Software Defined Radio (SDR) Λιόλης Εμμανουήλ

Τι είναι γενικά το SDR? Τα αναλογικά συστατικά (κάποια ή όλα) του συνηθισμένου ραδιοφώνου υλοποιούνται με λογισμικό Tα ψηφιακά ηλεκτρονικά έχουν βοηθήσει στην υλοποίηση Flexibility, efficiency, power!

Λίγη…ιστορία για το concept 1970: “digital receiver”, Midas Software Baseband Analysis Tool 1984: “software radio” (Raytheon)  digital baseband receiver 1991: Πρόγραμμα SPEAKeasy της αμερικανικής αεροπορίας: "SPEAKeasy is an attempt to create the PC of the radio world." 1992: Ο Joseph Mitola δημοσιεύει άρθρο στην ΙΕΕΕ για το software radio και θεωρείται ο «πατέρας» του όρου αυτού : JTRS (Joint Tactical Radio System)  καθιέρωση του SCA (Software Communication Architecture)

Πώς φτάσαμε στο σήμερα? 1998: Δημιουργία κώδικα για περιβάλλον embedded (ενσωματωμένο) SDR που θα παρήγαγε εκτελέσιμα αρχεία για μετέπειτα επεξεργασία 2001: GNU Radio  open-source toolset για την ανάπτυξη εφαρμογών SDR σε PC 2004: FCC (Federal Communications Commission) first approval of a commercial SDR 2006: Texas Instruments και Xilinx φτιάχνουν μαζί το πρώτο ολοκληρωμένο SDR 2009: First commercial single-chip RF front-end

An Overview of SDR (receiver) Αποτελείται βασικά από: 1.RF front-end (RF tuner) 2.Έναν A/D Converter 3.Digital Down Converter (DDC) Ένας υπολογιστής είναι πάντα απαραίτητος! Βασικό συστατικό του SDR είναι φυσικά οι πολλές διαδικασίες ψηφιακής επεξεργασίας σήματος (digital signal processing-DSP) πριν λάβουμε το σήμα που θέλουμε να ακούσουμε.

Μια υπενθύμιση του αναλογικού ραδιοφώνου

Μπλοκ Διάγραμμα ενός δέκτη SDR To LPF του DDC της εικόνας είναι τύπου FIR και περιορίζει το εύρος ζώνης του σήματος (decimating LPF) DSP: αποδιαμόρφωση, αποκωδικοποίηση: Υλοποιείται από ASICs και προγραμματιζόμενους DSPs

Μείκτης δέκτη SDR Το αποτέλεσμα της διεργασίας είναι I και Q components Διαφορά με τον αναλογικό μείκτη: η συχνότητα στην οποία μετατοπίζεται το σήμα με τη βοήθεια του ταλαντωτή

DDC Τοπικός Ταλαντωτής και Decimation LO: μετατόπιση μέρους του RF σήματος στη μηδενική συχνότητα. Πρώτο σήμα: για Ι συνιστώσα Δεύτερο σήμα: για Q συνιστώσα Υποδειγματοληψία με ρυθμό Ν φορές μικρότερο!

Επεξεργασία σήματος στον DDC Κρατάμε 1 από κάθε Ν δείγματα (το decimation) για λόγους οικονομίας και εξοικονόμησης πόρων Συμπερασματικά γίνονται 2 λειτουργίες στο DDC: 1.Μετατόπιση του σήματος από LO στη μηδενική συχνότητα 2.Χαμηλοπερατό φιλτράρισμα και decimation

Η τεχνική των I,Q συνιστωσών Ο SDR δέκτης έχει δύο μείκτες και δύο ταλαντωτές, έναν για κάθε συνιστώσα του σήματος, με Δφ=90 ο Προσθέτοντας και αφαιρώντας τις δύο συνιστώσες διαχωρίζουμε τις δύο πλευρικές ζώνες Ένα (I,Q) διάνυσμα αποδιαμορφώνεται πολύ εύκολα με κατάλληλους αλγορίθμους

Μπλοκ διάγραμμα πομπού SDR Στον πομπό πραγματοποιείται ουσιαστικά η αντίστροφη διαδικασία σε σχέση με το δέκτη

Επεξεργασία σήματος στον DUC Ο μίκτης και ο ταλαντωτής εκτελούν αντίστοιχη λειτουργία με έναν δέκτη Ο μείκτης παράγει ένα δείγμα εξόδου για κάθε ένα από τα δύο δείγματα εισόδου Το interpolation filter αυξάνει τη συχνότητα δειγματοληψίας κατά Ν (N=interpolation factor)

Interpolating φίλτρο Προστίθενται δείγματα ανάμεσα στα ήδη υπάρχοντα (αντίστροφη διαδικασία του LPF στο δέκτη) χάρη στο φίλτρο Το αποτέλεσμα του interpolation φίλτρου μετατοπίζεται σε μια ζώνη γύρω απ’ την IF συχνότητα με τη βοήθεια του μείκτη

Επεξεργασία σε DUC και DDC Fs/Fb=N Baseband Bandwidth=0.8*Fb (εύρος ζώνης διέλευσης των φίλτρων των 2 σχημάτων)

Οφέλη του SDR Μείωση απαιτήσεων ΨΕΣ Γρήγορος συντονισμός του LO στην επιθυμητή συχνότητα Εύκολη επιλογή BW στα φίλτρα δέκτη, πομπού Ακριβείς χαρακτηριστικές φίλτρων: ανεπηρέαστες απ΄το χρόνο και τη θερμοκρασία Πολύ καλό δυναμικό εύρος λειτουργίας

Υλοποίηση των SDR σήμερα FPGA, GPP (general purpose processors), DSP Τα FPGA έχουν το βασικό πλεονέκτημα της παράλληλης επεξεργασίας σε σχέση με τα DSP. Τα πρώτα προγραμματίζονται για να εκτελούν κάποιες από τις λειτουργίες των δεύτερων Intellectual Property (IP) Cores=αλγόριθμοι ΨΕΣ που χρησιμοποιούν τα FPGA Τα παραπάνω πλεονεκτήματα υπερέχουν απέναντι στα μειονεκτήματα της αυξημένης κατανάλωσης ισχύος και του αυξημένου κόστους παραγωγής

Το SDR στην αγορά-Ενδεικτικά στοιχεία Πάνω από 93% της αγοράς κινητών υποδομών Χρήση στις στρατιωτικές επικοινωνίες. Εξοπλισμός για τη δημόσια ασφάλεια. Δορυφορικά “μόντεμ” στις εμπορικές και στρατιωτικές εφαρμογές

SDR and the Internet of Things (IoT) Αξιοποίηση περισσότερων συχνοτήτων και θέσπιση νέων πρωτοκόλλων ασύρματης επικοινωνίας Δημιουργούνται νέα πρότυπα ή προσαρμόζονται τα ήδη υπάρχοντα Άρα με την βοήθεια του SDR έχουμε ταχύτητα και αποτελεσματικότητα

Σας ευχαριστώ πολύ για την προσοχή σας!