело именно с аппаратным обеспечением, параметры которого определяются программно.
- Вообще, идея SDR совсем недавно выглядела бы откровенно фантастично. Представьте себе: вы набираете определённый код на конфигурационной панели, и устройство из приёмопередатчика Bluetooth превращается в ZigBee-систему. Замечу, что речь идёт не только о радиочастотных параметрах системы — виде модуляции, мощности высокочастотного сигнала параметров приёмника (чувствительность, избирательность, подавление гармоник), что, в общем-то, можно сделать при помощи коммутации соответствующих узлов прибора, но и о протокольной части! То есть в приведённом мною примере мы наблюдаем полное перерождение аппаратуры, которая ранее могла выполнять только одну жёстко заданную функцию.
Основным преимуществом SDR является легкий апгрейд оборудования. Достаточно всего лишь обновить программное обеспечение, при этом аппаратные средства останутся без изменений. Также SDR может быть легко адаптирована под любые функции различных приложений. Это стало возмождно благодаря достижениям в области программного обеспечения и также кремниевой технологии. Большинство ПО уже включает в себя все необходимые операции для выполнения оцифровки, частотной выборки, выделения необходимой полосы частот.
Для понятия ЦОС(цифровой обработки сигналов) необходимо понять различие между аналогывыми и цифровыми сигналами. Если мы посмотрим на аналоговый осцилограф мы увидим сигнал который отображается на экране идеально гладкой синусоидой вне зависимости от частоты развертки.
Даже если бы было возможно соорудить осцилограф с бесконечно большой частотой развертки мы все равно бы видели идеально гладкую синусоиду. Аналоговый сигнал — непрерывный во времени. На осцилографе мы видим бесконечной число значений напряжений. Если мы измерим такую же синусоиду на цифровом осцилографе с частотой дискретизации в 4ре раза превышающей частоту синусоиды мы увидим следующие значения 0 В при 0, 1 В при 90, 0 при 180, -1 при 270. Далее эти значения будут периодически повторятся. Получаем дискретный во времени сигнал. Этой операцией занимается АЦП(аналогово-цифровой преобразователь). АЦП снимает значения с определенным периодом времени, таким образом воспроизводя цифровое представления сигнала. Согласно критерию Найквиста для полного восстановления сигнала частота дискретизации должна быть fs=2fв. Где fв — верхняя частота диапазона. Также необходимо использовать цифровые фильтры для устранения нежелательных шумов и помех по зеркальному каналу.
Дискретный сигнал будет состоять из ряда чисел на компьютере измеренных через равные интервалы времени в зависимости от частоты дискретизации. Зная значения амплитуды сигнала и частоты дискретизации можно обработывать цифровые сигналы с точностью и гибкостью, которые не возможны на аналоговом оборудовании.
Первым шаг заключается в конвертировании модулированных радиосигналов из частотной области во временную для обработки его ПО. В частотной области, мы измеряем амплитудно временные характеристики. Для этой цели можно использовать стандартную 16битную звуковую карту компьютера с максимальной частотой дискретизации 44100 Гц. Согласно критерию Найквиста максимальная частота 22050 Гц. Большинство звуковых карт имеют встроенные сглаживающие фильтры около 20 кГц.
Комерческие и любительские конструкции SDR используют сигнальные процессоры которые могут снимать средние частоты (40 кГц и выше).
Они, как правило, используют аналоговые супергетеродинные методы для понижающего преобразования и фильтрации. С появлением высокой скорости и пропускной способности сигнальных процессоров стало возможным обрабатывать сигналы во всем ВЧ диапазоне и даже ОВЧ. Например, Analog Devices AD9430 с частотой дискретизации до 210 Msps на 12 бит разрешения и полосой пропускания 700 МГц.
Вторым шагом будет выделение синфазной и квадратурной составляющих сигнала. Предподожим мы имеем один радиосигнал и один канал связи, тогда сигнал можно представить как зависимость амплитуды сигнала от времени. Следует помнить что величина принимаемого сигнала принимает как положительные так и отрицательные значения на частоте модулирующего сигнала. При АМ обе боковые составляющие несут информацию и обе поступают на выход. Для демодуляции АМ необходима только информация об амплитуде сигнала. Проблема в том, что для других методов модуляции необходима информация о фазе сигнала. На данном этапе вступает в действие обнаружение квадратурной составляющей. Если мы задержим копию радиосигнала на 90 формируется квадратурная составляющая, которая впоследствии в сочетании с оригинальной синфазной составляющей и математикой уровня средней школы можно определить мгновенное значение фазы и амплитуды исходного сигнала. Согласно Теореме Пифагора квадрат гипотенузы равен сумме квадратов катетов.
В данном случае гипотенузой является амплитуда сигнала. А катетами — квадратурная и синфазная составляющая соответсвенно. Зная их значения можно найти и мгновенную фазу сигнала по формуле:
На следующей схеме приведен модулятор QPSK:
Для получения квадратурных и фазовых составляющих можно воспользоваться алгоритмом БПФ. В современных средах этот алгоритм уже встроен библиотеку сигнальных процессоров, поэтому писать код самостоятельно не требуется. Нужно только знать, что БПФ это быстрый алгоритм вычисления дискретного преобразования Фурье (ДПФ). То есть алгоритм вычисления за количество действий, меньшее чем O(N^2), требуемых для прямого (по формуле) вычисления ДПФ. Величина каждого БПФ может вычисляьться по формуле:
Значения от нуля до N/2-1 представляют верхнюю боковую полосу частот, N/2 до N-1 соответственно, нижнюю боковую полосу. Пример: если взять частоту дискретизации звуковой карты 44.1 кГц число преобразований — 4096, тогда:
SDR содержит блоки аналого-цифрового, цифро-аналогового преобразования, антенну, цепи обработки цифровых сигналов и другие вспомогательные блоки. Как правило, помимо цифрового сигнального процессора, радио с архитектурой SDR содержит микроконтроллер. Рассмотрим подробнее каждый из блоков для случая приёмника с архитектурой SDR. Одним из самых важных узлов такого SDR-устройства является аналого-цифровой преобразователь. В реальности АЦП напрямую подключается к антенне, то есть преобразовывает непрерывный во времени сигнал в дискретную двоично-кодированную форму. Очевидно, что характеристики АЦП будут во многом определять и параметры устройства в целом. Поэтому следует обратить внимание на такие важные параметры аналого-цифровых преобразователей, как отношение «сигнал — шум», разрешение (число бит за выборку), динамический диапазон при отсутствии паразитных составляющих, и, наконец, параметр, крайне важный для автономных систем – рассеиваемая мощность и наличие режимов энергосбережения.
Исходя из вышеперечисленного получаем составим принципиальную схему SDR:
Квадратурная и синфазная составляющая поступают с звуковой карты на 4096-разрядный преобразователь Фурье. Коэффициэнты полосового фильтра заранее известны и перенесены в частотную область при помощи другого БПФ. Далее АЧХ сигнала и фильтра перемножаются и попадают на обратный преобразоватеь Фурье. Таким образом получаем уже сигнал во временной области, который попадает в систему АРУ и сравнивается с пороговым значением.
При подготовке данной статьи был использовано:
статья Software-Defined Radio for masess, by Gerald Youngblood, AC5OG 2002 г.