Проектирование, оптимизация и моделирование SDR

По сути, программно определяемое (используют также термин: «программно конфигурируемое») радио (SDR) — это любое устройство передачи данных, в котором некоторые или все функции физического уровня являются программно определяемыми. В качестве примера можно привести современные смартфоны, поскольку если не вся, то большая часть обработки информационного сигнала производится в сигнальном процессоре (DSP). Благодаря программной настройке один приемопередатчик может быть приспособлен под множество различных форм сигнала. Такое устройство является основой для построения, например, универсально-совместимой национальной общественной системы безопасности.
Технология SDR долгое время была привлекательной для производителей, операторов беспроводной связи и военных служб, поскольку одна аппаратная платформа может быть приспособлена к большому количеству форм сигналов, которые добавляются программно в процессе работы. В результате такие аппаратные элементы как фильтры, смесители, усилители, детекторы, модуляторы и демодуляторы, становятся не нужны. В то же время мы получаем многофункциональную платформу, имеющую множество режимов работы и набор диапазонов частот, переключение между которыми осуществляется автоматически и динамически, в т.ч. удаленным способом.

В традиционном супергетеродинном приемнике обработка сигнала полностью производится электронными схемами (см. рис. 1а). Частота сигнала понижается до промежуточной частоты (ПЧ), после чего производится обработка.
В первых SDR-приемниках (см. рис. 1б) вместо демодулятора использовался АЦП. Демодуляция и частично фильтрация сигнала производились в сигнальном процессоре. Современные АЦП намного быстрее, поэтому DSP может выполнять больше функций. Для работы DSP необходимо знать амплитуду и фазу сигналов. Принятый сигнал разделяется на две компоненты: синфазную (I) и квадратурную (Q), смещенную на 90?.

Рис. 1. Структурная схема супергетеродинного приемника (а) и первых SDR (б)

Схема современного SDR-приемника показана на рисунке 2. Входной сигнал усиливается малошумящим усилителем и делится на компоненты I и Q путем смешивания с сигналом гетеродина из синтезатора частот в ФАПЧ (для получения квадратурной компоненты он смещается на 90?). Частота гетеродина подстраивается под частоту сигнала, чтобы разность выходных сигналов смесителей была равна нулю в отсутствие модуляции. Для модулированного сигнала она равна сигналу основной полосы или исходному модулированному сигналу. Эта архитектура получила название прямое преобразование или преобразование с нулевой промежуточной частотой.

Рис. 2. Схема современного SDR-приемника

После фильтрации сигналов основной полосы в ФНЧ они оцифровываются в паре АЦП. Далее в цифровом преобразователе частота сигнала понижается до рабочего диапазона сигнального процессора.
В современных передатчиках DSP-модулятор разделяет передаваемые данные на I и Q и передает их на повышающий преобразователь (см. рис. 3) и ЦАП. Сигнал фильтруется и поступает в смеситель для повышения частоты до частоты передачи. Затем сигнал проходит через усилитель и подается на антенну. По мере увеличения быстродействия преобразователей схема упрощается. Самые последние модели представляют собой фильтр и МШУ (см. рис. 4). Коммерческие приемники используют полосу до 30 МГц.

Рис. 3. Схема современного SDR-передатчика

Рис. 4. Самая простая аппаратная реализация SDR

Цифровым методом выполняются следующие функции: фильтрация (НЧ, ВЧ, полосовые и заграждающие фильтры), модуляция (AM, FM, PM, FSKM, BPSK, QPSK, QAM, OFDM, др.), демодуляция, выравнивание, сжатие и восстановление, анализ спектра, предыскажение.
Новые типы модуляции и связанные с ними процедуры, имеют общий термин «форма сигнала» (waveform). Изменив программное обеспечение, радио перенастраивается на другую частоту и протокол передачи.
Достоинство SDR заключается в простоте аппаратной части. Стандартные радиочастотные схемы сокращаются до минимума, их стоимость снижается. Сигнальный процессор берет на себя большую часть функций, которые раньше выполнялись в аналоговых схемах. Этот подход очень удачен, учитывая гибкость программной реализации и возможность компенсации некоторых нежелательных эффектов, которые возникают в аппаратной части. Более того, программная реализация позволяет устранять неисправности, изменять и дополнять функционал устройства и улучшать его характеристики с минимальными затратами. В частности SDR позволяет быстро добавлять новые типы модуляции, протоколы передачи и т.д. В случае аппаратной реализации это потребовало бы изготовление новой схемы.
Недостатки у SDR тоже есть. Во-первых, это сложность программного обеспечения, затраты на разработку, в т.ч. временные, большее энергопотребление и в некоторых случаях ограниченный частотный диапазон.

Основные элементы SDR — АЦП, ЦАП и сигнальные процессоры DSP. Частота выборки преобразователя постоянно повышается, преодолев уже гигагерцевый рубеж. Например, преобразователь ADC12Dxx00RF Texas Instruments имеет частоту выборки до 3,6 млрд выб/с.
Наряду со скоростью преобразования важный фактор — быстродействие процессора, который должен успевать обрабатывать данные. По большому счету вместо сигнального процессора можно использовать процессор общего назначения. Однако не всегда его использование будет оптимально, поскольку встречаются алгоритмы, для реализации которых требуются специализированные функции.
Другой подход — использовать заказной сигнальный процессор, имеющий специальную архитектуру, встроенную память и набор арифметико-логических инструкций, благодаря которым его быстродействие будет максимально высоким.
Все чаще DSP реализуются на матрицах FPGA. Такие функции как быстрое преобразование Фурье могут быть выполнены с помощью цифровых логических схем и легко реализуются на FPGA. Поскольку стоимость матрицы постоянно снижается, они приобретают все большую привлекательность в качестве замены сигнальным процессорам.
Еще один вариант — логические элементы с жесткими соединениями, которые можно использовать для реализации функций, не требующих гибкости программирования, таких как протоколы связи. Логические схемы имеют высокое быстродействие и малое потребление, занимают немного места на кристалле. Такие логические блоки часто называют аппаратными ускорителями. В качестве примера приведем СнК TMS320TC6614. Ее структура приведена на рисунке 5. Блок логического ускорителя делится на три части. В большинстве ускорителей первого уровня используются алгоритмы DSP.

Рис. 5. Структура TMS320TC6614

Для оценки работы программно определяемого радио проводится моделирование. Для этого необходимо сформировать сигнал, соответствующий протоколу связи (WCDMA, WiMAX, LTE и др.), а также выполнить кодирование канала, перемежение и формирование импульса. После этого можно приступать к оценке воздействия частотных искажений. Для примера будем измерять величину вектора ошибок (EVM — error vector magnitude) или вероятность появления ошибочного бита (BER — bit error rate). Архитектура SDR должна поддерживать множество различных по сложности схем модуляции сигнала.
При настройке средств моделирования требуется задать следующие параметры: точность модуляции или EVM, режим вычислений с фиксированной точкой, частота квантования АЦП/ЦАП, отношение несущая-шум (CNR), динамический диапазон, свободный от шумов (SFDR), коэффициент мощности в соседнем канале (ACPR), отношение несущей к интермодуляционным составляющим третьего поряд-
ка (С/IM3dBc), спектральная маска.

Промоделируем в визуальной среде AWR работу программно определяемого приемника при захвате сигналов 16 QAM и 64 QAM. Цель — определить допустимое значение точки децибельной компрессии P1dB для входного усилителя и маску фазового шума гетеродина.
Исходная схема 16 QAM показана на рисунке 6. Для анализа системы следует определить характеристики сигнала и провести моделирование при изменении частоты (swept simulation) отношения сигнал-шум в зависимости от BER.

Рис. 6. Схема когнитивного радио 16 QAM

Добавим динамическую модель усилителя в приемный тракт после источника аддитивного белого гауссовского шума (AWGN). Этот усилитель используется для нахождения подходящей точки компрессии P1dB, чтобы поддержать вероятность появления ошибок на уровне 10^-6 при отношении сигнал-шум 20 дБ (оптимальные характеристики для данного приемника).
Точка пересечения третьего порядка установлена на 10 дБ выше точки компрессии P1dB. Коэффициент усиления усилителя равен 10 дБ. Из рисунка 7а видно, что при P1dB = 10 дБ и SNR = 22 дБ, BER должен составить 10^-6. Однако при P1dB = 12 дБ также достигаются желаемые результаты (см. рис. 7б). Для оценки BER необходимо добавить фильтр на выходе усилительного блока. Для формирования импульса применяется фильтр с характеристикой «корень приподнятого косинуса» (RRC — Root Raised Cosine) с коэффициентом крутизны а = 0,35 и полосой частот около 50 кГц. Центральная частота сигнала равна 10 МГц. Выбранный фильтр не ослабляет сигнал в полосе пропускания и имеет полосу частот около 52 кГц.

Рис. 7а. Результаты моделирования при P1dB = 10 дБ	Рис. 7б. Результаты моделирования при P1dB = 12 дБ

Затухание сигнала достигает –50 дБ на частотах 9,9 и 10,1 МГц от центральной. Информационный сигнал может быть обнаружен с желаемым уровнем BER. Следующий шаг — добавление фазового шума понижающего преобразователя. Моделирование поможет выявить его влияние на BER. С учетом фазового шума для обеспечения BER?=?10^-6 минимальное отношение сигнал-шум составляет 22 дБ.
Если условия в канале позволяют, лучше применять модуляцию более высокого порядка, чтобы повысить скорость передачи. Рассмотрим тот же пример, но с модуляцией 64 QAM. Программа автоматически настраивает приемник на детектирование сигнала 64 QAM. Результаты моделирования BER с учетом фазового шума показаны на рисунке 8. Самое низкое достижимое значение BER при 64 QAM равно 10^-3. Как видно из графика на рисунке 9, частота появления ошибочных битов 10^-6 не может быть достигнута даже в отсутствие шума. Дополнительная интегральная кривая распределения для 16 QAM и 64 QAM показана на рисунке 10. Видно, что отношение пиковой мощности к средней в случае модуляции более высокого порядка увеличивается на 1 дБ. Для компенсации этой разницы P1dB усилителя устанавливается на уровне 14 дБ. Результаты моделирования BER для этого случая приведены на рисунке 11 (без учета фазового шума). Остается определить допустимый уровень фазового шума.
Файл данных для источника фазового шума в визуальной среде моделирования состоит из двух граф: смещение частоты от несущей (от 10 Гц до 1 МГц) и уровни сигнала. В шкале частот соседние значения различаются в 10 раз. При отклонении частоты на 10 Гц маска фазового шума –31,6 дБс/Гц, а при отклонении на 1 МГц она равна

Рис. 8. Результаты моделирования BER с учетом фазового шума	Рис. 9. Результаты моделирования BER без учета фазового шума
Рис. 10. Функция распределения уровней сигнала 16 QAM или 64 QAM	Рис. 11. Результаты моделирования BER при P1dB = 14 дБ

–141,8 дБс/Гц. Значение фазового шума было уменьшено на 9 дБ, чтобы под­строиться под модуляцию 64 QAM. Из рисунка 12 видно, что при таком уровне шума можно получить BER = 10^-6. На рисунке 13 показан график IQ при SNR = 30 дБ, на котором виден слабый шум, являющийся главным источником возникновения ошибок. Моделирование при этих же условиях для 16QAM дает SNR = 21 дБ при BER = 10^-6.
Моделирование позволяет выявить также другие источники искажения сигнала, например, разбаланс составляющих IQ или интерференцию. Анализ сложных систем связи следует проводить на всех стадиях проектирования, чтобы получить требуемые характеристики.

Когнитивное радио (КГ) — еще одна концепция, которая расширяет применение SDR. Согласно одному из определений, когнитивное радио — это приемопередатчик, в котором системы связи знают, в какой среде работают, и каково внутреннее состояние канала. Они могут самостоятельно выбирать тактику поведения на основе мониторинга эфира и предустановленных задач. Информация об окружающей среде может включать или не включать данные о местоположении систем связи.
Приемник и передатчик когнитивного радио — SDR с быстрым частотным откликом и большим набором видов сигнала. Примерная структура КГ показана на рисунке 6. Отдельный когнитивный процессор выполняет специфические для когнитивного радио функции, проводя мониторинг статуса и параметров входных сигналов (М) в приемнике и передатчике.
Решения принимаются на основе этих и других сигналов, например, по данным из инструкций стратегии, которые хранятся в модуле памяти и определяют принципы работы при различных условиях. На основе принятого решения высылаются управляющие команды (С) на радио.
Важный аспект КР — динамический доступ к спектру (DSA), который позволяет настроиться на свободный канал. Это повышает эффективность использования частотного спектра. Когнитивный передатчик также дает инструкции программно определяемому радио касательно рабочей частоты, модуляции, уровня мощности, протоколов и других параметров, а кроме того производит настройку автоматически. КР — это программа, которая следит за SDR и по мере необходимости вносит коррективы в его работу.
Когнитивное радио решает в первую очередь проблему ограниченного спектра и взаимодействия между различными приемопередатчиками или беспроводными системами. Оно может найти свободный спектр и использовать его. Кроме этого, КР выбирает форму сигнала или протокол так, чтобы обеспечить качественный и надежный обмен данными с другими типами устройств связи.
Когнитивные приемопередатчики имеют классификацию. Например, их работа может быть основана на политике стратегий, когда есть предустановленный набор возможностей (форм сигнала и процедур). Пользователь выбирает одну или несколько предустановленных жестко прописанных функций. Функции записываются производителем или загружаются по беспроводному каналу. Другой вариант — полностью конфигурируемое радио, которое может быть перенастроено в процессе работы под новые приложения или условия связи.

Когнитивное радио позволяет повысить эффективность использования спектра и обеспечивает надежную беспроводную связь там, где нет сотовой сети (удаленные и сельские регионы). Кроме голосовой связи может обеспечиваться удаленный мониторинг и управление (в машинных приложениях — интеллектуальная сеть, камеры видеонаблюдения, наблюдение пациентов, сети датчиков — всем этим системам станет доступен свободный спектр).
Как показывает анализ, эффективность использования частотного спектра в большинстве регионов невысока. Например, под телерадиовещание отводится широкий диапазон, значительная часть которого свободна. КР позволяет использовать такие каналы в те интервалы, когда они не заняты. Это не мешает работе основного устройства, для которого предназначен канал, поскольку радио динамически выполняет сканирование и перестройку частоты на канал с самыми хорошими характеристиками.
Ускорить разработку поможет использование готовых решений. На­пример, GNU Radio — открытая платформа для разработки SDR. Она содержит набор процедур обработки сигнала (модуляции GMSK, PSK, QAM, OFDM и др.), корректирующие коды (Рида-Соломона, Виттерби, турбо-коды), фильтры, блоки БПФ, эквалайзеры и таймеры. Код может быть написан на С или Python. Работа с основными ОС (Windows, Linux, MacOS).
Платформа GNU Radio — универсальный модуль Universal Software Radio Peripheral (USRP), который содержит несколько плат, работающих на разных частотах, систему сбора данных и линии ввода-вывода (USB).
Компания Ettis Research предлагает линию полнодуплексных плат, работающих в разных диапазонах с возможностью переключения направления передачи. Мощность передаваемого сигнала и коэффициент усиления принятого сигнала регулируются. Типичная полоса 30 МГц. Цифро-аналоговые преобразователи имеют от 12 до 16 каналов и частоту выборки от 100 млн выборок в секунду. Плата NI USRP 2120 работает в диапазоне 50 МГц — 2,2 ГГц, NI USRP 2921 — в диапазоне 2,4 ГГц — 5,5 ГГц. Выходной сигнал передатчика передается на ПК по сети 1Gb Ethernet. Проектирование ведется в среде LabVIEW c использованием инструментов Modulation Toolkit.
Примером когнитивного радио является xMax (xG Technology), в нем для мобильной связи используется нелицензируемый спектр ISM — промышленных, исследовательских и медицинских частот 902…928 МГц. Мощность сигнала достигает 4 Вт. Спектр делится на 18 каналов шириной 1,44 МГц. Фазовая модуляция BPSK, доступ TDMA, возможность одновременной обработки до 12 голосовых вызовов на канал. Радио прослушивает канал на наличие интерференции, и в случае необходимости переключается на частоту с минимальным уровнем шума. Сканирование производится 33 раза в секунду.
В новом поколении устройств xG специальная гарнитура не используется, взаимодействие осуществляется через обычные смартфоны, которые обмениваются данными с мостом хMod.