Программно определяемая радиосистема: Программно определяемые радиосистемы | Analog Devices

Программно определяемые радиосистемы | Analog Devices

AD9680 – это двухканальный 14-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) с быстродействием 1 миллиард выборок в секунду (GSPS). Компонент включает в себя интегрированный буфер и схему выборки и хранения, что позволяет сократить габариты, уменьшить потребляемую мощность и упростить его применение. Он предназначен для оцифровки широкополосных аналоговых сигналов на частотах до 2 ГГц и оптимизирован для поддержания широкой полосы входного каскада, высокой частоты дискретизации, превосходной линейности и низкого энергопотребления при малых габаритах корпуса.

Ядра АЦП построены на базе многокаскадной дифференциальной конвейерной архитектуры с интегрированной логикой исправления ошибок в выходном коде. Каждый АЦП имеет широкополосный аналоговый входной каскад, который может работать с широким набором выбираемых пользователем диапазонов рабочего напряжения.

Интегрированный источник опорного напряжения упрощает проектирование системы.

Входы аналоговых сигналов и тактовой синхронизации являются дифференциальными. Выход каждого АЦП подключен к цифровому преобразователю с понижением частоты (DDC), состоящему из 4 последовательно соединенных каскадов обработки сигнала: 12-разрядного преобразователя частоты (NCO) и 4 полуполосных децимирующих фильтров.

В дополнение к блокам DDC AD9680 имеет ряд функций, упрощающих реализацию автоматической регулировки усиления (АРУ) в приемниках систем связи. Программируемый пороговый детектор позволяет контролировать уровень мощности входного сигнала, используя выходные биты быстрого детектирования АЦП. Индикатор быстрого детектирования переключается в состояние высокого логического уровня, если уровень входного сигнала превышает программируемый порог. Поскольку данный индикатор имеет короткое время реакции, пользователь может быстро уменьшить коэффициент усиления системы для предотвращения перегрузки АЦП по входу.

Высокоскоростные последовательные интерфейсы вывода стандарта JESD204B Subclass 1 могут быть сконфигурированы пользователем для работы с 1, 2 или 4 линиями данных, в зависимости от конфигурации DDC и быстродействия приемного логического устройства. При помощи входных выводов SYSREF± и SYNCINB± поддерживается возможность синхронизации нескольких микросхем.

Компонент имеет широкие возможности управления энергопотреблением, позволяющие добиваться существенного снижения потребляемой мощности. Все функциональные возможности продукта программируются при помощи трехпроводного интерфейса SPI, работающего с напряжением питания от 1.8 В до 3.3 В.

AD9680 выпускается в бессвинцовом 64-выводном корпусе LFCSP и работает в промышленном температурном диапазоне от −40°C до +85°C. Данный продукт защищен патентом США.

Ключевые особенности продукта

1. Низкая потребляемая мощность на канал АЦП.
2. Широкая полоса при максимальном уровне сигнала позволяет осуществлять дискретизацию сигналов ПЧ в диапазоне до 2 ГГц.
3. Буферизированные входы с программируемым согласованием упрощают проектирование и реализацию фильтра.
4. Четыре интегрированных широкополосных децимирующих фильтра и генератор с цифровым управлением (NCO) для построения многодиапазонных приемников.
5. Конфигурируемый интерфейс последовательного порта (SPI) для управления различными параметрами и функциями продукта в соответствии с требованиями конкретной системы.
6. Программируемая функция быстрого детектирования перегрузки.
7. 64-выводный корпус LFCSP, 9 мм x 9 мм

Области применения

• Многодиапазонные, многорежимные цифровые приемники с разнесенным приемом
• Системы связи
  • 3G/4G, TD-SCDMA, W-CDMA, GSM, LTE
•  Программно определяемые радиосистемы общего назначения
• Сверхширокополосные спутниковые приемники
• Измерительная техника
• Радиолокация
• Радиоэлектронная разведка (SIGINT)
• Приемники восходящего потока в кабельных сетях DOCSIS 3. 0
• Цифровые приемники обратного канала в гибридных волоконно-оптических/коаксиальных сетях

Распределенные программно-определяемые радиосистемы Текст научной статьи по специальности «Компьютерные и информационные науки»

Исследования и разработки распределённых программных систем Вестник Нижегородского университета им. Н.И. Лобачевского, 2010, № 5 (2), с. 383-388

УДК 004.75

РАСПРЕДЕЛЕННЫЕ ПРОГРАММНО-ОПРЕДЕЛЯЕМЫЕ РАДИОСИСТЕМЫ

© 2010 г. Е.М. Сорохтин, С.А. Минеев

Нижегородский госуниверситет им. Н.И. Лобачевского [email protected]

Поступила в редакцию 28.05.2010

Существенное расширение за последнее десятилетие частотной полосы сетей передачи данных привело к появлению нового класса радиосистем – распределенных программно-определяемых радиосистем, которые базируются на принципах Software Defined Radio, содержат несколько вычислительных узлов, объединенных высокоскоростным интерфейсом передачи данных.

Обсуждаются вопросы создания распределенных программно-определяемых радиосистем, приведены примеры подобных систем.

Ключевые слова: Software Defined Radio, распределенные вычислительные системы, программи-

руемые логические интегральные схемы, Real Time Введение

Повышение за последнее десятилетие пропускной способности сетей передачи данных с 100 Мб/с до 1000 Мб/с и выше, прогресс в цифровой обработке радиосигналов, широкое проникновение во все области деятельности беспроводных технологий обусловили появление новых видов радиосистем. Основная тенденция – локализация аналоговых элементов радиосистем (фильтров, усилителей, генераторов несущей частоты, цифро-аналоговых и аналого-цифровых преобразователей) на входах/выходах радиосистем, широкое применение цифровых методов обработки радиосигналов, децентрализация цифровой обработки.

Под децентрализацией понимается применение различных типов вычислительных средств на разных этапах обработки сигналов и разнесение этих вычислительных средств в пространстве и времени.

Сочетание оцифрованного радиосигнала с метками, показывающими, когда и где была произведена оцифровка, позволяет хранить, передавать, обрабатывать радиосигнал огромным количеством способов, извлекать из радиосигнала не только передаваемые данные, но и временную, пространственную и другую информацию. Данная статья посвящена современной концепции построения распределенных программно-определяемых радиосистем и ее практической апробации.

Программно-определяемые радиосистемы

В классическом представлении программноопределяемая радиосистема (Software Defined Radio, SDR) [1] представляет собой центральный

Protocol, сигнально-информационный поток.

процессор (или протокольный процессор, ПП), оснащенный приемным и передающим блоками. Передающий блок имеет коммуникационный процессор (КП), основной задачей которого является упаковка бит передаваемых данных в символы модуляции и генерация на их основе модулирующего сигнала определенной системы связи, который поступает на цифро-аналоговый преобразователь и далее на радиоинтерфейс. Приемный блок содержит аналого-цифровой преобразователь, коммуникационный процессор, осуществляющий демодуляцию сигнала и преобразование демодулированных символов системы связи в биты данных. Роль центрального процессора заключается в обработке пользовательских протоколов обмена данными.

Программно-определяемые радиосистемы могут быть реализованы как на вычислительных средствах общего назначения, так и на современных программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС), что позволяет создавать радиосистемы на кристалле. При этом за пределы ПЛИС выносятся радиоинтерфейсы, а также АЦП и ЦАП. Применение ПЛИС не приводит к снижению гибкости системы, поскольку ПЛИС могут быть в любой момент полностью или частично перепрограммированы.

При использовании современных ПЛИС [2] становится возможным создавать системы на основе принципа SDR на одном кристалле (рис. 1). ПЛИС, в отличие от дискретных цифровых сигнальных процессоров, позволяют создавать множество различных программируемых блоков обработки на одном кристалле, что в итоге приводит к увеличению количества одновременно обслуживаемых радиоканалов.

Рис. 1. Функциональная схема распределенной системы программно-определяемой радиосистемы, основанной на применении ПЛИС

Программно-определяемая радиосистема может состоять из нескольких ПЛИС и обслуживать несколько независимых радиоканалов. Большое количество коммуникационных процессоров обеспечивает одновременную обработку нескольких потоков данных. Сами по себе коммуникационные процессоры могут быть нескольких типов, каждый из которых оптимизирован для работы с определенным типом сигналов. Также отдельные типы процессоров могут быть выделены для анализа сигналов, сбора статистики или фильтрации пакетов. Возможности перепрограммирования (полного или частичного) позволяют менять количество и состав коммуникационных процессоров в зависимости от текущих условий работы. Использование высокоскоростных современных последовательных приемопередатчиков, а также большого количества параллельных каналов позволяет распространить структуру межсоединений за пределы одного кристалла и с малыми затратами объединять несколько ПЛИС в систему.

Основной задачей, которую приходится решать при разработке таких систем, является эффективная и гибкая структура межсоединений. Основными требованиями к системам межсоединений являются:

а) возможность управления скоростью передачи для каждой связи;

б) наличие высокоскоростного матричного коммутатора;

в) наличие простых мостов для быстрого объединения нескольких микросхем в систему обработки данных;

г) автоматическое обнаружение подключения/отключения устройств, что необходимо для обеспечения перепланировки используемых ресурсов.

Наиболее подходящими для реализации структуры межсоединений, удовлетворяющих этим требованиям, являются сети на кристалле (Network-on-Chip). В целях упрощения маршрутизации потоков данных наиболее удобной является пакетная передача данных.

Распределенные программно-определяемые радиосистемы

Систему, состоящую из вычислительных SDR-узлов, объединенных в прозрачную сеть (внутри и вне кристаллов), можно назвать распределенными программно-определяемыми радиосистемами. Для реализации сетей могут использоваться Gigabit Ethernet, InfiniBand, PCI-Express, RapidIO и др. Характерной чертой распределенных SDR-систем является возможность изменения количества и состава коммуникационных процессоров при изменении числа обслуживаемых радиоканалов и/или объема обрабатываемых данных.

Для создания эффективных распределенных систем обработки данных необходимы адекват-

ные стеки протоколов обмена данными между элементами системы, способными обеспечить передачу цифровых сигналов в режиме реального времени и с прозрачностью сетевого местонахождения. Также важным требованием к протоколам является их относительная простота, которая должна позволить обрабатывать радиоданные не нагружая коммуникационные процессоры и другие элементы системы лишними вычислениями.

Следует отметить, что специфика распределенных радиосистем состоит в том, что сами по себе коммуникационные процессоры можно упростить за счет сепарации их по ступеням обработки. При этом можно достичь уменьшения необходимых ресурсов ПЛИС за счет того, что некоторые ступени обработки могут использоваться при обработке различных типов сигналов. Следовательно, протоколы обмена должны позволять дополнять пакеты сигнальных потоков блоками метаинформации о параметрах радиосигнала, таких как номер канала, время приема, геодезические координаты приемника, несущая частота, а также результаты обработки на каждой ступени.

Выбор протокола транспортного уровня зависит от архитектуры системы и решаемых задач. Для передач в реальном времени с контролем потерь используются специальные протоколы, такие как RTP и RTCP [3]. При передаче пакетов сигнальных потоков между микросхемами они могут быть инкапсулированы в протокол канального уровня, соответствующий выбранной шине. При передаче данных внутри микросхемы в целях упрощения внутренних каналов и коммутации может использоваться упрощенный транспортный протокол. Преобразования протоколов из внутреннего во внешний и наоборот должны выполняться в мостах на основе таблиц преобразования, таких как ARP-таблицы в сетях Ethernet и программируемые таблицы соответствия внутренних и внешних адресов.

Важной составляющей программно-определяемых радиосистем является разработка переносимого и расширяемого программного обеспечения. Для унификации интерфейсов программных компонентов радиосистем была разработана спецификация SCA (Software Communication Architecture), которая определяет архитектурный каркас распределенных коммуникационных SDR-систем. Использование архитектуры SCA позволяет унифицировать интерфейсы для работы с программными компонентами и аппаратным обеспечением, благодаря чему программное обеспечение становится пе-

реносимым, а радиосистемы масштабируемыми [4]. Архитектура SCA определяет не только способы трансляции радиосигнала через коммуникационную сеть, но и принципы программной «перепрошивки» аппаратных узлов (ПЛИС, DSP-процессоров), удаленной настройки программно-определяемых радиосистем, управления аппаратурой и программным обеспечением.

Примеры распределенных радиосистем

Первыми распределенными программноопределяемыми радиосистемами можно назвать сети VoIP (Voice per IP) [3]. Такие сети применяются все шире, уже выпускается серийное оборудование для организации сетей VoIP. В основе технологии VoIP лежат протоколы RTP и RTCP. В качестве нагрузки в пакетах RTP передаются прошедшие вокодер отсчеты оцифрованного сигнала микрофона. В качестве узлов сети VoIP выступают абонентские терминалы (в том числе и беспроводные), шлюзы, АТС. В терминалах (VoIP-телефонах) широко применяются коммуникационные процессоры на базе ПЛИС, в шлюзах и АТС используются процессоры общего назначения.

Другой пример распределенных программно-определяемых радиосистем из области радиоастрономии. Современные радиоинтерферометры со сверхдлинной базой представляют собой сети радиоантенн, объединенных высокоскоростными каналами связи. Зарегистрированный в один момент времени разными антеннами радиосигнал должен быть передан в расчетный центр, где вычисляются взаимные корреляционные функции выборок радиосигналов и строится радиоизображение участка небесной сферы [5]. Для передачи оцифрованного радиосигнала применяются общие или выделенные каналы связи, в том числе и глобальная информационная сеть Internet. В качестве протоколов передачи выборок оцифрованных сигналов используются UDP и модификации RTP [6]. Коммуникационные каналы от сетей радиоантенн передают сигнальные потоки в центральный узел обработки информации. Централизованная обработка в таких системах обычно выполняется в несколько этапов. Одним из первых этапов является сборка и обработка пакетов, доставленных по различным каналам с различными задержками, сортировка и выделение сигнальных потоков. На данном этапе может выполняться также компенсация задержек в сигнальных потоках и перемежение/деперемежение. Затем, как правило, следуют этапы цифровой

Приемный

блок

*

*

Приемный

блок

КП

КП

Предобработка на ПЛИС

=> КП КП

Подсистема

* маршру-

• тизации

* (GB

Ethernet)

КП КП КП КП

КП КП КП КП

Обработка б блэйд-системе

КП КП КП КП

КП КП КП КП

Рис. 2. Блок-схема смешанной распределенной системы обработки, основанной на ПЛИС и блэйд-системах

обработки сигнальных потоков, которые должны выполняться в реальном масштабе времени, например передискретизация, точная компенсация задержек, корреляция и др. Результаты обработки передаются на следующую ступень, на которой выполняются этапы обработки, не требующие реального времени, такие как коррекция данных по известным источникам, калибровка, обнаружение источников и другие в зависимости от конкретной задачи. Примером такой системы является радиоинтерферометр LOFAR [7], в котором для реализации обработки сигналов в реальном времени используются суперкомпьютеры Blue Gene/L, соединенные с остальной системой гигабитными каналами Ethernet. Задачи обработки в реальном времени выполняются в виде множества параллельных конвейеров, каждому из которых назначается один узел суперкомпьютера Blue Gene/L с 8 двухъядерными процессорами. Входная секция, узел хранения, секция дополнительной обработки и секция постобработки данных выполняются на отдельных кластерах, состоящих из SMP-процессоров, объединенных каналами InfiniBand.

Наиболее масштабным проектом распределенной SDR-системы можно считать объединенную тактическую радиосистему JTRS [8], создаваемую Министерством обороны США. JTRS базируется на архитектуре SCA. Предполагается, что все военные радиосистемы американских ВС после 2010 года будут разрабатываться на базе спецификаций SCA, что предполагает наличие сетевого интерфейса и программного интерфейса у каждого элемента этой радиосистемы, будь то тактическая УКВ-радиостанция, бортовой модем беспилотного летательного аппарата или сеть гидрофонов вдоль морского побережья. С помощью программных интерфейсов предполагается управлять компонентами радиосистем, организовывать взаимодействие между ними, согласованно менять параметры, например перейти на ре-

зервную частоту всем тактическим радиостанциям в заданном регионе или сменить алгоритм шифрования [9].

На сегодня поставщики радиооборудования для американских ВС уже предлагают аппаратно-программные комплексы, выполненные в соответствии с требованиями JTRS. Компания Spectrum разработала систему радиоэлектронной борьбы SDR-3002 EWRDP [10]. Эта система содержит 6 АЦП и 6 ЦАП с частотой дискретизации 205 МГц, 12 программируемых ПЛИС для цифровой сигнальной обработки, 12 процессоров общего назначения PowerPC. SDR-3002 EWRDP может интегрироваться с другими элементами JTRS посредством Ethernet на базе программных интерфейсов SCA, используется для анализа радиообстановки и генерации активных помех.

Существуют коммерческие платформы быстрого прототипирования радиосистем, позволяющие создавать программное обеспечение, совместимое с SCA. Одной из таких систем является flexComm SDR-3000 MRDP [11]. Легкость в масштабируемости такой системы обеспечивается использованием магистрали CompactPCI и возможностью добавления модулей встроенной обработки и радиоинтерфейсов. Гибкость и широкий набор возможностей достигается использованием SCA-совместимого программного обеспечения, а также специальных библиотек алгоритмов и ядер, реализуемых в динамически реконфигурируемой аппаратуре.

Хотя архитектура SCA разрабатывается и продвигается Министерством обороны США с целью создания и внедрения JTRS [8], с 2005 г. существует сообщество разработчиков компонентов SCA-систем с открытым исходным кодом OSSIE [12]. В состав разработанного и распространяемого OSSIE программного обеспечения входят интерфейсы и реализации ключевых абстракций SCA, средства создания алгоритмов обработки радиоданных узлами SCA,

средства проектирования коммуникационных протоколов и соответствующих им схем модуляции/демодуляции, отладочные средства для имитации и просмотра реализаций цифровых радиосигналов.

В Научно-исследовательском физико-техническом институте Нижегородского государственного университета им. Н.И. Лобачевского в 2008-2010 годах была разработана распределенная система обработки радиосигналов, позволяющая обнаруживать радиосигналы различных типов и определять их параметры. Блочная схема системы приведена на рис. 2. Обработка сигналов в этой системе распределена между ПЛИС и блэйд-серверами Hewlett-Packard Proliant BL460c. Коммуникационные процессоры, ответственные за ранние стадии обработки, такие как фильтрация, выделение частотных каналов, цифровое преобразование частоты, вынесены в ПЛИС. После обработки в ПЛИС сигнально-информационные потоки упаковываются в RTP-пакеты и передаются подсистеме маршрутизации, основной задачей которой является передача сигнальных потоков блокам обработки с учетом планирования использования ресурсов. Коммуникационные процессоры, ответственные за дальнейшую обработку сигналов и определение их параметров, выполняются в режиме программной эмуляции на многоядерных процессорах в блэйд-серверах.

Всего в системе задействовано 4 блока обработки на базе ПЛИС и 16 на базе процессоров общего назначения Intel Xeon. Масштабируемость системы достигается посредством наращивания количества приемных блоков и блоков предобработки, увеличения количества блэйд-серверов. На конечный узел обработки, размещаемый на процессоре блэйд-сервера, может подаваться информационный поток до 200 Мбит/с. Основой транспортного протокола для передачи потока оцифрованных отсчетов радиосигнала послужил протокол RTP. Основное отличие применяемого в данной системе протокола – возможность передавать не только действительные временные отсчеты, но и комплексные сигналы в виде квадратур.

Заключение

Постоянно расширяющаяся частотная полоса сетей передачи данных, плотность процессоров и производительность вычислительных систем постепенно меняют архитектуру радиосистем. Изменения коснулись приемно-передающей аппаратуры, подсистем предваритель-

ной и финальной обработки радиосигналов. Появились совершенно новые классы распределенных радиосистем.

Одним из системообразующих факторов для распределенных радиосистем становится разработка эффективных протоколов передачи оцифрованных радиосигналов и сопутствующей информации. Как показывает опыт создания распределенных радиосистем, наиболее востребованными в данной области оказались протоколы RTP и RTCP.

Хотя в большинстве рассмотренных радиосистем и применяется общий подход к передаче оцифрованных отсчетов, но спецификация RTP не является жестким стандартом и допускает существование различных не совместимых друг с другом профилей. Назрела необходимость стандартизации таких профилей, что позволит консолидировать заделы по приему/передаче и обработке радиосигналов. Наиболее вероятной представляется стандартизация профилей RTP, разработанных Международным радиоастрономическим консорциумом e-VLBI. У данного консорциума есть многолетний опыт организации трансконтинентальной распределенной радиосистемы с международным участием.

Стандартизация группы коммуникационных протоколов для распределенных программноопределяемых радиосистем инициирует новые приложения в радиолокации, радиастрономии, и других областях, где применяются радиотехнические системы.

Список литературы

1. Jones E. Software Defined Radios, Cognitive Radio and the Software Communications Architecture (SCA) in relation to COMMS, radar and ESM // Cognitive Radio and Software Defined Radios: Technologies and Techniques. 2008 IET Seminar.

2. Virtex-5 FPGA User Guide. http://www.xilinx. com/support/documentation/user_guides/ug190.pdf (дата обращения: 09.04.2010).

3. Евсиков М., Матвеев С., Осадчук А. RTP и RTCP: протоколы для IP-телефонии // Компьютер Пресс. 1999. № 10.

4. Gonzalez C.R.A., Dietrich C.B., Reed J.H. Understanding the software communications architecture // IEEE Communications Magazine. 2009. Vol. 47, no. 9.

5. European VLBI Network Biennual Report 20072008. URL: www.elbi.org/publications/EVNbiennu-

alreport0708.pdf (дата обращения: 09.04.2010).

6. Lapsley D., Whitney A. VSI-E Software Suite //Proceedings of the 7th European VLBI Network Symposium, October 12th-15th, 2004.

7. Latour A., Schaaf K.V.D. LOFAR Central Processing Facility Architecture description. -ASTRON, 2GG7.

8. JPEO JTRS. URL: http://jpeojtrs.mil (дата обращения: 09.04.2010).

9. Щербак Н., Программируемые радиостанции -будущее тактической связи // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 2GGl. № 5.

Ю. SDR-3GG2 EWRDP Electronic Warfare Ra-pid-Prototyping and Deployment Platform. URL:

http://www. spectrumsignal. com/products/pdf/sdr_3002_ ewrdp.pdf (дата обращения: 09.04.2010).

11. SDR-3000 MRDP Military Communications (MILCOM) Rapid-Prototyping Development Platform. URL: http://www.spectrumsignal.com/products /pdf/sdr_ 3000_mrdp.pdf (дата обращения: 09.04.2010).

12. Dietrich C.B., Reed J.H., Edwards S.H., Kragh F.E. Experiences from the OSSIE Open Source Software Defined Radio Project // Open Source Business Resource. 2010. March.

DISTRIBUTED SOFTWARE DEFINED RADIO SYSTEMS

E.M. Sorokhtin, S.A. Mineev

In the last decade, a substantial extension of data network frequency band has led to the appearance of a new class of radio systems – distributed software-defined radio systems based on the principles of the software-defined radio. These systems contain some computational nodes incorporated by a high-speed data interface unit. Some problems of creation of distributed software-defined radio systems are discussed and some examples of such systems are given.

Keywords: Software Defined Radio, distributed computing systems, field-programmable gate arrays, Real Time Protocol, signal-information flow.

Software Defined Radio руками шестнадцатилетнего подростка / Хабр

SDR, или программно-определяемая радиосистема – это устройство для работы с радио, в котором работает мини-компьютер со специальным программным обеспечением. Он заменяет традиционные аппаратные компоненты: фильтры, усилители, модуляторы и демоуляторы. Это позволяет создать радиоприемник, работающий с самыми разными протоколами. Вообразите себе радиолу, которая кроме «ХитFM» может принимать аналоговое и цифровое телевидение, связываться по Wi-Fi, Bluetooth и GPS, а также засекать излучение пульсаров.

А теперь представьте себе американского девятиклассника, который решил сделать такую радиолу, заказал через интернет ПЛИС, радиомодуль, развёл шестислойную плату, а потом своими руками смонтировал на неё почти 300 компонентов. И через три ревизии это всё у него заработало!

Что такое SDR

Кому может понадобиться такая радиола? Радиолюбителям, которые здорово эволюционировали! Двадцать лет назад увлеченный человек покупал сложный приёмник и часами сидел в наушниках, вращая частоты в поисках интересных сигналов. В современном мире радиоэфир переполнен информацией, но вся она цифровая. Слушать в наушниках пакеты Wi-Fi не представляет никакого интереса. Сегодня радиолюбитель находит в эфире интересные цифровые радиостанции, а потом подбирает софт, который разбирает протокол передачи и преобразует информацию. К примеру, можно принимать данные телеметрии гражданской авиации – на основе такого рода информации от множества радиолюбителей по всему миру сайт flightradar публикует данные о воздушных судах.

Вы можете прямо сейчас своими глазами увидеть работу Software Defined Radio. Университет Твенте содержит увлекательный проект онлайн SDR-приёмника, который принимает сразу кусок спектра шириной в 29MHz, после чего радиолюбители могут параллельно прослушивать различные несущие этого диапазона. Каталог подобных радиопроектов собран на сайте

Большую роль в популярности любительского SDR играет небольшая стоимость минимального комплекта оборудования. Обнаружились недорогие TV-тюнеры, реализованные на Software-Defined Radio, и в интернете немедленно появились инструкции о том, как использовать такие тюнеры, чтобы прослушивать с их помощью не только телевизионный сигнал. Специализированный комплект на китайском рынке стоит всего 35$ правда, он приходит разобранным (в необходимости предварительно спаять и заключается его шарм) и поддерживает диапазон только 100KHz-1.7GHz. Конечно, аппетит приходит во время еды, и очень скоро радиолюбитель начинает смотреть в сторону оборудования, которое может принимать широкие частотные диапазоны на высокой скорости. Давайте рассмотрим, какие серьёзные приборы сейчас наиболее популярны.

Полный список на Википедии

В двух словах: начинать знакомство с SDR можно с дешёвых вариантов типа RTL-SDR. Когда аппетит исследователя превысит небольшие возможности устройства, придётся искать замену подороже. Устройства типа Per Vices Crimson используются очень серьёзными специалистами, чьи компьютеры достаточно производительны для обработки таких потоков информации. LimeSDR на данный момент только-только закончил сбор средств на Kickstarter. Выглядит очень заманчиво: частота семплирования максимальна для USB3.0, а ширина канала достаточна для поднятия шести 10MHz сот LTE.

Однако, ещё недавно выбор не был так велик, и если не устраивал hackRF за $300, то следующим вариантом был USRP сразу за $750, и никакого компромисса. В связи с этим, шестнадцатилетний Лукас Лао Бейер решил самостоятельно разработать SDR-плату и недавно опубликовал отчёт о своём проекте. Сказать, что мы были поражены – ничего не сказать, лучше просто промолчать.

“Да что эти американские школьники себе позволяют!” — кричат в комментариях к статье Лукаса. Люди годами совершенствуют своё мастерство, а этот мальчишка сделал всё между уроками! Мы решили, что так это оставлять нельзя, и связались с Лукасом. В этой серии статей мы рассмотрим все аспекты создания подобного устройства, чтобы российские школьники перенимали опыт и делали не менее восхитительные вещи. Начнём с перевода на русский язык дневника Лукаса, в котором можно пронаблюдать ход проекта и его переживания в связи с ним. Затем мы разберём выбранные решения и попробуем изготовить такое устройство в российских условиях.

Разработка аппаратной части

Из дневника Лукаса Лао Байер
FreeSRP – доступная программно-определяемая радиосистема. Я ее разработал, потому что не нашел устройств с более высокой пропускной способностью, чем HackRF за 300$, но дешевле более производительной USRP за 700$. Некоторые компоненты еще требуют доработки, но система будет полностью соответствовать философии Open Source.

FreeSRP основана на трансивере Analog Devices AD9364. Ключевые возможности:

• Полоса в 56MHz
• Частотный диапазон 70MHz — 6GHz
• Полнодуплексный режим работы.

Несмотря на то, что есть другие альтернативы типа LimeSDR, я считаю, что FreeSRP будет востребован. Разработка, как и ожидалось, была невероятно познавательной.

Я начал работу над системой два года назад, летом 2014, когда мне было 16. На тот момент у меня не было опыта серьезной работы с железом, не считая низкопроизводительных плат для моего проекта High Altitude Balloon. Поэтому я понимал, что разработка FreeSRP будет непростой во всех аспектах: скоростные шины (100MHz), USB3.0, сигнальные дорожки с производительностью до 6GHz, сложные схемы питания с семью различными напряжениями… Очень хотелось собрать компактную систему на современных компонентах, так что пришлось познакомиться с такими компонентами, как BGA или QFN.

Сравните мою предыдущую плату и нынешнюю

Что и говорить, амбициозность проекта колоссальна. Однако, меня это нисколько не пугало, и я начал с чистого листа, исходя лишь из того, что я точно буду использовать трансивер AD9346, а мост между трансивером и USB3.0 реализую на ПЛИС. Недолгие поиски привели меня к Xilinx Artix 7 и контроллеру Cypress EZ-USB FX3. Эти игрушки показались мне оптимальными рещениями в плане цены.

На основе даташитов и референсных дизайнов я постепенно подготовил принципиальную схему, в которой решил вопросы по всем остальным компонентам. Для разработки я использовал Altium Designer. Хотя он и не open source, для меня это был наиболее интуитивно понятный пакет дизайна печатных плат. Многие его прекрасные функции весьма помогли мне в разработке: жизнь становится гораздо проще, если у тебя есть инструменты для отрисовки параллельных шин или дорожек с конкретным сопротивлением. Впрочем, когда я закончу устранение недочётов в дизайне, я перерисую всё в KiCad, чтобы большему числу людей было удобнее пользоваться моими разработками.

От дизайна к прототипу

Когда схема готова, пора выпускать шаблон платы. Для прототипа очень важна цена изготовления, и в мой бюджет еле-еле умещалась четырёхслойная плата от нашего американского сервиса OSH Park, который славится низким ценником на штучные заказы. Пусть у них есть только четырёхслойки, параметры изготовления весьма хороши — дорожки 5 mil с такими же промежутками, 10 mil для отверстий, а также прекрасный субстрат Isola FR408, от качества которого зависит радиосигнал.

Самое важное в разработке платы — удобно расположить компоненты. Я старался сделать так, чтобы соединения между компонентами были как можно меньше. Конечно, я изо всех сил стремился сделать плату минимального размера, что сильно влияет на цену. Я начал рисовать прохождения сигнала с одной стороны — от USB — и постепенно добавлял компоненты по ходу этого пути, пока не дошёл до радиоинтерфейса. Компоненты вне этого пути (регуляторы напряжения) были добавлены в оставшиеся свободные места на плате.

С первого раза, разумеется, вышло не идеально, и довольно долго я увлеченно переделывал плату, пока наконец не понял, что уже всё хорошо. Самая сильная боль наступила, когда я начал разводить BGA на своей четырёхслойной плате. Тем не менее, я справился. Дизайн прошёл все проверки, и я ещё на несколько раз проверил всё вручную. Совершенно не хотелось рвать на себе волосы после изготовления платы с ошибкой, потому что это, конечно, было бы уже никак не исправить.

Изготовление прототипа
После долгих треволнений, я всё же заказал три платы, и в январе 2015 они — УРА! — приехали. Я намеревался самостоятельно собирать плату, поэтому дополнительно заказал шаблон монтажа на пленке для паяльной пасты. Для монтажа я использовал галогеновую печку и контроллер собственной разработки.

Так как FreeSRP основан на двухсторонней плате, я сначала монтировал нижний слой. В дизайне я расположил снизу только маленькие компоненты: когда я буду запекать плату второй раз при монтаже верхнего слоя, маленькие компоненты удержатся на плате даже вверх ногами.

Частичная сборка
У меня было три печатные платы, поэтому я сначала собрал прототип лишь частично. На одной плате установил только регуляторы напряжения, и благодаря этому обнаружил проблему с регулятором на 1.8В. Ничего страшного, я заменил его внешним источником питания. А вот проблему с регулятором на 1.3В я устранить не смог, потому что здесь уже проблема заключалась в ошибке проектирования, так что в первой ревизии я не смог запустить радио.

На второй плате я собрал всю цифровую часть: USB и FPGA. Впервые мне довелось монтировать BGA, и я делал это вручную. После долгих часов напряжённого и кропотливого монтажа дорогущих компонентов без права на ошибку, я дрожащими руками аккуратно положил плату в печь. Ожидание было мучительным, и как же я ликовал, когда всё прошло идеально!

Первое включение

Конечно, я невероятно страшился первого включения платы. Хотя цепи питания были проверены на первой плате, я всё равно не исключал, что сейчас мои драгоценные компонентики вспыхнут синим пламенем. Возможно есть какой-то безопасный способ включать не тестированную плату. Мне ничего лучше не пришло в голову, как плавно повышать ток на блоке питания, и молиться, чтобы нигде не пошёл дым.

Тест на дым был пройден успешно, и лампочки загорелись. Ни ПЛИС, ни USB на ощупь не нагревались. Я подключил USB в компьютер, и операционка обнаружила чип Cypress. Затем я запустил приложения Xilinx, и они подключились к ПЛИС через JTAG. Похоже, всё заработало! Рассмотрев детальней, я конечно нашёл ошибку: криво развёл разьём USB3.0, так что заработала только вторая версия. Ничего страшного, начнём тестировать в таком виде, и исправим проблему позже.

Вторая ревизия
Во второй ревизии мне понадобилось устранить проблемы с питанием и разводкой USB3.0. В результате, я получил полностью рабочую цифровую часть платы, и пора было переходить к радиочасти.
Сначала я не стал трогать трансивер, и собрал все остальные компоненты. Параллельно, началась разработка программной части проекта. До этого я никогда не программировал ПЛИС, поэтому мне пришлось изучать Verilog с нуля. На этом этапе я решил реализовать параллельный интерфейс к USB-контроллеру. Хотя все части проекта были не тривиальны, разработка ПЛИС для меня стала самой жуткой частью проекта. Очень сложно найти документацию для чайников по использованию инструментов и IP-блоков. Сообщения, которые писала Vivado Design Suite, были для меня китайской грамотой, а включение готовых IP-блоков приводило к сотням непонятных уведомлений. Скорее всего, я просто не умею пока правильно готовить на этой кухне.Даже самые минимальные изменения в дизайне требовали мучительно долгого обсчёта программой, поэтому всё необходимо симулировать — а это еще больше усложняет вход в чудесный мир ПЛИС. А отладка! Без Integrated Logic Analyzer отлаживать что-либо совершенно невозможно, а он стал бесплатным только в 2016 году– до этого прайс был очень высоким. Поэтому пришлось при отладке передавать часть тестовой информации морганием диода, а часть — на ножки GPIO и смотреть сигнал осциллоскопом.

В вопрос по тактированию я вник до конца не сразу – только к третьей попытке пришло осознание, что тактовый сигнал трансивера нужно было обязательно завернуть в clock-inputs на ПЛИС.
Наигравшись с Verilog, я решил, что самое время впаивать трансивер. Я взял третью плату, вновь установил на неё три сотни компонентов, как и ранее, начав с нижней стороны. Но когда я паял верхнюю сторону, контроллер моей печки объявил забастовку и не выключил печь. Я не мог получать показания по температуре в печи, а контролировать агрегат удавалось только включая-выключая его или открывая дверцу. Никакие мои молитвы не помогли: на дорожках появилось КЗ. Я попытался починить, но тщетно: при включении ПЛИС нагревался. Увы, я только что сжег в печи четыре сотни баксов, и этот факт совсем не придавал мне уверенности.

Тем не менее, я был решительно настроен закончить проект, поэтому разбил копилку, вновь заказал компоненты и через несколько недель предпринял еще одну попытку всё собрать. Вы не представляете, как я потел в этот раз, словно в финале турнира по покеру! К счастью, всё прошло без сюрпризов.

Цифровая часть в новом прототипе работала идеально. А вот трансивер работать не хотел, его конфигурационный порт просто не отвечал. Потом я заметил, что трансивер на ощупь горячий. Почему он так нагрелся, было непонятно, ведь он должен спать без конфигурации. Я безуспешно пытался найти проблемы в питания. Излазил все схемы, перепроверил все на сто раз. И потом я обнаружил следующую вещь.

Оказывается, я по ошибке последовательно включил два резистора — 698Ом и 536ОМ (в сумме 1234Ом) вместо 14.3 килоомного резистора из документации! Я заменил резисторы, и чип перестал греться, но он всё равно не работал. Похоже, я его спалил.

В общем, в этот момент я решил, что сделано уже достаточно много для такого юного специалиста без глубоких знаний электроники, и пора проект отложить. Но у меня осталась работающая ПЛИС, поэтому я стал развлекаться с ней.

В результате долгих экспериментов, я прикрутил драйвер трансивера и справился с генерацией тестовых сигналов. У меня заработала цепочка передачи сигнала от ПЛИС к USB, так что дальше я мог управлять своей SDR с компьютера с помощью библиотеки на более знакомом мне C++. Затем я реализовал совместимость моей платы с GNURadio, так что теперь с этой платой могли работать все полезные программы, реализованные на базе GNURadio.

Третья ревизия

В какой-то момент я нашёл силы на ещё один рывок и сделал третью ревизию. Я исправил досадную ошибку с 14.3 килоомным резистором, соединил clock-inputs с FPGA, и заменил осциллятор трансивера на кристалл, чтобы упростить раздачу тактового сигнала и исключить дальнейшие проблемы.

Конечно, проект вышел за рамки срока и бюджета, но сейчас мне уже кажется, что иметь всего три ревизии до работающей платы — это совсем неплохо!

Также на этой ревизии я перешёл на шестислойную печатную плату. Прототипы стали стоить дороже, но расстояние между сигнальными дорожками значительно увеличились, и я достиг максимальной тактовой частоты в шинах.

Кроме того, я купил отличные шаблоны из нержавейки, которые, в отличие от каптоновых, гораздо проще использовать.

Раз софт у меня уже был готов, я сразу смог запустить трансивер на прием, и вот они долгожданные первые сэмплы в GNURadio!

Наконец-то вся тяжелая работа дала свои плоды. Еще через несколько недель я смог запустить передатчик, и убедился, что полнодуплексный режим у меня взлетел, пусть и не в полную ширину. И тут я нашёл новую проблему с усилком на передаче, поэтому сигнал получился очень слабым.
В любом случае, у меня есть полнофункциональная SDR-плата, ребята! Да, ещё много нужно доделать. Я хочу тщательно измерить производительность приемника и передатчика. Очень хочется запустить мелкосерийное производство, но перед этим мне нужно ещё немного оптимизировать дизайн и быть на 100% уверенным, что я не оставил в плате ещё каких-то сюрпризов.

Постановка задачи
Большое спасибо Лукасу за его подробный отчёт, а сейчас давайте рассмотрим его решения.
Итак, Лукас хотел сделать широкополосную программно-определяемую радиосистему с характеристиками лучше, чем у hackRF, и дешевле USRP. Давайте рассмотрим, как устроено оборудование конкурентов.

USRP

bladeRF

hackRF

Последнее изображение выглядит наиболее лаконично, однако все три устройства имеют одинаковую архитектуру: сигнал принимается из эфира, оцифровывается и передаётся в USB. Есть различия в деталях. В hackRF радиочасть реализована в виде нескольких компонент: сигнал после приёма с помощью миксера сдвигается в промежуточную частоту диапазона 2.3-2.7GHz, затем преобразуется в синфазную и квадратурную составляющую сигнала, которая уже оцифровывется. Другие устройства решают эту задачу одним компонентом — трансивером. Преобразование цифрового сигнала для передачи в USB, а также управление радиотрактом, осуществляется при помощи ПЛИС (FPGA) либо микроконтроллера.

Проектируя систему сверху вниз, мы разделим её на три части: RF, FPGA и USB, и сначала проработаем каждый блок по отдельности, а затем разберёмся, как связать их вместе.

RF-часть
Радиомодуль в такой системе — самое хрупкое дело. Дискретные биты должны превратиться в волну и с нужной мощностью полететь в антенну. Для этого раньше требовалась целая россыпь восхитительных штучек: фильтры, интерполяторы, дециматоры, цифро-аналоговые преобразователи, синтезаторы, миксеры и различные усилители. До сих пор существует класс людей, предпочитающих самостоятельно контролировать каждый аспект их радиомодуля и собирающих их из маленьких кусочков. Какое же решение предпочтёт школьник? Конечно, он будет рад, если один суперчип решит для него все эти проблемы. Вот какие есть варианты:

Как в hackRF
Майкл Оссманн, кстати говоря, тоже радиолюбитель, а не радиопрофессионал, и единственная причина, почему он не решил радиочасть в своём проекте в виде одного умного кусочка кремния — это доллары, которые для этого потребовались бы. Майкл выбрал компромисс: он использует три кусочка кремния и экономит примерно половину стоимости, что делает hackRF таким доступным по цене. Радиосигнал в hackRF приходит на RFFC5071, который понижает частоту до ~2.5GHz (это называется LO-синтез), затем этот сигнал попадает в узкополосный трансивер MAX2837, превращается в baseband и в таком виде идёт в MAX5864 — это как раз цифро-аналоговый (и обратно) преобразователь.

AD9364
Analog Devices выпускают отличные трансиверы, которые часто используются в различных SDR-проектах. Выше на схеме видно, что такой чип, к примеру, комфортно себя чувствует на устройствах USRP. У производителя можно купить чип на демонстрационной плате AD-FMCOMMS4-EBZ, которая в принципе является готовой примитивной SDR.

LMS6002D
Чипы Lime Micro используются во множестве систем (bladeRF, например), в том числе и в российской SDR-разработке umTRX, а в этом году они замахнулись на собственную SDR-систему и успешно собрали на Kickstarter средства для запуска LimeSDR в продакшн. В целом, Лукас вполне имел право использовать этот чип в своей работе, он прекрасен, и главный его недостаток — диапазон принимаемых частот вполовину уже, чем у AD9364.

Поэтому в итоге Лукас выбрал вариант с AD9364, и немедленно заказал его.

Выбор FPGA
Самое сложное при выборе ПЛИС — это определиться Altera или Xilinx. Эти компании словно Sony и Nintendo производят одинаково крутое железо, и дьявол лишь в деталях. Какая же разница между Altera и Xilinx?

Altera славится очень долгой поддержкой своих микросхем. Среда разработки Xilinx Vivado работает только с последней (седьмой) серией микросхем, тогда как Altera’s Quartus поддерживает даже Flex 10K, которому пятнадцать лет исполнилось с момента первого выпуска. На момент старта проекта, софт для отладки Xilinx стоил 700$ (и стал бесплатным только в этом году), а у Altera он бесплатен. IP-блоки (готовые программные библиотеки) в Altera можно попробовать во время демо-периода с ограничениями. В итоге, для новичка-любителя Altera выглядит предпочтительней. Зато в Xilinx умнее DSP часть, в ней есть не только умножение (как в Altera), но и предсложение с аккумулятором, что уменьшает количество необходимых логических блоков для решения задачи.

Но Лукаc выбрал Xilinx. Он утверждает, что из-за цены, но я думаю, что наугад (сравните, Xilinx Aritx-7 и Altera Cyclone V).

Как выбрать конкретную модель микросхемы у Xilinx? Два года назад выбор стоял между Spartan-6 и Artix-7, которые считаются low-cost предложением Xilinx. Spartan-6 отпадает, потому что его не поддерживает программное обеспечение Vivado.

Все BGA семейства Artix-7 совместимы что называется pin-to-pin, поэтому дальше Лукас просто ткнул в модель 50T, решив определиться с конкретной моделью, когда софт будет готов и точно определятся требования к производительности микросхемы.

Какие FPGA используют в других аналогичных проектах?

SDR	Модель FPGA	Logic Cells
USRP B200	Xilinx Spartan 6 LX150	150k
USRP B210	Xilinx Spartan 6 LX75	75k
bladeRF x40	Altera Cyclone 4	40k
bladeRF x115	Altera Cyclone 4	115k
hackRF	CPLD	xx

Автор hackRF не стал ставить FPGA, а выбрал более дешёвую технологию — CPLD, что является, скажем так, упрощённой версией FPGA. В результате, он практически ничего полезного не может в ней делать и вообще планирует исключить ПЛИС из своего дизайна, переведя управление трансивером на чип USB-контроллера.

USB3.0
Осталось определиться с решением для USB3.0. Самое популярное решение здесь — микроконтроллер Cypress FX3, и сложно придумать причины не использовать его. Тем не менее, рассмотрим альтернативы.

Первым на ум приходит FTDI FT60x — микроконтроллер в корпусе QFN. Компания FTDI знаменита тем, что любит выпускать драйвера, которые намеренно убивают твой чип, если он является подделкой. Если для USB2.0 чипы этой компании считались стандартом де-факто, то в USB3.0 они, к сожалению, упустили свой рынок таким странным отношением к оборудованию конечного пользователя и низким качеством софта.

Другой вариант — взять трансивер от Texas Instruments TUSB1310A, а MAC-уровень реализовать в ПЛИС. Трансивер стоит на 20$ дешевле, чем микроконтроллер от Cypress FX3, и я затрудняюсь прокомментировать, почему Лукас не сделал именно так.

Изготовление печатной платы
Если вам больше хочется программировать, чем развлекаться с паяльником, я бы рекомендовал делать прототип на готовой плате. Хороший список готовых плат на разных ПЛИС можно найти на специальном сайте. Для этого конкретного проекта есть идеальный вариант готовой платы с USB3.0 и FPGA Artix 7 остаётся только скоммутировать трансивер и можно немедленно приступать к экспериментам.

Однако, Лукасу в этом проекте были интересны все этапы. Более того, он даже монтировать плату хотел сам. Прототипы Лукас изготовил в OSH Park — это очень популярный сервис среди американских студентов. Цена у них идёт от площади платы (10$ за квадратный дюйм), и с учётом расположения в США вся процедура занимает весьма короткий промежуток времени. Однако, сейчас, когда на плату есть заказы и её нужно изготавливать десятками, имеет смысл поискать самый оптимальный вариант для её изготовления. Ниже в таблице я привёл сравнение российских и зарубежных сервисов по изготовлению плат без монтажа на них.

Сравнение цен на изготовление печатной платы. Требования:

• 5 mil=0,127 мм минимум дорожки
• 5 mil=0,127 мм минимум промежутки
• 10 mil=0,254 мм минимальное отверстие
• Субстрат для платы с хорошими характеристиками
• Размеры платы: 74 * 108mm

Предприятие	Стоимость за пять штук шестислойки	Пять штук четырёхслойки
OSH Park	Шестислойную не делают	123$ за три штуки, опт — от 150 квадратных дюймов
PCB tech	614$	–
Резонит	153$	–
EasyEDA	284$	–
seeedstudio. com	158$	–
pcbwing	348$	299$
PCB Offshore	280$ / 4pcs	140$ / 4pcs
PCBCart	191$	93$

Часть российских заводов ответили отказом или выставили заградительные цены: не хотят связываться с мелкосерийным заказом. Хочу обратить внимание, что при текущем курсе доллара услуги российской компании Резонит оказываются даже предпочтительней китацев. Плюс, они готовы сами смонтировать платы, если вы предоставите им комплектующие. На данный момент, из этого списка я лично работал только с EasyEDA, и нареканий нет. Цены Резонита приятно удивили Лукаса, и сейчас мы планируем разместить там заказ платы по его проекту. Когда у нас всё получится, я обязательно расскажу вам детали взаимодействия с заводом, а также подготовлю статью о процессе проектирования печатной платы и подготовке проекта к изготовлению.

Пишем ПО

Из дневника Лукаса Лао Байер
Чтобы эта плата начала приносить пользу, необходимо разработать несколько компонент:

• Логика ПЛИС, которая послужит интерфейсом между AD9364 и USB
• Прошивку для USB контроллера
• Драйвер для PC, который выступит интерфейсом между платой и традиционными библиотеками.

Для персонального компьютера я написал C++ библиотеку на основе libusb. Однако, чтобы не изобретать велосипед, я решил интегрироваться в какой-нибудь популярный фреймворк, и очевидным выбором была GNU Radio.

Сначала я собирался просто написать собственный блок для GNU Radio, но затем я натолкнулся на проект gr-osmosdr, который осуществляет поддержку многих популярных SDR. В комплекте с ним идёт анализатор спектра, генератора сигнала. Плюс, эта библиотека уже используется другими приложениями (например, Gqrx, AirProbe/gr-gsm). Соответственно, если я сделаю патч в этот проект, то моя плата автоматически появится в этих приложениях.

Потому я скопировал себе актуальную версию gr-osmosdr, и дальше просто смотрел какие правки делались для поддержки других SDR. В итоге, потребовались очень небольшие правки, чтобы библиотека увидела мою плату. Дальше появились функции для настройки частоты, ширины спектра и т.д. Ключевая функция — work — производит или потребляет данные из потока GNU Radio. Сначала я реализовал простую очередь, чтобы как можно быстрее начать играть с платой, но, конечно, это неэффективно. Сейчас я обновил алгоритм и сделал, как делают все папы: через обратные вызовы и синхронизацию с помощью условных переменных

В общем, теперь для работы с моей платой через gr-osmosdr нужно просто указать аргумент freesrp.

Проверяем корректность потока данных
Я начал баловаться с GNU Radio начиная со второй ревизии моей платы, когда трансивер ещё не очень-то работал. Я просто посылал сигнал и разворачивал его обратно в приёмный тракт. Так я мог проверить, что в цифровой части платы ничего не искажается.

Чтобы проверить частоту дискретизации платы, я гнал сигнал из блока GNU Radio “probe rate”, а на ПЛИС собрал простой счётчик:

Сигнал генерируется в ПЛИС и принимается в GNU Radio. Частота дискретизации вбита прямо в код. Получаемая частота дискретизации выводится в отладочное окно.

Дальше тестировал цепь передачи сигнала. Теперь сигнал генерируется в GNU Radio и сливается в (sink block).

Теперь проверяем, что ПЛИС правильно декодирует данные: драйвер должен возвращать 32-битное слово, в котором будет два 12-битных сэмпла (I и Q) и выравнивающая пустота. С помощью программы Integrated Logic Analyzer я мог получить доступ к 12-битным сэмплам в ПЛИС и сравнить их с тем, что я вижу на моём компьютере.

I и Q сигналы на конце цепочки передачи данных в ПЛИС.

GNU Radio генерировал синусы и косинусы, но данные где-то портились. В итоге оказалось, что ошибка была в моей библиотеке freesrp, она неправильно форматировала данные. Когда я её починил, то собрал петлю в ПЛИС:

И всё почти работало. Только некоторые сэмплы терялись и заменялись на нули. На следующей картинке мы видим сгенерированный синий сигнал I, красный Q и сигнал, который прилетел обратно — зелёный I и чёрный Q:

Периодичность потери сигнала натолкнула меня на мысль, что проблема где-то в моём конечном автомате, который управляет чтением и записью в USB-контроллер: переход в состояние записи происходило за цикл до попадания данных в регистры, которые нужно записать. Я сдвинул этот переход на один такт, и всё стало гладенько:

На третьей ревизии платы я повторил все тесты, чтобы убедиться в полной работоспособности. Для лупбэка я использовал внутреннюю петлю AD9364, таким образом покрыв тестом всю цифровую часть прототипа.

Весёлые эксперименты с GNU Radio
Теперь мне очень хотелось попробовать декодировать реальные сигналы. Первыми моими жертвами стали GSM и Zigbee, потому что для них есть готовые библиотеки gr-gsm and gr-ieee802-15-4.

GSM
Внешние модули GNU Radio собираются через cmake, потому всё просто:

mkdir build # Creates a blank directory for the build to run in
cd build
cmake .. # Load CMake build script in root of the module's directory and run it
make # Run the CMake-generated makefile
sudo make install # Install the module
sudo ldconfig

В пакете gr-gsm идёт некоторое количество пробных приложений. Самые интересные — grgsm_scanner and grgsm_livemon. С помощью первого можно поискать GSM вещание и вычленить из них какие-то идентификаторы, а также получить список базовых станций.

Поглядите, кстати, я в качестве аргумента указываю код своей платы freesrp — и всё работает. Это очень приятное чувство.

Второе приложение позволяет настроиться на один из GSM каналов, расшифровать данные и отправить их в твою локальную сеть, где их можно послушать через Wireshark. Я добавил в программу модуль gr-fosphor, чтобы скриншот стал более красочным:

802. 15.4 (Zigbee)

У меня дома было несколько XBee модулей, и я решил с ними взаимодействовать. На этом примере я хотел проверить отправку данных.

Установка модуля настолько же проста, как и в случае с gr-gsm. Примеры, которые идут с библиотекой, сделаны для коммуникационного стека Rime, поэтому я отрезал от него всё, что не касается самого Zigbee, и добавил блок TCP Server, чтобы можно было по локальной сети подключаться и отправлять данные:

Для примера я написал два Python-скрипта: один подключается к XBee через USB, а другой цепляется на TCP порты в GNU Radio. И затем я просто передавал текстовые сообщения через протокол 802.15.4, как в чате.

О разработке драйвера
Дизайн ПЛИС и USB-контроллера
Сейчас моя ПЛИС ничего особого не делает, кроме как служит интерфейсом между трансивером и USB. Из-за простоты реализации, я запустил на MicroBlaze драйвер от AD9364, который производит настройку и калибровку. Драйвер взаимодействует с USB через UART. Вскоре я перенесу этот драйвер на контроллер USB.

AD9364 выдаёт семплы в 12-битный порт чередуя I и Q. Есть ещё один 12-битный порт, куда надо отправлять исходящией I\Q значения. Так же трансивер предоставляет DDR-клок в зависимости от выбранной частоты дискретизации. Во входной сигнальной цепи происходит обратное перемежение и складывание в 24битную очередь.

В контроллере USB есть механизм DMA, куда ПЛИС может напрямую писать (и оттуда же читать) данные через 32битную шину. Поэтому когда в очереди ПЛИС накопилось достаточно данных, а FX3 готова к приёму, конечный автомат перебрасывал данные.

Сейчас я использую только 24 бита из доступных 32. Влезает один I\Q семпл, и остальные 8 бит я просто отбрасываю. Но для полнодуплексной передачи данных нужно будет использовать все 32 бита.

USB контроллер предоставляет следующие контрольные точки:

• INTERRUPT OUT — отправляет команды в MicroBlaze на драйвер AD9364
• INTERRUPT IN — принимает ошибки или ответы на эти команды
• BULK OUT — для отправляемых данных
• BULK IN — для приёма данных

После включения FPGA можно настроить через INTERRUPT OUT.

Libfreesrp
Библиотека взаимодействия с FreeSRP очень проста. Для приёма и отправки используется интерфейс libusb. Это позволяет накапливать в очередь данные для оптимальной обработки операционной системой. Пользователь указывает колбэк, который будет вызван если поступили новые данные или буферы отправки освободились.

Планы
Дмитрий Стольников из gr-osmosdr уже связался со мной и предложил слить мои изменения в основную ветку библиотеки. Я вскоре закончу её полировать и сделаю это.

Когда я избавлюсь от MicroBlaze и перенесу драйвер на FX3, ПЛИС почти полностью освободится. Я бы хотел воспользоваться этим для экспериментов с обработкой сигналов в реальном времени прямо на ПЛИС.

Очень хочется получить более точные характеристики производительности радиочасти. Я не приблизился к этому ни на шаг, потому что у меня нет приборов, да и других дел полно.

Выпуск продукта

В апреле Лукас запустил краудфандинг для своего продукта и получил первую партию заказов на 20000$ (то есть, порядка пятидесяти экземпляров).

После отгрузки этой партии можно будет с уверенностью сказать, что прототип превратился в продукт, и это замечательный финал длинной трёхлетней истории шестандцатилетнего пацана, собравшего своими руками настоящее Software Defined Radio.

Справочные ссылки
→ Схематика FreeSRP
→ Исходники FPGA
→ Исходники USB Контроллера
→ Сайт проекта

Программно-определяемая радиосистема – это… Что такое Программно-определяемая радиосистема?

Программно-определяемая радиосистема (англ. Software-defined radio, SDR) — радио-телекоммуникационная система, которая может быть настроена на произвольную полосу частот и принимать различные виды модулированного сигнала, состоящая из программируемого оборудования с программным управлением.

ПОР выполняет значительную часть цифровой обработки сигналов на обычном персональном компьютере или на ПЛИС. Целью такой схемы является радиоприемник или радиопередатчик произвольных радиосистем, изменяемый путем программной переконфигурации.

Программное радио имеет большую полезность для военных применений и беспроводных услуг, так как позволяет обслуживать большое количество радиопротоколов.

Оборудование для ПОР обычно состоит из супергетеродинного приемника, который преобразует сигнал с радиочастоты на промежуточную, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразователей (АЦП и ЦАП).

В настоящее время ПОР используются для реализации простых радиомодемов, в частности GSM, WiFi, WiMax. Со временем, ПОР, возможно, станет основной технологией в радиокоммуникациях.

Принцип работы

Идеальный случай

В простейшем случае приемник для ПОР не использует промежуточную частоту, антенна непосредственно подключается к АЦП. Цифровой сигнальный процессор считывает сигнал с преобразователя и программно преобразует его в любую форму.

Похожим образом подключен передатчик. Цифровой сигнальный процессор генерирует поток чисел и посылает их на вход высокоскоростного ЦАП.

Реальные схемы

В настоящее время основным лимитирующим фактором в развитии ПОР являются параметры применяемых ЦАП и АЦП. Быстродействие цифровой части не накладывает принципиальных ограничений. Однако, на практике, особенно в случае портативных и носимых применений, более высокая потребляемая мощность может являться весомым аргументом против использования ПОР. Современные образцы ЦАП и АЦП позволяют реализовать ПОР-системы в диапазоне частот до сотен мегагерц без преобразования частоты. В то же время, для достижения предельных параметров линейности, чувствительности и избирательности, чаще используются схемы с преобразованием частоты. Цифровая обработка может вестись как на процессорах общего назначения, так и с помощью схем, реализованных на ПЛИС или специализированных ИМС. Первый способ наименее экономичен с точки зрения энергопотребления, и, главным образом, может применяться на этапе разработки системы, ввиду простоты отладки и реконфигурации. Решения на ПЛИС и специализированных микросхемах намного (в десятки и сотни, а иногда и тысячи раз) более экономичны. Применеие ПЛИС также позволяет оперативно реконфигурировать систему. Преимуществом специализированных ИС являются более низкие цена и энергопотребление, а также отсутствие необходимости самостоятельно разрабатывать прошивку. Такие микросхемы уже длительное время выпускаются как в России (1288ХК1Т), так и за ее пределами (AD6620).

История

Одна из первых систем ПОР разрабатывалась американскими военными 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.

Назначение

Данная технология позволяет заменить огромнейшее разнообразие существующих и разрабатываемых конструкций радиоприёмников и трансиверов, как серийных, так и, прежде всего, любительских, построенных по сложной супергетеродинной схеме, на ограниченное число доступных аппаратных блоков, работающих под управлением разрабатываемого сообществом ПО. Это приведёт к упрощению и удешевлению конструкций, существенному улучшению характеристик, поддержке любых видов модуляции, появлению большого количества сервисных функций, а также ускорит разработку, поскольку ПО может совершенствоваться одновременно всем сообществом. Такое стало возможно с появлением доступных быстрых ЦАП и АЦП (иногда достаточно звуковой платы ЭВМ) и удешевлением ПЭВМ и DSP-процессоров.

Любительские ПОР

ПОР и технологии RFID

ПОР могут найти применение в системах радиочастотной идентификации (RFID), которые функционируют на разных частотах и используют разные протоколы.

См. также

Ссылки

Статьи с технических конференций SDR Forum 2004 and 2005 доступны на сайте:

Книги о SDR:

• Software defined radio : architectures, systems, and functions. Dillinger, Madani, Alonistioti. Wiley, 2003. 454 pages. ISBN 0-470-85164-3, ISBN 978-0-470-85164-7
• Cognitive Radio Technology. Bruce Fette. Elsevier Science & Technology Books, 2006. 656 pags. ISBN 0-7506-7952-2, ISBN 978-0-7506-7952-7
• Software Defined Radio for 3G, Burns. Artech House, 2002. ISBN 1-58053-347-7

Внешние ссылки

Запущена BladeRF 2.0 USB 3.0 — программно-определяемая радиосистема за $480 и выше

Около 5 лет назад были разработаны недорогие программно-определяемые платы радиосистем, основанные на FPGA с открытыми исходными данными, в том числе HackRF, BladeRF x40 / x115 и USRP B200.

Теперь компания BladeRF запустила обновление своих плат Blade RF 2.0 в двух версиях: bladeRF 2.0 micro xA4 и bladeRF 2.0 micro xA9, которые поддерживают тот же частотный диапазон от 47 МГц до 6 ГГц и частоту дискретизации 61.44 МГц, но последняя версия поставляется с более мощным 301KLE Cyclone V FPGA.

Нажмите, чтобы увеличить

Технические характеристики BladeRF 2.0:

• FPGA
  • Micro xA4 – Intel / Altera Cyclone V FPGA c 49 kLE
  • Micro xA9 – Intel / Altera Cyclone V FPGA c 301 kLE
• Аналоговые устройства RF приемопередачи
  • Диапазон частот от 47 МГц до 6 ГГц
  • 2×2 MIMO, частота дискретизации 61. 44 МГц
  • 56 МГц фильтрованная полоса пропускания (IBW)
  • Автоматическая регулировка усиления (AGC)
  • Таблицы контроля пользовательским усилением в реальном времени, управляемые через SPI и дискретные внешние входные контакты
  • Автоматическая коррекция смещения IQ и DC
  • 128 (taps) цифровая фильтрация FIR
• Поддержка USB 3.0 SuperSpeed через периферийный контроллер Cypress FX3 с интегрированным процессором ARM926EJ-S 200 МГц
• Заводская калибровка SiTime MEMS VCTCXO
  • Калибровка в пределах 1 Гц — 38,4 МГц
  • Преобразование поддерживается через 12-бит ЦАП или ADF4002 PLL
  • MEMS генераторы обеспечивают превосходную надежность, подавление шума источника питания и вибрационных / ударных характеристик по сравнению с кварцевыми генераторами
• Расширение – порт с 32 входами / выходами (доступно LVDS)
• Отладка – JTAG разъем
• Синхронизация выборки нескольких устройств
• Встроенный инжектор питания обеспечивает дополнительно 5 В для активной антенны и аксессуаров

Блок-диаграмма — Нажмите, чтобы увеличить

Плата работает с Windows, Linux и Mac OS X, и поддерживает различные программы и пакеты, включая GNU Radio через gr-osmosdr, Pothos через SoapySDR, SDRangel, SDR консоль, YateBTS, OpenAirInterface, srsUE & srsLTE и MathWorks MATLAB.

Некоторые типичные области применения для платы BladeRF 2.0 — это разработка пользовательских модемов и формы сигналов, беспроводная видео передача (например — ATSC, DVB-T, DVB-S), GPS приема и симуляции, сотовая связь GSM и LTE, ADS-B приема и симуляции, и так далее.

Платы BladeRF 2.0 micro xA4 и micro xA9 продаются соответственно за $480 и $720 на веб-сайте Nuand, где вы также найдете к ним аксессуары, такие как акриловый корпус и инжектор питания.

Выражаем свою благодарность источнику с которого взята и переведена статья, сайту cnx-software.com.

Оригинал статьи вы можете прочитать здесь.

Что такое программно-определяемая радиосистема (SDR)?

С экспоненциальным ростом способов и средств, с помощью которых люди должны общаться — передача данных, голосовая связь, видеосвязь, передача широковещательных сообщений, связь командования и управления, связь аварийного реагирования и т.д. — легкое и экономичное изменение радиоустройств стало критичным для бизнеса. Технология программно-определяемой радиосвязи (SDR) обеспечивает гибкость, экономическую эффективность и мощность для развития коммуникаций с широкими преимуществами, реализуемыми поставщиками услуг и разработчиками продуктов для конечных пользователей.

Программно-определяемое радио — определение

Можно найти ряд определений для описания программно-определяемого радио, также известного как программное радио или SDR. Форум SDR, работая в сотрудничестве с группой P1900.1 Института инженеров по электротехнике и электронике (IEEE), работал над определением SDR, которое обеспечивает согласованность и четкий обзор технологии и связанных с ней преимуществ. SDR позволяет устанавливать или изменять рабочие радиочастотные характеристики, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность при использовании программного обеспечения. Вы можете sdrplay rsp1a купить в интернет-магазине «radio23.ru» и опробовать самостоятельно все возможности данного оборудования.

Проще говоря, Software Defined Radio определяется как:

«Радио, в котором некоторые или все функции физического уровня определены программно».

Радио — это любое устройство, которое по беспроводной связи передает или принимает сигналы в радиочастотной (RF) части электромагнитного спектра для облегчения передачи информации. В сегодняшнем мире радиоприемники существуют во множестве предметов, таких как сотовые телефоны, компьютеры, открыватели дверей автомобилей и телевизоры. Традиционные аппаратные радиоустройства ограничивают кросс-функциональность и могут быть изменены только путем физического вмешательства. Это приводит к более высоким производственным затратам и минимальной гибкости поддержки нескольких стандартов сигналов. Напротив, программно-конфигурируемая радиотехнология обеспечивает эффективное и относительно недорогое решение этой проблемы, позволяя использовать многорежимные, многополосные и / или многофункциональные беспроводные устройства, которые могут быть улучшены с помощью программных обновлений.

SDR определяет набор аппаратных и программных технологий, в которых некоторые или все рабочие функции радиостанции (также называемые обработкой физического уровня) реализуются посредством модифицируемого программного обеспечения или микропрограмм, работающих на программируемых технологиях обработки. Эти устройства включают программируемые вентильные матрицы (FPGA), процессоры цифровых сигналов (DSP), процессоры общего назначения (GPP), программируемую систему на кристалле (SoC) или другое приложение специальных программируемых процессоров. Использование этих технологий позволяет добавлять новые беспроводные функции и возможности к существующим радиосистемам, не требуя нового оборудования.

Стандарт LTE позволяет обманом подписать телефон на рекламу через цифровое радио

Довольно заковыристую уязвимость (пока теоретическую) обнаружили сотрудники Рурского университета в Германии. Найденную ими дыру в стандарте LTE в теории можно использовать для несанкционированной подписки пользователя на платные сервисы.

Специалисты дали этой атаке имя «IMP4GT», она представляет опасность для всех устройств, поддерживающих стандарт LTE — фактически все смартфоны и некоторые IoT-устройства. Ключевым элементом IMP4GT являются программно-определяемые радиоприёмники.

Программно определяемая радиосистема (англ. Software-defined radio, SDR) — радиопередатчик и/или радиоприёмник, использующий технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность, за исключением изменения рабочих параметров, используемых в ходе обычной предварительно определённой работы с предварительными установками радиоустройства, согласно той или иной спецификации или системы.

ПОР выполняет значительную часть цифровой обработки сигналов на обычном персональном компьютере или на ПЛИС. Целью такой схемы является радиоприёмник или радиопередатчик произвольных радиосистем, изменяемый путём программной переконфигурации (отсюда происходит альтернативное наименование таких систем — программно конфигурируемые).

Подобные радиосистемы широко применяются для военных приложений и беспроводных услуг связи, так как позволяют обслуживать большое количество радиопротоколов.

Такие устройства могут читать каналы связи между мобильными девайсами и базовыми станциями. В итоге атакующие способны заставить смартфон принять эти устройства за базовые станции, а сеть при этом будет «думать», что радиоприёмник является смартфоном. После того как канал связи будет скомпрометирован, злоумышленник может начать манипулировать пакетами данных, которыми обмениваются LTE-устройство и базовая станция.

Проблема, по словам специалистов, кроется в отсутствии защиты целостности, поскольку условный киберпреступник может модифицировать пакеты данных, которыми обмениваются телефон со станцией и приобрести возможность отправлять определённые команды без авторизации.

Как минимум, эта атака может использоваться для оформления платных подписок, счёт за которые придёт другому человеку. Более того, атакующие даже могут зайти на определённый веб-сайт от лица жертвы или опубликовать конфиденциальные документы, принадлежащие какой-либо организации, от лица другого человека.

Впрочем, чтобы успешно воспользоваться описанными проблемами безопасности, киберпреступники должны находиться поблизости от целевого устройства.

Читайте также на АКБ:

Хакеров научились вычислять еще до проведения кибератаки

Поделиться ссылкой:

10 популярных программно-определяемых радиостанций (SDR) 2021 года

Еще в 2016 году мы написали один из самых популярных постов, посвященный 12 популярным программно-определяемым радиоприемникам или SDR. Хотя предыдущий пост по-прежнему содержит очень ценную информацию, за 3 года многое изменилось … особенно технологии, связанные с SDR. Итак, мы подумали, что пришло время для обновления.

Как и в прошлый раз, мы постарались включить как можно больше разнообразия с точки зрения цен, приложений, частот и простоты использования.Мы надеемся, что идеальный программно-конфигурируемый радиоприемник для вашего приложения будет в этом списке.

Без лишних слов, вот 10 отличных программно-конфигурируемых радиомодулей, которые помогут продвинуть ваш электронный дизайн дальше:

** Раскрытие информации: этот пост содержит партнерские ссылки без дополнительных затрат для вас.
** Изображения продуктов и описания с веб-сайтов продуктов

HackRF One от Great Scott Gadgets – это программно-определяемое периферийное радиоустройство, способное передавать или принимать радиосигналы от 1 МГц до 6 ГГц.HackRF One – это аппаратная платформа с открытым исходным кодом, предназначенная для тестирования и разработки современных радиотехнологий и технологий следующего поколения, которую можно использовать в качестве периферийного USB-устройства или запрограммировать для автономной работы.

● Рабочая частота от 1 МГц до 6 ГГц
● Полудуплексный приемопередатчик SDR
● до 20 миллионов выборок в секунду
● 8-битные квадратурные выборки (8-битный I и 8-битный Q)
● совместим с GNU Radio, SDR # и др.
● программно конфигурируемые усиление RX и TX и фильтр основной полосы частот
● программно управляемая мощность антенного порта (50 мА при 3.3 В)
● Гнездовой антенный разъем SMA
● Гнездо SMA для входа и выхода синхронизации
● удобные кнопки для программирования
● внутренние штыревые разъемы для расширения
● Hi-Speed ​​USB 2. 0
● USB-питание
● оборудование с открытым исходным кодом

Ubertooth One – это платформа для разработки беспроводных сетей с открытым исходным кодом 2,4 ГГц, подходящая для экспериментов с Bluetooth. Одна вещь, которая отличает Ubertooth от других платформ разработки Bluetooth, заключается в том, что он способен не только отправлять и получать 2.Сигналы 4 ГГц, но также могут работать в режиме мониторинга, отслеживая трафик Bluetooth в режиме реального времени. Этот режим работы Ubertooth One уже много лет присутствует в недорогих модулях WiFi и нашел множество применений в исследованиях, разработках и аудите безопасности, но до сих пор такого решения для стандарта Bluetooth не существовало. Кроме того, поскольку это платформа с полностью открытым исходным кодом (программное и аппаратное обеспечение), схемы и код легко доступны для всех ваших хакерских задач.

Накопитель

YARD (еще один радиомодуль) Можно передавать или принимать цифровые беспроводные сигналы на частотах ниже 1 ГГц. Он использует ту же радиосхему, что и популярный IM-Me. Функции радио, которые возможны при настройке прошивки IM-Me, теперь у вас под рукой, когда вы подключаете YARD Stick One к компьютеру через USB.

Возможности:
● полудуплексная передача и прием
● официальные рабочие частоты: 300–348 МГц, 391–464 МГц и 782–928 МГц
● неофициальные рабочие частоты: 281–361 МГц, 378–481 МГц, и 749–962 МГц
● модуляции: ASK, OOK, GFSK, 2-FSK, 4-FSK, MSK
● скорость передачи данных до 500 кбит / с
● полноскоростной USB 2.0

YARD Stick One поставляется с установленной прошивкой RfCat, любезно предоставленной atlas. RfCat позволяет вам управлять беспроводным трансивером из интерактивной оболочки Python или вашей собственной программы, запущенной на вашем компьютере. YARD Stick One также имеет установленный загрузчик CC, поэтому вы можете обновить RFCat или установить свою собственную прошивку без какого-либо дополнительного оборудования для программирования. Антенна в комплект не входит. ANT500 рекомендуется в качестве стартовой антенны для YARD Stick One.

KiwiSDR – это программно-определяемое радио (SDR), охватывающее коротковолновые, длинноволновые и AM-диапазоны вещания, различные коммунальные станции и любительские радиопередачи по всему миру в диапазоне от 10 кГц до 30 МГц.KiwiSDR – это специальная монтажная плата (накидка), которую вы подключаете к компьютеру BeagleBone Green или BeagleBone Black. Вы просто добавляете антенну, блок питания и подключение к сети. Программное обеспечение поставляется на карте micro-SD.

Браузер с поддержкой HTML5 и подключение к Интернету позволят вам слушать общедоступный KiwiSDR в любой точке мира. Одно радио могут одновременно слушать до четырех человек – каждый слушатель настраивается независимо.

Особенности:
● Интерфейс на основе браузера с четырьмя одновременными подключениями пользователей.
● Каждое соединение настраивает независимый канал приемника по всему спектру.
● Waterfall настраивается независимо от звука и включает масштабирование и панорамирование.
● Многоканальная параллельная конструкция DDC с использованием фильтров CIC с оптимизацией разрядности.
● Хорошая производительность на VLF / LF, так как мы лично проводим время, контролируя эти частоты.
● Автоматическая калибровка частоты по полученному времени GPS.
● Интерфейс расширения для добавления декодеров и утилит.

NESDR Mini 2+ настроен для использования SDR, в том числе высокоточного, японского производства, с рейтингом GPS 0.Кристалл 5PPM TCXO; переработанный источник питания, пригодный для ВЧ сигналов; и улучшенные конденсаторы и катушки индуктивности по сравнению с обычными устройствами. Снижено энергопотребление, улучшена чувствительность и снижен уровень шума.

Высококачественная телескопическая антенна и основание для крепления на сильном магнитном присоске входят в комплект бесплатно, что упрощает широкий выбор вариантов установки антенны. Для тех, кто хочет подключить антенны SMA к NESDR Mini 2+, также бесплатно включен адаптер SMA.

Идеальное устройство для обучения программно определяемому радио по доступной цене. Любительское радио, ADS-B, полицейское и пожарное сканирование, транкинг, спутниковые изображения – что угодно, этот маленький парень, вероятно, может это сделать. В 10 раз превосходит многие устройства по стоимости!

Статья по теме: 10 отличных планшетов с USB-портами для SDR

Совершенно новый дизайн! NESDR Nano 2+ специально созданы NooElec для приложений SDR. Корпус также был переработан, чтобы поддерживать более низкие температуры, чем в предыдущем поколении.

Небольшой размер и возможность работы в режиме 24/7 делают Nano 2+ идеальным для встраиваемых приложений! Насколько маленький? Всего 24 мм x 21 мм x 8 мм (15/16 “x 13/16” x 5/16 “)!

Nano 2+ содержит новый нестандартный TCXO, изготовленный специально для NooElec. Важные характеристики TCXO: Стабильность частоты: 0,5 ppm (макс. ) Фазовый шум при смещении 1 кГц: -138 дБн / Гц (или лучше) Фазовый шум при 10 кГц: -150 дБн / Гц (или лучше) Фазовый шум при 100 кГц: -152 дБн / Гц (или лучше) Это, безусловно, самый высокопроизводительный TCXO, доступный в любой недорогой SDR.

Полная совместимость с широким спектром популярных программных пакетов SDR, таких как Matlab, HDSDR, SDR Touch, Planeplotter, SDR # – слишком много, чтобы перечислять. Мы говорим о Windows, Mac, Linux, Android, Raspberry Pi … вам будет сложно найти место, где вы не сможете их использовать!

Это программно-определяемый радиоприемник RTL-SDR с микросхемой АЦП RTL2832U, 1PPM TCXO, разъемом SMA F, тюнером R820T2 и алюминиевым корпусом с пассивным охлаждением. Настраивается от 500 кГц до 1,7 ГГц до 3.2 МГц (стабильно 2,4 МГц) мгновенной полосы пропускания. (Режим HF работает в режиме прямой выборки – только модели V3 и выше). Идеально подходит для использования в качестве компьютерного радиосканера с бесплатными программами, такими как SDR #, HDSDR, SDR-Radio, Linrad, GQRX или SDR Touch на Android. Работает на Windows, MacOS, Linux, Android и даже на компьютерах со встроенным Linux, таких как Raspberry Pi.

Отлично подходит для многих приложений, включая общее радиоуправление, управление воздушным движением, радио общественной безопасности, авиационный радар ADS-B, лодочный радар AIS, ACARS, транковое радио, цифровую голосовую связь P25 / MotoTRBO, POCSAG, метеорологические шары, APRS, метеоспутники NOAA APT , Спутники Meteor M2, радиоастрономия, мониторинг рассеяния метеоров, DAB или для использования в качестве недорогого панадаптера с традиционным радиолюбителем.

Эта модель имеет несколько улучшений по сравнению с другими моделями. Он использует улучшенный тюнер R820T2, поставляется с TCXO 1PPM (без дрейфа и точной настройки с начальным смещением 2 PPM и температурным дрейфом 1 PPM), улучшенными допусками компонентов, переработанной печатной платой, улучшенным охлаждением, дополнительной защитой от электростатического разряда и разъемом SMA F. Он также поставляется с программно активируемой цепью тройника смещения для питания внешних устройств, таких как малошумящие усилители и активные антенны.

Хотя это не отдельный SDR, он все равно попал в наш список.Повышающий преобразователь Ham It Up работает с наиболее распространенными платформами SDR для создания радиолюбителей.

Радиолюбители / радиолюбители, радуйтесь! Наш конвертер MF / HF для программно определяемого радио позволит вам слушать MF и HF через существующее программно определяемое радио (SDR).

Усовершенствования включают повышенную чувствительность, сверхнизкий уровень шума, опциональное питание от батареи, боковые светодиодные индикаторы, полностью собранную схему источника широкополосного радиочастотного шума, гнездо u.fl для опционального ввода внешних часов, поверхностный монтаж с высоким уровнем генератор точности и многое, многое другое!

В комплект NESDR Nano 3 USB OTG входит все необходимое для начала работы с мобильным SDR на существующем устройстве, совместимом с USB On-The-Go! NESDR Nano 3 совместим с большинством хост-устройств, включая Windows, Mac OS X, Linux, Android и Raspberry Pi.

NESDR Nano 3 быстрые характеристики: диапазон настройки 25–1700 МГц, точность настройки 0,5 ppm, алюминиевый корпус, антенный вход MCX и SMA.

Включено:

● NESDR Nano 3 Software Defined Radio (RTL-SDR), установленный внутри алюминиевого корпуса
● Антенна Nano
● Nano-размерный адаптер USB OTG
● Y-адаптер USB OTG
● Кабель USB OTG
● Y-кабель USB OTG
● Угловой антенный переходник SMA
● Радиатор SDR (опционально)

Входящие в комплект аксессуары обеспечивают широкий спектр вариантов установки и конфигурации.Входящие в комплект Y-образный кабель и Y-адаптер позволяют подключить вспомогательный источник питания (зарядное устройство USB или дополнительный аккумулятор) для обеспечения питания SDR и продления срока службы аккумулятора вашего основного телефона или планшета. Адаптер и антенна USB OTG размером с наноразмеры обеспечивают минимально возможную занимаемую площадь для установки по сравнению с любыми SDR, доступными в любом месте.

Полноценное широкополосное радиочастотное решение для тех, кто хочет начать работу с программно-конфигурируемой радиосвязью и проявляет большой интерес к ВЧ-диапазонам.
В пакете NESDR SMArt HF Bundle используется хорошо разработанный преобразователь с повышением частоты – Ham It Up – для приема ВЧ, а НЕ прямой выборки.Это приводит к совершенно иному восприятию ВЧ – гораздо более высокой производительности и без потери контроля усиления.
Включен повышающий преобразователь Ham It Up v1.3, установленный в специальный черный алюминиевый корпус; NESDR SMArt RTL-SDR, 3 антенны, балансир для согласования импеданса для длиннопроводных и дипольных антенн, а также переходники для межкомпонентных соединений.

Полное раскрытие информации: некоторые из приведенных выше ссылок являются партнерскими ссылками, что означает, что без каких-либо дополнительных затрат для вас мы будем получать небольшую комиссию, если вы перейдете по ссылке и сделаете покупку.

Почему SDR (программно определяемое радио)?

Программно-конфигурируемая радиосвязь (SDR) – это система радиосвязи, в которой компоненты, которые традиционно были реализованы в аппаратном обеспечении (например, смесители, фильтры, усилители, модуляторы / демодуляторы, детекторы и т. Д.), Вместо этого реализованы с помощью программного обеспечения на персональном компьютере. компьютер или встроенная система.

Базовая система SDR может состоять из персонального компьютера, на котором запущено программное обеспечение SDR, которое взаимодействует с аналого-цифровым преобразователем через USB или Ethernet, которому предшествует некоторая форма внешнего интерфейса RF с усилителями RF, фильтрами и аттенюаторами.

Каковы преимущества SDR?

1. Возможность приема и передачи различных методов модуляции с использованием общего набора оборудования
2. Возможность изменять функциональность путем загрузки и запуска нового программного обеспечения по желанию.
3. Возможность адаптивного выбора рабочей частоты и режима, наиболее подходящих для преобладающих условий.
4. Возможность распознавать и избегать помех другим каналам связи;
5. Устранение аналогового оборудования и его стоимости, что приводит к упрощению архитектур радиосвязи и повышению производительности;
6. Шанс для новых экспериментов (e.грамм. разработка новых протоколов)

Как создать собственный приемопередатчик SDR?

Если вы хотите создать свой собственный приемопередатчик SDR, вы можете легко это сделать с помощью STEMlab компании Red Pitaya. Благодаря частотному диапазону 62,5 МГц, и разрешению 14 бит и он представляет собой мощное и доступное ядро ​​вашего приемопередатчика SDR. Встроенный АЦП (частота дискретизации 125 Мвыб / с, разрешение 14 бит) оцифровывает радиочастотный сигнал с антенны.Данные, поступающие от АЦП, обрабатываются синфазным / квадратурным (I / Q) цифровым понижающим преобразователем (DDC), работающим на ПЛИС Red Pitaya. Данные I / Q передаются через TCP в программы SDR, такие как SDR. # и HDSDR. Добавьте модуль фильтра и усилителя для всех диапазонов, подключите антенну, и вы готовы начать свое приключение с SDR!

Если вам нужен еще более продвинутый инструмент для создания собственного SDR-трансивера, тогда SDRlab от Red Pitaya – идеальный выбор для вас! SDRlab адаптирован для приложений ВЧ + 50 МГц SDR и RF, которым требуются системы сбора данных с более высокой точностью.

SDRlab 122.88-16 поставляется с двумя 16-битными АЦП, входами 50 Ом и 14-битными ЦАП, выходами 50 Ом. Он использует двухъядерный ARM Cortex A9, предлагающий значительно лучшую производительность, Xilinx Zynq 7020 FPGA для более широких возможностей обработки в реальном времени плюс сверхнизкий фазовый шум 122,88 МГц, что делает новую STEMlab последнего поколения более аппаратно совместимой с HPSDR. Была сохранена возможность подключения к сети Ethernet на уровне 1 Гбит / с, а РЧ-входы были улучшены с точки зрения искажений, шума и перекрестных помех, что значительно улучшает прием и расширяет выбор антенны. SDRlab 122.88-16 сохраняет исходный форм-фактор STEMlab, поэтому он напрямую заменяет текущую платформу.

Подробнее об инструментах для радиолюбителей здесь.

Радио с программным управлением (SDR) | Аналоговые устройства

AD9680 представляет собой сдвоенный 14-разрядный аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 1,25 GSPS / 1 GSPS / 820 MSPS / 500 MSPS. Устройство имеет встроенный буфер и схему выборки и хранения, рассчитанную на низкое энергопотребление, небольшие размеры и простоту использования.Это устройство предназначено для дискретизации широкополосных аналоговых сигналов до 2 ГГц. AD9680 оптимизирован для обеспечения широкой полосы пропускания входного сигнала, высокой частоты дискретизации, превосходной линейности и низкого энергопотребления в небольшом корпусе.

Двойные ядра АЦП имеют многокаскадную дифференциальную конвейерную архитектуру со встроенной логикой коррекции ошибок вывода. Каждый АЦП имеет входы с широкой полосой пропускания, поддерживающие множество выбираемых пользователем диапазонов входных сигналов. Встроенный источник опорного напряжения упрощает конструктивные соображения.

Аналоговый вход и тактовые сигналы являются дифференциальными входами. Каждый выход данных АЦП внутренне подключен к двум цифровым понижающим преобразователям (DDC). Каждый DDC состоит из пяти каскадных этапов обработки сигналов: 12-битного преобразователя частоты (NCO) и четырех полуполосных децимационных фильтров. По умолчанию DDC отключены.

Помимо блоков DDC, AD9680 имеет несколько функций, которые упрощают функцию автоматической регулировки усиления (AGC) в приемнике связи.Программируемый пороговый детектор позволяет контролировать мощность входящего сигнала с помощью выходных битов быстрого обнаружения АЦП. Если уровень входного сигнала превышает программируемый порог, индикатор быстрого обнаружения загорается. Поскольку этот индикатор порога имеет низкую задержку, пользователь может быстро уменьшить коэффициент усиления системы, чтобы избежать выхода за пределы диапазона на входе АЦП.

Пользователи могут сконфигурировать высокоскоростной сериализованный выход на основе JESD204B подкласса 1 в различных конфигурациях с одной, двумя или четырьмя полосами, в зависимости от конфигурации DDC и приемлемой скорости полос принимающего логического устройства.Синхронизация нескольких устройств поддерживается через входные контакты SYSREF ± и SYNCINB ±.

AD9680 имеет гибкие возможности отключения питания, которые при желании позволяют значительно экономить электроэнергию. Все эти функции могут быть запрограммированы с помощью 3-проводного SPI с напряжением от 1,8 до 3,3 В.

AD9680 доступен в бессвинцовом 64-выводном корпусе LFCSP и рассчитан на промышленный диапазон температур от -40 ° C до + 85 ° C. Этот продукт защищен патентом США.

Основные характеристики продукта

1. Широкая полоса пропускания при полной мощности поддерживает выборку ПЧ сигналов до 2 ГГц.
2. Буферизованные входы с программируемой входной нагрузкой упрощают разработку и реализацию фильтра.
3. Четыре интегрированных широкополосных децимационных фильтра и блоки генератора с числовым программным управлением (NCO), поддерживающие многополосные приемники.
4. Гибкий интерфейс последовательного порта (SPI) управляет различными характеристиками и функциями продукта в соответствии с конкретными системными требованиями.
5. Программируемое быстрое обнаружение выхода за пределы допустимого диапазона.
6. 9 мм × 9 мм, 64-выводной LFCSP.

Приложения

• Связь
• Многодиапазонные многомодовые цифровые приемники с разнесением сигналов
  • 3G / 4G, TD-SCDMA, W-CDMA, GSM, LTE
• Радиостанции общего назначения с программным обеспечением
• Сверхширокополосные спутниковые ресиверы
• Приборы
• Радары
• Сигналы разведки (SIGINT)
• ДОКУМЕНТ 3.0 восходящие приемные тракты CMTS
• Цифровые приемники обратного тракта HFC

Введение в программно-определяемое радио – Технические статьи

Что такое программно-определяемая радиосвязь (SDR)? Как создаются SDR? Каковы плюсы и минусы? В этой статье содержится вводная информация по этой интересной теме.

Связанная информация

Определение программного обеспечения

Насколько мне известно, «программно-определяемое радио» не является полностью стандартизованным термином, имеющим одно официальное значение.Итак, первое, что мне нужно сделать, это установить, что именно я имею в виду, когда говорю «программно-определяемое радио». На самом деле, я начну с упоминания двух вещей, которые я не имею в виду :

• Типичная аппаратная система радиочастотной связи, которую можно каким-либо образом модифицировать с помощью программного обеспечения, не является SDR. Например, если радиостанция имеет аппаратное обеспечение как для частотной, так и для амплитудной модуляции и позволяет пользователю выбирать между ними посредством настройки программного обеспечения (или прошивки), мы не имеем дело с SDR.Это можно было бы назвать радио , управляемым программным обеспечением.
• Полностью аппаратный канал передачи цифровых данных не является SDR. «Программное обеспечение» в «программно-определяемом радио» не относится к тому факту, что система передает цифровые данные.

Теперь, когда у нас есть два примера того, что SDR означает , а не , вот моя попытка дать определение «программно-определяемого радио»:

• Программно-определяемая радиосвязь – это концепция , согласно которой радиосвязь достигается с помощью программного обеспечения (или микропрограмм) для выполнения задач обработки сигналов, которые обычно выполняются аппаратными средствами. Программно-определяемая радиостанция (как, например, само устройство) – это система радиосвязи, которая включает в себя значительную часть этой программной функциональности обработки сигналов.

Некоторые подробности

Это дает вам общее представление; вот два момента, которые расширяют базовое определение:

• SDR не обязательно должна быть цифровой системой связи. Это может показаться нелогичным, но очень сложная цифровая (фактически, смешанная) печатная плата может использоваться для реализации чисто аналоговой радиочастотной связи, такой как передача аналоговых аудиосигналов.
• SDR не обязательно должен обеспечивать функции передачи и приема. Это может быть только передатчик или только приемник. Если он способен как передавать, так и принимать, он может реализовать путь Rx в программном обеспечении и путь Tx в оборудовании. Нет причин, по которым программное обеспечение должно использоваться для всего.

Пример тракта приема в программно определяемом канале передачи данных RF.

Минимальные требования

Радиоприемники, как и любая другая электронная система, могут включать программные функциональные возможности различной степени.Тогда возникает вопрос: когда обычное радио станет программно-определяемым радио? Сколько программного обеспечения для этого нужно?

Ну, мой ответ таков, что определение производится не на основе количества программного обеспечения, а скорее на основе задач , выполняемых программным обеспечением. На мой взгляд, если вы хотите что-то назвать SDR, программное обеспечение должно отвечать за фундаментальные задачи обработки радиочастотных сигналов, которые традиционно выполняются аппаратно. К ним относятся следующие:

Для тракта передачи:

• генерация сигнала основной полосы
• генерирует сигнал ПЧ (промежуточной частоты)
• , генерирующий сигнал RF (здесь «RF» относится к окончательному высокочастотному сигналу, который отправляется на антенну)

Для тракта приема:

• выборка и демодуляция принятого РЧ-сигнала или ПЧ-сигнала
• выборка и декодирование сигнала основной полосы частот (это применимо 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)

Вы могли заметить, что я не включил фильтрацию в этот список.Удаление нежелательных частотных компонентов – например, фильтрация нижних частот дискретизированного сигнала основной полосы частот – безусловно, является важным аспектом радиосвязи; однако, на мой взгляд, система не может считаться SDR, если в только основная задача , выполняемая программным обеспечением, – это фильтрация. Но не стесняйтесь не соглашаться, если вы считаете, что я слишком замкнут.

Использование программного обеспечения и ЦАП для генерации сигнала основной полосы частот FSK.

Компоненты

Я думаю, можно с уверенностью утверждать следующее: если в вашей системе нет преобразователя данных и достаточно мощного процессора, это не SDR.

Обычно процессор представляет собой DSP, который в данном случае означает «процессор цифровых сигналов», а не «обработка цифровых сигналов». Это имя, данное процессорам, которые предназначены для подчеркивания определенных возможностей, таких как высокие частоты ядра или аппаратное обеспечение, которое упрощает математические вычисления. Эти особенности отделяют микросхемы DSP от микроконтроллеров, но, очевидно, грань может размыться, поскольку микроконтроллеры становятся быстрее и сложнее.

DSP должен быть достаточно мощным, если вы хотите реализовать декодирование программно, потому что это требует серьезной математики, а процессор должен выполнять расчеты декодирования достаточно быстро, чтобы не отставать от входящих данных. С другой стороны, если все, что вы делаете с процессором, генерирует сигнал основной полосы частот, который будет отправлен на ЦАП и аппаратно преобразован с повышением частоты, может подойти микроконтроллер выше среднего.

Преобразователем данных может быть АЦП или ЦАП (или оба). Вам нужен АЦП для приема и ЦАП для передачи. Очевидным ограничением здесь является максимальная частота дискретизации: радиочастотная связь включает высокие частоты, иногда очень высоких частот, и частота дискретизации преобразователя должна быть достаточно высокой, чтобы обеспечить адекватное отношение сигнал / шум.

Плюсы и минусы

Мне кажется, что большинство систем радиочастотной связи все еще реализовано аппаратно, и это неудивительно: SDR обычно требуют обширной разработки программного обеспечения и сложной конструкции печатной платы. Кроме того, основные компоненты – высокопроизводительные преобразователи данных и прочный процессор – не совсем дешевы. Сравните все это с однокристальным высокоинтегрированным приемопередатчиком (таким, как этот), который заботится о многих деталях и предоставляет вам страницы с данными о производительности, чтобы вы примерно знали, на что будет способна ваша система, еще до того, как вы откроете свою схему. редактор.

Так зачем заморачиваться с SDR? Ну, во-первых, я нахожу их интеллектуально активными, потому что они предоставляют средство для тщательного анализа радиочастотных сигналов и экспериментов с методами модуляции и декодирования. Они также делают пользовательские системы радиочастотной связи более доступными для тех, кто имеет ограниченный опыт проектирования радиочастот.

Более практическим преимуществом является гибкость – основная гибкость. Если значительные части ВЧ-системы управляются программным обеспечением, из этого следует, что значительная часть функциональных возможностей системы может быть улучшена, изменена или даже переработана просто путем загрузки нового файла программы.Фактически, уточнения и модификации могут быть даже включены в существующее программное обеспечение, что открывает дверь для высокоадаптивной радиочастотной связи – система может быть разработана для реагирования на событие или длительное состояние путем автоматического изменения схемы модуляции или алгоритма декодирования.

SDR может переключаться между FSK и QPSK в зависимости от того, какой из них в настоящее время обеспечивает более низкую частоту ошибок по битам.

Заключение

Я надеюсь, что теперь у вас есть четкое, хотя, возможно, скорее теоретическое, представление о том, что такое программно-определяемое радио.С точки зрения стоимости и простоты SDR не могут конкурировать с однокристальными аппаратными решениями. Тем не менее, они представляют собой интересные и ценные инструменты для проектов НИОКР, а также обеспечивают расширенные функции, которые могут быть очень полезны в специализированных высокопроизводительных радиочастотных системах.

10 вещей, которые можно делать с помощью программно-определяемого радио

Рассмотрим лишь небольшую часть того, что можно сделать с помощью программно-определяемого радио.

Поскольку интерес к SDR не ослабевает, и мы продолжаем видеть все более доступные аппаратные платформы, я подумал, что было бы своевременным подвести итоги только некоторых вещей, для которых он может использоваться. Это ни в коем случае не является попыткой составить исчерпывающий список, и охватываемые реализации программного обеспечения имеют открытый исходный код, поскольку это означает, что они доступны для всех, а проприетарные SDR – это также целый другой мир!

1. Прием радиопередач

Ettus Research, разработчики того, что стало считаться прародителем доступных широкополосных аппаратных платформ SDR: USRP, составили видеоурок, в котором они демонстрируют, как создать приложение FM-приемника менее чем за 10 минут.Это основано на использовании GNU Radio и его превосходного графического инструмента GNU Radio Companion (GRC).

Конечно, для этого вам не нужно оборудование, близкое к USRP, и можно также использовать дешевое оборудование приемника RTLSDR, о котором я писал еще в мае 2012 года.

2. Радиолюбитель

Как и следовало ожидать, радиолюбители много работают с SDR, и существует множество доступных опций. От популярного, недорогого и простого в понимании оборудования SoftRock SDR до модульного и невероятно гибкого проекта High Performance Software-Defined Radio (HPSDR), о котором я впервые написал в ноябре 2010 года.

В дополнение к использованию оборудования, которое было разработано с учетом использования любительской радиосвязи, также можно использовать что-то вроде приемника USRP или RTLSDR, в зависимости от того, нужен ли вам трансивер или только для приема, а также от требуемого частотного покрытия и динамических характеристик. диапазон и т. д.

Что касается программного обеспечения, то есть приложения, основанные на GNU Radio, такие как популярный приемник Gqrx, а также многие другие, основанные на гораздо более простом проекте DttSP.

3.Радиоастрономия

Изображение © Marcus D. Leech

Маркус Лич из Science Radio Laboratories опубликовал статью [PDF], озаглавленную «Радиотелескоп 21 см для экономных» , в которой он описывает, как это можно построить с использованием оборудования RTLSDR вместе с другими недорогими и легко доступными компонентами. с возможностью использования дочерней платы Ettus Research USRP B100 + WBX для повышения производительности.

Приложение simple_ra на основе GNU Radio, которое было создано для использования с системой, собирает полную мощность и спектральные данные в режиме реального времени; дополнительную информацию см. В файле README.

4. Отслеживание судов с помощью передач AIS

Снимок экрана с aprs.fi

Автоматическая идентификационная система (AIS) – это автоматическая система слежения, используемая судами для идентификации и определения местоположения судов, которая используется в дополнение к морскому радару.

Существует ряд опций, доступных для приема и декодирования данных AIS, и тот, который использует оборудование RTLSDR с приемником на основе GNU Radio и gnuais, описан в сообщении блога Александру Чете, который также является автором вышеупомянутого Программное обеспечение GQRX.

С помощью этого AIS сообщения можно регистрировать, наносить на график и передавать в службу aprs. fi на основе Google Maps.

5. Отслеживание воздушных судов с помощью передач режима S

Mode S по назначению аналогичен AIS, но предназначен для самолетов. И снова скромное оборудование RTLSDR можно использовать для приема передач, и в июле прошлого года я описал, как программное обеспечение gr-air-mode может использоваться для этой цели и с позициями самолетов, нанесенными в Google Earth.

6.Настройте передатчик DRM

Это не DRM, как в Digital Rights Management, а скорее Digital Radio Mondiale – набор цифровых радиотехнологий, предназначенных для использования с коротковолновым AM-радиовещанием.

Реализация DRM была создана студентом в рамках участия GNU Radio в Google Summer of Code 2012. Программное обеспечение gr-drm полностью интегрировано с GNU Radio Companion и вместе с USRP может использоваться для создания передатчика DRM / DRM +.

7.Построить сеть GSM

Базовая станция Fairwaves GSM, использующая UmTRX, установленная на фестивале

Когда дело доходит до создания сети GSM с использованием SDR с открытым исходным кодом, существует два варианта программного обеспечения: OpenBTS и OsmoBTS. Первый существует уже давно и используется с программным переключателем, таким как Asterisk, для существенного превращения мобильных телефонов в конечные точки SIP / VoIP.

OsmoBTS обеспечивает уровни 1-3 базовой станции GSM и может использоваться с компонентом приемопередатчика от OpenBTS, чтобы обеспечить реализацию с полностью открытым исходным кодом, которая может использоваться с Asterisk или интегрироваться с традиционной сетевой архитектурой GSM с использованием протокола Abis.

Поддерживаемое оборудование включает USRP, комплект разработчика от Range Networks и UmTRX. Последний представляет собой двухканальную конструкцию оборудования с открытым исходным кодом, предназначенную для использования в операторских сетях.

8. Эксперимент с LTE

Источник изображения: проект openLTE

Это намного раньше, что касается LTE с открытым исходным кодом (мобильный 4G), но в настоящее время есть две частичные реализации. gr-lte – это модульная среда на основе GNU Radio для приемника нисходящего канала LTE, а openLTE предоставляет код GNU Octave для тестового моделирования вместе с приложениями GNU Radio. Последний включает в себя приложения для сканирования и записи нисходящих каналов, которые имеют аппаратную поддержку RTLSDR и HackRF.

9. Узнайте, как работают глобальные навигационные спутниковые системы

Источник изображения: проект GNSS-SDR

Программное обеспечение GNSS-SDR описывается как «ориентированное на обработку сигналов, понимаемую как процесс между АЦП и вычислением наблюдаемых кода и фазы, которые позволяют применять высокоточные алгоритмы позиционирования». Кроме того, он «позволяет вам управлять всем процессом внутри приемника GNSS, от необработанных битов на выходе аналого-цифрового преобразователя до вычисления навигационного решения, то есть получения положения и времени приемника. ”

Обеспечивая рабочую реализацию и открывая обработку основной полосы частот, которая обычно выполняется внутри IC, GNSS-SDR является отличной платформой для изучения и разработки навигационных систем.

10.

Изобретите беспроводное будущее!

Этот пост едва ли поверхностно касается того, что можно сделать с помощью SDR и реализаций с открытым исходным кодом той или иной степени текущих стандартов, таких как 802.11, ZigBee и Bluetooth, есть множество соответствующих кодовых баз, из которых можно поучиться. Вдобавок ко всему, такие инструменты, как GNU Radio Companion, в сочетании с недорогим широкополосным оборудованием SDR, упрощают, ускоряют и становятся все более доступными прототипы беспроводных приложений следующего поколения.

– Андрей Бэк

Обязательный отказ от ответственности: для передачи в лицензированных спектрах требуется лицензия соответствующего органа.

Вверху: фрагмент изображения из проекта GNSS-SDR

Программно-определяемый радиоприемник SDR »Электроника

Программный радиоприемник, SDR использует программное обеспечение для выполнения многих основных функций приемника – с помощью программного обеспечения легко перенастроить и использовать программное обеспечение на многих платформах и для множества различных функций

---

Программно-определяемая радиосвязь Включает:
Основы SDR Аппаратная архитектура SDR Как купить лучший SDR

---

Технология радиосвязи с программным обеспечением в последние годы значительно продвинулась вперед. Достижения в области оборудования означают снижение затрат и повышение производительности.

Это означает, что программно-конфигурируемые радиомодули теперь используются везде, от высокопроизводительного оборудования радиосвязи до простых подключаемых через USB модулей, доступных по очень низкой цене.

Программно-конфигурируемая радиосвязь, SDR, технология может обеспечить некоторые значительные преимущества по сравнению с традиционными конструкциями радиосвязи на основе аппаратного обеспечения. Используя возможности цифровой обработки, программно-конфигурируемые радиостанции используются во многих различных приложениях в самых разных областях.

Базовая концепция SDR

Основная концепция программного радио SDR заключается в том, что радио может быть полностью сконфигурировано или определено программным обеспечением.

В идеальном мире входящий сигнал немедленно преобразуется в цифровой формат, а затем сигнал обрабатывается полностью в цифровом виде.

И наоборот, для передачи сигнал генерируется в цифровом виде и преобразуется в окончательный аналоговый сигнал на антенне.

Этот подход имеет преимущества, заключающиеся в том, что радиостанцию ​​можно полностью перенастроить для нового приложения, просто изменив программное обеспечение.Обновления могут быть выполнены, чтобы соответствовать новым форматам модуляции, новым приложениям и т. Д., Просто путем обновления программного обеспечения.

Это также означает, что общая аппаратная платформа может использоваться для множества различных продуктов и приложений, тем самым снижая затраты при сохранении или улучшении производительности.

Пример программно определяемой радиосвязи, используемой в исследованиях и разработках

Программно определяемые радиоприложения

Концепция программного радио SDR применима во многих областях:

• Мобильная связь: Программно определяемые радиомодули очень полезны в таких областях, как мобильная связь. Обновляя программное обеспечение, можно вносить изменения в любые стандарты и даже добавлять новые формы сигналов, просто обновляя программное обеспечение и без необходимости вносить изменения в оборудование. Это можно сделать даже удаленно, что обеспечит значительную экономию средств.
• Исследования и разработки: Программно определяемая радиосвязь SDR очень полезна во многих исследовательских проектах. Радиостанции можно настроить для обеспечения точных требований к приемнику и передатчику для любого приложения без необходимости полностью разрабатывать аппаратное обеспечение с нуля.
• Военные: Военные широко использовали программно-определяемые радиотехнологии, позволяющие им повторно использовать оборудование и обновлять формы сигналов по мере необходимости.
• Любительское радио: Радиолюбители очень успешно использовали программно-определяемую радиотехнологию, используя ее для повышения производительности и гибкости.
• Другое: Есть очень много других приложений, которые могут использовать технологию SDR, позволяющую точно адаптировать радио к требованиям с помощью программных настроек.

Есть много возможностей для использования концепции программно определяемого радио, SDR. Со временем и развитием технологий появится возможность использовать эту концепцию в новых областях.

Это программно определяемое радио является автономным, но программное обеспечение может быть обновлено путем загрузки с сайта производителя для улучшения функциональности

Программно определяемое определение радио

Хотя это может показаться тривиальным упражнением, создание определения для программно определяемого радио не так просто, как кажется.Также необходимо разработать надежное определение по многим причинам, включая нормативные приложения, вопросы стандартов, а также для обеспечения более быстрого продвижения технологии SDR.

Появилось много определений, которые могут охватывать определение программно определяемого радио, SDR. Сами SDR Forum определили два основных типа программного обеспечения, содержащего радио, следующим образом:

• Радио с программным управлением: Радио, в котором некоторые или все функции физического уровня управляются программным обеспечением.Другими словами, этот тип радиомодуля использует только программное обеспечение для управления различными функциями, закрепленными в радиостанции.
• Программно-определяемое радио: Радио, в котором некоторые или все функции физического уровня определяются программно. Другими словами, программное обеспечение используется для определения спецификации радио и того, что оно делает. При изменении программного обеспечения радиостанции его производительность и функции могут измениться.

Другое определение, которое, кажется, охватывает сущность программно-определяемого радио, SDR, заключается в том, что он имеет общую аппаратную платформу, на которой работает программное обеспечение для обеспечения функций, включая модуляцию и демодуляцию, фильтрацию (включая изменение полосы пропускания) и другие функции, такие как частота выбор и, при необходимости, скачкообразная перестройка частоты. Путем перенастройки или изменения программного обеспечения меняется производительность радио.

Для достижения этого программно-определяемая радиотехнология использует программные модули, работающие на общей аппаратной платформе, состоящей из процессоров цифровой обработки сигналов (DSP), а также процессоров общего назначения для реализации функций радиосвязи для передачи и приема сигналов.

В идеальном мире сигнал на конечной частоте и на правильном уровне будет исходить, и аналогично для приема сигнал от антенны будет напрямую преобразован в цифры, и вся обработка будет выполняться под управлением программного обеспечения.Таким образом, нет никаких ограничений со стороны оборудования. Для этого цифровое аналоговое преобразование для передачи должно иметь относительно высокую мощность, в зависимости от приложения, а также очень низкий уровень шума для приема. В результате полное определение программного обеспечения обычно невозможно.

SDRplay RSPdx программно определяемый радиомодуль

JTRS SDR

JTRS, Joint Tactical Radio System, представляет собой программно-определяемую радиосистему, которая дала большой импульс развитию программно-определяемой радиотехнологии.

Направленный в первую очередь на военные приложения, JTRS был нацелен на улучшение взаимодействия между различными беспроводными сетями, полевыми радиостанциями и устройствами.

Инициатива JTRS включает программное и аппаратное обеспечение, технологию SDR, позволяющую разрабатывать многорежимные, многополосные и многофункциональные беспроводные устройства и сетевое оборудование. Цель использования технологии SDR заключалась в том, чтобы их можно было динамически реконфигурировать, улучшать и обновлять посредством обновлений программного обеспечения и реконфигурации оборудования.

JTRS было особенно привлекательным предложением, особенно для операций в стиле коалиции, когда силы из разных стран могут действовать вместе. Радио можно было перенастроить для обеспечения связи между войсками из разных стран и т. Д.

Преимущества и недостатки радиостанций с программным управлением

Как и у любой другой технологии, у использования программно-определяемой радиотехнологии есть свои преимущества и недостатки.

Преимущества технологии SDR

• Можно достичь очень высокого уровня производительности.
• Производительность можно изменить, обновив программное обеспечение (однако обновить атрибуты, зависящие от оборудования, будет невозможно).
• Можно перенастроить радио, обновив программное обеспечение
• Одна и та же аппаратная платформа может использоваться для нескольких разных радиостанций.

Недостатки технологии SDR

• Аналого-цифровые преобразователи ограничивают верхние частоты, которые могут использоваться цифровой частью.
• Для очень простых радиостанций базовая платформа может быть слишком дорогой.
• Разработка программно-определяемого радио требует навыков как аппаратного, так и программного обеспечения.

Программно определяемые радиомодули используются все чаще. Поскольку вычислительная мощность становится дешевле в реализации, радиостанции на основе SDR все чаще используются для высокопроизводительных приложений, а также все чаще переходят на радиостанции более низкого уровня.

Одним из основных преимуществ технологии SDR является то, что ее можно настроить так, чтобы она точно соответствовала требованиям пользователя – небольшие изменения в программном обеспечении могут сделать радиостанцию ​​в точности отвечающей требованиям.Также с программным обеспечением с открытым исходным кодом, таким как программное обеспечение GNU, его становится все проще реализовать.

Другие важные темы по радио:
Радиосигналы Типы и методы модуляции Амплитудная модуляция Модуляция частоты OFDM ВЧ микширование Петли фазовой автоподстройки частоты Синтезаторы частот Пассивная интермодуляция ВЧ аттенюаторы RF фильтры RF циркулятор Типы радиоприемников Радио Superhet Избирательность приемника Чувствительность приемника Обработка сильного сигнала приемника Динамический диапазон приемника
Вернуться в меню тем Радио.. .

Пример и будущие тенденции

Программно-определяемая радиосвязь требует сочетания программной обработки сигналов и соответствующих аппаратных компонентов. В этой статье мы представляем обзор критериев для таких платформ, а также текущее состояние развития и будущие тенденции в этой области. В этом документе также будут подробно описаны высокопроизводительная гибкая радиоплатформа, называемая Адаптируемая радиосистема Maynooth (MARS) была разработана для изучения использования программно-определяемых концепций радиосвязи при предоставлении элементов инфраструктуры в телекоммуникационных приложениях, таких как базовые станции мобильных телефонов или мультимедийные радиовещательные станции.

1. Введение

В последние годы технологии, необходимые для реализации концепции программно-определяемого радио (SDR) сформировались, и Форум SDR представляет многоуровневую таксономию для возможности различных систем SDR [1]. Сейчас появляются системы, предлагающие гибкость и адаптируемость к разработчикам системы – обеспечивая преимущества при решении проблемы ограниченных ресурсов спектра, все более быстрые изменения в стандарты беспроводной связи и рентабельные продукты для нишевых рынков [2, 3]. По мере развития необходимых технологий мы теперь видят реализации SDR, доставляющие широкополосные приложения с высокое качество обслуживания, например, в мобильной передаче данных, такой как WiMAX-e. В будущем это может быть предполагал, что архитектуры SDR будут все чаще использоваться для доставки телекоммуникационные услуги, такие как мобильная телефония, цифровое телевидение и радио трансляции и разнородные комбинации, такие как потоковое видео на мобильном телефоне среда.

Поскольку спектр является конечным ресурс, который все больше перегружен существующими пользователями, получая доступ Спектр для предоставления новых услуг становится все труднее. Системы SDR с быстрой перестройкой частоты предлагают решение где гибкое SDR-радио может использовать неиспользуемый участок спектра, временно, чтобы предоставить услугу. Первоначально эта концепция встретила сильное сопротивление со стороны существующего спектра. держатели и регулирующие органы, однако, в последнее время наблюдается рост интереса от регулирующих органов (которые могут разрешить большее разнообразие услуг) и от держатели спектра (которые могут использовать свой спектр более выгодно). Одной из инициатив, поддерживающих эту тенденцию, является развивающиеся дискуссии в Европе по «Платформы беспроводного доступа для услуг электронной связи (WAPECS)» где предполагается, что некоторые службы могут использовать спектр, если таковой имеется; в региональной и временной базах [4]. Хотя на ранней стадии эти инициативы предлагают новые возможности для телекоммуникационных услуг.

В этой статье мы будем представить обзор проблем при разработке платформы SDR, которая может быть используется для исследования или развертывания.Мы будем обсудить вопросы, которые необходимо решить, и текущее состояние дел в программно-конфигурируемых демонстраторах радио. Затем последует подробное описание майнута. адаптируемая радиосистема (MARS), ее критерии проектирования, архитектура и некоторые виды использования случаи. Наконец, работа будет завершена. с некоторыми комментариями о будущем направлении экспериментальных платформ SDR.

2. Критерии проектирования для платформ SDR

Программно-определяемая радиосвязь платформы – это интегрированные системы программного и аппаратного обеспечения, которые позволяют SDR приложения, которые будут разработаны и оценены. Из этих двух программные аспекты являются относительно более зрелыми и актуальными. работа в этой области направлена ​​на повышение производительности и когнитивное радио техники. Аппаратные аспекты платформа состоит из радиочастотных (RF) элементов, некоторого сигнала основной полосы частот обработка и связь с программной обработкой сигналов элемент – возможно, DSP, FPGA или универсальный процессор (GPP). Один из аспектов программно-определяемого радио концепция заключается в том, что гибкость может быть достигнута с помощью программного обеспечения.An следствие, которое часто упускают из виду, заключается в том, что производительность оборудования для поддержки этого гибкость более сложна, чем для одномодовой реализации, и оптимальные решения остаются труднодостижимыми [5]. Этот В разделе рассматриваются некоторые из этих проблем и их влияние на аппаратная архитектура программной радиоплатформы.

2.1. Разделение ресурсов

Программно-определяемая радиосвязь философия представляет собой тенденцию в электронных устройствах от транзисторов до программного обеспечения. Этому способствовали быстрое увеличение возможностей программного обеспечения и вычислительной мощности. В программно-определяемом радио аргумент состоит в том, чтобы реализовать как можно больше радио в программном обеспечении и контролировать оставшиеся аппаратные функции. Тем не менее выбор того, где разделение между аппаратным и программным обеспечением имеет фундаментальное значение влияние на дизайн любой SDR-платформы [6, 7].

Одно желаемое разделение функциональности заключается в том, чтобы перенести всю обработку сигналов в область программного обеспечения и что только данные с I- и Q-выборкой передаются в аппаратный домен.В этом сценарии аппаратный элемент Система не требует обработки сигналов. Это накладывает серьезные требования на производительность программного обеспечения. обрабатывающий элемент, особенно там, где требуется ширина полосы пропускания более 1 МГц. поддерживается. В качестве альтернативы некоторые из загрузка программного обеспечения может быть распределена на специализированное оборудование (часто в форма встроенной ПЛИС или специализированного устройства DSP). В этом сценарии нагрузка распределяется, но ПЛИС дороги и, возможно, предлагают меньшую гибкость.Один из важных вопросов, который следует учитывать при выбор разделения – это протокол передачи данных между разные элементы. Для необработанного IQ сигналы, для каждого 1 МГц спектра, то есть поддерживаемый канал передачи данных требуется пропускная способность 40 Мбит / с при условии 16-битных выборок и кодирования 8 бит / 10 бит. Это удвоено для дуплексных трансиверов. Это сильно ограничивает пропускную способность возможности платформ, необходимые для подключения к стандартным интерфейсам на компьютерах общего назначения.Более возможны сложные связи с более высокой производительностью, которые позволят поддерживаемые полосы пропускания, например, Gigabit Ethernet или PCIexpress. В качестве альтернативы, если встроенные процессоры При этом некоторая локальная обработка может значительно снизить требования к пропускной способности данных.

2.2. Гибкость частоты

Программно-определяемые радиомодули бывают двух разновидностей – те, которые представляют собой схему модуляции (или форму волны) гибкие в определенном частотном диапазоне или те, которые имеют форму волны и частотная гибкость. Реализации первые более распространены, поскольку не требуют каких-либо значительных изменений в традиционное оборудование. Современный мобильный беспроводные системы (UMTS, IEEE 802.16) часто реализуются таким образом. Гибкость частоты дает гораздо больше преимуществ например, гибкое использование спектра или динамическая адаптация к различным беспроводным сети. Места гибкости частот несколько жестких ограничений на дизайн поддерживающего радиообмена (RFE).

(i) Генерация программируемой несущей частоты.(ii) конструкции антенн, фильтров и пассивных сетей. Выбор частоты требуется возможность генерировать несущую частоту в пределах требуемого классифицировать. Обычно это достигается за счет использование гетеродина. Местный осциллятор может быть сгенерирован множеством разных способов в зависимости от степени требуются гибкость и характеристики фазового шума [8]. Эти два критерия, как правило, обратно пропорциональны. связанных, однако в этой области наблюдается постоянное улучшение и тщательные дизайн; производительность и гибкость могут быть достигнуты.

Частотная гибкость мест более строгие ограничения на конструкцию пассивных элементов внутри радио: антенна; фильтры; соответствующие сети. Обычно радио проектируется с узкополосной или многополосной перспективой. Многополосность – это когда конечный набор узкополосных используются сигналы. В этом сценарии фильтры могут быть разработаны для выбора интересующей полосы и минимизации эффекта других потенциально мешающих сигналов или шума. Аналогично антенны и согласующие сети для малошумящие усилители и усилители мощности оптимизированы для максимального усиления в диапазон интересующих частот.Там, где требуются многодиапазонные системы, общий подход заключается в переключении между подходящим узкополосным решением. Обеспечение гибкости в более широком диапазоне означает, что традиционный фильтр решения не могут быть использованы, и на сегодняшний день полезные программируемые гибкие фильтры делают не существует. Широкополосные антенны и сети согласования могут быть спроектированы, но они неоптимальны. Это означает снижение эффективности в зависимости от требуемой степени гибкости. Отсутствие частотной избирательности имеет значительное влияние на проблему помех, энергоэффективности и чувствительность окончательного дизайна.

2.3. Управление помехами

Гибкая радиосвязь приемники не могут иметь такую ​​же фильтрацию выбора диапазона, как традиционные радиостанции и уязвимы для помех как от внешних источников, так и от собственных фазовый шум от локального передатчика. Рассматривая в первую очередь внешние источники, широкополосный радиоприемник покрывающий любой из диапазонов связи (например, 700–950 МГц или 1800–2500 МГц) будут подвергаться законным передачам из различных источников: передачи с мобильных телефонов, Wi-Fi, телевидение.Для реализации радиоприемник, соответствующий стандартам, необходимо иметь возможность работать в наличие других передач до необходимого уровня чувствительности. Например, в GSM вы должны уметь получать сигнал -98 дБм в присутствии блокиратора 0 дБм. Требования, подобные этим, имеют существенное влияет на конструкцию ваших радиоприемников. В радиоприемнике можно показать, что снижение производительности фильтра может достигается за счет увеличения аналого-цифрового преобразования чувствительность.В отсутствие фильтрации, можно показать, что требуется не менее 14 бит динамического диапазона для приемлемой частоты ошибок по битам, и было бы желательно 16 бит. Достижение 16-битного аналого-цифрового преобразования для полос частот более 10 МГц сложно и дорого с точки зрения мощности и стоимость. Платформы SDR должны решить пытаются ли они соответствовать стандартам или делать все возможное. Для простоты реализации большинство платформ игнорируют проблема помех, и пользователь выбирает частотный диапазон с минимальным вмешательство.

Второй выпуск самогенерируемый интерфейс сложнее. Современные передатчики хорошо справляются с фазовым шумом и паразитными помехами. внеполосные компоненты и, во многих сценариях, полосы приема и передачи достаточно удалены, чтобы обеспечить надежную фильтрацию. Это важно, так как может быть более 120 дБ. разница в уровнях мощности в трубке мобильного телефона или 150 дБ для GSM базовая станция. В отсутствие таких фильтрации, фазовый шум передатчика может просочиться в приемный тракт и заглушить любые полученный сигнал.Это проблематично, поскольку передатчик и приемник совпадают и, следовательно, в отличие от внешних передач не будет ослабляться расстоянием. Этот проблема в настоящее время не имеет хорошего решения. Проблема может быть минимизирована, если выбрана схема TDD-коммуникации.

2.4. Передатчик, приемник или трансиверы

Есть много приложений где нет необходимости внедрять систему приемопередатчика. Если это правда, то многие проблемы сильно упрощенный: улучшенная пропускная способность данных; нет опасений по поводу собственного шума; более низкая стоимость.Приложения только для приемника популярны в пространстве когнитивного радио и в мультимедийных приемниках. В когнитивном радио одна из главных проблем находится в зондировании спектра и идентификации существующей связи схемы. Это только приемник применение и выгоды от любого снижения собственного шума. Для широковещательных приложений, таких как телевидения операторам требуются только передатчики и приемники для клиентов. Однако для большинства беспроводных связь, требуется двунаправленность и система с полным приемопередатчиком будут необходимы.

3. Обзор существующих платформ SDR

Существует большое количество экспериментальные платформы SDR, которые были разработаны для поддержки индивидуальных исследований проекты. Подборка этих платформ включен в [9–21]. Различные экспериментальные платформы SDR сделали различный выбор в как они решили проблемы гибкости, разделения и заявление. Чтобы подчеркнуть разнообразие архитектуры, четыре популярные платформы будут кратко обсуждены перед Представляем адаптируемую радиосистему Maynooth.

3.1. Универсальное программное обеспечение периферийных устройств для радиосвязи (USRP)

USRP является одним из самых популярные платформы SDR, доступные в настоящее время, и предоставляет аппаратную платформу для проекта GNU Radio [8, 9]. В первая система USRP, выпущенная в 2004 году, представляла собой USB-соединение, подключенное к компьютеру с небольшим ПЛИС. FPGA использовалась не только для информация о маршрутизации, но также допускала некоторую ограниченную обработку сигналов. USRP может реально поддерживать полосу пропускания около 3 МГц в основном из-за ограничений производительности USB. интерфейс.Платформа второго поколения был выпущен в сентябре 2008 года и использует гигабитный Ethernet для поддержки для полосы пропускания 25 МГц. Система включает в себя совместимое устройство Xilinx Spartan3, которое позволяет локально обработка. Радиочастота производительность USRP ограничена и больше направлена ​​на экспериментирование а не соответствовать какому-либо стандарту связи.

3.2. Канзасский университет Agile Radio (KUAR)

Платформа KUAR была разработана как недорогая экспериментальная платформа, ориентированная на частотный диапазон 5.От 25 до 5,85 ГГц и настраиваемой шириной полосы 30 МГц [11]. Платформа включает встроенный 1,4 ГГц универсальный процессор, Xilinx Virtex2 FPGA и поддержка Gigabit Ethernet и PCI-express обратно к главному компьютеру. Это позволяет всю или почти всю обработку, быть реализованным на платформе, минимизируя связи между хостом и интерфейсом требования. Платформа была рассчитан на питание от батареи, что позволяет работать без привязки, KUAR использует модифицированную форму программной среды GNU Radio для завершения аппаратная платформа.

3.3. Платформа NICT SDR

The Japanese National Институт информационных и коммуникационных технологий (NICT) построил программно-определяемая радиоплатформа для тестирования мобильных сетей следующего поколения [12]. Платформа имела два встроенных процессора, четыре Xilinx Virtex2 FPGA и RF-модули, которые могут поддерживать от 1.9 до 2.4 и 5.0 до 5,3 ГГц. Обработка сигнала была разделены между ЦП и ПЛИС, причем ЦП берет на себя ответственность для более высоких слоев.Цель эта платформа должна была изучить алгоритмы выбора для управления передачей обслуживания между существующие стандарты. С этой целью внедрен ряд коммерческих стандартов, например, 802.11a / b / g, цифровое наземное вещание (японский формат), wCDMA и общий OFDM Схема связи.

3.4. Платформа Berkeley Cognitive Radio

Эта платформа основана на вокруг механизма эмуляции Беркли (BEE2), который представляет собой платформу, которая содержит пять мощных ПЛИС Virtex2 и возможность подключения до восемнадцати дочерних плат [13].На платформе когнитивного радио радио дочерние платы были разработаны для поддержки полосы пропускания до 25 МГц в диапазоне 85 МГц в диапазоне ISM 2,4 ГГц. В Радиочастотные модули имеют высокочувствительные приемники и позволяют избежать собственного шума работают либо одновременно на разных частотах (FDD), либо на одинаковых частота с временным разделением (TDD). Эта платформа когнитивного радио требует только подключения с низкой пропускной способностью. к поддерживающему ПК, так как вся обработка сигналов выполняется на платформе.

4. Адаптивная радиосистема Maynooth

адаптируемая радиосистема Maynooth (MARS) находится в разработке с 2004 г. и имела первоначальные цели программируемого радио-интерфейса, который должен был быть подключен к персональному компьютеру (ПК), на котором осуществляется вся обработка сигналов. реализован на компьютерах универсальный процессор (рисунок 2) [14]. Платформа должна была попытаться доставить производительность эквивалентна будущей базовой станции мобильной телефонии и стандарты беспроводной связи в диапазоне частот от 1700 до 2450 МГц.Программная среда, выбранная для начального разработка была фреймворком IRiS (реализация радио в программном обеспечении) от нашего сотрудники Тринити-колледжа Дублина. В этом разделе будут представлены некоторые критерии проектирования, проблемы встретились, наши решения, а затем некоторые результаты из окончательно реализованных система.

В платформенные высокоуровневые цели определяют ряд технических выбор дизайна.

Базовые станции будущего
Большинство базовых станций 2 G поддерживают полосу частот нет более 5 МГц, настраивается во всем диапазоне GSM. Тем не менее, существует большой интерес к базовая станция, которая может одновременно поддерживать отдельные и разделенные диапазоны частоты – возможность совместного использования базовой станцией операторами или где операторы могут владеть разными диапазонами частот. Это привело к спецификации, что полнополосный следует изучить поддержку 70 МГц в диапазоне примерно 700 МГц. С начала проекта широкополосные схемы такие как wCDMA, WiMAX становятся все более популярными, а пропускная способность необходимо поддерживать как минимум 25 МГц.

Компьютер общего назначения подключен
Большая часть работы по программно-определяемым и когнитивным радиоприемникам была предпринимаются исследователями, более знакомыми с процессорами общего назначения чем с устройствами FPGA или DSP. Все доступные программные фреймворки основаны на ПК, и для нашего проекта мы использовали Инфраструктура IRiS SDR разработана нашими сотрудниками из Тринити-колледжа в Дублине [15]. Как и в USRP, необходимо было предоставить интерфейс с общим целевой компьютер, в котором модулированные данные основной полосы пропускаются между компьютер и радиоплатформа. Этот можно легко идентифицировать как узкое место производительности, так как нужно выбрать стандартизованный интерфейс. В начале В этом проекте широко используемые высокопроизводительные интерфейсы были ограничены. Стандарт USB 2.0 был выбран как самый подходит, несмотря на очевидные ограничения производительности. Платформа была разработана таким образом, чтобы модульная, так что это узкое место производительности может быть устранено при повышении стали доступны рабочие интерфейсы.

Режимы связи между 1700 и 2450 МГц
Этот диапазон частоты сравнительно узкие, но это наиболее загруженный частотный диапазон для личного общения.Как спецификации проекта мы определили следующие способы связи, которые были будет поддерживаться: Кроме того, ирландская связь и спектр регулятор (ComREG) предоставил нашему университету лицензию на две полосы спектра 25 МГц на 2,1 и 2,35 ГГц.

4.1. Вопросы дизайна

Кому определить технические характеристики радиочастотной системы, необходимо было проанализировать индивидуальные параметры и спектральные маски для каждого стандарта и их интеграция для создания единственной спецификации наихудшего случая. Основные параметры, представляющие интерес для конструкции платформы: чувствительность приемника, продукт интермодуляции третьего порядка приемника (IP3), коэффициент шума приемника (NF), уровни мощности передатчика и фаза передатчика шум. Эти параметры определяют блокировка приемника, спектральные и паразитные маски передатчик и ожидаемая частота ошибок по битам приемника.

Один одним из самых сложных требований является соблюдение минимально допустимого сигнал при наличии блокаторов.В предположении, что сильной фильтрации не существует (поскольку система гибкая частота), радиосистема должна иметь достаточный динамический диапазон для цифровой обработки сигналов для извлечения полезного сигнала при наличии блокираторы и мешающие. Рисунки 3 и 4 показать типичные профили помех для стандартов GSM и wCDMA. Стандарт GSM (на всех частотах) представляет собой наиболее сложное требование, так как требует успешного приема сигнала -104 дБм (на базовой станции -102 дБм для телефона GSM / GPRS) в наличие блокиратора 0 дБм. Как наш полоса захвата сигнала предназначена для полного диапазона связи (например, весь диапазон GSM), блокираторы такого масштаба можно ожидать в получить пропускную способность нашей платформы. К захватить наименьший требуемый сигнал в присутствии такого блокиратора предложить аналого-цифровой преобразователь с динамическим диапазоном более 106 дБ, предполагая идеальную цепочку приема сигнала. В качестве приближения первого порядка это приемлемо, хотя более подробно анализ показывает, что для данной частоты ошибок по битам может быть уменьшен динамический диапазон. использован [22].

В В следующей таблице показаны требования к приемнику для каждого из стандарты связи. Композит спецификацию для приемника можно рассчитать, взяв самые строгие требование.

Для платформы MARS было решено перейти на архитектуру прямого преобразования как для приемника, так и для передатчика (Рисунок 5). Выбор подходящей промежуточной частоты в частотном гибком система сложна, и поэтому архитектура прямого преобразования позволяет избежать этой проблемы. С другой стороны, этот подход накладывает дополнительные ограничения на приемник с сигнальной цепочкой производительность зависит от линейности и в значительной степени от IIP2 спектакль. Вдобавок есть исторически были проблемы с утечкой гетеродина, приводящей к постоянному току искажения в ресивере. Как самый схемы связи имеют контент в постоянном токе и рядом с ним, это было причиной Избегайте архитектур с прямым преобразованием в пользу низкочастотных или гетеродинных решения.Недавно выпущенные продукты показали значительные улучшения, и решения с прямым преобразованием становится все более жизнеспособным.

Дано наша архитектура прямого преобразования, производительность преобразователей данных важный. Мы использовали 16-битные данные преобразователи в каждом направлении, чтобы обеспечить необходимую чувствительность приема и минимизировать шум внеполосной передачи. Узкое место в производительности всей платформы – это USB. соединение с постоянной пропускной способностью 256 Мбит / с. Наша идеальная целевая полоса пропускания 70 МГц будет требуется скорость передачи данных примерно 10 Гбит / с, что выходит за рамки возможностей любого стандартного ПК интерфейс. В 2006 году лучший выбор мы был доступен USB 2.0, который имел максимальную устойчивую пропускную способность около 380 Мбит / с, что позволяло нам использовать полосу пропускания около 3 МГц (симплекс) или 1,5 МГц. (дуплекс). Изменение образца разрешений позволяет нам удвоить нашу пропускную способность. Допустимо уменьшить разрешение передатчика, как правило, 60 дБ. SNR будет достаточно, что даст увеличение пропускной способности на 25%.Это был фундаментальный спектакль узкое место для нашей платформы. Есть всего два решения: разместить на плате процессор или ПЛИС или использовать более высокую ссылка на производительность. Для начального разработки, эти варианты не были соблюдены, и производительность RF была дросселируется в соответствии с интерфейсом USB. А модульная конструкция для блоков RF и основной полосы частот была соблюдена, так что общая Платформа могла бы выиграть от улучшения пропускной способности канала передачи данных.

В следующих разделах подробно описаны некоторые из выбранных компонентов.Во многих случаях проще выбрать широкополосный компоненты, а не компоненты с быстрой перестройкой частоты. С широкополосными компонентами сложность тогда решает качество гетеродина, преобразователей данных и пассивные структуры (фильтры и согласующие сети). Локальные генераторы – это зрелая технология и Цепи фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ) превосходны с точки зрения маневренности и низкого уровня шума. Пассивные структуры остаются самыми сложно, и эта проблема решается за счет смягчения любых фильтров, как возможный.

4.2. Ресивер

В в архитектуре приемника прямого преобразования существует прямой компромисс между Фильтрация выбора диапазона RF и требования к производительности аналого-цифровой преобразователь (АЦП). В отсутствие сильных фильтров, АЦП должен иметь достаточное разрешение, чтобы поддерживать динамический диапазон, необходимый для отделения источников помех от слабых сигналов. АЦП с полосой сигнала 70 МГц и Разрешение 106 дБ (более 17 бит) очень сложно, но устройства доступные на момент разработки были способны поставлять 16-битные производительность на высоких скоростях, хотя и с высоким энергопотреблением.Мы выбрали семейство АЦП с совместимостью выводов от Linear Technologies, Калифорния, США, который может обеспечивать до 105 MSps (семейство LTC220 ^* ). Это позволит использовать АЦП с более низкой производительностью. бесшовно используется там, где обработка сигнала основной полосы не может поддерживать более высокие скорости.

В качестве малошумящего ВЧ-усилителя был выбран Freescale MBC13720. Эта часть представляет собой малошумящий усилитель с переключателем байпаса. Он обеспечивает усиление 12 дБ и коэффициент шума. 1,55 дБ на частоте 2.4 ГГц. МШУ может работать на частоте диапазон от 400 МГц до 2,4 ГГц. Это имеет два контакта включения для управления каскадом усиления, которые управляются программно. Прирост на этом этапе был ограничен. программируемость. Для снижения шума Максимальное усиление на ранней стадии является предпочтительным вариантом с большим контролем усиления доступен на этапе основной полосы частот.

производительность демодулятора важна при прямом преобразовании архитектура. Устройство AD8347, от Был выбран Analog Devices.Это прямой квадратурный демодулятор с усилителями ВЧ и основной полосы с автоматической регулировкой усиления (АРУ). Его коэффициент шума (NF) составляет 11 дБ при максимальном усилении, и он обеспечивает отличную квадратуру. фазовая точность и баланс амплитуд I / Q 0,3 дБ. Этот высокий точность достигается за счет использования многофазных фильтров квадратурного гетеродина. фазоделитель. Проблема смещения постоянного тока сводится к минимуму за счет внутренней обратной связи. петля. Любые оставшиеся эффекты смещения постоянного тока можно было исправить с помощью цифровой коррекции, но это не было реализовано в текущие прототипы.

В Требуется гибкая по частоте система и динамичный гетеродин. Часто схема восстановления данных часов может быть используется для захвата частоты передачи, однако в архитектуре SDR полоса частот захватывается, и выполняется восстановление часов в цифровом виде. Основные критерии для гетеродин в интерфейсе SDR RF отличается маневренностью и низким фазовым шумом. Мы выбрали маломощную дельта-сигму ФАПЧ с дробным коэффициентом деления от компании National Semiconductor (LMX2470) на мини-схеме ГУН РОС-2500.Сигма-дельта модулированная делитель с дробным коэффициентом деления разработан для подавления паразитных паразитных импульсов и фазового шума. энергия на более высокие частоты. Порядок модулятора программируется до четвертого. порядка, что позволяет изменять характеристики фазового шума при различных частотные сдвиги. Устройство может работают в диапазоне 500–2600 МГц с фазовым шумом –200 дБн / Гц. Оптимально работает в меньшем диапазоне но это можно отрегулировать, изменив частоту гетеродина.

4.3. Преобразователь

три основных компонента в передатчике прямого преобразования – это мощность усилитель, модулятор и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП).

В качестве модулятора выбран аналоговый прибор AD8349. Это квадратурный модулятор, который может работать с выходом диапазон частот от 700 МГц до 2700 МГц. Он имеет полосу модуляции от от постоянного тока до 160 МГц и минимальный уровень шума -156 дБм / Гц. Два разных входа IQ обеспечивается от ЦАП, а для улучшения шумовых характеристик гетеродин (LO) привод.Вырабатываемая выходная мощность модулятором находится в диапазоне от –2 до +5,1 дБмВт.

Усилитель мощности выполнен в виде двухкаскадного элемента: мощность с фиксированным усилением усилитель и усилитель с регулируемым коэффициентом усиления с цифровым управлением. Используемый усилитель мощности – MGA-83563. из (Avago, Калифорния, USA), который представляет собой широкополосный усилитель с высокой линейностью. Он работает в диапазоне частот от 40 до 3600 МГц и обеспечивает небольшое усиление сигнала 20 дБ при коэффициенте шума 4.1 дБ. Этот усилитель с регулируемым усилением является аналоговым Устройства ADL5330, работающие на частотах от 10 МГц до 3 ГГц, с коэффициентом усиления диапазон регулирования 60 дБ. Комбинированная система может выдавать мощность 22 дБм в 256 программируемые шаги.

Цифро-аналоговый преобразователи более способны, чем АЦП, для любой данной технологии. Для этого приложения можно было получить двухканальный 16-битный ЦАП от Maxim (MAX5875), который может поддерживать выходную скорость до до 200 MSps. Он имеет встроенный +1.зонные опорный 2 В и управлении усилитель для обеспечения высокой точности и низкого уровня шума. Скорость вывода регулируется в зависимости от при условии тактовой частоты.

4.4. USB-коммуникации

As это нестандартное USB-приложение, кастомизированный USB-драйвер и прошивка были разработаны для максимального увеличения пропускной способности и обеспечения стабильной производительности. Как указано, максимальная пропускная способность USB ссылка была фактором, ограничивающим производительность платформы. Хотя USB предлагает 480 Мбит / с, на практике устойчивая производительность существенно меньше.Стабильная производительность необходима, поскольку пробелы в потоке данных недопустимая и чрезмерная буферизация приведет к эффектам задержки. Специализированный драйвер Linux был написан для обеспечить подходящую производительность, а эффективная библиотека API была реализована для обеспечить надежный интерфейс со сторонними программными механизмами. На рисунке 4 показан видение высокого уровня взаимосвязи между элементами интегрированного радиоплатформа.

USB-подключение осуществлялось через USB 2.0 Cypress EZ-USB со встроенным 8051-совместимый микроконтроллер (рисунок 6). В функция микроконтроллера заключалась в маршрутизации данных между общими целевой интерфейс (GPIF) USB-устройства и преобразователей данных. Благодаря использованию оконечных устройств USB было также возможно реализовать канал управления для перенастройки системы. К этой плоскости управления можно получить доступ во время операция; но для увеличения пропускной способности данных рекомендуется, чтобы используется между сеансами связи.

В основными программными элементами нашей платформы были некоторый встроенный код, работающий на Микроконтроллер USB, оптимизированный драйвер USB для Linux и библиотека API, обеспечивающая интерфейс с IRIS. Linux был выбран из-за его превосходной производительности в реальном времени и доступа к низкоуровневому драйверы устройств. Основные проблемы были первыми, кто обеспечил высокоскоростную и непрерывную передачу данных без данных потеря, а во-вторых, возможность реконфигурируемости аппаратных устройств.Высокая скорость передачи данных без потери данных была достигнута за счет использования оптимизированных как в драйвере USB, так и во встроенном коде. Из-за их способности быть в очереди, драйвер USB использует блоки запросов USB (URB) в качестве структуры данных. для передачи или приема информации [23, 24]. Эта очередь URB гарантирует, что будет всегда быть информацией, ожидающей обработки в канале связи, что приводит к максимальному использованию полосы пропускания и непрерывному потоку информации.Использование режима массовой передачи данных гарантирует доставку данных, решение проблема потери данных. С помощью этого оптимизированного драйвера можно было добиться максимальная устойчивая пропускная способность 256 Мбит / с, улучшение по сравнению с другими драйверами реализации, но существенно меньше пикового значения 480 Мбит / с транспорт. Наконец аппаратная реконфигурация получается через функции API, например, для настройки выборки скорость, частота гетеродина и регулировка усиления приемной цепи.

4.5. Software Radio Framework

Программная платформа Radio Framework, используемая в нашей системе, называется IRIS. программный фреймворк. IRIS находится в стадии разработки в Тринити-колледже Дублин с 1999 года. Это очень гибкое и легко настраиваемое программное обеспечение. радиоплатформа для универсального процессора под управлением Windows или Linux.

ИРИС Архитектура проиллюстрирована на рисунке 7 и состоит из компонентов DSP, которые настраиваются через файл XML.Примеры таких компонентов – модуляторы, фреймеры или фильтры. Каждый из компонентов имеет набор параметров и интерфейс к управляющей логике, который позволяет повторно использовать в разных радиостанциях конфигурации. Логика управления – это программный компонент, разработанный для конкретного конфигурация радио, то есть он знает всю цепочку радиосвязи, в то время как компонентов обработки нет. Эта логика управления может подписываться на события запускается радиокомпонентами и изменяет параметры радио или перенастраивает радиоструктура.Это позволяет инфраструктуре IRiS поддерживать познание через это механизм управления.

Кому спроектировать радиостанцию ​​с помощью IRIS, файла конфигурации расширяемого языка разметки (XML) написано, в котором указаны радиодетали, их параметры и соединения. По желанию проектировщик радио может реализовать диспетчер логики управления. для динамической реконфигурации радио. При запуске XML-файл анализируется, и движок времени выполнения создает радио, создавая и подключая указанный составные части.Затем механизм выполнения загружает логику управления и присоединяет ее к компоненты. Наконец, радио запускается, и блоки данных, генерируемые компонент источника будет обрабатываться каждым из компонентов в радио цепь. Логика управления может реагировать на события, запускаемые компонентами, с что угодно, от вывода диагностики до полной перенастройки магнитолы.

4.6. Окончательный проект

реализация платформы MARS представляла собой два отдельных симплексных элемента: платы только для приема и только для передачи (показаны на Рисунке 8).Дуплексной работы удалось избежать из-за ограничения пропускной способности USB. А существует версия платы основной полосы частот, которая позволяет работать в дуплексном режиме, но при половина пропускной способности. Как сообщает МАРС платформа является частью текущего исследовательского проекта в области программных радиоплатформ, в конструкцию были внесены последующие улучшения, которые будут подробно описаны потом.

5. Производительность и сценарии использования

Платформа MARS была протестирована в ряде варианты использования – например,

(i) Измерение спектра.(ii) Передача неподвижных изображений и видео. (iii) Новые схемы связи. (iv) Тестирование совместимости с USRP. К протестировать предложенную платформу SDR вместе с IRIS мы успешно передали изображение [25]. Чтобы изолировать артефакты платформы, были использованы USRP и MARS. используются взаимозаменяемо как передатчик и приемник. Программный движок IRiS имеет соответствующие программные интерфейсы для двух платформ. Программный движок IRiS считывает растровое изображение, кадрирует данные с помощью простая структура, с соответствующим отбеливанием данных и исправлением ошибок кодирование.Дифференциальная квадратурная фаза Shift-манипуляция (DQPSK) использовалась для модуляции данных в четыре символа. Чтобы ограничить спектральный след сигнал, он подвергается повышающей дискретизации и фильтруется с помощью формирователя импульса с приподнятым косинусом. В Полученные образцы IQ были доставлены через USB на интерфейсную часть радио. У приемника платформа МАРС демодулирует данные и доставляет необработанные образцы IQ через USB на программный движок. IRiS затем обязуется фильтрация, восстановление тактовых данных и демодуляция.Затем данные обрабатываются и реконструируются. в изображение. В этом эксперименте мы использовалась скорость передачи 1 MSps. В этом режим работы мы могли бы работать более чем в шесть раз быстрее, но ограничены в первую очередь производительностью используемого ПК или ноутбука. Результаты этого эксперимента показаны на Рисунок 9, где представлены результирующее изображение и диаграмма созвездия. представлены. Схема созвездия указывает на то, что величина вектора ошибки достаточно мала и возможно хорошее общение.

В другом примере был передан образец видео и полученные с использованием платформ MARS (рисунок 10). DBPSK использовалась схема модуляции. В ширина полосы передаваемого сигнала составляла примерно 300 кГц с частотой дискретизации IQ 2 MSps. Это оказалось приемлемым для видео передачи, но более высокая пропускная способность может быть получена с помощью более высокого порядка схемы модуляции. В величина вектора ошибки предполагает, что более плотная диаграмма созвездия может быть реализовано без значительного снижения производительности. Ограничение на использование более высокой модуляции Схема заложена в программном движке, и это, вероятно, улучшится со временем и вычислительная мощность.

В Сила платформы МАРС в качестве ВЧ элементов схема. Сознательное усилие было направлено на проектирование качественной приемной цепи в соответствии с требованиями различные стандарты. В таблице 2 представлены характеристики платформы MARS в контексте другого испытательного стенда SDR платформы.Хотя более мощный и соответствующие системы существуют, платформу MARS следует сравнить с USRP для сложность и производительность. В этом контекст, он предлагает аналогичный уровень пропускной способности основной полосы частот с превосходным радио производительность внешнего интерфейса. Эти двое взаимозаменяемы и предлагают пользователям возможность оценить производительность своих программные схемы радиосвязи независимо от конкретной аппаратной реализации и связанные артефакты.

GSM UMTS 802. 11 b Шум значение (дБ) 9 9,6 (2) 9 (3) IIP2 (дБм) (1) 43 8,0 10 IIP3 (дБм) −18 −21,0 −18

(1) IIP2 требуется для нулевой или низкой ПЧ архитектуры (2) Предполагая выигрыш при обработке 25 дБ (3) Предполагая выигрыш при обработке 10.4 дБ

Ethernet 9080 5 7 MARS MARS3 KUAR USRP USRP2 BEE BEE 2007 2009 2005 2005 2008 2007 2005 Полоса пропускания RF (МГц) (1) 70 25 25 30 5 25 30 25 25 Диапазон частот (ГГц) (2) 1. 7–2,5 1,7–2,5 5,25–5,85 2,3–2,9 (4) 2,3–2,9 (4) Фиксированный (2,45) 1,9–2,4 5.0–5.3 Обработка раздела Внешняя Смешанная Встроенная Внешняя Смешанная Встроенная Встроенная архитектура процессора GPP FPGA GPP FPGA GPP GPP ПЛИС ПЛИС GPP ПЛИС Возможности подключения USB PCIexpress USB USB GigEthernet USB GigEthernet GigEthernet USB GigEthernet №антенн или радиочастотных трактов 2 16 2 4 2 (3) 16 2 Знание стандартов (RF) да нет нет нет да Стандарты осведомлены (baseband) да да нет да да да 9 Сильные стороны Низкая стоимость Большой GNU radio Большой Обработка Стандартный полоса пропускания интеграция полоса пропускания мощность Частота Ограниченная Сложность Ограниченная 908 03 полоса пропускания диапазон полоса пропускания доступность

(1) При отсутствии основной полосы или ограничения на подключение. (2) В пределах одного РФ доска. (3) С возможностью расширения за счет связывание нескольких платформ. (4) Широкий выбор доступные диапазоны частот.

6. Будущие тенденции

Первое поколение доступных платформ SDR появилось примерно в 2004–2006 годах. С тех пор технологии прогрессировали и произошли значительные улучшения в производительности обработки сигналов, возможность подключения и качество радиочастотных компонентов, таких как смесители и данные конвертеры.С текущими возможностями это стало возможным реализовать большинство схем узкополосной связи (например, GSM), хотя и не без значительных усилий и опыта. Однако в последние годы наблюдается движение к более широкополосным решениям, таким как технологии wCDMA и OFDM. В результате платформы SDR проблемы, связанные с увеличением полосы пропускания, снижением минимальной мощности сигнала и снижение максимально допустимых величин вектора ошибок. Платформы SDR для конкретных приложений могут быть построен с комбинацией доступных технологии.Общее назначение экспериментальные платформы SDR по-прежнему сталкиваются с проблемами и будут основаны на трех тенденции:

(i) Увеличение интерфейсы платформы емкости. (ii) Все более разнообразный набор процессоров. (iii) Повышение возможностей обработки на плате. В USRP2 от Марка Эттуса – первая платформа SDR следующего поколения, и эти тенденции видны в новом дизайне: значительная встроенная FPGA и соединение через гигабитный Ethernet.

6.1. Расширенные интерфейсы платформы

Платформы SDR первого поколения использовали Ethernet или USB для обеспечения возможность подключения к компьютерам и другим пользователям.Ethernet теперь обычно может предлагать 1 Гбит / с, но существующие платформы SDR использовали только каналы 10/100 Мбит / с, которые на практике обеспечивали менее половины этого при маршрутизации. учитываются накладные расходы. USB 2.0 предлагается превосходная производительность с 480 Мбит / с и максимальной устойчивой скоростью 256 Мбит / с. На практике, чтобы доставить Полоса пропускания 25 МГц для дуплексного приемопередатчика, минимум 2,4 Гбит / с будет потребуется, и более консервативная оценка предложит 4,8 Гбит / с [26]. Эта проблема усугубляется при рассмотрении многоэлементные системы, такие как вариант MIMO стандарта 802.11 (п). Частично эту проблему можно решить с помощью повышение скорости взаимодействия интерфейса с платформой. Сохранение совместимости с дженериком компьютеры, мультигигабитный Ethernet и PCIexpress, вероятно, можно будет увидеть в будущие платформы. PCIexpress использовался в платформа KUAR как внутренний протокол; но с PCIexpress в большинстве компьютеров, стало возможным использовать его в качестве интерфейса связи. PCIexpress используется в видеокартах и оптимизирован для потоковой передачи данных.В версии 2.0, он предлагает 4000 Мбит / с в каждом направлении на полосу. Этого достаточно для кодирования 25 МГц пропускную способность, однако можно объединить несколько линий PCIexpress и повысить производительность. Большинство компьютеров иметь как минимум две полосы в качестве порта расширения, и это, вероятно, увеличится в будущее. Если вы получаете доступ к графике шина, доступно до 32 полос, обеспечивая 128 Гбит / с двунаправленной данные. В качестве альтернативы, более новые формы гигабитный Ethernet обеспечивает скорость до 100 Гбит / с, что также достаточно для большинства Приложения.Одна общая тенденция во всех В этих схемах идет переход к оптическим соединениям. Эту тенденцию поощряют разработки в индустрии базовых станций мобильной телефонии, где оптоволоконные звенья обеспечивают электрическую изоляцию, возможность размещения ВЧ-элементов подальше от блок обработки, и обеспечить обновляемую инфраструктуру связи. Одно из следствий увеличения пропускная способность является требованием для увеличения бортовой обработки емкость.

6.2. Повышенные возможности обработки на борту.

концепция размещения большей части обработки сигналов вне платы на компьютер был действующей концепцией, которая произошла от программного обеспечения исследователи в области инженерии и информатики, которые работали с самого начала дней. Примером этой концепции является коммерческие продукты, разработанные (Vanu, Inc. Mass, USA) и GNU Radio архитектура. Этот подход сталкивается с двумя проблемы: современные схемы связи ожидают ответа с очень малой задержкой, особенно в начальных событиях установления связи, что очень трудно сделать при передаче данные по ссылке на отдельный процессор; во-вторых общего назначения процессоры не оптимально подходят для многих ресурсоемких вычислений. аспекты схемы связи, например обратное БПФ.Специалисты по DSP и FPGA предлагают превосходные производительность для многих из этих функций, и их можно использовать для уменьшения задержки путем обработки сигналов ближе к антенне перед транспортировкой на обработку единица. Такой подход разделяет обработка сигналов оптимальна для доступных архитектур процессоров и имеет выгода от уменьшения количества данных, необходимых для передачи и максимизация пропускной способности системы. Один крайний вариант – разместить на плате один или несколько процессоров и позволить плате быть функционально независима от любого внешнего источника (например,г. , КУАР и ПЧЕЛ2 платформы). Однако общего назначения процессоры по-прежнему предлагают превосходную гибкость и простоту использования при разработке новых системы, но с более высокой скоростью соединения и более широкой полосой пропускания, разделение функций обработки между компьютером и аппаратной платформой SDR кажется неизбежным.

6.3. Разнообразный ассортимент процессоров

Типичный реализации программно-определяемых радиосистем (SDR) включают универсальный процессор (GPP), цифровой сигнальный процессор (DSP) или FPGA, хотя выделенные микросхемы DSP оспаривается ПЛИС со встроенными ядрами DSP [27].Системы на базе ПЛИС могут обеспечить производительность, но за счет повышенной сложности конструкции. Процессоры общего назначения менее эффективны при обработке физического уровня, но лучше на более высоких уровнях и более доступны для общего разработчика программного обеспечения. Ни то, ни другое не является оптимальным, и это привело к более широкому диапазону процессоров. типы, разрабатываемые и используемые для программно-радиоприложений. Они могут быть широко, а не исключительно, относятся к категории сложных многоядерных систем; специальные числа с плавающей точкой калькуляторы, например, в графических чипах.

Многоядерный системы являются общими для многих компьютерных процессоров, содержащих несколько ядра. Однако их несколько версии того же ядра. А гетерогенная многоядерная система может содержать смесь встроенных FPGA, DSP или универсальные процессоры с функциями, назначаемыми в соответствии с сильные стороны конкретного ядра. Примеры из этих устройств включают в себя ПЛИС последних поколений, которые теперь включают выделенные фрагменты DSP и полные ядра процессора, но программируются с использованием традиционные инструменты проектирования FPGA.Другой Примером является процессор Sandbridge Sandblaster, который содержит несколько DSP ядер и процессора ARM9, и рассматривается как устройство DSP [28]. Будущие платформы SDR, вероятно, потребуют Преимущество этой тенденции в увеличении пропускной способности с вероятностью все более сложные ПЛИС используются первыми из-за их относительной зрелость.

еще одна интересная разработка – использование графических чипов для обеспечения мощность обработки с плавающей запятой, необходимая для широкополосного физического уровня обработка.Графические чипы выделены процессоры с плавающей запятой, оптимизированные для обеспечения стабильной производительности. Как часть товарного рынка, это трудно сопоставить их вычислительную мощность с соотношением затрат, и они имеют развитая среда разработки программного обеспечения. Одно из самых мощных устройств – IBM CELL процессор, используемый в Sony Playstation3. Процессор CELL – еще один многоядерный устройство и предназначен для превосходной параллельной обработки. Его теоретическая максимальная производительность составляет 204.8 GFLOPS (одинарная точность) – достаточно для любого программно-определяемого радио [29]. Уже есть инициатива по переносу GNU радио к процессору ячейки, чтобы воспользоваться этой возможностью [30].

7. Будущее развитие

разработка платформы MARS была исследованием проблем в реализация реконфигурируемой платформы, ориентированной на базовые станции. Таким образом, он дал нам много идей. в том, как технические проблемы тонко отличаются от тех, что были портативные конструкции.В рамках продолжающегося исследовательский проект, в настоящее время мы работаем над новым поколением MARS Платформа. Платформа MARS не включая любую бортовую вычислительную мощность, следующая платформа, MARS2, находится в стадии тестирования и будет включать устройство Xilinx Spartan3 для локальной обработки. Хотя при этом по-прежнему будет использоваться USB-соединение, это позволит нам использовать более широкие возможности плат RF. Большая часть нашей текущей деятельности сосредоточена на третье поколение платформы MARS.Эта платформа ориентирована на поддержку более широкой полосы пропускания и существенная локализованная обработка. В Ключевые характеристики этой конструкции следующие:

(i) PCIexpress подключение к компьютеру, обеспечивающее скорость подключения до 4 Гбит / с. (ii) процессор основной полосы частот плата с одним или несколькими процессорами Virtex4, способная поддерживать 8 пути передачи и приема (всего 16). (iii) Волоконно-оптические каналы CPRI / OBSAI [31, 32] для распределения данных к удаленным РЧ платам (iv) Удаленным РЧ платам, которые являются усовершенствованиями существующих плат MARS с оптоволоконными линиями, гигабитными Ethernet и USB как сзади.(v) Гибкий РФ производительность, поддерживающая полосу пропускания 25 МГц.

Это платформа значительно сложнее, чем раньше, но она предназначена для модулятор, так что верхние радиочастотные интерфейсы могут использоваться изолированно или как часть сети досок ссылок. Хотя пропускная способность существенно выше, платформа останется совместимой с программные среды IRiS и GNUradio. Первые прототипы новой платформы ожидаются летом 2009 года.

8. Резюме

Хотя программно-определяемая радиосвязь предлагает множество убедительных преимуществ для разработчиков радиосистем, остается много открытых вопросов о том, как эффективно реализовать и управлять гибкостью беспроводной системы. Программные радиоплатформы и испытательные стенды предлагают исследователям и разработчикам возможность разрабатывать свои приложения заранее разработки индивидуального оборудования.