Программно-определяемая радиосвязь ( SDR ) — это система радиосвязи , в которой компоненты, которые традиционно были реализованы в аналоговом оборудовании (например, смесители , фильтры , усилители , модуляторы / демодуляторы , детекторы и т. д.), вместо этого реализуются посредством программного обеспечения на компьютере или Встроенная система . [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 некоторая форма радиочастотного интерфейса . Значительный объем обработки сигналов передается процессору общего назначения, а не выполняется на специализированном оборудовании ( электронных схемах ). Такая конструкция создает радиостанцию, которая может принимать и передавать самые разные радиопротоколы (иногда называемые сигналами) исключительно на основе используемого программного обеспечения.
Программные радиостанции имеют большое значение для военных служб и служб сотовой связи , которые должны обслуживать широкий спектр изменяющихся радиопротоколов в режиме реального времени. Сторонники, такие как Форум беспроводных инноваций, ожидают, что в долгосрочной перспективе программно-определяемые радиостанции станут доминирующей технологией в радиосвязи. SDR, наряду с программно-определяемыми антеннами, являются основой когнитивного радио . [2]
Супергетеродинные приемники используют VFO ( генератор переменной частоты ), смеситель и фильтр для настройки желаемого сигнала на общую ПЧ ( промежуточную частоту ) или основную полосу частот . Обычно в SDR этот сигнал затем дискретизируется аналого-цифровым преобразователем. Однако в некоторых приложениях нет необходимости настраивать сигнал на промежуточную частоту, и радиочастотный сигнал непосредственно дискретизируется аналого-цифровым преобразователем (после усиления).
Настоящим аналого-цифровым преобразователям не хватает динамического диапазона для приема радиосигналов субмикровольтной и нановаттной мощности, создаваемых антенной. Следовательно, этапу преобразования должен предшествовать малошумящий усилитель , и это устройство создает свои проблемы. Например, если присутствуют паразитные сигналы (что типично), они конкурируют с полезными сигналами в динамическом диапазоне усилителя . Они могут вносить искажения в полезные сигналы или полностью их блокировать. Стандартным решением является установка полосовых фильтров между антенной и усилителем, но это снижает гибкость радиостанции. Настоящие программные радиостанции часто имеют два или три аналоговых фильтра каналов с разной полосой пропускания, которые включаются и выключаются.
Гибкость SDR позволяет использовать динамический спектр, устраняя необходимость статического распределения ограниченных спектральных ресурсов одной фиксированной службе. [3]
В 1970 году исследователь [ кто? ] в лаборатории Министерства обороны США придумал термин «цифровой приемник». Лаборатория под названием Gold Room в TRW в Калифорнии создала программный инструмент анализа основной полосы частот под названием Midas, работа которого определялась в программном обеспечении. [ нужна цитата ]
В 1982 году, работая по контракту Министерства обороны США с RCA , отдел Ульриха Л. Роде разработал первый SDR, в котором использовался чип COSMAC (компьютер с монолитной матрицей комплементарной симметрии). Роде был первым, кто выступил на эту тему в своем выступлении в феврале 1984 года «Цифровое КВ-радио: выборка методов» на Третьей международной конференции по системам и технологиям ВЧ-связи в Лондоне. [4]
В 1984 году команда подразделения E-Systems Inc. (ныне Raytheon ) в Гарланде, штат Техас (ныне Raytheon ) придумала термин «программное радио» для обозначения цифрового приемника основной полосы частот, опубликованный в информационном бюллетене компании E-Team. Лаборатория «Проверка концепции программного радио» была разработана командой E-Systems, которая популяризировала программное радио в различных правительственных учреждениях. Это программное радио 1984 года представляло собой цифровой приемник основной полосы частот , который обеспечивал программируемое подавление помех и демодуляцию широкополосных сигналов, обычно с тысячами отводов адаптивных фильтров , с использованием нескольких процессоров массива, обращающихся к общей памяти. [5]
В 1991 году Джо Митола независимо заново изобрел термин «программное радио» для плана создания базовой станции GSM , которая объединила бы цифровой приемник Ferdensi с глушителями связи E-Systems Melpar с цифровым управлением для настоящего программного трансивера. Компания E-Systems Melpar продала идею программного радио ВВС США. В 1990–1991 годах компания Melpar построила прототип тактического терминала командиров, в котором использовались процессоры Texas Instruments TMS320C30 и наборы микросхем цифровых приемников Harris Corporation с цифровой синтезированной передачей. 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 на передаче и приеме и вернувшись к цифровой базовой полосе частот. радио вместо SpeakEasy, такого как АЦП/ЦАП ПЧ прототипа Митолы. ВВС не позволили Mitola опубликовать технические детали этого прототипа, а также не позволили Дайане Вассерман публиковать извлеченные уроки из жизненного цикла программного обеспечения, поскольку они считали это «конкурентным преимуществом ВВС США». 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 , в которой использовался 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 насчет теории программного радио, и мы его создаем». [ нужна цитация ] Прилл представил GEC Marconi документ о PAVE PILLAR, предшественнике SpeakEasy. SpeakEasy, военное программное обеспечение радио, было разработано Уэйном Бонсером, тогда работавшим в Римском центре развития авиации (RADC), ныне Римских лабораториях; Алан Маргулис из MITRE , Рим, штат Нью-Йорк; а затем лейтенант Бет Каспар, первоначальный руководитель проекта DARPA SpeakEasy, и другие люди в Риме, включая Дона Упмала. Хотя публикации Митолы в IEEE привели к крупнейшему глобальному распространению программного радио, Митола в частном порядке отдает должное лаборатории Министерства обороны 1970-х годов с ее руководителями Карлом, Дэйвом и Джоном за изобретение технологии цифрового приемника, на которой он основал программное радио, когда появилась возможность передавать через программное обеспечение. [ нужна цитата ]
Через несколько месяцев после Национальной конференции по телесистемам 1992 года в обзоре корпоративной программы E-Systems вице-президент подразделения E-Systems Garland Division возражал против использования Мельпаром (Митолой) термина «программное радио», не упоминая Гарланда. Алан Джексон, в то время вице-президент Melpar по маркетингу, спросил вице-президента Garland, есть ли в их лаборатории или устройствах передатчики. Вице-президент Гарленда 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 в силе. Многие радиолюбители и инженеры КВ-радиотехники осознали ценность оцифровки ВЧ на РЧ 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 организации в Германии одновременно осознали преимущества ADC в РФ. Публикация Митолы о программном радио в IEEE открыла эту концепцию широкому сообществу радиоинженеров. Его специальный выпуск журнала IEEE Communications Magazine за май 1995 года с обложкой «Программное радио» был расценен как переломный момент, получивший тысячи научных цитирований. Митола был представлен Жоао да Силва в 1997 году на Первой международной конференции по программному радио как «крестный отец» программного радио, в немалой степени из-за его готовности поделиться такой ценной технологией «в общественных интересах». [ нужна цитата ]
Возможно, первый программный радиоприемопередатчик был разработан и реализован Питером Хёхером и Хельмутом Лангом в Немецком институте аэрокосмических исследований ( DLR , ранее DFVLR ) в Оберпфаффенхофене , Германия, в 1988 году. [7] И передатчик, и приемник адаптивного цифрового спутника. модем были реализованы по принципам программного радио и предложена гибкая аппаратная периферия. [ нужна цитата ]
В 1995 году Стивен Бласт ввёл термин «программно-определяемая радиосвязь», опубликовав запрос на информацию от Bell South Wireless на первом заседании форума Модульных многофункциональных систем передачи информации (MMITS) в 1996 году, организованном ВВС США и DARPA вокруг коммерциализации. своей программы SpeakEasy II. Митола возражал против термина Бласта, но в конце концов принял его как прагматичный путь к идеальному программному радио. Хотя эта концепция была впервые реализована с помощью АЦП ПЧ в начале 1990-х годов, программно-определяемые радиостанции возникли в оборонном секторе США и Европы в конце 1970-х годов (например, Уолтер Таттлби описал ОНЧ-радиостанцию, в которой использовались АЦП и 8085 ). микропроцессор ), [8] примерно через год после Первой Международной конференции в Брюсселе. Одной из первых инициатив в области публичного программного обеспечения для радио стал военный проект DARPA и ВВС США 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] Другая цель разработки SpeakEasy заключалась в том, чтобы иметь возможность легко внедрять новые стандарты кодирования и модуляции в будущем, чтобы военная связь могла идти в ногу с достижениями в методах кодирования и модуляции. [ нужна цитата ]
В 1997 году Blaupunkt представила термин «DigiCeiver» для своей новой линейки тюнеров на основе 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 наземной группы управления воздушным движением ВВС США , которая могла бы работать в диапазоне от 2 МГц до 2 ГГц и, таким образом, могла взаимодействовать с радиостанциями наземных сил ( VHF с перестройкой частоты , FM и SINCGARS ), радиостанции ВВС (VHF AM ), военно-морские радиостанции ( телетайпы VHF AM и HF SSB ) и спутники ( микроволновая QAM ). Некоторые конкретные цели заключались в том, чтобы за две недели с нуля предоставить новый формат сигнала и продемонстрировать радио, к которому несколько подрядчиков могли бы подключать детали и программное обеспечение. [ нужна цитата ]
Проект был продемонстрирован на TF-XXI Advanced Warfighting Training и продемонстрировал все эти цели на непроизводственном радиоприемнике. Было некоторое недовольство тем, что эти ранние программные радиостанции не могли адекватно фильтровать внеполосные излучения, использовать более простые из совместимых режимов существующих радиостанций, а также терять связь или неожиданно выходить из строя. Его криптографический процессор не мог менять контекст достаточно быстро, чтобы одновременно поддерживать в эфире несколько радиопереговоров. Его программная архитектура, хотя и была достаточно практичной, не имела никакого сходства ни с какой другой. Архитектура SpeakEasy была усовершенствована на форуме MMITS в период с 1996 по 1999 год и вдохновила группу интегрированных процессов Министерства обороны США (IPT) по созданию программируемых модульных систем связи (PMCS) на создание того, что стало совместной тактической радиосистемой (JTRS). [ нужна цитата ]
В базовой компоновке радиоприемника использовалась антенна , питающая усилитель , и понижающий преобразователь (см. Частотный смеситель ), питающий автоматическую регулировку усиления , который питал аналого-цифровой преобразователь , находившийся на компьютере VMEbus с множеством процессоров цифровых сигналов . ( Техасские инструменты C40). 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 одни и те же аналого-цифровые преобразователи. С тех пор это стало стандартной схемой проектирования широкополосных программных радиостанций. [ нужна цитата ]
Целью было получить более быстро реконфигурируемую архитектуру, т. е . несколько разговоров одновременно, в открытой программной архитектуре с кросс-канальной связью (радиостанция может «соединить» разные радиопротоколы). Второстепенные цели заключались в том, чтобы сделать его меньше, дешевле и весить меньше. [ нужна цитата ]
В рамках проекта было создано демонстрационное радио всего через пятнадцать месяцев после трехлетнего исследовательского проекта. Эта демонстрация была настолько успешной, что дальнейшая разработка была остановлена, и радио было запущено в производство только с диапазоном частот от 4 до 400 МГц. [ нужна цитата ]
В архитектуре программного обеспечения определены стандартные интерфейсы для разных модулей радиостанции: «управление радиочастотой» для управления аналоговыми частями радиостанции, «управление модемом» для управляемых ресурсов для схем модуляции и 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» обеспечивал локальное или дистанционное управление, существовал « модуль маршрутизации для сетевых служб и модуль управления, чтобы все было в порядке. [ нужна цитата ]
Говорят, что модули взаимодействуют без центральной операционной системы. Вместо этого они отправляют друг другу сообщения по компьютерной шине PCI с помощью многоуровневого протокола. [ нужна цитата ]
В качестве военного проекта радио четко различало «красный» (незащищенные секретные данные) и «черный» (данные, защищенные криптографией). [ нужна цитата ]
Этот проект был первым известным проектом, в котором использовались FPGA (программируемые пользователем вентильные матрицы) для цифровой обработки радиоданных. Время их перепрограммирования было проблемой, ограничивающей применение радио. Сегодня время написания программы для FPGA по-прежнему значительно, но время загрузки сохраненной программы FPGA составляет около 20 миллисекунд. Это означает, что SDR может менять протоколы и частоты передачи за одну пятидесятую секунды, что, вероятно, не является недопустимым прерыванием для этой задачи. [ нужна цитата ]
В системе SpeakEasy SDR 1994 года используется цифровой сигнальный процессор (DSP) Texas Instruments TMS320C30 CMOS , а также несколько сотен интегральных микросхем, а радиоприемник размещается в кузове грузовика. К концу 2000-х годов появление технологии RF CMOS сделало практичным масштабирование всей системы SDR до единой системы смешанных сигналов на кристалле , что Broadcom продемонстрировала на процессоре BCM21551 в 2007 году. Broadcom BCM21551 имеет практические возможности коммерческие приложения для использования в мобильных телефонах 3G . [10] [11]
Объединенная тактическая радиосистема (JTRS) представляла собой программу вооруженных сил США по производству радиостанций, обеспечивающих гибкую и совместимую связь. Примеры радиотерминалов, требующих поддержки, включают портативные, автомобильные, бортовые и демонтированные радиостанции, а также базовые станции (стационарные и морские).
Эта цель достигается за счет использования систем SDR, основанных на одобренной на международном уровне открытой архитектуре программных коммуникаций (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 программно-программируемой радиотехнологии. Вся функциональность и расширяемость построены на SCA.
Гибкость SDR приводит к дорогостоящей сложности, невозможности оптимизации, замедлению возможности применения новейших технологий и редкому тактическому требованию пользователя (поскольку все пользователи должны выбирать и оставаться с одним и тем же радио, если они хотят общаться).
SCA, несмотря на свое военное происхождение, находится на стадии оценки коммерческими поставщиками радиооборудования на предмет применимости в их областях. Однако внедрение систем SDR общего назначения за пределами военных, разведывательных, экспериментальных и любительских целей по своей сути затруднено тем фактом, что гражданским пользователям легче обойтись фиксированной архитектурой, оптимизированной для конкретной функции и, как таковой, более экономичной. в приложениях массового рынка. Тем не менее, присущая программно-определяемой радиосвязи гибкость может принести существенные выгоды в долгосрочной перспективе, как только фиксированные затраты на ее внедрение снизятся настолько, что превзойдут затраты на повторяющуюся модернизацию специально созданных систем. Именно этим и объясняется растущий коммерческий интерес к этой технологии.
Инфраструктурное программное обеспечение на базе SCA и инструменты быстрой разработки для обучения и исследований SDR предоставляются в рамках проекта Open Source SCA Implementation – Embedded (OSSIE [12] ). Форум беспроводных инноваций профинансировал проект эталонной реализации SCA, реализацию спецификации SCA с открытым исходным кодом. ( SCARI ) можно скачать бесплатно.
Типичная любительская программная радиостанция использует приемник прямого преобразования . В отличие от приемников прямого преобразования более отдаленного прошлого, используемые технологии смесителей основаны на детекторе квадратурной выборки и возбудителе квадратурной выборки. [13] [14] [15] [16]
Характеристики приемника этой линейки SDR напрямую связаны с динамическим диапазоном используемых аналого-цифровых преобразователей (АЦП). [17] 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 функций АЦП . В новых программно-определяемых радиостанциях используются встроенные высокопроизводительные АЦП, которые обеспечивают более широкий динамический диапазон и более устойчивы к шуму и радиочастотным помехам.
Быстрый ПК выполняет операции цифровой обработки сигналов (DSP) с использованием программного обеспечения, специфичного для радиооборудования. В нескольких реализациях программной радиосвязи используется SDR-библиотека с открытым исходным кодом DttSP. [18]
Программное обеспечение SDR выполняет всю демодуляцию, фильтрацию (как радиочастотную, так и звуковую) и улучшение сигнала (эквализация и бинауральное представление). Использование включает в себя все распространенные любительские модуляции: код Морзе , однополосную модуляцию , частотную модуляцию , амплитудную модуляцию и различные цифровые режимы, такие как радиотелетайп , телевидение с медленным сканированием 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 .
Имеется широкий спектр аппаратных решений для радиолюбителей и домашнего использования. Существуют трансиверы профессионального уровня, например, Zeus ZS-1 [20] [21] или FlexRadio, [22] самодельные решения, например, трансивер PicAStar, комплект SoftRock SDR, [23] и стартовые или профессиональные приемные решения, например, FiFi SDR [24] для коротких волн или когерентный многоканальный приемник SDR Quadrus [25] для коротких волн или ОВЧ/УВЧ 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-приемник. Эксперименты доказали способность этой установки анализировать метеорный поток Персеиды с использованием сигналов радара Грейвса . [29] Этот проект поддерживается в Osmocom .
В проекте HPSDR (High Performance Software Defined Radio) используется 16-битный аналого-цифровой преобразователь со скоростью 135 MSPS , который обеспечивает производительность в диапазоне от 0 до 55 МГц , сравнимую с производительностью обычной аналоговой КВ-радиостанции. Приемник также будет работать в диапазонах ОВЧ и УВЧ, используя либо изображение микшера, либо псевдонимы. Интерфейс с ПК обеспечивается интерфейсом USB 2.0, хотя можно также 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 выдает 1/2 Вт радиочастотного сигнала в том же диапазоне или в диапазонах ОВЧ и УВЧ, используя выходы изображения или псевдонимов . [30]
WebSDR [31] — это проект, инициированный Питером-Тьерком де Буром, обеспечивающий доступ через браузер к многочисленным приемникам SDR по всему миру, охватывающим весь коротковолновый спектр. Де Бур проанализировал сигналы Chirp Transmitter , используя связанную систему приемников. [32]
Благодаря растущей доступности, более дешевому оборудованию, большему количеству программных инструментов и документации, приложения SDR вышли за рамки своих основных и исторических сценариев использования. SDR в настоящее время используется в таких областях, как отслеживание дикой природы, радиоастрономия, исследования в области медицинских изображений и искусство.
