Yazılım tanımlı radyo (SDR) sistemleri, esnek, dinamik sinyal işlemenin tamamen yazılım yoluyla işlenmesine olanak sağlayarak, belirli donanımdan gelen radyo işlevlerinin programlanabilir algoritmalarına geçiş yaparak, SDR platformlarının mühendisleri ve araştırmacıların farklı standartlara uyum sağlamasına izin verir, spektrum ortamları ve uygulama gereksinimlerine tek bir direnç veya kapasitör değiştirmeden giriş yapar.Bu dönüşümün kalbinde dijital sinyal işleme (DSP) - ham analog dalgaformları alan hesaplama arka kemiği, onları dijital verilere dönüştürür ve bunları manipüle eder.

Yazılım savunmalı Radyo nedir?

Yazılımlı radyo, geleneksel olarak donanımda inşa edilen bileşenlerin bir uygulama paradigmasıdır - karıştırıcılar, filtreler, modülatörler, demodulatörler ve dektörler gibi - genel amaçlı veya özel bir işlemcilerde çalışan yazılım algoritmaları olarak fark edilir.Bu mimari değişim, her sinyal şartlandırma ve kesintiye uğrama aşaması gibi. SDR, aksine, zincirinde mümkün olduğunca erkenden gelen sinyali mümkün ve sonra işlemleri mümkün olduğunca çok sayıdaki işlem sunar.

Bir SDR alıcının temel blok diyagramı antende başlar. Düşük bir tonlama yükselticisi (LNA), geniş bir analog-to-dijik dönüştürücüye geçilmesinden önce alınan sinyali artırır (ADC) ADC, tüm ilgi grubu örnek alır - çoğu zaman birçok megahertz'i yayıyor - ve dijital örneklerden bir akış üretir.Bu noktadan sonra her radyo işlevi (örneğin, frekans çevirisi, demodülasyon, kesinti) bir algoritma ile yapılır.

Erken SDR sistemleri 1990'larda askeri ve araştırma bağlamlarında ortaya çıktı, SDR'nin çoklu uyumlu dalgaformları ile iletişim kurabilen radyolar için ihtiyaç duyulan ihtiyaç tarafından yönlendirildi. yüksek performanslı, düşük maliyetli analog-sayılı kanal dönüştürücüler ve alan programlanabilir kapı dizileri (FPGA) 4G arasında geçiş yaparken, hobiistler, uçak transistörlerinden her şeye kadar tamamen yazılım güncelleştirmeleri kullanarak tamamen ücretsiz USB tabanlı SDR dongles kullanmaktadır.

SDR'deki önemli bir konsept, ADC/DAC, dijital alt-konverterler (DDC) ve analog bileşenler arasında oturan sinyalleri tercüme eden dijital ön-sonrasıdır.

SDR'de Dijital Sinyal İşlemenin Rolü

Dijital sinyal işleme, SDR'nin esnekliğini sağlayan temel teknolojidir. DSP olmadan, geniş bir bant sinyalinin erken dijitalleştirilmesi sadece gürültü ve veri aşırı yüklemesi üretecektir; anlam çıkarmak algoritmalarıdır.In an SDR context, DSP birkaç temel operasyon gerçekleştirmektedir:

  • [FONT=0]Sampling ve Quantization: [DÜDÜSTRİYE] ADC sürekli zamanlı analog sinyale ayrık zamanlı dijital değerler kazandırabilir. Örnek oranı Nyquist theorem'i tatmin etmelidir - en azından iki kat daha fazla ilgi frekansı (Sampling) çözümü ve anti-zamanlı filtre tasarımını geliştirebilir.
  • [DDC] Dijital Down-Convers (DDC): ), geniş bant sayısal bir akış içinde dar bir bant kanalı verimli bir şekilde işlemek için, DDC sinyali sayısal olarak kontrol edilen bir osilatör (NCO) ile karıştırıyor, sonra düşük frekanslı filtreleme ve decimasyona devam ediyor. Bu, bilgiyi korumak için kullanılabilir bir şeyi azaltılabilir bir şey azaltır.
  • [FONT:0) Direktif:[Dönetici:[Dönemli) Dijital filtreler - sonlu dürtü yanıt (IIR), ve sabit olmayan bir FM kanalından donanım değişiklikleri olmadan geniş bir banta geçiş yapmak için bir radyoya izin verir.
  • [FONT=0]Modulation/Demodulation: Dijital modulation (BPSK, QPSK, QAM, OFDM) temel bant sembollerinin matematiksel dönüşümleri olarak uygulanır.DSP, alınan dalgaformundan biraz geri alır.
  • [FONT=0)Sync ve Equalization:[Dönetici:[Dönetici: 0,0) KLM frekansı dengeleme, sembol zamanlama sürüklenme ve çok fazlapath fading, Kostas döngüsü gibi Adaptasyon algoritmaları, Gardner zamanlama hatası dedektörleri ve en azından otomatikleştirici sistemler yazılımlarda uygulanır, kanal koşulları olarak sürekli ayarlanmalıdır.
  • [FONT:0)Error Düzeltme:[DÜDÜ) İleri hata düzeltmesi (FEC) konvolutional kodları, LDPC ve turbo kodları hesaplamalı olarak yoğundur, ancak bağlantı güvenilirliğini artırmak.Anahtar DSP çekirdeği veya yazılım kütüphaneleri bu dekoding operasyonları hızlandırır.

Temel olarak, DSP, SDR'yi basit bir sayısal bir iletişim motoruna dönüştürür. Yeni bir bilgisayar veya kod yüklemeyle herhangi bir işleme bloğu değiştirme yeteneği - tek bir donanım parçasına dokunmadan - SDR'yi bu kadar güçlü yapan şeydir.

SDR Systems'de DSP'yi Uygulamayın

DSP'yi bir SDR sisteminde uygulama, donanım ve yazılım kararlarının bir boru hattını içerir. Tam mimari hedef uygulamaya bağlıdır: geniş bir bant spektrum analizörü örnek oranını ve dinamik aralığı önceliklendirirken, düşük güç IoT sensörü verimlilik ve geçliği vurgulayabiliriz.

Analog-enerji Dönüşümü (ADC)

ADC, bir SDR alıcının temel sınırlarını tanımlar. Önemli parametreler örnek oranı, biraz genişlik (düşük), bağımsız dinamik aralık (SFDR) ve güç tüketimi. Modern yüksek hızlı ADCs örneklerini ikinci başına oluşturur - 12-bit veya 14-bit çözünürlüğüne ulaşmadan önce azaltılmalıdır. ADC genellikle ilk kez bir FP veya enerji tüketimi olmadan radyo frekansında sayısal olarak yapılır.

Dijital İşleme Motorları

sinyal sayısallaştırılmışsa, DSP'nin miktarı bir veya daha fazla işlem motorlarında oluşur:

  • [FONT:0]FPGAs:[Döneticileri] Alan tarafından programlanabilir kapı dizileri, yüksek performanslı SDR'nin çalışma kümeleridir. Paralel mimarileri, dijital altüstleme gibi, yüksek çözünürlükte, yüksek çözünürlükte, eşleştirmeli filtreleme ve FFT komplikeli FPGA aileleri Xilinx Zynq ve Intel Arria'yı içerir.
  • [DSP'ler için Dijital İşaret Süreçleri (DSP): ) Geleneksel DSP çipleri (örneğin, Texas Instruments, Analog Cihazlar) programlanabilir, tek bir yapıt-multiple-data (CD) gerçek zamanlı sinyal işleme için mimari ayarlandığında daha az uygundur.
  • [FONT=0)GPUs ve General-Purpose CPUs:[Döneticileri) Grafik işleme birimleri (GPUs), OFDM demodulation ve kanal tahminleri gibi büyük paralel iş yüklerini hızlandırabilir.Bu arada CPUs, yüksek katmanlı bir yığınını çalıştırıyor - protokol işleme, giriş, kullanıcı arayüzü - ve geç saatlerde hafif DSP görevleri yerine getiriyor.

Dijital-Analog Dönüşümü (DAC)-

İlet için, DAC, işlenmiş dijital yayından analog dalgaformunu yeniden yapılandırır. DAC'nin örnek oranı, genellikle en az iki kat daha yüksek frekans sinyalinin bileşenidir. DAC çipine entegre edilmiştir.

Yazılım Stack ve Gerçek Zaman Operasyonları

Yazılım katmanı donanım ve orkestralar DSP operasyonlarına üst düzeyde oturur. FPGA-based SDR'de, DSP algoritmalarının kendileri donanıma sahip, yumuşak bir çekirdek veya sert çekirdekli işlemci (örneğin, ARM Cortex-A) kontrol görevleri ile karşılaşır.In a CPU-santrik SDR, gerçek zamanlı kısıtlamalar düşük çözünürlükte (örneğin, PREEMPT RT Linux), dikkatli bir thread planlama ve ADC tampon ve kullanıcı-kullanıcı uygulama alanı arasındaki sıfır-verileri ile karşılanır.

Aşağıda, bir DSP işlevi uygulamak için basit bir adım dizisidir - bir FM demodulator - bir SDR alıcısında:

  1. [FONT:0)Köpeklik: [Dönetici: [Dönetici:0] ADC, FM sinyali içeren geniş bir bant spektrumu kullanır.
  2. [FONT:0) Dijital Down-Convers:[Dönetici:[Dönetici:0) FPGA veya CPU, taşıyıcı frekansına NCO ayarlı kullanarak, daha sonra düşük bir FIR filtre ve decimation uygular, örnek oranı ikinci başına birkaç yüz kilo topye düşürür.
  3. [FONT:0)Quadrature Demodulation: Komplek taban sinyali (I ve Q) farklı frekans ayrımı ile işlenir: ardışık örnekler arasındaki anlık aşama değişir, bir bazband ses sinyali verir.
  4. [FONT=0) Direkt ve Squelch:[Dönetici:[Dönder: 1 ) Bir ses teli yüksek frekanslı gürültüyü kaldırır ve sinyal gücü bir eşin altındayken çıktı.
  5. [FONT:0) Playback:[Dönetici:[Dönetici:0) Demodated ses örnekleri bir ses kartına gönderilir veya bir PCM dosyası olarak depolanır.

Bu adımların her biri, donanım değişiklikleri olmadan yazılımda yeniden sipariş edilebilir veya değiştirilebilir - SDR'nin yer işareti.

DSP'nin SDR'deki Avantajları

SDR'de DSP'yi uygulamak fiziksel bileşenleri ortadan kaldırmanın ötesindeki avantajlara sahiptir. Aşağıdaki avantajlar sistem bütünleştiricileri ve operatörleri tarafından sık sık aktarılmaktadır.

  • [FONT:0]Unparalleled Flexability:[DFLT:1] Tek bir SDR platformu AM, FM, DVB-T, LTE veya özel dalgaformları yeni DSP yazılımı yüklemeyle yeniden yapılandırılabilir. Bu çok kabul edilen askeri radyolar, test ekipmanları ve amatör deney için paha biçilmez.
  • [FONT:0) Çok standart ve Multi-band Desteği: Çünkü dijital işleme zinciri programlanabilir, bir radyo aynı anda birden çok kanal veya standart izleyebilir - örneğin, aynı donanımda LTE ve 5G NR çalışan bir hücresel temel istasyon, trafikten dinamik olarak yararlanarak.
  • [FONT:0]Cost-Effectiveness ve Hızlı Iteration: [Dönetici: Yeni donanımın pahalı ve yavaş olduğunu geliştirmek. SDR ile mühendisler prototip ve yeni algoritmaları günlerce test etmek, aylarca aynı fiziksel tasarımı farklı pazarlara kullanamazlar, sadece yazılım lisanslama yoluyla ayırt edilebilirler.
  • [[Döneticileri ile gelişmiş performans: [Dönetici:0) Dijital teknikler birçok alanda analog eşdeğerler. Adaptif eşitleme sabit bir filtreden çok daha iyi telafi etmek için telafi edilir; verici sızıntının dijital iptali tam olarak karmaşık iletişim geliştirebilir; ve makine öğrenimine dayalı sinyal algılaması gürültü zemininin altında çalışabilir.
  • [FONT:0)Over-the-Air Upgradability: Bugs ve özellik talepleri hava üzerinde baskı yapan bir yazılım güncelleştirme ile ele alınabilir - uydular veya IoT düğümleri gibi uzaktan veya zor erişim tesisatları için kritik.
[0] “SDR’nin gerçek güzelliği, karmaşıklığı yazılımlara itmenize olanak sağlar, bu da analog tasarıma hiç dokunmadan optimize edebilir ve optimize edebilirsiniz. [FONT=0] Bu nedenle, her yeni kablosuz standartlar nesli - Wi-Fi 6 ila 5G ve ötesinde - ağır dijital cepheye dayanan sona erer. ”-

DSP Uygulamasında Meydanlar SDR

Birçok güçlülüğe rağmen, SDR'de DSP'yi uygulamak engelsiz değildir. Mühendisler her iki performansı ve pratikliği etkileyen ticarete yol açmalıdır.

  • [FONT:0) Güç ve Forput: Wideband SDR (özellikle doğrudan RF örnekleme ile) büyük veri oranları oluşturur - DSP motoru, sabit işlevsiz sabit hatlar için mükemmel bir şekilde devam etmelidir, ancak bunları yeni bir dalgalama için yeniden programlanabilir. CPUs ve GPUs daha fazla kullanılabilirlik sağlar.
  • [FONT=0)Power Tüketim: [DÜDÜDÜSÜŞÜNÜSÜŞÜNÜSÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜŞÜNÜ: 0,0) Güç tüketimi: [DÜye Çalışan Yazılımlar (EDC'de sertleştirilmiş DDC blok) ve DACs, güç ve esneklik için dengelenebilir bir mantıkla dengelenebilir.
  • DSPT:0) Latency ve Boyut için Algoritma Optimizasyonu: [DSPT:1] DSP, bilişsel radyo veya hızlı frekans umutlu gibi sınırlı sayıdaki uygulamalarla birlikte optimize edilmelidir.Her algoritma, önbellek verimliliği ve öğretim seviyesindeki paralellik için optimize edilmelidir.
  • [FONT=0)Analog Interface Imperfections:[DÜT:1] Hayır ADC veya DAC mükemmel. DC dengelemeler, I/Q dengesizlik, doğrusal olmayanlık ve faz gürültüleri, sinyal kalitesi için telafi edilebilir. DSP algoritmaları bu kusurların bazıları için telafi edilebilir (örneğin, güç yükselticisi için dijital predistortion), ancak tazminatın kendisi karmaşıklığı ve hesaplama yüklerini arttırır.
  • [FONT=0)Verification and Sertifikasyon: [Dönetici ve askeri sistemler için, yazılım sabit standartlara karşı doğrulanmalıdır (örneğin, DO-178C foronics, ETSI for hücresel temel istasyonlar için).

Yarı iletken teknoloji ilerlemeleri ve algoritmalı araştırma olgunları olarak, SDR platformları daha yetenekli hale gelmeye hazırlanmaktadır. Birkaç trend, bir sonraki nesil sistemleri şekillendirmektedir.

Yapay Zeka ve Makine Öğrenme Entegrasyonu

AI ve ML, analitik olarak modellenmesi zor olan görevler için SDR'ye uygulanır. Convolutional sinir ağları (CNNs) doğrudan çiğ I/Q örneklerinden modülasyon türlerini sınıflandırmak, doğru rekabet etmek geleneksel özellik tabanlı dedektörleri gerektirir.Finans öğrenme, bilişsel radyoların dinamik olarak seçilmiş frekans gruplarına, müdahale altında optimize etmesini sağlar.

Donanım Hızlandırma ve Heterojen Hesaplama

Future SDR platformları, ARM CPU'ları, DSP çekirdeklerini giderek bir araya getirecek ve FPGA kumaşını tek bir sistemli çip üzerinde (SoC) Xilinx'in RFSoC cihazları ADC/DAC'yi doğrudan FPGA ve ARM işlemcileri ile entegre edecek, dramatik bir şekilde yönetim alanı ve gücü azaltacaktır. Bu, geniş bant vericileri için en yüksek düzey kontrolü korurken, yüksek seviyeli kontrolü sağlar.

5G/6G ve Millimeter-Wave için destek

Beşinci nesil (5G) ağlar ve gelecek 6G sistemleri büyük bant genişliği kullanıyor (400 MHz'e kadar) ve yüksek dalga frekanslarında (24-71 GHz) SDR platformları, giga-sample aralıklarında örnek oranları ele almalıdır ve büyük MIMO dizileri ile, karma bilgilendiriciler için DSP algoritmaları, kanal tahminleri ve kullanıcı zamanlaması DSP tarafından tamamen yüksek performanslı FPGA'ler ve sistemler tarafından yürütülecektir.

Yazılım Upgradability and Open Frameworks

Açık kaynak çerçeveleri, DSP blokları gibi açık çerçeveler, görsel bir akışla bağlantılı olarak kullanılmaktadır.Airview) ve ) tarafından yapılan ve tüm 4G/5G yığınlarını standart SDR donanıma taşıyacaktır.

Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç Sonuç

Yazılım tanımlı radyo sistemlerinde dijital sinyal işlemeyi uygulama, geniş bir mühendislik disiplinine müdahale ortamına destek veren bir niş araştırma faaliyetinden taşındı. Filtreleme, modulation, senkronizasyon ve hata düzeltmesi tamamen yazılımda düzeltme, sabit işleyen radyoların eşleştiremeyeceği esnekliğini sağlar.Bugün, birkaç standardın desteklenmesi, müdahale ortamının değiştirilmesine ve daha fazla yüksek hesaplamaya adapte olunması için, tüm yüksek çözünürlükteki sistemlere devam eder.

[FONT:0) Daha fazla okuma için, GNU Radyo projesini gör ). [FONTTR3][D][D][/FONT=FORP donanım) ve [FLT: 5]