Программно-определяемое радио

Программно-определяемая радиосвязь ( SDR ) — это система радиосвязи , в которой компоненты, которые традиционно были реализованы в аналоговом оборудовании (например , смесители , фильтры , усилители , модуляторы / демодуляторы , детекторы и т. д.), вместо этого реализуются посредством программного обеспечения на компьютере или встроенная система . Хотя концепция SDR не нова, быстро развивающиеся возможности цифровой электроники делают практическими многие процессы, которые когда-то были возможны только теоретически.

Базовая система SDR может состоять из компьютера, оснащенного звуковой картой или другим аналого-цифровым преобразователем , которому предшествует некоторая форма радиочастотного интерфейса . Значительный объем обработки сигналов передается процессору общего назначения, а не выполняется на специализированном оборудовании ( электронных схемах ). Такая конструкция создает радиостанцию, которая может принимать и передавать самые разные радиопротоколы (иногда называемые сигналами) исключительно на основе используемого программного обеспечения.

Программные радиостанции имеют большое значение для военных служб и служб сотовой связи , которые должны обслуживать широкий спектр изменяющихся радиопротоколов в режиме реального времени. ожидают, что в долгосрочной перспективе программно-определяемые радиостанции Сторонники, такие как Форум беспроводных инноваций, станут доминирующей технологией в радиосвязи. SDR, наряду с программно-определяемыми антеннами, являются основой когнитивного радио .

Принципы работы

Концепция программно-определяемой радиосвязи

Супергетеродинные приемники используют VFO ( генератор переменной частоты ), смеситель и фильтр для настройки желаемого сигнала на общую ПЧ ( промежуточную частоту ) или основную полосу частот . Обычно в SDR этот сигнал затем дискретизируется аналого-цифровым преобразователем. Однако в некоторых приложениях нет необходимости настраивать сигнал на промежуточную частоту, и радиочастотный сигнал непосредственно дискретизируется аналого-цифровым преобразователем (после усиления).

Настоящим аналого-цифровым преобразователям не хватает динамического диапазона для приема радиосигналов субмикровольтной и нановаттной мощности, создаваемых антенной. Следовательно, этапу преобразования должен предшествовать малошумящий усилитель , и это устройство создает свои проблемы. Например, если присутствуют побочные сигналы усилителя (что типично), они конкурируют с полезными сигналами в динамическом диапазоне . Они могут вносить искажения в полезные сигналы или полностью их блокировать. Стандартным решением является установка полосовых фильтров между антенной и усилителем, но это снижает гибкость радиостанции. Настоящие программные радиостанции часто имеют два или три аналоговых фильтра каналов с разной полосой пропускания, которые включаются и выключаются.

Гибкость SDR позволяет использовать динамический спектр, устраняя необходимость статического выделения ограниченных спектральных ресурсов одной фиксированной службе.

История

В 1970 году исследователь в лаборатории Министерства обороны США придумал термин «цифровой приемник». Лаборатория под названием Gold Room в TRW в Калифорнии создала программный инструмент анализа основной полосы частот под названием Midas, работа которого определялась в программном обеспечении.

В 1982 году, работая по контракту Министерства обороны США с RCA , отдел Ульриха Л. Роде разработал первый SDR, в котором использовался чип COSMAC (компьютер с монолитной матрицей комплементарной симметрии). Роде был первым, кто выступил на эту тему в своем выступлении в феврале 1984 года «Цифровое КВ-радио: выборка методов» на Третьей международной конференции по системам и технологиям ВЧ-связи в Лондоне.

В 1984 году команда ) в Гарленде, штат Техас подразделения E-Systems Inc. (ныне Raytheon , придумала термин «программное радио» для обозначения цифрового приемника основной полосы частот, опубликованный в информационном бюллетене компании E-Team. Лаборатория «Проверка концепции программного радио» была разработана командой E-Systems, которая популяризировала программное радио в различных правительственных учреждениях. Это программное радио 1984 года представляло собой цифровой приемник основной полосы частот , который обеспечивал программируемое подавление помех и демодуляцию широкополосных сигналов, обычно с тысячами отводов адаптивных фильтров , с использованием нескольких массивов процессоров, обращающихся к общей памяти.

В 1991 году Джо Митола независимо заново изобрел термин «программное радио» для плана создания базовой станции GSM , которая объединила бы цифровой приемник Ferdensi с глушителями связи E-Systems Melpar с цифровым управлением для настоящего программного трансивера. Компания E-Systems Melpar продала идею программного радио ВВС США. В 1990–1991 годах компания Melpar построила прототип тактического терминала командиров, в котором использовались процессоры Texas Instruments TMS320C30 и наборы микросхем цифровых приемников Harris Corporation с цифровой синтезированной передачей. Прототип Melpar просуществовал недолго, потому что, когда подразделение E-Systems ECI произвело первые ограниченные производственные единицы, они решили «выбросить эти бесполезные платы C30», заменив их обычной радиочастотной фильтрацией на передаче и приеме и вернувшись к цифровой базовой полосе частот. радио вместо SpeakEasy, такого как АЦП/ЦАП ПЧ прототипа Митолы. ВВС не разрешили Mitola публиковать технические детали этого прототипа, а Диане Вассерман не позволили публиковать извлеченные уроки из жизненного цикла программного обеспечения, поскольку они считали это «конкурентным преимуществом ВВС США». Поэтому вместо этого, с разрешения ВВС США, в 1991 году Митола описал принципы архитектуры без подробностей реализации в статье «Программное радио: обзор, критический анализ и будущие направления», которая стала первой публикацией IEEE , в которой в 1992 году использовался этот термин. Когда Митола представил доклад на конференции, Боб Прилл из GEC Marconi начал свою презентацию вслед за Митолой словами: «Джо абсолютно прав насчет теории программного радио, и мы его создаем». Прилл представил доклад GEC Marconi о PAVE PILLAR, предшественнике SpeakEasy. SpeakEasy, военное программное обеспечение радио, было разработано Уэйном Бонсером, тогда работавшим в Римском центре развития авиации (RADC), ныне Римских лабораториях; Алан Маргулис из MITRE, Рим, штат Нью-Йорк; а затем лейтенант Бет Каспар, первоначальный руководитель проекта DARPA SpeakEasy, и другие люди в Риме, включая Дона Упмала. Хотя публикации Митолы в IEEE привели к крупнейшему глобальному распространению программного радио, Митола в частном порядке отдает должное лаборатории Министерства обороны 1970-х годов с ее руководителями Карлом, Дэйвом и Джоном за изобретение технологии цифрового приемника, на которой он основал программное радио, когда появилась возможность передавать через программное обеспечение.

Через несколько месяцев после Национальной конференции по телесистемам 1992 года в обзоре корпоративной программы E-Systems вице-президент подразделения E-Systems Garland Division возражал против использования Мельпаром (Митолой) термина «программное радио», не упоминая Гарланда. Алан Джексон, в то время вице-президент Melpar по маркетингу, спросил вице-президента Garland, есть ли в их лаборатории или устройствах передатчики. Вице-президент Гарленда сказал: «Нет, конечно, нет — у нас программный радиоприемник». Эл ответил: «Тогда это цифровой приемник, но без передатчика, это не программное радио». Руководство корпорации согласилось с Элом, поэтому публикация осталась в силе. Многие радиолюбители и инженеры КВ-радиотехники осознали ценность оцифровки ВЧ на РЧ и ее обработки с помощью цифровых сигнальных процессоров (DSP) Texas Instruments TI C30 и их предшественников в 1980-х и начале 1990-х годов. Радиоинженеры из Roke Manor в Великобритании и организации в Германии одновременно осознали преимущества ADC в РФ. Публикация Митолы о программном радио в IEEE открыла эту концепцию широкому сообществу радиоинженеров. Его специальный выпуск журнала за май 1995 г. Журнал IEEE Communications Magazine с обложкой «Программное радио» стал переломным событием, получившим тысячи научных цитирований. Митола был представлен Жоао да Силва в 1997 году на Первой Международной конференции по программному радио как «крестный отец» программного радио, в немалой степени из-за его готовности поделиться такой ценной технологией «в общественных интересах».

Возможно, первый программный радиоприемопередатчик был разработан и реализован Питером Хёхером и Хельмутом Лангом в Немецком институте аэрокосмических исследований ( DLR , ранее DFVLR ) в Оберпфаффенхофене , Германия, в 1988 году. И передатчик, и приемник адаптивного цифрового спутникового модема были реализованы по принципам программного радио, предложена гибкая аппаратная периферия.

В 1995 году Стивен Бласт ввёл термин «программно-определяемая радиосвязь», опубликовав запрос на информацию от Bell South Wireless на первом заседании форума Модульных многофункциональных систем передачи информации (MMITS) в 1996 году, организованном ВВС США и DARPA вокруг коммерциализации. своей программы SpeakEasy II. Митола возражал против термина Бласта, но в конце концов принял его как прагматический путь к идеальному программному радио. Хотя эта концепция была впервые реализована с помощью АЦП ПЧ в начале 1990-х годов, программно-определяемые радиостанции возникли в оборонном секторе США и Европы в конце 1970-х годов (например, Уолтер Таттлби описал ОНЧ-радиостанцию , в которой использовались АЦП и 8085). микропроцессор ), примерно через год после Первой Международной конференции в Брюсселе. DARPA и ВВС США Одной из первых инициатив в области публичного программного обеспечения для радио стал военный проект под названием SpeakEasy . Основной целью проекта SpeakEasy было использование программируемой обработки для эмуляции более 10 существующих военных радиостанций, работающих в частот диапазонах от 2 до 2000 МГц . Другая цель разработки SpeakEasy заключалась в том, чтобы иметь возможность легко внедрять в будущем новые стандарты кодирования и модуляции, чтобы военная связь могла идти в ногу с достижениями в методах кодирования и модуляции.

В 1997 году Blaupunkt представила термин «DigiCeiver» для своей новой линейки тюнеров на основе DSP с Sharx в автомобильных радиоприемниках, таких как Modena & Lausanne RD 148.

SpeakEasy, этап I

С 1990 по 1995 год целью программы SpeakEasy была демонстрация радиостанции для воздушным движением ВВС США тактической наземной группы управления , которая могла бы работать в диапазоне от 2 МГц до 2 ГГц и, таким образом, могла взаимодействовать с радиостанциями наземных сил ( VHF с перестройкой частоты , FM и SINCGARS ), радиостанции ВВС (VHF AM VHF AM и HF SSB ), военно-морские радиостанции ( телетайпы ) и спутники ( микроволновая QAM ). Некоторые конкретные цели заключались в том, чтобы за две недели с нуля предоставить новый формат сигнала и продемонстрировать радио, к которому несколько подрядчиков могли бы подключать детали и программное обеспечение.

Проект был продемонстрирован на TF-XXI Advanced Warfighting Training и продемонстрировал все эти цели на непроизводственном радиоприемнике. Было некоторое недовольство тем, что эти ранние программные радиостанции не могли адекватно фильтровать внеполосные излучения, использовать больше, чем самые простые из совместимых режимов существующих радиостанций, а также терять связь или неожиданно выходить из строя. Его криптографический процессор не мог менять контекст достаточно быстро, чтобы одновременно поддерживать в эфире несколько радиопереговоров. Его программная архитектура, хотя и была достаточно практичной, не имела никакого сходства ни с какой другой. Архитектура SpeakEasy была усовершенствована на форуме MMITS в период с 1996 по 1999 год и вдохновила группу интегрированных процессов Министерства обороны США (IPT) по созданию программируемых модульных систем связи (PMCS) на создание того, что стало совместной тактической радиосистемой (JTRS).

В базовой компоновке радиоприемника питающая использовалась антенна, усилитель , и понижающий преобразователь (см. Частотный смеситель ), питающий автоматическую регулировку усиления , который питал аналого-цифровой преобразователь , находившийся на компьютере VMEbus с множеством процессоров цифровых сигналов. ( Техасские инструменты C40). Передатчик имел цифро-аналоговые преобразователи на шине PCI, питающие повышающий преобразователь (микшер), который вел к усилителю мощности и антенне. Очень широкий диапазон частот был разделен на несколько поддиапазонов с различными аналоговыми радиотехнологиями, питающими одни и те же аналого-цифровые преобразователи. С тех пор это стало стандартной схемой проектирования широкополосных программных радиостанций.

SpeakEasy, этап II

Целью было получить более быстро реконфигурируемую архитектуру, т. е . несколько разговоров одновременно, в открытой программной архитектуре с кросс-канальной связью (радиостанция может «соединить» разные радиопротоколы). Второстепенные цели заключались в том, чтобы сделать его меньше, дешевле и весить меньше.

В рамках проекта было создано демонстрационное радио всего за пятнадцать месяцев после трехлетнего исследовательского проекта. Эта демонстрация была настолько успешной, что дальнейшая разработка была остановлена, и радио было запущено в производство только с диапазоном частот от 4 до 400 МГц.

В архитектуре программного обеспечения определены стандартные интерфейсы для разных модулей радиостанции: «управление радиочастотой» для управления аналоговыми частями радиостанции, «управление модемом» для управляемых ресурсов для схем модуляции и демодуляции (FM, AM, SSB, QAM и т. д.). Модули «обработки сигналов» фактически выполняли функции модема , «обработка ключей» и «криптографическая обработка» управляли криптографическими функциями, «мультимедийный» модуль выполнял обработку голоса, «человеческий интерфейс» обеспечивал локальное или дистанционное управление, существовал « модуль маршрутизации для сетевых служб и модуль управления, чтобы все было в порядке.

Говорят, что модули взаимодействуют без центральной операционной системы. Вместо этого они отправляют PCI с помощью многоуровневого протокола. сообщения по компьютерной шине друг другу

В качестве военного проекта радио четко различало «красный» (незащищенные секретные данные) и «черный» (данные, защищенные криптографией).

Этот проект был первым известным проектом, в котором использовались FPGA (программируемые пользователем вентильные матрицы) для цифровой обработки радиоданных. Время их перепрограммирования было проблемой, ограничивающей применение радио. Сегодня время написания программы для FPGA по-прежнему значительно, но время загрузки сохраненной программы FPGA составляет около 20 миллисекунд. Это означает, что SDR может менять протоколы передачи и частоты за одну пятидесятую секунды, что, вероятно, не является недопустимым прерыванием для этой задачи.

2000-е

В системе SpeakEasy SDR 1994 года используется процессор (DSP) Texas Instruments TMS320C30 CMOS- цифровой , а также несколько сотен интегральных микросхем, а радиоприемник размещается в кузове грузовика. К концу 2000-х годов появление технологии RF CMOS сделало практичным масштабирование всей системы SDR до единой системы смешанных сигналов на кристалле , что Broadcom продемонстрировала на процессоре BCM21551 в 2007 году. Broadcom BCM21551 имеет практические возможности коммерческие приложения для использования в 3G мобильных телефонах .

Военное

США

Объединенная тактическая радиосистема (JTRS) представляла собой программу вооруженных сил США по производству радиостанций, обеспечивающих гибкую и совместимую связь. Примеры радиотерминалов, требующих поддержки, включают портативные, автомобильные, бортовые и демонтированные радиостанции, а также базовые станции (стационарные и морские).

Эта цель достигается за счет использования систем SDR, основанных на одобренной на международном уровне открытой архитектуре программных коммуникаций (SCA). Этот стандарт использует CORBA в POSIX операционных системах для координации различных программных модулей.

Программа обеспечивает новый гибкий подход к удовлетворению разнообразных потребностей солдат в связи с помощью программно-программируемой радиотехнологии. Вся функциональность и расширяемость построены на SCA.

Гибкость SDR приводит к дорогостоящей сложности, невозможности оптимизации, замедлению возможности применения новейших технологий и редкому тактическому требованию пользователя (поскольку все пользователи должны выбирать и оставаться с одним и тем же радио, если они хотят общаться).

SCA, несмотря на свое военное происхождение, находится на стадии оценки коммерческими поставщиками радиооборудования на предмет применимости в их областях. Однако внедрение структур SDR общего назначения за пределами военных, разведывательных, экспериментальных и любительских целей по своей сути затруднено тем фактом, что гражданским пользователям легче использовать фиксированную архитектуру, оптимизированную для конкретной функции и, как таковую, более экономичную. в приложениях массового рынка. Тем не менее, присущая программно-определяемой радиосвязи гибкость может принести существенные выгоды в долгосрочной перспективе, как только фиксированные затраты на ее внедрение снизятся настолько, что превзойдут затраты на повторяющуюся модернизацию специально созданных систем. Именно этим и объясняется растущий коммерческий интерес к этой технологии.

Инфраструктурное программное обеспечение на базе SCA и инструменты быстрой разработки для обучения и исследований SDR предоставляются пакетом Open Source SCA Implementation – Embedded (OSSIE). ) проект. Форум беспроводных инноваций профинансировал проект эталонной реализации SCA, реализацию спецификации SCA с открытым исходным кодом. ( SCARI ) можно скачать бесплатно.

Любительское и домашнее использование

Микротелеком Персей – КВ SDR для рынка любительской радиосвязи

Типичная любительская программная радиостанция использует приемник прямого преобразования . В отличие от приемников прямого преобразования более далекого прошлого, используемые технологии смесителей основаны на детекторе квадратурной выборки и возбудителе квадратурной выборки.

Характеристики приемника этой линейки SDR напрямую связаны с динамическим диапазоном используемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП). Радиочастотные сигналы преобразуются с понижением частоты в диапазон звуковых частот, который дискретизируется высокопроизводительным АЦП звуковой частоты. В SDR первого поколения использовалась звуковая карта ПК с частотой 44 кГц для обеспечения функций АЦП . В новых программно-определяемых радиостанциях используются встроенные высокопроизводительные АЦП, которые обеспечивают более широкий динамический диапазон и более устойчивы к шуму и радиочастотным помехам.

Быстрый ПК выполняет операции цифровой обработки сигналов (DSP) с использованием программного обеспечения, специфичного для радиооборудования. В нескольких реализациях программной радиосвязи используется SDR-библиотека с открытым исходным кодом DttSP.

Программное обеспечение SDR выполняет всю демодуляцию, фильтрацию (как радиочастотную, так и звуковую) и улучшение сигнала (эквализация и бинауральное представление). Использование включает в себя все распространенные любительские модуляции: код Морзе , однополосную модуляцию , частотную модуляцию , амплитудную модуляцию и различные цифровые режимы, такие как радиотелетайп , телевидение с медленным сканированием и пакетное радио . Любители также экспериментируют с новыми методами модуляции: например, DREAM проект с открытым исходным кодом декодирует технику COFDM , используемую Digital Radio Mondiale .

Имеется широкий спектр аппаратных решений для радиолюбителей и домашнего использования. Существуют трансиверы профессионального уровня, например Zeus ZS-1. или ФлексРадио, самодельные решения, например, трансивер PicAStar, комплект SoftRock SDR, а также стартовые или профессиональные приемники, например FiFi SDR. для коротковолновых волн или когерентный многоканальный SDR-приемник Quadrus для коротких волн или ОВЧ/УВЧ в прямом цифровом режиме работы.

РТЛ-СДР

Внутренние части недорогого USB-ключа DVB-T , в котором используется Realtek RTL2832U (квадратная микросхема справа) в качестве контроллера и Rafael Micro R820T (квадратная микросхема слева) в качестве тюнера

Эрик Фрай обнаружил, что некоторые распространенные недорогие USB-ключи DVB-T с Realtek RTL2832U контроллер и тюнер, например Elonics E4000 или Rafael Micro R820T, может использоваться как широкополосный (3 МГц) SDR-приемник. Эксперименты доказали способность этой установки анализировать метеорный поток Персеиды с использованием сигналов радара Грейвса . Этот проект поддерживается в Osmocom .

HPSDR

( В проекте HPSDR High Performance Software Defined Radio) используется 16-битный 135 MSPS аналого-цифровой преобразователь со скоростью , который обеспечивает производительность в диапазоне от 0 до 55 МГц, сравнимую с производительностью обычной аналоговой КВ-радиостанции. Приемник также будет работать в диапазонах ОВЧ и УВЧ, используя либо изображение микшера, либо псевдонимы. Интерфейс с ПК обеспечивается интерфейсом USB 2.0, хотя Ethernet можно также использовать . Проект является модульным и включает объединительную плату , к которой подключаются другие платы. Это позволяет экспериментировать с новыми технологиями и устройствами без необходимости замены всего набора плат. Возбудитель радиочастотного выдает 1/2 Вт сигнала в том же диапазоне или в диапазонах ОВЧ и УВЧ, используя выходы изображения или псевдонимов.

ВебСДР

ВебСДР это проект, инициированный Питером-Тьерком де Буром, обеспечивающий доступ через браузер к множеству приемников SDR по всему миру, охватывающих весь коротковолновый спектр. Де Бур проанализировал сигналы Chirp Transmitter, используя связанную систему приемников.

КивиСДР

КивиSDR также является SDR через браузер, например WebSDR. В отличие от WebSDR, частота ограничена от 3 Гц до 30 МГц ( от ELF до HF ).

Другие приложения

Благодаря растущей доступности, более дешевому оборудованию, большему количеству программных инструментов и документации, приложения SDR вышли за рамки своих основных и исторических сценариев использования. SDR в настоящее время используется в таких областях, как отслеживание дикой природы, радиоастрономия, исследования в области медицинских изображений и искусство.

См. также

• Список программно-определяемых радиостанций
• Список программного обеспечения любительского радио
• Цифровое радио
• Цифровая обработка сигналов (DSP)
• Уровень радиоинтерфейса (RIL)
• Софтмодем
• Программно определяемая мобильная сеть (SDMN)
• Программное обеспечение GNSS-приемника
• Белое пространство (радио)
• Пустое пространство (база данных)
• Немного стук

Дальнейшее чтение

• Роде, Ульрих Л. (26–28 февраля 1985 г.). «Цифровое КВ-радио: примеры методов». Третья международная конференция по системам и технологиям ВЧ связи . Лондон, Англия.
• Программно-определяемая радиосвязь: архитектура, системы и функции. Диллинджер, Мадани, Алонистиоти. Вили, 2003. 454 страницы. ISBN   0-470-85164-3 ISBN   9780470851647
• Технология когнитивного радио. Брюс Фетт. Elsevier Science & Technology Books, 2006. 656 страниц. ISBN   0-7506-7952-2 ISBN   9780750679527
• Программно-конфигурируемое радио для 3G, Бернс. Артех Хаус, 2002. ISBN   1-58053-347-7
• Программное радио: современный подход к радиотехнике, Джеффри Х. Рид. Прентис Холл PTR, 2002. ISBN   0-13-081158-0
• Методы обработки сигналов для программного радио, Бехруз Фарханг-Беружени. ЛуЛу Пресс.
• Радиочастотные и базовые методы для программно-конфигурируемой радиосвязи, Питер Б. Кенингтон. Артех Хаус, 2005 г., ISBN   1-58053-793-6
• Азбука программно-определяемого радио, Мартин Юинг, AA6E. Американская радиорелейная лига, Inc., 2012 г., ISBN   978-0-87259-632-0
• Программно-конфигурируемое радио с использованием MATLAB и Simulink и RTL-SDR, Р. Стюарт, К. Барли, Д. Аткинсон, Л. Крокетт, Strathclyde Academic Media, сентябрь 2015 г. ISBN   978-0-9929787-2-3

Внешние ссылки

• Первый в мире программно-определяемый веб-приемник в университете Твенте, Нидерланды.
• Программно-определяемые приемники, подключенные к Интернету
• Использование программно-определяемых телевизионных тюнеров в качестве многомодовых приемников КВ/УКВ/УВЧ
• Бесплатный учебник SDR: Программно-определяемая радиосвязь с использованием MATLAB & Simulink и RTL-SDR
• Добро пожаловать в мир программно-определяемого радио на Wayback Machine (архивировано 23 февраля 2023 г.)
• Программно определяемое терагерцовое радио в Политехническом институте Монреаля, Канада