Войти
Программно-определяемое радио (SDR ) - это система радио, в которой компоненты, которые традиционно были реализованы в аппаратном обеспечении (например, микшеры, фильтры, усилители, модуляторы / демодуляторы, детекторы и т.д.) вместо этого реализованы посредством программного обеспечения на персональном компьютере или встроенной системе. Хотя концепция SDR не нова, быстро развивающиеся возможности цифровой электроники делают на практике многие процессы, которые когда-то были возможны только теоретически.
Базовая система SDR может состоять из персонального компьютера, оснащенного звуковой картой, или другого аналого-цифрового преобразователя, указанного перед какой-либо формой RF-интерфейса. Значительные объемы обработки сигналов передаются процессору общего назначения, а не в специализированном оборудовании (электронные схемы ). Такая конструкция создает радиостанцию, которая может принимать и передавать самые разные протоколы радиосвязи (иногда называемые сигналами), основываясь исключительно на используемом программном обеспечении.
Программные радиомодули очень полезны для военных и сотовых телефонов, оба из которых должны обслуживать широкий спектр изменяющихся радиопротоколов в реальном времени. Сторонники, такие как Форум беспроводных инноваций, ожидают, что в долгосрочной перспективе программно-конфигурируемые радиостанции станут доминирующей технологией в радиосвязи. SDR вместе с программно определяемыми антеннами являются активаторами когнитивного радио.
Программно определяемое радио может быть достаточно гибким, чтобы избежать допущений «ограниченного спектра» разработчиков предыдущих типов радио., одним или несколькими способами, включая:
Программно-определяемая концепция радио Идеальная схема приемника заключалась бы в подключении аналого-цифрового преобразователя к антенна. Цифровой сигнальный процессор считывает преобразователь, а затем его программное обеспечение преобразует поток данных из преобразователя в любую другую форму, требуемую приложением.
Идеальный передатчик был бы аналогичен. Цифровой сигнальный процессор генерирует поток чисел. Они будут отправлены на цифро-аналоговый преобразователь , подключенный к радиоантенне.
Идеальная схема не может быть полностью реализована из-за текущих ограничений технологии. Основная проблема в обоих направлениях - это сложность преобразования между цифровым и аналоговым доменами с достаточно высокой скоростью и достаточно высокой точностью одновременно, без необходимости полагаться на физические процессы, такие как помехи и электромагнитный резонанс.
Большинство супергетеродинных приемников используют генератор с переменной частотой, смеситель и фильтр для настройки полезного сигнала на общую промежуточную частоту или основную полосу, где он затем дискретизируется аналого-цифровым преобразователем. Однако в некоторых приложениях нет необходимости настраивать сигнал на промежуточную частоту, и радиочастотный сигнал напрямую дискретизируется аналого-цифровым преобразователем (после усиления).
Настоящим аналого-цифровым преобразователям не хватает динамического диапазона для приема радиосигналов субмикровольтной и нановаттной мощности. Следовательно, этапу преобразования должен предшествовать малошумящий усилитель , и это устройство создает свои собственные проблемы. Например, если присутствуют паразитные сигналы (что типично), они конкурируют с полезными сигналами в пределах динамического диапазона усилителя. Они могут вносить искажения в полезные сигналы или могут полностью их блокировать. Стандартным решением является установка полосовых фильтров между антенной и усилителем, но это снижает гибкость радиостанции. Реальные программные радиостанции часто имеют два или три фильтра аналоговых каналов с разными полосами пропускания, которые включаются и выключаются.
Термин «цифровой приемник» был придуман в 1970 году исследователем из лаборатории Министерства обороны США. Лаборатория под названием Gold Room в TRW в Калифорнии создала программный инструмент анализа основной полосы частот под названием Midas, работа которого была определена в программном обеспечении.
Термин «программное радио» был придуман в 1984 году командой из Гарленд, Техас, подразделения E-Systems Inc. (теперь Raytheon ) для обозначения цифрового приемника основной полосы частот и опубликовано в информационном бюллетене их компании E-Team. Лаборатория Software Radio Proof-of-Concept была разработана командой E-Systems, которая популяризировала Software Radio в различных государственных учреждениях. Это программное обеспечение 1984 года было цифровым приемником основной полосы, который обеспечивал программируемое подавление помех и демодуляцию для широкополосных сигналов, как правило, с тысячами отводов адаптивного фильтра с использованием нескольких матричных процессоров доступ к общей памяти.
В 1991 году Джо Митола независимо заново изобрел термин программное радио для плана по созданию базовой станции GSM, которая объединила бы цифровой приемник Ферденси с цифровыми глушителями связи E-Systems Melpar для настоящего программного обеспечения. на базе трансивера. E-Systems Melpar продал идею программного обеспечения для радио ВВС США. В 1990-91 годах компания Melpar построила прототип командирского тактического терминала, в котором использовались процессоры Texas Instruments TMS320C30 и наборы микросхем цифрового приемника Harris с передачей с цифровым синтезом. Прототип Melpar просуществовал недолго, потому что, когда подразделение E-Systems ECI произвело первые ограниченные производственные единицы, они решили «выбросить эти бесполезные платы C30», заменив их обычной радиочастотной фильтрацией при передаче и приеме, вернувшись к цифровой основной полосе частот. радио вместо SpeakEasy, как если бы АЦП / ЦАП прототипа Митолы. Военно-воздушные силы не позволили Митоле публиковать технические детали этого прототипа, а также не разрешили Дайан Вассерман публиковать связанные с этим уроки жизненного цикла программного обеспечения, потому что они рассматривали это как «конкурентное преимущество ВВС США». Поэтому вместо этого, с разрешения USAF, в 1991 году Митола описал принципы архитектуры без деталей реализации в документе «Software Radio: Survey, Critical Analysis and Future Directions», который стал первой публикацией IEEE, в которой использовался этот термин в 1992 году. Когда Митола представил В своем выступлении на конференции Боб Прилл из GEC Marconi начал свое выступление вслед за Митолой со слов «Джо абсолютно прав в отношении теории программного радио, и мы ее создаем». Прилл представила доклад GEC Marconi о PAVE PILLAR, предшественнике SpeakEasy. SpeakEasy, радиостанция с военным программным обеспечением была разработана Уэйном Бонсером, работавшим в то время из Римского центра развития авиации (RADC), ныне Rome Labs; Алан Маргулис из MITER Rome, Нью-Йорк; а затем лейтенант Бет Каспар, первоначальный менеджер проекта DARPA SpeakEasy, а также другие сотрудники в Риме, включая Дона Упмала. Хотя публикации Митолы в IEEE привели к самому большому охвату программного обеспечения радиосвязи в мире, Митола в частном порядке считает, что лаборатория Министерства обороны 1970-х годов вместе с ее руководителями Карлом, Дейвом и Джоном изобрела технологию цифрового приемника, на которой он основал программное обеспечение радио, когда стало возможным передавать через программное обеспечение.
Через несколько месяцев после Национальной конференции по телесистемам 1992 г., в обзоре корпоративной программы E-Systems, вице-президент подразделения E-Systems Garland возразил против использования Мелпаром (Митола) термина «программное радио» без кредит Гарланд. Алан Джексон, вице-президент Melpar по маркетингу в то время, спросил вице-президента Garland, есть ли в их лаборатории или устройствах передатчики. Вице-президент Гарланд сказал: «Нет, конечно, нет - у нас программный радиоприемник». Ал ответил: «Тогда это цифровой приемник, но без передатчика это не программное радио». Корпоративное руководство согласилось с Алом, поэтому публикация осталась в силе. Многие радиолюбители и инженеры ВЧ-радио осознали ценность оцифровки ВЧ на ВЧ и их обработки с помощью цифровых сигнальных процессоров Texas Instruments TI C30 (DSP) и их предшественников в 1980-х и начале 1990-х годов. Радиоинженеры в Roke Manor в Великобритании и в одной организации в Германии одновременно признали преимущества ADC в РФ, так что успех у многих отцов. Публикация Митола программного обеспечения радио в IEEE открыла эту концепцию широкому сообществу радиоинженеров. Его специальный выпуск журнала IEEE Communications Magazine в мае 1995 года с обложкой «Software Radio» был расценен как переломный момент с тысячами академических цитат. Жоао да Силва представил Митола в 1997 году на Первой международной конференции по программному радио как "крестного отца" программного радио в немалой степени за его готовность поделиться такой ценной технологией "в общественных интересах".
Возможно, первый программный радиопередатчик приемопередатчик был разработан и реализован Петером Хёхером и Хельмутом Лангом в Немецком институте аэрокосмических исследований (DLR, ранее DFVLR ) в Оберпфаффенхофен, Германия, в 1988 году. И передатчик, и приемник адаптивного цифрового спутникового модема были реализованы в соответствии с принципами программного радио, и была предложена гибкая аппаратная периферия.
Термин «программно определяемая радиосвязь» был введен в 1995 году Стивеном Бластом, который опубликовал запрос информации от Bell South Wireless на первом заседании форума по модульным многофункциональным системам передачи информации (MMITS) в 1996 году, организованном USAF и DARPA в связи с коммерциализацией своей программы SpeakEasy II. Митола возражал против термина Бласта, но в конце концов принял его как прагматический путь к идеальному программному радио. Хотя эта концепция была впервые реализована с помощью АЦП ПЧ в начале 1990-х годов, программно-конфигурируемые радиомодули возникли в оборонных секторах США и Европы в конце 1970-х годов (например, Уолтер Таттлби описал УНЧ-радио, которое использовал АЦП и микропроцессор 8085 ). примерно через год после Первой Международной конференции в Брюсселе. Одной из первых программ общественного радио был проект DARPA-Air Force военный США под названием SpeakEasy. Основная цель проекта SpeakEasy состояла в том, чтобы использовать программируемую обработку для имитации более 10 существующих военных радиостанций, работающих в частотных диапазонах от 2 до 2000 МГц. Еще одна цель разработки SpeakEasy заключалась в том, чтобы иметь возможность в будущем легко включать новые стандарты кодирования и модуляции, чтобы военная связь могла идти в ногу с достижениями в технологиях кодирования и модуляции.
С 1990 по 1995 год целью программы SpeakEasy была демонстрация радио для США. Воздушные силы тактический отряд наземного управления воздушным движением, который может работать в диапазоне от 2 МГц до 2 ГГц и, таким образом, может взаимодействовать с наземными радиостанциями (гибкая по частоте УКВ, FM и SINCGARS ), радиостанции ВВС (VHF AM ), военно-морские радиостанции (VHF AM и HF SSB телетайпы ) и спутников (СВЧ QAM ). Некоторые конкретные цели заключались в том, чтобы предоставить новый формат сигнала за две недели с момента старта и продемонстрировать радиоприемник, к которому несколько подрядчиков могли бы подключать детали и программное обеспечение.
Проект был продемонстрирован на TF-XXI Advanced Warfighting Exercise, и все эти цели были продемонстрированы на непроизводственной радиостанции. Было некоторое недовольство тем, что эти ранние программные радиостанции не смогли должным образом отфильтровать внеполосные излучения, использовать не только простейшие из совместимых режимов существующих радиостанций, но и неожиданно потерять возможность подключения или выйти из строя. Его криптографический процессор не мог менять контекст достаточно быстро, чтобы поддерживать в эфире сразу несколько радиопереговоров. Его программная архитектура, хотя и была достаточно практичной, не имела ничего общего с другими. Архитектура SpeakEasy была усовершенствована на форуме MMITS в период с 1996 по 1999 год и вдохновила группу интегрированных процессов Министерства обороны (IPT) для программируемых модульных систем связи (PMCS) на разработку того, что стало Joint Tactical Radio System (JTRS).
В базовой конструкции радиоприемника использовалась антенна, питающая усилитель и понижающий преобразователь (см. Смеситель частоты ) питание автоматической регулировки усиления, которое питало аналого-цифровой преобразователь, который был на компьютере VMEbus, с большим количеством цифрового сигнала процессоры (Texas Instruments C40s). Передатчик имел цифроаналоговые преобразователи на шине PCI, питающие повышающий преобразователь (смеситель), который вел к усилителю мощности и антенне. Очень широкий частотный диапазон был разделен на несколько поддиапазонов с использованием различных аналоговых радиотехнологий, питающих одни и те же аналого-цифровые преобразователи. С тех пор это стало стандартной схемой проектирования широкополосных программных радиостанций.
Цель состояла в том, чтобы получить более быстро реконфигурируемую архитектуру, т. Е. Несколько разговоров одновременно, в открытой программной архитектуре с возможностью межканального подключения (радиостанция может "разные протоколы радиосвязи). Вторичной целью было сделать его меньше, дешевле и меньше весить.
В рамках проекта демонстрационное радио было создано всего через пятнадцать месяцев из трехлетнего исследовательского проекта. Эта демонстрация была настолько успешной, что дальнейшая разработка была остановлена, и радиостанция пошла в производство с диапазоном частот только от 4 до 400 МГц.
Архитектура программного обеспечения определила стандартные интерфейсы для различных модулей радиомодуля: «управление радиочастотой» для управления аналоговыми частями радиомодуля, «управление модемом» управляемые ресурсы для модуляции и схемы демодуляции (FM, AM, SSB, QAM и т. д.), модули «обработки сигналов» фактически выполняли функции модема, «обработка ключей» и «криптографическая обработка» управляли криптографическими функциями, «мультимедийный» модуль выполнял обработку голоса, «человеческий интерфейс» предоставлял локальное или удаленное управление, был модуль «маршрутизации» для сетевых служб и «контрольный» модуль, чтобы все было в порядке.
Считается, что модули взаимодействуют без центральной операционной системы. Вместо этого они отправляют сообщения по PCI компьютерной шине друг другу с многоуровневым протоколом.
В качестве военного проекта радиостанция четко различала «красный» (незащищенные секретные данные) и «черный» (криптографически защищенные данные).
В этом проекте впервые использовались ПЛИС (программируемые вентильные матрицы) для цифровой обработки радиоданных. Время перепрограммировать их было проблемой, ограничивающей применение радио. Сегодня время для написания программы для FPGA по-прежнему значимо, но время для загрузки сохраненной программы FPGA составляет около 20 миллисекунд. Это означает, что SDR может изменять протоколы передачи и частоту за одну пятидесятую долю секунды, что, вероятно, не является недопустимым прерыванием для этой задачи.
В системе SpeakEasy SDR 1994 года используется Texas Instruments TMS320C30 CMOS цифровой сигнальный процессор (DSP)., вместе с несколькими сотнями микросхем интегральных схем, с радио, заполняющим кузов грузовика. К концу 2000-х годов появление технологии RF CMOS сделало практичным масштабирование всей системы SDR до единой смешанного сигнала системы на кристалле, который Broadcom продемонстрировал с процессором BCM21551 в 2007 году. Broadcom BCM21551 имеет практические коммерческие приложения для использования в 3G мобильных телефонах.
Совместная тактическая радиосистема (JTRS) была программой вооруженных сил США по производству радиостанций, обеспечивающих гибкую и совместимую связь. Примеры радиотерминалов, требующих поддержки, включают портативные, автомобильные, бортовые и снятые радиостанции, а также базовые станции (фиксированные и морские).
Эта цель достигается за счет использования систем SDR, основанных на одобренной на международном уровне открытой Архитектуре связи программного обеспечения (SCA). Этот стандарт использует CORBA в операционных системах POSIX для координации различных программных модулей.
Программа обеспечивает новый гибкий подход к удовлетворению разнообразных потребностей солдат в связи с помощью программируемой радиотехнологии. Все функции и возможности расширения основаны на SCA.
Гибкость SDR приводит к высокой сложности, невозможности оптимизации, более медленной способности применять новейшие технологии и редко к тактическим потребностям пользователя (поскольку все пользователи должны выбирать и оставаться с одним и тем же радиомодулем, если они хотят общаться).
SCA, несмотря на его военное происхождение, оценивается коммерческими поставщиками радиостанций на предмет применимости в их областях. Однако внедрение универсальных структур SDR за пределами военных, разведывательных, экспериментальных и любительских целей по своей сути затруднено из-за того, что гражданские пользователи могут более легко освоить фиксированную архитектуру, оптимизированную для конкретной функции и, как таковую, более экономичную. в приложениях для массового рынка. Тем не менее, присущая программно-конфигурируемой радиосвязи гибкость может принести существенные выгоды в долгосрочной перспективе, когда фиксированные затраты на ее внедрение снизятся настолько, что превзойдут затраты на повторную реконструкцию специально созданных систем. Это объясняет растущий коммерческий интерес к технологии.
Программное обеспечение инфраструктуры на основе SCA и инструменты быстрой разработки для обучения и исследований в области SDR предоставляются в рамках проекта Open Source SCA Implementation - Embedded (OSSIE). Форум беспроводных инноваций профинансировал проект эталонной реализации SCA, реализацию спецификации SCA с открытым исходным кодом. (SCARI ) можно скачать бесплатно.
Microtelecom Perseus - HF SDR для рынка любительского радио Типичная любительская программная радиостанция использует приемник прямого преобразования. В отличие от приемников с прямым преобразованием более далекого прошлого, используемые технологии смесителя основаны на квадратурном дискретизаторе и возбудителе квадратурной дискретизации.
Характеристики приемника этой линейки SDR напрямую связаны с динамическим диапазоном использовались аналого-цифровые преобразователи (АЦП). Радиочастотные сигналы преобразуются с понижением частоты в полосу звуковых частот, которая дискретизируется высокопроизводительным АЦП звуковой частоты. В SDR первого поколения использовалась звуковая карта ПК с частотой 44 кГц для обеспечения функциональности АЦП. Новые программно определяемые радиостанции используют встроенные высокопроизводительные АЦП, которые обеспечивают более высокий динамический диапазон и более устойчивы к шумам и радиопомехам.
Быстрый ПК выполняет операции цифровой обработки сигналов (DSP), используя программное обеспечение, специфичное для радиооборудования. Несколько программных средств радиосвязи используют библиотеку SDR с открытым исходным кодом DttSP.
Программное обеспечение SDR выполняет всю демодуляцию, фильтрацию (как радиочастоты, так и звуковые частоты) и улучшение сигнала (выравнивание и бинауральное представление). Используется любая распространенная любительская модуляция: код Морзе, модуляция с одной боковой полосой, частотная модуляция, амплитудная модуляция и различные цифровые режимы. такие как радиотелетайп, телевидение с медленной разверткой и пакетное радио. Любители также экспериментируют с новыми методами модуляции: например, проект DREAM с открытым исходным кодом декодирует метод COFDM, используемый Digital Radio Mondiale.
Существует широкий спектр аппаратных решений для радиолюбителей и домашнего использования. Существуют трансиверы профессионального уровня, например Zeus ZS-1 или Flex Radio, решения для домашнего приготовления, например Приемопередатчик PicAStar, комплект SoftRock SDR, а также решения для начинающих или профессиональных приемников, например FiFi SDR для коротких волн или когерентный многоканальный SDR-приемник Quadrus для коротких волн или VHF / UHF в прямом цифровом режиме работы.
Внутреннее устройство недорогого DVB-T USB-ключа, в котором используется Realtek RTL2832U (квадратная микросхема справа) в качестве контроллера и Rafael Micro R820T (квадратная микросхема). слева) в качестве тюнера. Эрик Фрай обнаружил, что некоторые обычные недорогие DVB-T USB-ключи совместимы с контроллером и тюнером Realtek RTL2832U, например Elonics E4000 или Rafael Micro R820T можно использовать в качестве широкополосного (3 МГц) приемника SDR. Недавние эксперименты подтвердили способность этой установки анализировать поток персеид с помощью сигналов радара могил. Этот проект в настоящее время поддерживается на Osmocom.
GNU Radio logo В последнее время GNU Radio использует в основном универсальное программное обеспечение радио периферийных устройств (USRP) использует интерфейс USB 2.0, FPGA и набор высокоскоростных аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей в сочетании с реконфигурируемым бесплатное программное обеспечение. Его полоса дискретизации и синтеза (30–120 МГц) в тысячу раз больше, чем у звуковых карт ПК, что позволяет использовать широкополосную работу.
В проекте HPSDR (High Performance Software Defined Radio) используется 16-битный аналого-цифровой преобразователь 135 MSPS, обеспечивающий производительность в диапазоне от 0 до 55 МГц сравнимо с таковой у обычного аналогового КВ радиоприемника. Приемник также будет работать в диапазонах VHF и UHF, используя либо изображение микшера, либо псевдонимы. Интерфейс для ПК обеспечивается интерфейсом USB 2.0, хотя также можно использовать Ethernet. Проект является модульным и включает объединительную плату , к которой подключаются другие платы. Это позволяет экспериментировать с новыми технологиями и устройствами без необходимости замены всего набора плат. Возбудитель обеспечивает 1/2 Вт RF в том же диапазоне или в диапазонах VHF и UHF с использованием выходных изображений или псевдонимов.
WebSDR - это инициированный проект от Питера-Тьерка де Бур, обеспечивающего доступ через браузер к нескольким приемникам SDR по всему миру, охватывающих весь коротковолновый спектр. Недавно он проанализировал сигналы Chirp Transmitter с использованием связанной системы приемников.
В связи с его растущей доступностью, более дешевым оборудованием, большим количеством программных инструментов и документации, приложения SDR вышли за рамки своих основных и исторических сценариев использования. SDR сейчас используется в таких областях, как слежение за дикой природой, радиоастрономия, исследования в области медицинской визуализации и искусство.
Радиопортал 
Телекоммуникационный портал  | Wikimedia Commons содержит носители, относящиеся к Программно определяемые радиоустройства. |
