Программно определяемая радиосистема SDR

1.

Программно определяемая радиосистема (англ. Software-defined radio, SDR) —
радиопередатчик и/или радиоприемник, 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.

2.

Идея software defined radio
Важным в концепции SDR является использование цифровой ПЧ
(промежуточной частоты, IF — Intermediate Frequency ) для
базируется на двух частях:
Передача широкополосного сигнала с обеспечения режимов Digital IF в ЦРПУ и Direct IF на передачу и
перепрограммируемых устройств частотной фильтрации сигнала.
радиоприемника в компьютер. Ширина Использование цифровой ПЧ в ЦРПУ позволяет удешевить АУТ и
диапазона обрабатываемой полосы
прежде всего используемые в нем аналоговые фильтры, т.к. повышение
может быть от 48КГц (звуковая карта избирательности аналогового РПУ достигается использованием
ПК) до 50МГц (сверхбыстрый АЦП с многократного преобразования частоты, для чего необходимо
передачей сигнала по Gigabit Ethernet несколько гетеродинов, и поэтапной аналоговой фильтрации,
обеспечивающей подавление помех по неосновным каналам приема.
или USB3.0).
При этом возрастает уровень разнообразных шумов и нелинейностей, а
Демодуляция сигнала — это все то, частотная избирательность повышается за счёт усложнения
что «обычный» радиоприемник (AM, конструкции налоговых фильтров, что достигается применением не
FM, фильтры и пр) делает в «железе» перестраиваемых ФСИ.
Параметры цифровой фильтрации могут быть улучшены за счёт
— в SDR делается на компьютере,
математическими алгоритмами. Само повышения порядка и разрядности цифрового фильтра и использования
радиоприемное устройство конечно, цифрового гетеродирования. Построение дешевого и малошумящего
АУТ возможно только за счёт ослабления требований по фильтрации в
все равно нужен, но только его
нем сигнала и обеспечения всей необходимой избирательности в
«половина» — та часть, которая
цифровом тракте. Использование цифровой ПЧ стало возможным
собственно принимает радиосигнал.
благодаря появлению высокоскоростных АЦП и ЦАП с большой
разрядностью и высокой линейностью, высококачественных цифровых
гетеродинов (цифровых синтезаторов частоты, ЦСЧ),
высокопроизводительных устройств цифровой обработки сигналов.

3.

Виды SDR
Существующие SDR можно разделить на 3 вида:
Уже устаревшие модели на базе звуковой карты — оцифровка сигнала в них происходит в ПК, а
сигнал передается на линейный вход по аудиокабелю. Сейчас они давно сняты с производства,
но иногда могут появиться на барахолке. Брать по большому счету, смысла никакого, разве что
отдадут даром — цена хорошей звуковой карты превысит цену самого SDR. Интересующиеся
«цифровой археологией» могут почитать сообщения на cqham за 2010 год о выборе звуковой
карты для SDR.
SDR, имеющие встроенный АЦП и передающие сигналы в ПК в цифровом формате. Это
большинство современных устройств среднего ценового диапазона. Они построены по
принципу гетеродинного приема, только после переноса частоты вместо НЧ-блока стоит АЦП.
Такие приемники имеют ширину полосы пропускания от 2 до 10МГц, есть разные модели на
разные частоты и диапазоны (rtl sdr, SDRPlay, Airspy). Недостаток любого супергетеродинного
приемника — наличие зеркальных каналов приема — поскольку фильтры неидеальны, станции
принимаются там где реально их нет. Даже если фильтры более-менее неплохие, сигналы
мощных станций все равно могут «пролезать» и воспроизводиться в виде помех.
DDC (direct down conversion) SDR. Это самая современная технология на сегодняшний день.
Суть в том, что гетеродин здесь не нужен — сверхбыстрый АЦП с частотой оцифровки порядка
100млн семплов/с оцифровывает непосредственно входной сигнал с эфира, что позволяет
(согласно теореме Котельникова/Шеннона) иметь прием до частоты, равной половине частоты
дискретизации, т.е. в нашем примере до 50МГц. Битовый поток желающие могут прикинуть
самостоятельно — на компьютер оно разумеется, не передается, а обрабатывается в
быстродействующей ПЛИС прямо на плате, и нужная полоса (обычно до 6МГц) передается в
компьютер. Такой приемник не имеет зеркальных каналов, и в нем все хорошо (кроме цены:).

4.

Преимущества SDR
-не требует настройки;
-низкая
чувствительность
к
температуре;
-простая реализация перестраиваемых
фильтров с подавлением более 100 дБ;
-высокая
точность
и
широкий
диапазон перестройки фазы и частоты
гетеродина.
Панорамный обзор эфира
Первое, и самое очевидное —
SDR
показывает
панораму
радиоэфира «как есть».
Это достаточно удобно, как в
плане наглядности, так и в плане
поиска новых сигналов. На экране
сразу видно например, что какая-то
станция работает справа на 100КГц
выше по частоте, видны различные
помехи, новые и особенно короткие
сигналы, и пр. Сигналы с
быстроизменяющейся
частотой
например,
на
обычном
«классическом» приемнике или
трансивере просто не видны, и

5.

Регулируемые цифровые фильтры и звуковые
эффекты
В
SDR
все
фильтры
выполняются
математически, поэтому
любую ширину
фильтра можно просто выбрать «мышкой» или
задать
в
настройках.
Прямоугольность
фильтров тоже может быть практически
идеальная — математически можно выбрать
любой порядок фильтров, все ограничено лишь
алгоритмом.
Возможность измерений
Широкополосная обработка
Можно создавать неограниченное количество
«виртуальных приемников» в пределах полосы
пропускания. Для примера показано
декодирование радиолюбительских сигналов
WSPR сразу на двух диапазонах с одного
физического приемника.
С помощью SDR и Virtual Audio Cable
пользователи 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 сигнало
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 лиш
наличием нужных декодеров. AM, FM, WFM,
DRM, DAB+, TETRA и много других страшных
слов — практически для всех современных
открытых протоколов можно найти декодер.
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.
Широкополоснаязапись 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
Инженерные и исследовательские задачи
RAW-файл с фотокамеры, где постобработку Разумеется, при наличии широкополосной
(баланс белого и пр) можно сделать уже после записи и воспроизведения, открываются
съемки.
большие возможности для отладки разных
Удаленная работа
сигналов, протоколов, тестирования методов
Еще
одно
активно
развивающееся ЦОС и пр. Специализированные девайсы для
направление. Некоторые SDR приемники и исследовательских целей (USRP) позволяют
трансиверы имеют возможность удаленной работать full duplex, также могут иметь
работы — т.к. приемник доступен по IP-адресу, несколько
входов
и
возможность
то нет принципиальной разницы, стоит он синхронизации, что позволяет тестировать
рядом на столе или в 100км на даче (разумеется, такие алгоритмы как direction finding.
битрейт
передачи
нужно
настроить
в
соответствии с шириной интернет-канала).
Учитывая, что помех в городах все больше и
больше, это может стать весьма актуальным.

6.

7.

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 IQзаписью 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 дефакто 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.
Цена
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.
Впрочем, подвижки тут тоже есть. Вполне неплохие приемники SDRPlay с диапазоном от 10КГц до 2ГГц продаются за 150$, и хотя
это не DDC и АЦП всего 12бит, но для большинства задач приема его хватает. «Свистки» RTL-SDR за 30$ уже наверное есть у
каждого радиолюбителя. Для любителей УКВ и обработки сигналов есть недорогие LimeSDR, которые при цене в 200-300$
покрывают диапазон до 6ГГц.
Сложная алгоритмическая часть
Понятно, что за внешней простотой и удобством «скрываются» серьезные алгоритмы цифровой обработки сигналов. За последние
лет 10 создано большое количество разнообразного софта для SDR, и скорее всего обычному пользователю и не придется ничего
дописывать. Но при желании что-то исправить или создать свое, это не так просто сделать, «порог входа» достаточно большой.
Энергопотребление и процессорные требования
Также очевидно, что ток потребления довольно высок, как и требования к CPU и видеокарте. Обычный «классический»
радиоприемник может работать месяц от батареек, DDC SDR будет потреблять не менее 1-2А во время работы.

8.

SDR приемники могут быть построены по схеме прямого
преобразования или по схеме с промежуточной частотой
(супергетеродинный приемник), каждая схема имеет свои
достоинства и недостатки. Основные преимущества
приемника прямого преобразования
– простота и
отсутствие побочных каналов, возникающих при наличии
промежуточной частоты.
Супергетеродинный
приемник
не
имеет
этих
преимуществ, зато имеет лучшую избирательность. Также
есть существенное ограничение, связанное с полосой
перестройки SDR приемника прямого преобразования. Она
ограничена возможностями АЦП. Так, например, при
реализации SDR на ПК со звуковой картой с частотой
дискретизации 44100 Гц, полоса перестройки составит около
20 кГц. Применимо к SDR супергетеродинные приемники
также делятся на приемники с аналоговой промежуточной
частотой и программной промежуточной частотой
Для реализации SDR приемника на базе ПК логичным
видится применение схемы супергетеродинного приемника
с программной промежуточной частотой. Аппаратная часть
позволит производить настройку в широком диапазоне
частот, а программный гетеродин будет отвечать за точную
подстройку сигнала. Также стоит отметить, что в
большинстве SDR приемников происходит обработка
синфазного (I) и квадратурного сигналов (Q), именно
поэтому перед ЦОС во всех схемах сигнал сначала
расщепляется на I и Q компоненты.

9.

Под радиоприёмным устройством понимают радиоприёмник, снабженный антенной, а также средствами
обработки принимаемой информации и воспроизведения её в требуемой форме. Во многих случаях антенна и
средства воспроизведения конструктивно входят в состав радиоприёмника. Радиоприёмное устройство выполняет
пространственную и поляризационную селекцию радиоволн и их преобразование в электрические радиосигналы
(напряжение, ток) с помощью антенны, преобразование по частоте, выделение полезного радиосигнала из
совокупности других (мешающих) сигналов и помех, действующих на выходе приёмной антенны и не совпадающих
по
частоте с прямого
полезным
сигналом,
усиление, впреобразование
полезного радиосигнала
виду, позволяющему
Радиоприёмник
усиления
— радиоприёмник,
котором
Супергетеродинный
радиоприёмникк (супергетеродин)
— один из
отсутствуют
промежуточные
частоты,
а
использовать
содержащуюся впреобразования
нём информацию.
Формально
радиоприёмные
устройства
относят
к радиостанциям,
типов
радиоприёмников,
основанный
на принципе
преобразования
отфильтрованный
от соседних
каналов
и усиленный
сигнал
принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной
хотя
такая классификация
редко
встречается
на практике.
принимаемой радиостанции поступает непосредственно на детектор.
Радиоприёмник прямого усиления состоит из колебательного
контура, нескольких каскадов усиления высокой частоты,
квадратичного амплитудного детектора, а также нескольких каскадов
усиления низкой частоты.
Сигнал, выделенный колебательным контуром, поступает на
усилитель высокой частоты. С УВЧ сигнал подаётся на детектор, с
детектора снимается сигнал звуковой частоты, который усиливается
ещё несколькими каскадами усилителя низкой частоты, откуда
поступает на громкоговоритель или наушники.
Схема приемника прямого усиления
частоты с последующим её усилением. Основное преимущество
супергетеродина перед радиоприёмником прямого усиления в том,
что наиболее критичные для качества приёма части приёмного
тракта не должны перестраиваться по частоте, что позволяет
выполнить их со значительно лучшими характеристиками.
Схема приемника супергетеродинного типа

10.

Радиоприемным устройством (РПУ) называется радиоэлектронное устройство, предназначенное
для улавливания, усиления, преобразования и использования энергии электромагнитных волн с
целью воспроизведения передаваемого сообщения. В более широком смысле радиоприемное
устройство предназначено для выделения сообщения ( информации), заложенного водном из
параметров (амплитуде, фазе, частоте) несущего ВЧ колебания, сформированного
радиопередающим устройством ( РпдУ ). РПУ является неотъемлемой частью большинства
радиотехнических систем (связи, радиолокации, радионавигации, телеметрии и т.д.) и должно
выполнять следующие основные функции:
-функцию избирательности — обеспечивать выделение полезного сигнала из помех по
различиям в их параметрах и характеристиках;
- функцию усиления — увеличения уровня полезного сигнала;
-функцию преобразования — изменения спектрального состава полезного сигнала с целью
создания наилучших условий для его обработки.
Основными требованиями,предъявляемыми к современным РПУ, являются:
-обеспечение требуемого подавления помех, сопровождающих прием сигнала;
-реализация усилительных свойств, позволяющих принимать сигнал минимального уровня
(обеспечение чувствительности РПУ) и обеспечивающих постоянство уровня сигнала на выходе
РПУ при изменении интенсивности входного сигнала (регулировка усиления);
-выделение информации, содержащейся в модулированном ВЧ сигнале, с заданной
достоверностью (искажениями).

11.

В настоящее время технологии создания ЦРПУ получили развитие в рамках так называемых программнозаданных радиосистем (ПЗР, Software Defined Radio SDR). ПЗР (SDR)-технологии, - это комплект элементных,
аппаратных и программных технологий, позволяющих создавать аппаратуру с реконфигурируемой архитектурой
для беспроводных сетей передачи информации, включая оконечное оборудование ( < конструктор разработчика >)
.ПЗР обеспечивает эффективные и сравнительно недорогие решения проблем создания многофункциональных
беспроводных устройств, способных изменять свою функциональность посредством обновления встроенного
программного обеспечения. Таким образом, ПЗР можно рассматривать как технологию современных беспроводных
телекоммуникаций. Радиосистемы, основанные на ПЗР, отличают:
– стандартная открытая и гибкая архитектура, пригодная для широкого круга телекоммуникационных продуктов;
– возможность поддержки как устаревших, так и современных и перспективных коммуникационных стандартов в
рамках одной платформы;
– изменение функциональности устройств, равно как и исправление ошибок во встроенном программном
обеспечении, непосредственно через эфир;
– возможность создавать единые коммуникационные сети между коммерческими, гражданскими, федеральными и
военными организациями;
– существенное снижение удельной стоимости жизненного цикла изделий.

12.

13.

ЦРПУ предназначено для приема, оцифровки и буферизации широкополосных сигналов КВдиапазона, а также поиска, выделения и обработки НЧ-сигналов. ЦРПУ является программируемым,
алгоритмы обработки определяются программами демодуляции и декодирования.
Перспективы развития РПУ
Общая тенденция развития электроники на современном этапе — переход к цифровой (дискретной)
обработке. Цифровая обработка сигналов (ЦОС) является основой современных телевидения и радио,
телефонии. В настоящее время широкое распространение получили цифровые каналы радиосвязи,
состоящие из обычного непрерывного (аналогового) канала, к которому на входе (в передатчике)
подключено устройство формирования и кодирования цифровых сигналов, а на выходе (в приемнике)
— решающее устройство. Последнее служит для опознавания переданных сигналов и подачи их на
декодирующее устройство. Включение решающего устройство в канал обеспечивает разделение
полезных сигналов и действующих в канале связи помех. Таким образом, вид канала связи
(аналоговый или цифровой) в принципе никак не связан с методом обработки сигнала в приемном
устройстве. Преобразование сигнала в цифровую форму в цифровом РПУ (ЦРПУ), т. е. на выходе
канала связи, происходит независимо от того, какую информацию несет сигнал в канале связи:
аналоговую или цифровую.
ЦРПУ современных систем радиосвязи строятся с применением элементов дискретной цифровой
техники в микроминиатюрном исполнении и микропроцессоров.
Цифровая обработка сигналов (ЦОС) в сравнении с аналоговой обладает следующими
преимуществами:
- высокой точностью обработки сигнала, которую можно повышать до любого необходимого значения
путем усложнения аппаратуры;
- высокой стабильностью характеристик, практически отсутствием параметрических уходов;
- возможностью запоминания и задержки на неограниченное время больших массивов информации,
быстрого и точного ее воспроизведения;
- возможностью реализации сложных квазиоптимальных и адаптивных методов приема и обработки
сигналов;
-высокой надежностью и степенью интеграции;