Технологии программно-определяемого радио для использования с существующим оборудованием связи

21 февраля 2017

Алексей Спирков, руководитель отдела наукоемких технологий, поделился новыми достижениями АстроСофт в области технологий SDR (Software Defined Radio, программно-определяемого радио) для использования с существующим оборудованием связи. В статье речь пойдет о создании комплекса программных средств разработки конечных SDR-устройств, что позволит существенно упростить и унифицировать создание приложений SDR. Ниже представлены преимущества подхода SDR, текущие наработки и планы.

При создании средств связи традиционно используют два подхода. Первый, классический подход, заключается в том, что весь радиотракт (фильтрация, демодуляция и генерация сигнала) реализуется с помощью специализрованных микросхем или аналоговых компонентов, и лишь интерфейсная и управляющая части – на программно-управляемых микроконтроллерах. Благодаря развитию технологий стал возможным трансфер большей части функциональности в программную область.

Среди преимуществ данного подхода — гибкость при создании алгоритмов модуляции/демодуляции, возможность оперативно вносить изменения в алгоритмы, динамическое изменение характеристик сигнала, возможность работы в широком диапазоне с различными видами модуляции одновременно. Помимо этого, данная технология использует программную обработку радиосигнала, что позволяет реализовать шифрованные каналы связи с разным уровнем защищенности и использовать методы динамической маршрутизации цифровых пакетов данных (Mesh-технологии), что значительно увеличивает надежность и дальность радиосвязи. Кроме технических преимуществ, данный подход позволяет сократить издержки на производство нового оборудования за счет унификации конечных устройств и возможности улучшения функциональности за счет переделки и перепрошивки программного обеспечения.

Например, для решения задачи унификации устройства специализированной связи, в которой используются два поколения различных устройств — аналогового с частотной модуляцией (FM) и цифрового с цифровой частотной модуляцией с непрерывной фазой (CPFSK), использование технологии SDR позволит работать обоими видами модуляции и автоматически переключаться в необходимый режим в зависимости от внешних условий на едином устройстве с программным управлением. Более того, это позволит использовать разрабатываемое решение в смежных сферах (с другими частотами, типами модуляций и др.). Для его адаптации к другим системам связи потребуется модификация антенн, усилителя мощности и выходных фильтров под целевые характеристики используемого радиочастотного тракта, без изменений цифровой аппаратной части, что ускорит и удешевит будущие разработки.

В настоящее время АстроСофт разрабатывает программный комплекс разработки конечных SDR-устройств (Рис. 1), призванный существенно упростить и унифицировать создание приложений программно-определяемого радио. Он включает в себя библиотеки алгоритмов цифровой обработки сигналов, реализованных для размещения в программируемых логических интегральных схемах (ПЛИС) в виде сложных функциональных блоков, библиотеки управления для центрального процессора, операционной системой реального времени, конструктором реализаций и набором демонстрационных решений. При использовании существующих наработок такого типа задачи могут быть решены в кратчайшие сроки.

Рис. 1. Комплекс разработки конечных SDR-устройств

Для отладки программного обеспечения подобных задач построен тестовый стенд, включающий в себя:

Отладочную плату Nuand SDR BladeRF как основной компонент SDR-трансивера, состоящий из: ПЛИС Altera Cyclone 4 (115K логических элементов); ARM9 200Мгц с поддержкой USB3.0; LimeMicro LMS6002D трансивер — 300МГц — 3.8ГГц (28МГц полоса ЦАП/АЦП); Трансвертер Nuand XB-200 для переноса рабочей частоты в область функционирования BladeRF и фильтрации; Широкополосный усилитель мощности: для работы с необходимой выходной мощностью; Одноплатный компьютер RaspberryPi3 для настройки, управления и работы с цифровыми интерфейсами.

На базе данного тестового стенда, при использовании текущих наработок из комплекса по созданию конечных SDR-устройств, может быть разработан прототип программного обеспечения для решения описанной выше задачи, со структурой, изображенной на рисунке 2, состоящий из:

1. Сложных функциональных блоков (ФБ) в ПЛИС:
   • ФБ аналоговой частотной модуляции и демодуляции [1];
   • ФБ цифровой частотной модуляции и демодуляции с непрерывной фазой [2];
   • ФБ алгоритмов цифровой фильтрации и частотного переноса;
   • ФБ алгоритмов быстрого преобразования Фурье [3], детектирования передачи базовой станции и определения характеристик сигнала;
2. Интерфейсных алгоритмов для ARM926;
3. Управляющего программного обеспечения для Embedded Linux.

Рис. 2. Структурная схема тестового стенда

Следующим логичным шагом, после решения данной задачи, может стать перевод на технологию SDR существующих базовых станций сети, что позволит, совместно с конечным SDR-оборудованием, решить ряд дополнительных задач, таких как:

1. Повышение надежности и помехозащищенности за счет использования дополнительных методов избыточного кодирования;
2. Использование нескольких каналов связи одновременно;
3. Увеличение скорости передачи данных;
4. Реализация когнитивных алгоритмов связи;
5. Использование Mesh-технологии для увеличения дальности и надежности связи;
6. Выполнение интеграции с другими сетями связи и т. п.

Список литературы

1. T.G. Thomas, S. C. Sekhar. Communication Theory. — Tata-McGraw Hill, 2005. — 131–152 с.
2. Leon W. Couch II, "Digital and Analog Communication Systems, 8th Edition". — Prentice-Hall, Inc., 2013. — 359–362 с.
3. А. Оппенгейм, Р. Шафер "Цифровая обработка сигналов. 3е издание". — Москва: Техносфера, 2012. — 601–605 с.

Теги: sdr, software defined radio, программно-определяемое радио, программный комплекс разработки конечных SDR-устройств, SDK, nuand