Программно-определяемая радиосистема ( SDR ) — это система радиосвязи , в которой компоненты, которые традиционно реализуются в аналоговом оборудовании (например , смесители , фильтры , усилители , модуляторы / демодуляторы , детекторы и т. д.), вместо этого реализуются с помощью программного обеспечения на компьютере или встроенной системе . [1] Хотя концепция SDR не нова, быстро развивающиеся возможности цифровой электроники делают практическими многие процессы, которые когда-то были возможны только теоретически.
Базовая система SDR может состоять из компьютера, оснащенного звуковой картой или другим аналого-цифровым преобразователем , которому предшествует некая форма входного радиочастотного интерфейса . Значительные объемы обработки сигнала передаются процессору общего назначения, а не выполняются в специализированном оборудовании ( электронных схемах ). Такая конструкция создает радио, которое может принимать и передавать самые разные радиопротоколы (иногда называемые формами волн) исключительно на основе используемого программного обеспечения.
Программные радиостанции имеют значительную полезность для военных и сотовых телефонных служб, которые должны обслуживать широкий спектр изменяющихся радиопротоколов в реальном времени. В долгосрочной перспективе, как ожидают сторонники, такие как Wireless Innovation Forum, программно-определяемые радиостанции станут доминирующей технологией в радиосвязи. SDR, наряду с программно-определяемыми антеннами, являются посредниками когнитивного радио . [2]
Супергетеродинные приемники используют VFO ( генератор переменной частоты ), смеситель и фильтр для настройки желаемого сигнала на общую ПЧ ( промежуточную частоту ) или базовую полосу . Обычно в SDR этот сигнал 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).
Реальные аналого-цифровые преобразователи не имеют динамического диапазона для приема субмикровольтных, нановаттных радиосигналов, создаваемых антенной. Поэтому малошумящий усилитель должен предшествовать этапу преобразования, и это устройство вносит свои собственные проблемы. Например, если присутствуют паразитные сигналы (что типично), они конкурируют с желаемыми сигналами в динамическом диапазоне усилителя . Они могут вносить искажения в желаемые сигналы или могут полностью блокировать их. Стандартное решение — установить полосовые фильтры между антенной и усилителем, но они снижают гибкость радио. Реальные программные радиостанции часто имеют два или три аналоговых канальных фильтра с различной полосой пропускания, которые включаются и выключаются.
Гибкость SDR позволяет использовать спектр динамически, устраняя необходимость статического назначения дефицитных спектральных ресурсов одной фиксированной службе. [3]
В 1970 году исследователь [ кто? ] в лаборатории Министерства обороны США ввел термин «цифровой приемник». Лаборатория под названием Gold Room в TRW в Калифорнии создала программный инструмент анализа полосы частот под названием Midas, работа которого была определена в программном обеспечении. [ необходима цитата ]
В 1982 году, работая по контракту с Министерством обороны США в RCA , отдел Ульриха Л. Роде разработал первую SDR, которая использовала чип COSMAC (Complementary Symmetry Monolithic Array Computer). Роде был первым, кто представил эту тему в своем докладе в феврале 1984 года «Цифровое КВ-радио: выборка методов» на Третьей международной конференции по системам и методам КВ-связи в Лондоне. [4]
В 1984 году группа сотрудников Garland, Texas , Division of E-Systems Inc. (теперь Raytheon ) ввела термин «программное радио» для обозначения цифрового приемника основной полосы частот, как было опубликовано в их информационном бюллетене компании E-Team. Лаборатория «Software Radio Proof-of-Concept» была разработана группой E-Systems, которая популяризировала Software Radio в различных правительственных учреждениях. Это программное радио 1984 года было цифровым приемником основной полосы частот , который обеспечивал программируемое подавление помех и демодуляцию для широкополосных сигналов, как правило, с тысячами адаптивных фильтров- отводов, используя несколько процессоров массива, обращающихся к общей памяти. [5]
В 1991 году Джо Митола независимо переосмыслил термин «программное радио» для плана по созданию базовой станции GSM , которая объединила бы цифровой приемник Ferdensi с цифровым управлением глушителями связи E-Systems Melpar для настоящего программного трансивера. E-Systems Melpar продала идею программного радио ВВС США. Melpar построил прототип тактического терминала командиров в 1990–1991 годах, который использовал процессоры Texas Instruments TMS320C30 и наборы микросхем цифрового приемника Harris Corporation с цифровой синтезированной передачей. Прототип Melpar просуществовал недолго, потому что, когда E-Systems ECI Division изготовила первые ограниченные серийные единицы, они решили «выбросить эти бесполезные платы C30», заменив их обычной фильтрацией радиочастот на передаче и приеме и вернувшись к цифровому радио основной полосы вместо SpeakEasy, как IF АЦП/ЦАП прототипа Митолы. Военно-воздушные силы не позволили Митоле опубликовать технические детали этого прототипа, а также не позволили Диане Вассерман опубликовать соответствующие уроки жизненного цикла программного обеспечения, поскольку они считали это «конкурентным преимуществом ВВС США». [ требуется ссылка ] Поэтому вместо этого, с разрешения ВВС США, в 1991 году Митола описал принципы архитектуры без подробностей реализации в статье «Программное радио: обзор, критический анализ и будущие направления», которая стала первой публикацией IEEE , использовавшей этот термин в 1992 году. [6] Когда Митола представил доклад на конференции, Боб Прилл из GEC Marconi начал свою презентацию вслед за Митолой словами: «Джо абсолютно прав относительно теории программного радио, и мы его создаем». [ требуется ссылка ] Прилл представил доклад GEC Marconi о PAVE PILLAR, предшественнике SpeakEasy. SpeakEasy, военное программное радио, было разработано Уэйном Бонсером, тогда работавшим в Rome Air Development Center (RADC), теперь Rome Labs; Алан Маргулис из MITRE в Риме, штат Нью-Йорк; а затем лейтенант Бет Каспар, первоначальный менеджер проекта DARPA SpeakEasy, и другие в Риме, включая Дона Апмала. Хотя публикации Митолы в IEEE привели к самому большому глобальному следу программного радио, Митола в частном порядке приписывает этой лаборатории Министерства обороны 1970-х годов с ее руководителями Карлом, Дэйвом и Джоном изобретение технологии цифрового приемника, на которой он основал программное радио, как только стало возможным передавать данные с помощью программного обеспечения. [ необходима цитата ]
Через несколько месяцев после Национальной конференции по телесистемам 1992 года в обзоре корпоративной программы E-Systems вице-президент подразделения Garland компании E-Systems возразил против использования компанией Melpar (Mitola) термина «программное радио» без упоминания имени Garland. Алан Джексон, в то время вице-президент Melpar по маркетингу, спросил вице-президента Garland, есть ли в их лаборатории или устройствах передатчики. Вице-президент Garland сказал: «Нет, конечно, нет — у нас программный радиоприемник». Эл ответил: «Тогда это цифровой приемник, но без передатчика это не программное радио». Руководство корпорации согласилось с Элом, поэтому публикация осталась. Многие радиолюбители и инженеры КВ-радио осознали ценность оцифровки КВ на ВЧ и ее обработки с помощью цифровых сигнальных процессоров (DSP) Texas Instruments TI C30 и их предшественников в 1980-х и начале 1990-х годов. Радиоинженеры из Roke Manor в Великобритании и из организации в Германии параллельно осознали преимущества АЦП на ВЧ. Публикация Митолы о программном радио в IEEE открыла концепцию широкому сообществу радиоинженеров. Его специальный выпуск журнала IEEE Communications Magazine за май 1995 года с обложкой «Программное радио» считался переломным моментом с тысячами академических ссылок. Митола был представлен Жуаном да Силвой в 1997 году на Первой международной конференции по программному радио как «крестный отец» программного радио в немалой степени за его готовность поделиться такой ценной технологией «в интересах общественности». [ необходима цитата ]
Возможно, первый программный радиоприёмопередатчик был разработан и реализован Петером Хохером и Хельмутом Лангом в Немецком аэрокосмическом исследовательском центре ( DLR , ранее DFVLR ) в Оберпфаффенхофене , Германия, в 1988 году. [7] И передатчик, и приёмник адаптивного цифрового спутникового модема были реализованы в соответствии с принципами программного радио, и была предложена гибкая аппаратная периферия. [ необходима ссылка ]
В 1995 году Стивен Бласт ввел термин «программно-определяемое радио», опубликовав запрос информации от Bell South Wireless на первой встрече форума Modular Multifunction Information Transfer Systems (MMITS) в 1996 году, организованного ВВС США и DARPA вокруг коммерциализации их программы SpeakEasy II. Митола возражал против термина Бласта, но в конечном итоге принял его как прагматичный путь к идеальному программному радио. Хотя концепция была впервые реализована с IF АЦП в начале 1990-х годов, программно-определяемые радиостанции берут свое начало в оборонных секторах США и Европы в конце 1970-х годов (например, Уолтер Туттлби описал VLF-радио , которое использовало АЦП и микропроцессор 8085 ), [8] примерно через год после Первой международной конференции в Брюсселе. Одной из первых публичных инициатив программного радио был военный проект США DARPA-ВВС под названием SpeakEasy . Основной целью проекта SpeakEasy было использование программируемой обработки для эмуляции более 10 существующих военных радиостанций, работающих в диапазонах частот от 2 до 2000 МГц . [9] Другой целью проекта SpeakEasy было иметь возможность легко включать новые стандарты кодирования и модуляции в будущем, чтобы военная связь могла идти в ногу с достижениями в методах кодирования и модуляции. [ требуется ссылка ]
В 1997 году компания Blaupunkt ввела термин «DigiCeiver» для своей новой линейки тюнеров на базе DSP с Sharx в автомобильных радиоприемниках, таких как Modena & Lausanne RD 148.
С 1990 по 1995 год целью программы SpeakEasy была демонстрация радиостанции для тактической группы управления наземными войсками ВВС США , которая могла бы работать в диапазоне от 2 МГц до 2 ГГц и, таким образом, могла бы взаимодействовать с радиостанциями наземных войск (перестраиваемыми по частоте VHF , FM и SINCGARS ), радиостанциями ВВС (VHF AM ), военно-морскими радиостанциями ( телетайпы VHF AM и HF SSB ) и спутниками ( микроволновая QAM ). Некоторые конкретные цели заключались в том, чтобы предоставить новый формат сигнала за две недели с момента старта и продемонстрировать радиостанцию, в которую несколько подрядчиков могли бы вставлять детали и программное обеспечение. [ требуется цитата ]
Проект был продемонстрирован на учениях TF-XXI Advanced Warfighting Exercise и продемонстрировал все эти цели в непроизводственном радио. Было некоторое недовольство неспособностью этих ранних программных радиостанций адекватно фильтровать внеполосные излучения, использовать больше, чем самые простые из совместимых режимов существующих радиостанций, и терять связь или неожиданно выходить из строя. Его криптографический процессор не мог достаточно быстро менять контекст, чтобы поддерживать несколько радиопереговоров в эфире одновременно. Его программная архитектура, хотя и была достаточно практичной, не имела ничего общего ни с какой другой. Архитектура SpeakEasy была усовершенствована на форуме MMITS в период с 1996 по 1999 год и вдохновила группу интегрированных процессов (IPT) Министерства обороны США для программируемых модульных систем связи (PMCS) продолжить работу над тем, что стало Объединенной тактической радиосистемой (JTRS). [ необходима цитата ]
Базовая схема радиоприемника использовала антенну , питающую усилитель и понижающий преобразователь (см. Частотный смеситель ), питающий автоматическую регулировку усиления , которая питала аналого-цифровой преобразователь , который был на шине VME компьютера с большим количеством цифровых сигнальных процессоров ( Texas Instruments C40s). Передатчик имел цифро-аналоговые преобразователи на шине PCI, питающие повышающий преобразователь (микшер), который вел к усилителю мощности и антенне. Очень широкий диапазон частот был разделен на несколько поддиапазонов с различными аналоговыми радиотехнологиями, питающими те же аналого-цифровые преобразователи. С тех пор это стало стандартной схемой проектирования для широкополосных программных радиоприемников. [ необходима цитата ]
Целью было получить более быстро перенастраиваемую архитектуру, т. е . несколько разговоров одновременно, в открытой программной архитектуре, с кросс-канальным подключением (радио может «мостить» различные радиопротоколы). Вторичные цели были сделать его меньше, дешевле и меньше весить. [ необходима цитата ]
Проект создал демонстрационное радио всего через пятнадцать месяцев трехлетнего исследовательского проекта. Эта демонстрация была настолько успешной, что дальнейшая разработка была остановлена, и радио пошло в производство только с диапазоном от 4 МГц до 400 МГц. [ необходима цитата ]
Архитектура программного обеспечения определяла стандартные интерфейсы для различных модулей радио: «управление радиочастотой» для управления аналоговыми частями радио, «управление модемом» управляло ресурсами для схем модуляции и демодуляции (FM, AM, SSB, QAM и т. д.), модули «обработки формы сигнала» фактически выполняли функции модема , «обработка ключей» и «криптографическая обработка» управляли криптографическими функциями, модуль «мультимедиа» выполнял обработку голоса, «интерфейс пользователя» обеспечивал локальное или удаленное управление, имелся модуль «маршрутизации» для сетевых служб и модуль «управления», чтобы все это было четко. [ необходима цитата ]
Говорят, что модули взаимодействуют без центральной операционной системы. Вместо этого они отправляют сообщения по шине PCI компьютера друг другу с помощью многоуровневого протокола. [ необходима цитата ]
Будучи военным проектом, радиостанция четко различала «красные» (незащищенные секретные данные) и «черные» (криптографически защищенные данные). [ необходима цитата ]
Проект был первым известным применением ПЛИС (программируемых пользователем вентильных матриц) для цифровой обработки радиоданных. Время их перепрограммирования было проблемой, ограничивающей применение радио. Сегодня время написания программы для ПЛИС все еще значительно, но время загрузки сохраненной программы ПЛИС составляет около 20 миллисекунд. Это означает, что SDR может изменять протоколы передачи и частоты за одну пятидесятую секунды, что, вероятно, не является недопустимым прерыванием для этой задачи. [ необходима цитата ]
Система SpeakEasy SDR в 1994 году использовала цифровой сигнальный процессор (DSP) Texas Instruments TMS320C30 CMOS , а также несколько сотен интегральных микросхем, при этом радиоприемник занимал заднюю часть грузовика. К концу 2000-х годов появление технологии RF CMOS сделало практичным масштабирование всей системы SDR до единой смешанной сигнальной системы на кристалле , что Broadcom продемонстрировала с процессором BCM21551 в 2007 году. Broadcom BCM21551 имеет практические коммерческие приложения для использования в мобильных телефонах 3G . [10] [11]
Joint Tactical Radio System (JTRS) — программа вооруженных сил США по производству радиостанций, обеспечивающих гибкую и совместимую связь. Примерами радиотерминалов, которым требуется поддержка, являются ручные, автомобильные, бортовые и демонтированные радиостанции, а также базовые станции (стационарные и морские).
Эта цель достигается за счет использования систем SDR, основанных на международно одобренной открытой архитектуре Software Communications Architecture (SCA). Этот стандарт использует CORBA на операционных системах POSIX для координации различных программных модулей.
Программа обеспечивает гибкий новый подход к удовлетворению различных потребностей солдат в коммуникациях с помощью программируемой радиотехнологии. Вся функциональность и расширяемость построены на SCA.
SCA, несмотря на свое военное происхождение, оценивается коммерческими поставщиками радиооборудования на предмет применимости в их областях. Однако принятие универсальных фреймворков SDR за пределами военных, разведывательных, экспериментальных и любительских целей по своей сути затруднено тем фактом, что гражданские пользователи могут легче довольствоваться фиксированной архитектурой, оптимизированной для определенной функции и, как таковая, более экономичной в массовых рыночных приложениях. Тем не менее, присущая программно-определяемому радио гибкость может принести существенные выгоды в долгосрочной перспективе, как только фиксированные затраты на его реализацию снизятся достаточно, чтобы превзойти затраты на итеративную переделку специально разработанных систем. Это объясняет растущий коммерческий интерес к этой технологии.
Программное обеспечение инфраструктуры на основе SCA и инструменты быстрой разработки для образования и исследований SDR предоставляются проектом Open Source SCA Implementation – Embedded (OSSIE [12] ). Форум беспроводных инноваций профинансировал проект SCA Reference Implementation, реализацию спецификации SCA с открытым исходным кодом. ( SCARI ) можно загрузить бесплатно.
Типичное любительское программное радио использует приемник прямого преобразования . В отличие от приемников прямого преобразования более далекого прошлого, используемые технологии смесителя основаны на квадратурном детекторе выборки и квадратурном возбудителе выборки. [13] [14] [15] [16]
Производительность приемника этой линейки SDR напрямую связана с динамическим диапазоном используемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП). [17] Радиочастотные сигналы преобразуются в звуковой диапазон частот, который дискретизируется высокопроизводительным АЦП звуковой частоты. Первое поколение SDR использовало звуковую карту ПК 44 кГц для обеспечения функциональности АЦП . Более новые программно-определяемые радиостанции используют встроенные высокопроизводительные АЦП, которые обеспечивают более широкий динамический диапазон и более устойчивы к шуму и радиочастотным помехам.
Быстрый ПК выполняет операции цифровой обработки сигнала (DSP) с использованием программного обеспечения, специфичного для радиооборудования. Несколько реализаций программного обеспечения радио используют библиотеку SDR с открытым исходным кодом DttSP. [18]
Программное обеспечение SDR выполняет всю демодуляцию, фильтрацию (как радиочастотную, так и звуковую) и улучшение сигнала (выравнивание и бинауральное представление). Использования включают все распространенные любительские модуляции: азбуку Морзе , однополосную модуляцию , частотную модуляцию , амплитудную модуляцию и различные цифровые режимы, такие как радиотелетайп , медленное сканирование телевидения и пакетное радио . [19] Любители также экспериментируют с новыми методами модуляции: например, проект с открытым исходным кодом DREAM декодирует технику COFDM , используемую Digital Radio Mondiale .
Существует широкий спектр аппаратных решений для радиолюбителей и домашнего использования. Существуют профессиональные решения трансиверов, например, Zeus ZS-1 [20] [21] или FlexRadio, [22] решения для домашнего производства, например, трансивер PicAStar, набор SoftRock SDR, [23] и стартовые или профессиональные решения приемников, например, FiFi SDR [24] для коротких волн или когерентный многоканальный SDR-приемник Quadrus [25] для коротких волн или VHF/UHF в прямом цифровом режиме работы.
Эрик Фрай обнаружил, что некоторые распространенные недорогие USB-ключи DVB-T с контроллером и тюнером Realtek RTL2832U [26] [27] , например, Elonics E4000 или Rafael Micro R820T, [28] можно использовать в качестве широкополосного (3 МГц) SDR-приемника. Эксперименты доказали способность этой установки анализировать метеорный поток Персеиды с использованием сигналов радара Грейвса . [29] Этот проект поддерживается в Osmocom .
Проект HPSDR (High Performance Software Defined Radio) использует 16-битный аналого-цифровой преобразователь 135 MSPS , который обеспечивает производительность в диапазоне от 0 до 55 МГц, сопоставимую с производительностью обычного аналогового HF-радио. Приемник также будет работать в диапазонах VHF и UHF, используя либо образ смесителя, либо псевдонимные ответы. Интерфейс с ПК обеспечивается интерфейсом USB 2.0, хотя Ethernet также может использоваться. Проект является модульным и включает в себя объединительную плату , к которой подключаются другие платы. Это позволяет экспериментировать с новыми методами и устройствами без необходимости замены всего набора плат. Возбудитель обеспечивает 1/2 Вт РЧ в том же диапазоне или в диапазонах VHF и UHF, используя выходы изображения или псевдонима. [30]
WebSDR [31] — проект, инициированный Питером-Тьерком де Буром, предоставляющий доступ через браузер к нескольким приемникам SDR по всему миру, охватывающим весь коротковолновый спектр. Де Бур проанализировал сигналы Chirp Transmitter, используя связанную систему приемников. [32]
KiwiSDR [33] также является SDR через браузер, как и WebSDR. В отличие от WebSDR, частота ограничена 3 Гц до 30 МГц ( ELF до HF )
Благодаря растущей доступности, более дешевому оборудованию, большему количеству программных инструментов и документации, приложения SDR вышли за рамки своих основных и исторических вариантов использования. В настоящее время SDR используется в таких областях, как отслеживание дикой природы, радиоастрономия, исследования медицинской визуализации и искусство.
