Software-defined radio. Формат приема и передачи радиосигналов, объединяющий в себе разнотипные протоколы связи.
С ростом производительности компьютерной техники, а главное, аналого-цифровых преобразователей (АЦП), стало возможным создавать полностью цифровые радиоприемники. В принципе идея оцифровки радиосигналов не нова и на начальной стадии такая обработка делалась про помощи звуковых карт. Но на сегодня при наличии сверхбыстрых АЦП с частотой оцифровки порядка 100млн семплов/с такая технология оцифровывает непосредственно входной сигнал с эфира, что позволяет (согласно теореме Котельникова/Шеннона) иметь прием до частоты, равной половине частоты дискретизации. Битовый поток желающие могут прикинуть самостоятельно — на компьютер оно разумеется, не передается, а обрабатывается в быстродействующей ПЛИС прямо на плате, и нужная полоса передается в компьютер или бортовую встраиваемую систему. Такие приемники (устройства) носят название Software-defined radio.
Определение
Software-defined radio (SDR) - это радио коммуникационная система где компоненты, обычно внедрённые, через «железо» (микшеры, фильтры ,усилители, модуляторы/демодуляторы, датчики итд.) реализованы по средствам программного обеспечения, работающего с персональным компьютером или встраиваемой системой. Смысл такого решения в том, что управление всеми функциями приема и демодуляции радиосигнала можно производить с помощью программы. Чем быстрее и мощнее «железо», из которого построен SDR радиоприемник, тем больше возможностей по обработке радиосигнала (и соответственно лучше прием). В принципе, SDR радиоприемник – это очень быстрый аналого-цифровой преобразователь + программа управления.
Дословно Software-defined radio (SDR) – программно-управляемое радио, хотя более правильный перевод – радио программного преобразования, по аналогии с приемником прямого преобразования. После преобразования аналогового радиосигнала в цифровой у пользователя есть практически неограниченные возможности по его трансформации. Вы можете задать любую полосу пропускания с любой добротностью фильтра. Вы можете производить практически любую демодуляцию сигнала.
Развитие технологии
Конечно, SDR уже не новое слово в области разработки беспроводных устройств. Об этой технологии много говорят, проводят симпозиумы, особенно за рубежом, но мало кто видел реально работающие образцы, выполненные в соответствии с этой архитектурой. Тем не менее, за рубежом сейчас ведутся активные исследования и разработки по реализации коммерческой элементной базы. Страны участники НАТО еще с начала 2000-х годов целенаправленно ведут разработки совершенствования военной-тактической связи с целью добиться совместимости разнотипных устройств связи, а также поддержать основную стратегию НАТО, так называемой, сетецентричной войны.
К сожалению, применительно к России этого сказать нельзя. Разработок по части этой технологии не много. Однако перспективы развития радиосистем, которые могли бы работать в разных протоколах связи и не быть однотипными не должны оставаться не у дел. Потребность в радио с гибкой архитектурой, которая могла бы изменяться при помощи программного обеспечения очевидна в отрасли ВПК.
На сегодняшний день разработчикам программно-аппаратных платформ более удобной признается реализация SDR на базе телекоммуникационных стандартов, таких как AdvancedTCA и MicroTCA. В этой связи хочется сказать, что рынок разработчиков производителей программно-аппаратных платформ AdvancedTCA и MicroTCA остается стабильным (не расширяется) это компании MicroLAB Systems, Concurrent Technologies PLC, VadaTech Inc., NAT, Kontron и др.
Рассмотрим более подробно один из примеров реализации SDR на базе модуля AMC компании N.A.T. как партнера Спектр РС.
Модуль NAT-AMC-ZYNQUP-SDR
AMC на базе Xilinx Zynq UltraScale+ & 4x ADRV9009 Transceiver
Радио модуль программного преобразования (SDR) от компании N.A.T. - NAT-AMC-ZYNQUP-SDR - это универсальная платформа разработчика. Готовый к внедрению в систему формат платы, который комбинирует лучший класс железа с полноценно заточенным под него программным пакетом.
Такая гибкая платформа в форм-факторе AMC имеет целью беспроводные применения, которые требуют масштабного количества фазо-когерентных антенн. Модуль поддерживает 4 или 8 радиочастотных каналов, определяемых количеством стековых модулей FMC на мезонинной плате.
Синхронизация же некоторого количества SDR плат позволяет создавать широкое поле радиочастотных фазо-когерентных радио каналов (до 48 радиочастотных каналов в пространстве двухюнитого 19 дюймового сабрека.
FPGA Xilinx® Zynq® UltraScale+™ в комбинации с интегрированным процессором quad-core ARM®, а так же радиочастотным модулем ADRV9009 из последнего семейства Analog Devices, делает модуль NAT-AMC-ZYNQUP-SDR идеальной платформой разработки из разряда «готовый к развертыванию пакет», которая действует в широком радиочастотном спектре от 75MHz до 6GHz до восьми фаз синхронизации радиочастотных каналов с максимальной пропускной способностью на канал 200MHz.
Программный пакет
Для более легкого использования модуль NAT-AMC-ZYNQUP-SDR дополнен программным пакетом, внедрённым по двум контрольным уровням: контроль FPGA и радиочастотного интерфейса и информационный уровень.
По умолчанию программный пакет содержит все модули для начала разработки:
• Linux пакет board support package (BSP) и драйвера устройства контроля FPGA IP ядра и подустройств на борту.
• Обширная библиотека от N.A.T. стриминговых IQ семплов, совместимых с GNUradio и MATLab®
• Примеры обработок на MATLab® и GNURadio
• Примеры обработок для контрольных функций и функций управления
• Документация к программному пакету
По умолчанию программный пакет дополнительно содержит стриминговый драйвер, работающий в режиме реального времени для преобразования внешних сигналов.
Более подробную информацию по программному пакету можно запросить в компании разработчике N.A.T.. либо в компании Спектр РС.
FPGA исходный дизайн
По умолчанию программный пакет, так же содержит FPGA семпл проекты (проекты шаблоны). Исходный проект разработан на Xilinx® Vivado® Design Suite со специфическими модулями которые могут быть использованы в качестве базового окна для разработки проекта.
Модуль содержит в себе:
• ADRV9009 RF приемо-передатчик
• JESD204b интерфейс
• Переход PCIe на интерконнект MTCA
• Переход Gbit Ethernet на интерконнект MTCA
• Локальная синхронизация
• Синхронизация с кросс платой MTCA
Применение.
В следствие своей гибкости и масштабируемости NAT-AMC-ZYNQUP-SDR удобен в использовании с целым комплексом беспроводных коммуникаций таких как:
• Широкополосные приемники и передатчики
• Фазированные решетки
• Устройства частотного сканирования и распознавания радиосигналов
• Радиоастрономия и спутниковые модемы
• Поиск беспроводных сетей
• Эмуляция сотовых сетей и их опытная эксплуатация
Подводя итог, можно сказать что на текущий момент довольно удобно проводить кластерную разработку устройств, оцифровывающих радиосигнал разных форматов на базе приведенных примеров SDR приемников-передатчиков и программного обеспечения, прилагаемого к ним.
За дополнительными консультациями можно обращаться в компанию Спектр РС.
Автор: Генералов Александр
Дата публикации: 16.12.2020 г.