SDR для общественных систем безопасности


PDF версия

Одним из наиболее перспективных решений вопроса координации различных служб — пожарных, полиции и других — является применение программно-определяемого радио SDR — гибкого и мощного инструмента связи. В статье рассказывается об основных задачах, которые позволяет решить SDR.

Любой современной стране необходима национальная система радиосвязи для обеспечения общественной безопасности, которая, с одной стороны, может быть настроена под нужды организации, а с другой, обеспечивает взаимосвязь между разными службами. Кроме того, такая система безопасности должна иметь широкую полосу пропускания информационного сигнала и высокий уровень защищенности и надежности.
Еще несколько десятилетий назад международная организация As­so­cia­tion of Public Safety Commu­ni­cations Officials International (АРСО) приступила к разработке общественной системы безопасности, которая получила название Project 25 (P25). Изначально для сигнала был отведен один канал шириной 25 кГц, затем он был дважды разделен пополам (устройства Phase I и Phase II) для увеличения количества каналов. Применение цифровых методов обработки сигнала и SDR позволило значительно улучшить характеристики систем радиосвязи. Кроме того, цифровая обработка сигнала упрощает программирование и позволяет производить настройку параметров на ходу, без прерывания работы.
В пользу SDR говорит высокая гибкость и возможности настройки радио для получения максимальной пропускной способности. Одновременно SDR позволяют снизить мощность потребления, уменьшить габариты и стоимость устройства. Последние достижения, особенно в области аналого-цифровой электроники, позволяют реализовать поставленные задачи и получить эффективную систему общественной безопасности.

Основные преимущества SDR

В отличие от других цифровых устройств SDR — это не просто кристалл с программной «начинкой». Современные приемники рассчитаны на применение во встраиваемых системах, где значительная часть функционала реализуется программно. Программно-определяемое радио реализуется в виде программного приложения на сигнальном процессоре или встраиваемом ядре.
Преимуществами SDR являются, во-первых, возможность внесения изменений на последних стадиях проектирования, и во-вторых, обновление или исправление ошибок удаленно уже после проектирования. Кроме того, часть готового кода или библиотеки функций может быть использована повторно в SDR следующих поколений.
Программно-определяемое радио может быть реализовано на стандартной аппаратной платформе, например, C64+ (Texas Instruments), Blackfin (Analog Devices) или SDR20 (Infineon), либо на программируемой платформе на основе IP-блоков ARM, Tensilica, MIPS и т.д. Первый вариант намного проще, однако второй позволяет получить всесторонне оптимизированный продукт.
Ключевой элемент SDR — аналого-цифровой преобразователь. Со­вре­менные 12-разрядные АПЦ имеют пропускную способность до 3,6 Гбит/с. Они используются в системах SDR с широкой полосой пропускания, ко­то­рые обрабатывают одновременно несколько каналов с высокой входной частотой. Такие системы способны оцифровать все входные сигналы с высоким разрешением без использования отдельных сигнальных трактов и фильтрования каждого канала. Фильтрация производится цифровым способом с меньшим энергопотреблением. При этом схема имеет более качественные характеристики и занимает меньше места. Для сравнения на рисунке 1 приведены два варианта реализации цифрового приемника: классический и с применением SDR.

 

а)
б)
Рис. 1. Общая схема входного каскада цифрового приемника без применения SDR (а); с SDR (б)

 

Параметры АЦП

В SDR применяется цифровая обработка сигнала вместо аналоговой: фильтрация, преобразование частоты, модуляция и демодуляция выполняются в цифровой форме. Учитывая высокую пропускную способность и быстродействие SDR, к выбору АЦП следует подходить с особой тщательностью. Для высокопроизводительных АЦП, о которых идет речь, неприменимы стандартные характеристики, такие как свободный от гармоник динамический диапазон (SFDR), количество эффективных разрядов (ENOB) и отношение сигнал-шум (SNR). Они служат для оценки одиночного синусоидального сигнала в полосе Найквиста. Полоса частот в SDR гораздо шире, а вместо одного сигнала используются несколько. Соответственно, выбор АЦП следует производить по другим параметрам: минимальный уровень шума, интермодуляционные искажения (IMD), коэффициент шумовой мощности (NPR).
Минимальный (собственный) уровень шума определяется как мощность шума, приведенная ко входу и выражается в дБ/Гц. Этот параметр можно использовать для сравнения преобразователей, имеющих разную частоту выборки.
Интермодуляционные (перекрестные) искажения отражают выбросы, которые могут возникнуть при смешении двух и более входных сигналов (см. рис. 2). Перекрестные искажения измеряются с помощью синусоидальных сигналов или сигналов с ограниченной полосой.

 

Рис. 2. Перекрестные искажения при смешении нескольких сигналов

Коэффициент мощности шума — величина, характеризующая шум и искажение, которые вносит АЦП на данной полосе. Чтобы найти коэффициент шумовой мощности, нужно сначала измерить среднеквадратичное значение мощности шума сигнала внутри полосы подавления при отключенном режекторном фильтре, а затем — в его присутствии. Отношение полученных значений, выраженное в дБ, является уровнем собственных шумов.
Для примера рассмотрим недавно выпущенный 12-разрядный АЦП National Semiconductor ADC12D1600. Собственный шум данной ИС равен –147,5 дБм/Гц. Величина перекрестных искажений третьего порядка составляет –56 дБс, а коэффициент мощности шума для сигнала 500 МГц равен 52 дБ.
 

Нерешенные проблемы

Несмотря на все достоинства, SDR применяется пока не очень широко. Во-первых, для поддержания работы в режиме реального времени необходимо повышать его производительность. Ресурс внутренней памяти ограничен и не обеспечивает расширенного буферирования данных, поэтому важно максимально эффективно производить их обработку.
При одновременной обработке нескольких потоков нужно следить за сбалансированностью нагрузки на вычислительные элементы и модули памяти SDR, чтобы избежать конфликтов во время конвейерной обработки. Традиционно слабыми местами являются также внутренние шины, по которым данные передаются между модулями или во внешнюю схему.
При запуске нескольких приложений параллельно важно помнить, что вычислительная нагрузка приложений может сильно меняться во времени. Моменты пиковой нагрузки должны быть разнесены, иначе сигнал может кратковременно теряться.
Еще одна группа проблем связана с поддержкой большого набора стандартов радиосвязи. Входной тракт хотя и реализуется аппаратно, является частью SDR. Для приема нескольких типов сигналов требуется широкополосный входной тракт. Обработка полосы частот в несколько сотен кГц производится с помощью одного АЦП. Для коммерческих устройств это неприемлемая нагрузка.
Для мобильных устройств важным параметром является расход энергии. Потребление АЦП напрямую зависит от частоты дискретизации и разрешения, поэтому более предпочтительна узкополосная архитектура. Частота дискретизации АЦП должна быть высокой, чтобы выполнить критерий Найквиста. Слабым местом системы может стать внешний АЦП, поскольку пересылка данных между преобразователем и процессором должна производиться с большой скоростью.
Часто возникают сложности с совместимостью элементов и интерфейсов обмена. По возможности в системах, рассчитанных на работу с несколькими стандартами связи, следует использовать элементную базу одного производителя.

Система безопасности Р25

Как упоминалось выше, SDR позволяет создать единую систему безопасности и оповещения государственного значения. Такая система при правильном функционировании позволяет если не совсем избежать катастроф, то существенно снизить количество жертв и масштаб разрушений.
В системе безопасности Р25 применение SDR позволило увеличить пропускную способность за счет применения 4-уровневой частотной модуляции С4FM,которая обеспечивает ту же информационную емкость на более узком канале (12,5 кГц). В устройствах следующего поколения Phase II с шириной канала 6,25 кГц применяется совместимая квадратурная фазовая модуляция CQPSK. Оба типа модуляции обеспечивают скорость обработки 9600 бит/с на канал. Программируемая архитектура SDR автоматически обеспечивает обратную совместимость устройств Phase II, производя сканирование, классифицирование и адаптацию к формату передаваемых данных и типу модуляции.
Новые возможности для систем общественной безопасности открывает когнитивное радио — еще одна сфера применения SDR. Когнитивное радио содержит набор различных датчиков, с помощью которых производится оценка внешних условий и соответствующая адаптация работы. Например, когнитивное радио может распознать пользователя по сетчатке глаза и выбрать предустановленную для него конфигурацию (канал, режим работы) в соответствии с таблицей привилегий и прав доступа. Это позволяет заменять вышедшее из строя оборудование без повторного прописывания прав доступа. Кроме того, когнитивное радио обеспечивает защиту от несанкционированного доступа в случае потери или кражи оборудования.
Встроенный навигационный модуль не только показывает точное текущее местоположение пользователя, но и может использоваться для передачи координат другим пользователям. Некоторые радио Р25 имеют функцию отображения сотрудников на карте. Принадлежность сотрудника к той или иной организации определяется по цвету маркера.
Одной из главных задач когнитивного радио является непрерывный мониторинг радиочастотных ресурсов и классификация спектра. Это радио может автоматически подстраиваться под работу в условиях плохого качества сигнала или при высокой интерференции. При необходимости оно может изменять канал связи, тип модуляции и уровень передаваемой мощности, чтобы обеспечить наилучшее качество приема. Эта процедура называется иногда динамическим назначением каналов.
Применение когнитивного радио позволяет обновлять ПО, изменять права доступа, добавлять или удалять пользователей и даже добавлять новые каналы или типы модуляции удаленно, без прерывания работы. Это сокращает расходы, а также избавляет пользователя от необходимости сдавать аппаратуру для модернизации.
На сегодня радиосистемы общественной безопасности имеют два недостатка. Во-первых, большинство организаций не использует технических преимуществ систем Р25, обеспечивающих взаимную работу. Второй недостаток — ограниченная емкость канала, которой недостаточно для передачи фото, видеоинформации или других высокоскоростных цифровых данных. Эта проблема будет решена за счет использования сети LTE. Когда это будет реализовано, значение SDR для систем общественной безопасности еще больше возрастет.
Повышение надежности связи, усиление защиты доступа, ускорение передачи и обмена данными и мультимедийной информацией, быстрая отправка сигналов опасности на соответствующие станции — все это задачи SDR.

Литература
1. Kulchycki S. Software Defined Radio: Don’t Talk to Me about ENOBs.
2. Schlicht М., Speitel М. Software defined radio: defining the challenges.
3. Hosking R. Software Defined Radio: The Key to Public Safety Radios.

Оставьте отзыв

Ваш емейл адрес не будет опубликован. Обязательные поля отмечены *