Программно определяемая радиосистема SDR презентация

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

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:).

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 человек даже не догадается об их присутствии.
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.

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
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.
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 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.
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 RAW-файл с фотокамеры, где постобработку (баланс белого и пр) можно сделать уже после съемки.
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.
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.

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.
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.

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.

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 полезным сигналом, усиление, преобразование полезного радиосигнала к виду, позволяющему использовать содержащуюся в нём информацию. Формально радиоприёмные устройства относят к радиостанциям, хотя такая классификация редко встречается на практике.
Супергетеродинный радиоприёмник (супергетеродин) — один из типов радиоприёмников, основанный на принципе преобразования принимаемого сигнала в сигнал фиксированной промежуточной 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.
Радиоприёмник прямого усиления — радиоприёмник, в котором отсутствуют промежуточные преобразования частоты, а отфильтрованный от соседних каналов и усиленный сигнал 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
Схема приемника супергетеродинного типа

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).

В настоящее время технологии создания ЦРПУ получили развитие в рамках так называемых программно-заданных 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.