Журнал РАДИОЛОЦМАН, апрель 2014
Tom Gratzek, Analog Devices
EDN
Программно определяемые радиосистемы (Software-defined radio – SDR) становятся все более жизнеспособным и важным средством коммуникаций. В принципе, они позволяют с помощью одной аппаратной конструкции поддерживать связь в различных форматах, протоколах и частотных диапазонах, включая базовые станции GSM и LTE, системы MIMO и многое другое.
В своей основе архитектура SDR выглядит сравнительно простой, по крайней мере, теоретически. Казалось бы, достаточно непосредственно оцифровать усиленный сигнал, и дальше можно обрабатывать результаты дискретизации любыми программными алгоритмами. При этом не потребуются ни понижающий преобразователь частоты, ни гетеродин, ни какие-либо аппаратные настройки. Однако инженерам и программистам, которые хотели оценить потенциал SDR и, тем более, разработать изделия на их основе, собрать воедино все необходимые для этого аппаратные и программные элементы было большой проблемой. Требования к тракту обработки аналогового сигнала довольно жестки с точки зрения полосы пропускания, динамического диапазона, разрядности дискретизации и других параметров.
Создание платформы SDR осложнялось необходимостью перекрытия дискретных каналов в аналоговом входном блоке (AFE) для обеспечения охвата очень широкого радиочастотного спектра, который может занимать полосу от 100 мегагерц до нескольких гигагерц. В результате, требующееся для реализации широкополосной SDR количество элементов, их цена, размеры печатной платы и рассеиваемая мощность сводили на нет все потенциальные преимущества SDR. Более того, без соответствующих инструментов и поддержки, даже наличия основных аппаратных и программных средств разработки будет недостаточно.
Аналоговая микросхема в корне изменила ситуацию
Со всеми этими проблемами столкнулась компания Ettus Research, признанный на протяжении более десяти лет лидер в технологии SDR, когда приступила к разработке своей универсальной платформы USRP (Universal Software Radio Peripheral) – полностью интегрированного трансивера прямого преобразования, конфигурируемого для поддержки множества форматов, протоколов и частот. Их целью было создание эффективного, недорогого и простого в использовании устройства для рынка бюджетных продуктов.
Помимо этого, Ettus хотела обеспечить поддержку MIMO (Multiple Input/Multiple Output – множественный вход/множественный выход), – прогрессивной технологии, привлекающей к себе все больше внимания в связи с возможностью улучшения технических характеристик, повышения скорости обмена и снижения коэффициента битовых ошибок. Наибольшую сложность представляла необходимость соблюсти все предъявляемые к AFE требования в рамках единственной однополосной высокоэффективной сигнальной цепи, поскольку использование спектрального перекрытия параллельных каналов было слишком сложным и дорогим.
 |
|
| Рисунок 1. | Микросхема AD9361 компании Analog Devices оптимизирована для гибкого использования в конструкциях SDR с возможностью пользовательской настройки полосы частот. |
По счастью, к началу разработки оказалась доступной радиочастотная микросхема, созданная специально под требования SDR – приемопередатчик AD9361 Agile Transceiver компании Analog Devices. Это, показанное на Рисунке 1, устройство размером 10 × 10 мм с двумя независимыми каналами, позволяющее пользователю перестраивать ширину полосы пропускания радиочастотного тракта от 200 кГц до 56 МГц, имеет 12-битное разрешение и содержит все необходимое для построения сигнальной цепи, перекрывающей частотный диапазон от 70 МГц до 6 ГГц. Использование AD9361 позволило сократить конструкцию AFE до одной, сравнительно несложной схемы.
 |
|
| Рисунок 2. | Одноканальное устройство B200 с ПЛИС Spartan6, обеспечивающей обработку данных и связь через высокоскоростной порт USB 3.0. |
В результате разработки SDR появились два родственных продукта: базовый вариант B200 с одним передающим и одним приемным каналом (Рисунок 2), и B210, имеющий по два передатчика и приемника, и предназначенный для приложений MIMO (Рисунок 3). Оба изделия просты в использовании и поддерживаются мощной программной экосистемой интерфейса прикладного программирования, написанного на C++.
 |
|
| Рисунок 3. | Двухканальная USRP платформа B210, ориентированная на приложения MIMO. |
В каждом устройстве содержится перепрограммируемая ПЛИС Spartan6 с открытой прошивкой, обеспечивающая обработку данных и связь через порт USB 3.0. Отметим, что экономическая эффективность AD9361 настолько высока, что она используется как в конфигурации B200, так и в B210, несмотря на то, что B200 не обеспечивает дополнительной поддержки второго канала пары.
Эти полностью интегрированные трансиверы прямого преобразования могут быть сконфигурированы для экспериментальных исследований и оценки приемников сигналов телевизионного и УКВ вещания, макетирования базовых станций GSM с точками OpenBTS, разработки GNU Radio GPS, WiFi, ISM и для многого другого. Доступность аппаратных драйверов USRP упрощает создание программ в GNU Radio и позволяет пользователям объединяться в сообщества для совместной работы над открытым проектом.
Дополнительным преимуществом использования AD9361 в этом устройстве является операционная гибкость. Такие критические параметры, как коэффициент усиления и полоса пропускания не «зашиты» заранее в схему. Наоборот, они могут устанавливаться и даже изменяться «на лету» посредством команд, передаваемых процессом через порт SPI. Это позволяет применять алгоритмы оптимизации технических характеристик в соответствии с необходимым частотным диапазоном, полосой пропускания, отношением сигнал/шум и форматом данных без принятия компромиссов или неоптимальных альтернатив.
Подтвержденная пропускная способность системы реального времени USRP B200 составляет 61.44 миллионов выборок квадратурных составляющих в секунду, которые могут обеспечить мгновенную полосу частот до 56 МГц для дополнительной обработки хост-компьютером с использованием проектной среды GNU Radio SDR. Полная программная поддержка аппаратного драйвера USRP снимает проблемы повторного использования программного кода ранее созданных устройств, что позволяет пользователям немедленно приступить к разработке GNU Radio, макетированию собственной базовой станции GSM OpenBTS и простому переносу кода с B200 на стандартные промышленные платформы.
SDR раскрывает свои потрясающие возможности
Одно дело рассуждать о достоинствах программно определяемых радиосистем как красивой концепции, и совсем другое – увидеть и понять, что можно сделать с помощью SDR в реальности. Чтобы пощупать все своими руками, Бэлинт Сибер (Balint Seeber), инженер по приложениям компании Ettus Research, взяв B200 и ноутбук, недавно отправился в недельный поход по районам Сан-Франциско.
В отличие от других исследователей, он интересовался не географическими деталями, а окружающей его радиочастотной обстановкой. Обнаружив множество интересных сигналов и скрытых миров, Бэлинт рассказал о своем путешествии в подробном интервью.
Слишком долго SDR были манящей тайной для многих конструкторов, хотевших понять, какой может быть для них практическая польза от внедрения этих устройств в приложения различных категорий. С появлением таких продуктов, как платы B200 и B210 компании Ettus, создание которых стало возможным благодаря выпуску высокоинтегрированной сверхширокополосной микросхемы перестраиваемого приемопередатчика AD9361, инженеры получили инструмент исследования и использования программно определяемых радиосистем, которые стали для них менее таинственными и более привлекательными.
Купить AD9361 на РадиоЛоцман.Цены
