Sdr технология в рпу реферат

Обновлено: 05.07.2024

Технология прямого цифрового преобразования сигналов всё больше завоёвывает мир. В этой статье будет максимально просто описаны способы и методы которые используются в оборудовании для радиолюбителей. 1 - классическая схема супергетеродина с цифровой обработкой сигнала

Многие продвинутые модели трансиверов сейчас строятся по приведённой выше схеме. Цифровая обработка начинается на низкой ПЧ (в районе 10-40кГц), а до этого приёмный тракт такой же как у классического супергетеродинного приёмника.

Это не SDR в чистом виде, такая схемотехника характерна для современных трансиверов ICOM и YAESU. Недостатки супергетеродинов здесь сохраняются, хотя и частично компенсируются, за счёт цифровой обработки НЧ-сигнала.

Главными элементами конструкции, определяющими характеристики приёмника, являются смесители и ПЧ фильтры, хотя DSP обработка сигнала и вносит значительную лепту в конечный сигнал. Ярким представителем этой технологии является трансивер ICOM IC-7600.

2 - SDR приёмник с переносом спектра на низкую частоту

На блок-схеме выше мы видим SDR приёмник, называемого условно первым поколением. Недостаток в том, что принимаемый спектр сначала переносится на звуковую частоту и затем начинается его обработка. В качестве АЦП (аналого-цифровой преобразователь) может быть использована продвинутая звуковая карта, она и определяет основные характеристики приёмника.

Первый смеситель квадратурный балансный, работающий в ключевом режиме, далее стоит АЦП. Чем больше разрядность и скорость - тем выше основные характеристики приёмника.

Типовым преедставителем этой технологии, является трансиверная приставка к компьютеру SunSDR и SDR-1000.

3 - SDR приёмник с обработкой сигнала на принимаемой частоте

Это современная технология. Смесителя нет! ПЧ нет! Сигнал приходящий в антенну, сразу подвергается оцифровке. Это называется прямой оцифровкой сигнала. АЦП работает на приёмной частоте.

Трансиверы с такой схемотехникой выпускает FlexRADIO, SunSDR, Zeus Radio и другие производители.

Характеристики приёмника во многом определяет АЦП (аналого-цифровой преобразователь), а возможности определяются программой. Цифровую обработку сигнала после АЦП, производят с помощью программируемых логических интегральных схем (ПЛИС).

Принцип работы SDR основывается на оцифровке принятого радиосигнала и дальнейшей обработке его уже в цифровой форме.

Tехнология прямого цифрового преобразования и прямого цифрового синтеза (DDC/DUC), с диапазонными фильтрами, позволяет получить максимально высокие характеристики приёмного тракта. Важно, чтобы АЦП был 16-и разрядным, с частотой не менее 100мГц.

Большая нагрузка по оконцательной обработке принимаемого сигнала ложиться на компьютер, поэтому он должен быть современным.

В настоящее время активно развивается технология direct RF sampling. Это оцифровка сигнала на принимаемой частоте. Необходимые АЦП уже выпускаются.

Как известно, Герц не предвидел возможности применения электромагнитных волн в технике. В самом деле, было трудно увидеть в слабых искорках, которые Герц рассматривал в лупу, будущее средство связи, перекрывающие ныне космические расстояния до Венеры и Марса и позволяющее управлять самоходным аппаратом на Луне. Даже человеку с неистощимой фантазией, знаменитому писателю Жюлю Верну не удалось предвидеть радиосвязь, и герои его романа “Плавучий остров”, написанного после опытов Герца, не знают способов беспроволочной связи.

Сегодня же современный мир невозможно представить без радиосвязи, телевидения, радиовещания, радионавигации. В основе этих отраслей лежат принципы генерации и распространения электромагнитных волн в пространстве. Радиотехнические методы и устройства применяются в автоматике, вычислительной технике, астрономии, физике, химии, биологии, медицине.
Современные ноутбуки, сотовые телефоны, КПК и прочие мобильные устройства имеют множество дополнительных функций, позволяющих поддерживать связь друг с другом, выходить в шнтернет, обмениваться информацией, слушать радио, управлять различными устройствами и т.п.

Зачастую одно и то же устройство оснащено поддержкой нескольких стандартов и методов передачи, причём как проводных, так и беспроводных. Однако для корректной одновременной работы нескольких приложений необходимо, чтобы информация передавалась по нескольким параллельным каналам.
Сейчас это реализуется с помощью многоядерных процессоров или на нескольких кристаллах. Но есть более подходящий путь: использование программно-конфигурируемого радио — Software Defined Radio (SDR).

Все его настройки и параметры задаются программно, а само устройство помещается на одном кристалле, имеет очень малый размер и значительные функциональные возможности.

Глава 1. Технология SDR

Устройства связи, в которых предусмотрена возможность изменения рабочего диапазона, типа модуляции, стандарта связи и ряда других параметров, можно назвать настоящей панацеей в нынешней ситуации, когда мы имеем несколько различных стандартов и технологий, нацеленных на разные приложения, и массу зачастую несовместимого радиооборудования. Технология SDR призвана решить проблемы несовместимости, она позволяет создавать унифицированные многофункциональные беспроводные терминалы с большим сроком жизни.

Существует так же несколько определений SDR технологий, которые можно встретить в информационных ресурсах.

На Форуме разработчиков SDR можно найти и совсем короткое, но емкое определение:

Определение шнститута инженеров по электротехнике и электронике:

В программно определяемом радиооборудовании РЧ параметры функционирования, могут быть установлены или изменены при помощи программного обеспечения и/или оборудования, с помощью которого это достигается. Это касается диапазонов частот, типа модуляции, выходной мощности, но не ограничивается только этими параметрами.
Концепция SDR применима ко многим технологиям радио и стандартам. В мобильном оборудовании SDR методы применимы и к передатчикам, и к приемникам. Концепция не относится к изменениям параметров режима работы, которые происходят в течение нормального предустановленного (pre-installed) и предопределенного (predetermined) функционирования радиооборудования, соответствующего системным техническим требованиям или стандарту.

Определение SDR, данное Федеральной комиссией связи FCC (США):

Радиооборудование, включающее приемопередатчик, в котором такие параметры режима работы, как диапазон частот, тип модуляции и выходная мощность, могут быть изменены при помощи программного обеспечения без любых изменений в аппаратных компонентах, используемых для излучения радиочастот.

Такая концепция выполнения радиооборудования является альтернативой традиционным многодиапазонным и многомодовым устройствам, в которых для каждого диапазона, стандарта или технологии используются отдельные специализированные компоненты или даже тракты РЧ блока.

Принятый аналоговый сигнал оцифровывается и затем обрабатывается с использованием цифровых сигнальных процессоров. Преобразование сигнала в цифровую форму может произойти в РЧ, ПЧ или бейсбенд (информационном) трактах. В тракте передачи модулированный сигнал в генерируется в цифровой форме, а его преобразование в аналоговую форму для последующей передачи может производиться в ПЧ или РЧ трактах.

В идеальном случае радиооборудование SDR не должно иметь аналоговых функциональных узлов, за исключением малошумящего усилителя МШУ тракта приема и усилителя мощности тракта передачи (рис. В SDR приемопередатчиках аналоговый сигнал должен преобразовываться в цифровой на выходе антенно-фидерной системы и проходить далее обработку только в цифровой форме. На современном же этапе развития техники для реализации входной части приемника используются раздельные аппаратные устройства для каждого диапазона, а программно определяемая обработка сигналов производится только на частотах ПЧ.

Таким образом, программно-определяемое радиооборудование обладает рядом характерных свойств. Основной отличительной чертой такого радиооборудования является то, что программируемость устройств, реализованная программно (software programmability), в отличие от реализованной аппаратно (hardware programmability), позволяет изменять основные параметры и характеристики радиооборудования наиболее простым образом.

Ресурс дорогостоящего оборудования, такого как базовые станции сотовой связи, на сегодняшний день существенно превышает срок их конкурентоспособности по предоставляемым услугам и параметрам. В то же время модернизация уже развернутых систем связи практически невозможна, поскольку требует полной замены существующего оборудования. Разрабатываемые в рамках тех или иных стандартов улучшенные алгоритмы обработки сигнала и новые виды сервиса не могут быть внедрены по причине их низкой окупаемости. Аналогичный эффект - в случае перехода от одного стандарта связи к другому. Существующие приемопередатчики разработаны, как правило, для работы с сигналами, соответствующими одному определенному стандарту связи. При необходимости работы с сигналами других стандартов пользователь вынужден полностью менять оборудование. Конкурентные преимущества в этих условиях получают системы с наибольшей гибкостью.

Технология SDR (Software Defined Radio) позволяет решать такие проблемы и позволяет "малой кровью" модернизировать одну из наиболее сложных и дорогих частей приемо-передающей аппаратуры - ее трансивер. Трансивер, разработанный в концепции SDR, обеспечивает поддержку широкого спектра стандартов связи. Перепрограммирование трансивера для его адаптации под другой стандарт связи не влечет за собой изменения в аппаратной части. Отличительными чертами таких устройств являются:

ИСпользование SDR технологии обусловлено тем, что она позволяет принимать и передавать сигналы с использованием разных частот и стандартов, выбор которых зависит от самых различных факторов. Эта технология поддерживается как производителями оборудования, так и поставщиками услуг систем связи и позволяет устранить противоречие между ними: производители используют стандарты, четко описывающие систему и позволяющие им производить крупные партии стандартных устройств, поставщики же не любят эти стандарты, поскольку стандарт делает затруднительным дифференциацию услуг. SDR технология позволяет
производить стандартные устройства и делать эти устройства уникальными программным способом. При этом конечный пользователь получает большую "мобильность", благодаря возможности использования мультистандартных мобильных станций, в которых переключение с одного стандарта на другой происходит автоматически без участия последнего.

Одной из составных частей концепции SDR является использование цифровой ПЧ (промежуточной частоты) для обеспечения режимов Digital IF на прием и Direct IF на передачу, и перепрограммируемых устройств частотной селекции сигнала.

Важность использования цифровой ПЧ в идеологии построения приемника тесно связана с удешевлением аналоговой его части. Если параметры цифрового фильтра могут быть улучшены за счет повышения его порядка и разрядности, то для аналогового фильтра ситуация совсем иная. Параметры цифровой фильтрации и гетеродинирования на практике обычно ограничены здравым смыслом разработчика, в то время как для аналоговых устройств ограничения чисто физические, такие как самые разнообразные шумы и нелинейности. Именно этим обусловлено использование нескольких гетеродинов и поэтапной аналоговой фильтрации.

SDR включает аппаратную и программную части. Аппаратная состоит из трех функциональных блоков

Секция базовой станции, содержащая протокол второго уровня (Layer 2, согласно семиуровневой модели OSI), выполняет базовые операции связи: установку сеанса связи, уравнивание, хоппинг, восстановление тайминга, корреляцию и т. д. В программно-управляемом радио протокол второго уровня и операции модуляции/демодуляции реализованы программно.

Архитектура программной части изображена на схеме:

По сути, ее функция сводится к распределению ресурсов аппаратных средств для их использования различными приложениями связи и трансляции протокола второго уровня вышестоящим протоколам (WAP, TCP/IP).

В приемной аппаратуре построение дешевого и малошумящего аналогового тракта возможно только за счет ослабления требований по фильтрации в нем сигнала и обеспечении всей необходимой избирательности в цифровом тракте. С учетом мультистандартного характера проектируемого устройства, которое к тому же может быть многоканальным, использование цифровой ПЧ представляется единственно возможным вариантом обработки принимаемого сигнала.

С передатчиком ситуация обстоит еще интереснее. Поскольку современные системы используют самые разнообразные схемы модуляции, требующие зачастую сложных и высокоточных схем формирования квадратурных компонент сигнала (зачастую многоканальных), сформировать их на нулевой частоте просто не представляется возможным.

Таким образом, использование технологии SDR обусловлено тем, что она позволяет обрабатывать и передавать сигналы с использованием разных частот и стандартов, выбор которых зависит от самых различных факторов.

Глава 2. Основные особенности SDR

Ниже на рис. 4 и 5 соответственно иллюстрируются основные недостатки традиционного аналогового подхода и достоинства использования цифрового SDR приемника для построения радиоприемных каналов.
Принятые на рис. 4 и рис. 5 сокращения: ВЧ - высокая частота; ПЧ - промежуточная частота; НЧ - низкая частота.

Недостатки традиционного аналогового приемника: требуется точная настройка; чувствительный к температуре и разбросу параметров компонентов; нелинейные искажения; сложно строить перестраиваемые фильтры и фильтры с подавлением более 60ДБ.

Достоинства SDR приемника: не требует настройки; низкая чувствительность к температуре и разбросу параметров компонентов; простая реализация перестраиваемых фильтров с подавлением более 100Дб; высокая точность и широкий диапазон перестройки фазы и частоты гетеродина.

Глава 3. Перспективы SDR технологии

В прошлом году появились специальные методы оптимизации программ, которые позволяют автоматически выбросить неиспользуемый код и подобрать оптимальный размер памяти для данной системы.

Глава 4. Технологии SDR на службе у разработчиков систем

В телекоммуникационных технологиях продолжается стремительный переход от аналоговых методов передачи и обработки сигналов к цифровым. Все больше функций современных радиосистем реализуются посредством программного обеспечения (ПО), что приводит к появлению радиооборудования, функциональность которого задается и изменяется программно. Речь идет о технологии
SDR (Software-Defined Radio, программно определяемое радио). До недавнего времени с этой технологией связывали исключительно телекоммуникационные приложения. Однако специалисты компании "Центр АЦП" создали SDR-платформу, позволяющую строить на ее основе не только телекоммуникационное, но и контрольно-измерительное оборудование.

Сигнал после первичной обработки в цифровом приемной обработке во внешнем устройстве (компьютере). Для передачи непрерывного цифрового потока IQ внешнему устройству предусмотрен интерфейс USB 2.0 (сигнал с полосой от 30 кГц до 3 МГц), а также цифровой порт вывода (полоса от 30 кГц до 30 МГц).

Высокая частота дискретизации 200 МГц с мгновенным линейным динамическим диапазоном 87 дБ обеспечивают минимальное время измерения параметров сигнала во всей полосе частот и минимальное число пораженных частот, а также позволяет работать с широкополосными сигналами. Кроме того, благодаря высокой частоте дискретизации достигаются высокие соотношения сигнал/шум в узкой полосе частот за счет дополнительной цифровой фильтрации.

Заключение

В будущем системы связи будут совмещать множество технологий передачи информации. С точки зрения пользователя это означает, что все возможные операции можно будет проводить с помощью одного и того же устройства. Для этого нужна поддержка всех скоростей работы, типов модуляции, физических полос пропускания и несущих частот в одном устройстве.

Возможно, потребуется наличие нескольких антенн и передатчиков для работы параллельных приложений. Такие системы уже начинают появляться. Однако проблем на пути к системам программно-определяемой связи остаётся ещё очень много.

В первой части были описаны основные виды SDR-устройств и кратко были приведены их характеристики. Во второй части я расскажу подробнее о плюсах и минусах SDR, также будут приведены примеры использования этой технологии.

Продолжение под катом (осторожно, траффик).

Если кто пропустил первую часть, желательно начать с нее, чтобы лучше понимать о чем речь.

Преимущества SDR

Панорамный обзор эфира

Посмотреть как это выглядит и послушать что творится в эфире, может любой, открыв web-панораму на голландском SDR. Как пример картинки оттуда, хорошо видна работа ППРЧ (но это не точно).

Регулируемые цифровые фильтры и звуковые эффекты

Аналогично могут задаваться настройки шумоподавления, коэффициенты АРУ и пр.

Возможность измерений

SDR это довольно-таки точный измерительный прибор. Начиная от банального отображения уровней разных станций в децибелах, до оценки помех, качества сигнала и пр. Все недостатки своего или чужого сигнала отлично видны на спектре.

Для примера, на картинке виден сигнал FM-станций. Сразу видно кто где вещает, с каким уровнем, какие станции мешают друг другу.

Также можно использовать SDR как анализатор спектра.

Широкополосная обработка

Прием сигнала сразу широкой полосой в несколько мегагерц открывает удивительные возможности для обработки сигналов. Любители азбуки Морзе и радиосоревнований, например, могут декодировать позывные сразу в широкой полосе (хотя, по-моему, это неспортивно, но это другой вопрос).

С помощью SDR и Virtual Audio Cable пользователи с раздвоением личности могут слушать сразу две станции, одну в правое ухо, другую в левое ;)

Можно предположить, что в проф. устройствах обработка широкой полосы дает большие возможности по поиску, классификации, обнаружению ~~и подавлению~~ различных сигналов. Вероятно, технология активно используется в радарах и прочих устройствах.

Прием и передача практически любых видов модуляции

Обработка сигналов делается на ПК, поэтому вычислительные возможности ограничены лишь наличием нужных декодеров. AM, FM, WFM, DRM, DAB+, TETRA и много других страшных слов — практически для всех современных открытых протоколов можно найти декодер.

Что касается передачи, то владельцы URRP или LimeSDR могут, например, поэкспериментировать с DAB+.

Широкополосная запись и воспроизведение

Т.к. в SDR все данные пишутся изначально в цифре, нет проблем записать всю полосу сразу целиком, чтобы прослушать или проанализировать потом. В одной записи может содержаться сразу несколько радиостанций, которые можно прослушать точно также, как с реального приемника. Это чем-то похоже на RAW-файл с фотокамеры, где постобработку (баланс белого и пр) можно сделать уже после съемки.

По ссылке приведен пример записи с шириной полосы 760КГц, панорама которой выглядит вот так:

В записи можно найти сразу много чего — маяк точного времени, телеметрию, приводные маяки, вещательные станции. Открыть ее можно в ~~Matlab~~ бесплатной программе HDSDR. Недостаток здесь только один, это большой размер. Одна минута записи при таком битрейте занимает 350Мбайт. Но разумеется, при реальных записях нет смысла писать все подряд, можно выбрать ширину полосы в зависимости от задач.

Удаленная работа

Еще одно активно развивающееся направление. Некоторые SDR приемники и трансиверы имеют возможность удаленной работы — т.к. приемник доступен по IP-адресу, то нет принципиальной разницы, стоит он рядом на столе или в 100км на даче (разумеется, битрейт передачи нужно настроить в соответствии с шириной интернет-канала). Учитывая, что помех в городах все больше и больше, это может стать весьма актуальным.

Инженерные и исследовательские задачи

Разумеется, при наличии широкополосной записи и воспроизведения, открываются большие возможности для отладки разных сигналов, протоколов, тестирования методов ЦОС и пр. Специализированные девайсы для исследовательских целей (USRP) позволяют работать full duplex, также могут иметь несколько входов и возможность синхронизации, что позволяет тестировать такие алгоритмы как direction finding.

С помощью GNU Radio можно создавать и тестировать сложные системы обработки сигналов, используя большое количество готовых блоков.

Преимущества надеюсь, понятны, поговорим о недостатках.

Недостатки SDR

Только стационарная работа

Главный недостаток для большинства пользователей — SDR это фактически стационарный настольный прибор, брать его с собой весьма неудобно и некомфортно. В городах, увы, уровень помех зачастую зашкаливает, а портативных приемников с SDR и IQ-записью пока практически нет.

В последние годы стали появляться приемники и трансиверы, сделанные по SDR-технологии, но компактного и легкого устройства, которое можно было бы просто взять с собой, пока на рынке так и нет. Конечно, при желании можно взять с собой ноутбук, SDR, антенну, провода, адаптеры, powerbank, но все это достаточно громоздко и неудобно. Рынка портативных SDR-устройств пока де-факто не существует. Из исключений разве что RDR-Pocket, но его цена порядка 1500Евро, и он выпускается только под заказ. Современные технологии вполне позволяют делать такие устройства, но на них просто нет платежеспособного спроса.

Как очевидно из описания, хороший SDR — это достаточно дорогостоящий прибор. Сверхбыстрые АЦП и ПЛИС, малошумящие каскады на входе, многослойные печатные платы, качественные фильтры и пр — цена хороших DDC SDR начинается от 500$ и выше, и дешево такое никак не сделать. Профессиональные приемники (USRP, Winradio) стоят от 1500$ и выше.

Сложная алгоритмическая часть

Энергопотребление и процессорные требования

Заключение

В предыдущей части некоторые задавались вопросом, зачем это вообще нужно, надеюсь отчасти удалось ответить этот на вопрос.

Все что планировалось, в одну статью опять не влезло. В следующей части будет рассмотрен программный интерфес к SDR-приемнику на языке Python, и возможно, немного работы с GNU Radio.

На этот раз я хочу вам представить свой любимый и неповторимый, всеволновый, приемник-радиосканер RTL SDR V.3! Это универсальный приемник с огромным диапазоном принимаемых частот, последняя версия которого V.3 практически не имеет никаких глюков и недостатков — что говорит о серьезном отношении создателей.

Что такое SDR приемник

По версии Википедии, SDR приемник — это

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.

Приемник подключается к компьютеру через USB порт (может подключаться к смартфону), абсолютно не нуждается в интернете, работает с живым эфиром!

Выглядит вот так :

Корпус приемника очень качественный (как и сам приемник), естественно покупать его стоит только у официального производителя, который имеет свой магазин на Алиэкспресс:

Корпус выполнен из алюминия с четкой надписью, на передней части устройства: адреса сайта разработчика, функций которые выполняет устройство, названия базовых электронных элементов , на которых построена схема радиосканера. С обратной стороны корпуса наклеен шильдик с датой производства устройства и написан официальный производитель.:

Алюминиевый корпус очень прочный, внутри выполнены ребра жесткости, выполняет защитную функцию платы и чипов, функцию радиатора ( чипы сильно греются градусов до 45-50- это нормальный режим работы), функцию экрана от радиопомех.

С одной стороны корпус заканчивается USB разъемом,с другой стоит антенный SMA разъем.

История создания сканера

История создания этого сканера — просто мистическая: приемник собран на микросхеме RTL2832U предназначенной для приема цифрового телевидения формата DVB-T, казалось бы ничего необычного,все смотрят телевизор, но неожиданным образом в 2012 году происходит утечка информации от производителя Realtek о недокументированных режимах работы микросхемы. Выяснилось, что микросхема может оцифровывать радиосигнал из антенного входа, а фильтровать и выделять полезный сигнал может процессор ПК. Радиолюбители всего мира просто обалдели: в один момент они получили радиосканер стоимостью в 20 долларов,практически идентичный тем, которые стоили свыше 500- 700 долларов!

Как выглядит приемник внутри

Вот так выглядит плата приемника:

Все четко и аккуратно, как на материнских платах компьютера.

Я покупал приемник с антенной, так как своей на разные диапазоны еще не делал, но этой антенны вполне достаточно для того, что бы послушать 2 метровый , 70 сантиметровый , FM диапазоны , можно даже декодировать цифровой сигнал радиостанций, чему я очень был удивлен :)!

Вот такая антенка идет в комплекте:

Телескопическая антенна с креплениями на гибкие ножки, можно прицепить куда угодно в любом положении( для приема вертикальной поляризации требуется ножки располагать вертикально), так же имеется крепление на стекло, что очень удобно — можно закрепить антенну на улице с внешней стороны окна.

Также в комплекте идет кабель с разъемами SMA длиной около 3 метров.

Что же реально можно послушать приемником ?

самое первое и простое, что вы услышите при первом включении приемника это будет множество радиошумов:)
потом выйдя в диапазон FM радио, вы услышите множество мощных FM станций.

Постепенно осваивая программное обеспечение и совершенствуя антенну услышите:

Установку и подключение радиосканера RTL-SDR , а также программное обеспечение, настройки и работу разберем в следующих выпусках.

Читайте также: