CC BY
248ПРИНЦИПЫ И ТЕХНОЛОГИИ ЦИФРОВОЙ СВЯЗИ НА ОСНОВЕ ПРОГРАММНО-КОНФИГУРИРУЕМОГО РАДИО: ОБЗОР СОВРЕМЕННЫХ ТЕНДЕНЦИЙ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ КОМПЛЕКСА ПОДГОТОВКИ СПЕЦИАЛИСТОВ
Г.А. Фокин1*
^анкт-Петербургский государственный университет телекоммуникаций им. проф. М.А. Бонч-Бруевича, Санкт-Петербург, 193232, Российская Федерация *Адрес для переписки: [email protected]
Информация о статье
УДК 621.396.72 Язык статьи - русский
Ссылка для цитирования: Фокин Г.А. Принципы и технологии цифровой связи на основе программно-конфигурируемого радио: обзор современных тенденций в области создания комплекса подготовки специалистов // Труды учебных заведений связи. 2019. Т. 5. № 1. С. 78-94. DOI:10.31854/1813-324X-2019-5-1-78-94
Аннотация: Современная тенденция проникновения программно-конфигурируемого радио (ПКР) в науку, производство и образование определяется появлением на рынке доступных и многофункциональных про-граммно-аппаратныхрешений. Анализ опыта ряда зарубежных вузов позволяет говорить о возникновении новой образовательной парадигмы в области телекоммуникаций и радиосвязи, связанной с направлением ПКР. С образовательной точки зрения направление ПКР является междисциплинарным и охватывает следующие курсы: радиоприемные и радиопередающие устройства, цифровая обработка сигналов, теория электрической связи, программирование и имитационное моделирование. Интегрирующая роль курса по направлению ПКР заключается в развитии системного подхода в части анализа и синтеза современного приемопередатчика с возможностью программной реализации большинства функций физического уровня и заключительной апробации их работы в радиоэфире. Целью настоящей работы является обзор современных тенденций в области создания комплекса подготовки специалистов по курсу «Принципы и технологии цифровой связи на основе программно-конфигурируемого радио». Для этого в работе анализируются особенности стандартизации и архитектура радиостанции ПКР, современные тенденции использования ПКР, зарубежный опыт использования ПКР в образовании, эволюция радиостанций ПКР, структура аппаратной части радиоприемника RTL-SDR, особенности реализации приемопередатчика ПКР в специализированном программном обеспечении (СПО). Для оценки показателей функционирования, реализованных в СПО приемопередатчиков ПКР, в заключении приводится методика полунатурного моделирования на испытательном стенде Keysight.
Ключевые слова: программно-конфигурируемое радио, SCA, FPGA, DSP, GPP, ASIC, приемопередатчик, испытательный стенд Keysight.
I. Введение
Термин программно-конфигурируемого радио (ПКР или SDR, от англ. Software Defined Radio) обычно связывают с именем Митолы и его статьей по архитектуре ПКР [1], опубликованной свыше двух десятилетий назад в период его работы на Министерство обороны США.
Регламентация в области ПКР тесно связана с понятием программно-определяемой архитектуры связи (SCA, от англ. Software Communication
Architecture), спроектированной вышеупомянутым министерством в рамках работ по единым тактическим системам радиосвязи (JTRS, от англ. Joint Tactical Radio Systems), которые проводились с 1997 г. с целью разработки стандарта ПКР [2]. Архитектура SCA была призвана обеспечить работу систем военной радиосвязи с разными радиосигналами вне зависимости от аппаратной платформы за счет стандартизированных интерфейсов прикладного программирования. В целях унификации
оборудование, производимое для нужд министерства обороны США, должно было отвечать требованиям SCA. В Европе концепция SCA также получила развитие для оборонных нужд под названием ESSOR (от англ. European Secure Software Defined Radio - проект программы Европейского Союза по созданию программно реконфигурируемых радиосистем).
В упомянутой публикации Джозефа Митолы практически реализуемой представлялась передача, прием и обработка сигналов в программном виде на нулевой/промежуточной (0Ч или Baseband/ПЧ или IF, от англ. Inter-Mediate Frequency) частоте с последующим аппаратным переносом на промежуточную и/или радиочастоту (РЧ или RF, от англ. Radio Frequency). На сегодняшний день развитие программно-аппаратных средств ПКР позволяет говорить о возможностях программной обработки сигналов непосредственно на несущей частоте радиосигнала за счет высокоскоростных АЦП, но это пока единичные приложения, где стоимость и энергопотребление не являются препятствием [3].
Международной инициативой по регламентации и стандартизации в области ПКР является SDR-форум WInnF (от англ. Wireless Innovation Forum), где публикуются нормативные материалы рекомендательного характера [4, 5]. SDR является радиооборудованием, в котором все или большинство функций физического уровня выполняются в программном виде, а функции, выполняемые аппа-ратно, должны оперативно модифицироваться по требованиям рабочего стандарта связи [6].
Программная реализация функций по обработке сигналов и программное управление обеспечивают кардинальное повышение функциональных возможностей радиостанции путем поддержки работы в различных диапазонах и стандартах связи, что реализуется посредством так называемого модельно-ориентированного проектирования (МОП).
МОП является математическим и визуальным методом решения задач, связанных с проектированием систем управления, обработки сигналов и связи [7]. Подход МОП заключается в систематическом использовании моделей в течение всего процесса разработки для проектирования, анализа, симуляции, автоматической генерации кода и верификации, что позволяет существенно сократить время на разработку [8]. Построенные модели могут быть реализованы и верифицированы в специализированном программном обеспечении (СПО).
Новый учебный курс «Принципы и технологии цифровой связи на основе программно-конфигурируемого радио» имеет своей целью развитие знаний и навыков МОП на основе ПКР.
Целью настоящей работы является обзор современных тенденций в области создания комплекса подготовки специалистов по курсу «Принципы и технологии цифровой связи на основе программно-
конфигурируемого радио». Для этого в работе анализируется архитектура радиостанции ПКР, современные тенденции использования ПКР, зарубежный опыт использования ПКР в образовании, эволюция радиостанций ПКР, структура аппаратной части радиоприемника RTL-SDR, особенности реализации приемопередатчика ПКР в СПО. Для оценки показателей функционирования, реализованных в СПО приемопередатчиков ПКР средствами натурного эксперимента, в заключении приводится методика полунатурного моделирования реализованного приемопередатчика на испытательном стенде Keysight.
II. Архитектура радиостанции ПКР
Возникновение новой образовательной парадигмы в области телекоммуникаций и радиосвязи, связанной с направлением ПКР, можно проследить путем анализа архитектуры радиостанции ПКР.
Общепринято определять архитектуру радиостанции в терминах модели открытых систем связи OSI-7. Почти любая радиостанция, в том числе радиостанция ПКР, включает аппаратную и программную части, функции которых совместно определяются на физическом уровне и подуровне MAC канального уровня в модели OSI-7. Например, преобразование спектра принимаемого/передаваемого сигнала, модуляция/демодуляция, фильтрация должны в максимальной степени выполняться в цифровой области программно или аппаратно при возможности реконфигурации аппаратных средств в зависимости от рабочего стандарта радиосвязи [6]. На рисунке 1 показана общая архитектура радиостанции ПКР согласно [5]. Эта функциональная схема определяет построение приемника (слева -направо) и передатчика (справа - налево). Каждому функциональному блоку соответствует аппаратная или программная реализация.
Антенна (Antenna) может быть любого типа, от простейшей дипольной конструкции до фазированной решетки, включая иные элементы антенно-фидерного тракта; эта часть радиостанции реализуется только в аппаратном виде.
Элемент преобразования с РЧ на ПЧ отражает минимально необходимую аппаратную обработку высокочастотного (ВЧ) модулированного сигнала в приемнике и передатчике. Определенное аппаратное преобразование принимаемого/передаваемого сигнала необходимо в любой функциональной схеме радиостанции, так как реально невозможно подключить ЦАП/АЦП непосредственно к антенне для преобразования высокочастотного сигнала. Практически элемент RF/IF может включать полосовые фильтры (ПФ) для модулированного сигнала, смеситель, усилитель мощности (УМ) передатчика или малошумящий усилитель (МШУ) приемника, опорный ВЧ-генератор (ОГ), модулятор/демодулятор и т. д.
• r BB / IF f BB BB BB
RF RF Real/Complex Text Text Text
Digital/ Flow Cntl Flow Cntl Flow Cntl
Aux Aux Analog Aux Bits Aux Bits Aux Bits
AIR
I
1
I/O , I , ,C, I/O , I , ,C, I/O I "—^ C I/O I C I/O , I, C Call/MSG PROCESS & I/O .Multimedia
ANTENNA RF/IF MODEM Optional Link PROC Optional SECURITY Voice/PSTN Data/IP . Flow Ctrl .
Routing Network .
C C C C C ■ C '
MONITOR/CONTROL
I
Remote Control /Display Local Control
Aux: Special purpose I/O for Antenna Diversity, Selective Encryption I: Information; C: Control/Status IF: Intermediate Freq
Модем (Modem) представляет преобразователь АЦП/ЦАП и программные операции по выполнению функций физического уровня: цифровой фильтрации, модуляции/демодуляции, радиочастотной и тактовой синхронизации, сборки/разборки пакетов и т. п.
Процессор (Optional Link PROC) выполняет функции канального подуровня MAC по управлению и стабилизации параметров аппаратуры радиоканала (RF/IF) и элементов антенно-фидерного тракта. Аппаратура процессорной части может включать специализированные программируемые логические интегральные схемы (ПЛИС или FPGA от англ. Field-Programmable Gate Array), цифровые сигнальные процессоры (DSP, от англ. Digital Signal Processors), процессоры общего назначения (GPP, от англ. General Purpose Processor).
Основным параметром, определяющим архитектуру приемопередатчика радиостанции ПКР, является расположение АЦП/ЦАП относительно приемной/передающей антенны. Представление сигнала в цифровом виде и его последующая цифровая обработка обеспечивают максимальное качество выполняемых функций и максимальную гибкость в соответствии с основным требованием многостандартного режима работы радиостанции ПКР.
С этой точки зрения необходимо располагать преобразователи АЦП/ЦАП максимально близко к антенне. С другой стороны, цифровая обработка смеси множества принимаемых/формируемых ВЧ-сигналов без предварительной фильтрации и/или преобразования частоты может предъявлять повышенные требования по скорости работы, динамическому диапазону и энергопотреблению цифровых устройств. Переход от непрерывного представления сигнала к дискретному определяется компромиссом между широкими функциональными возможностями радиостанции, с одной стороны, и разумными эксплуатационными парамет-
Рис. 1. Архитектура радиостанции ПКР
рами при условии выполнения требований стандартов электромагнитной совместимости - с другой.
Приемопередатчик «идеальной» радиостанции ПКР должна иметь минимальную программно-управляемую аппаратную часть, не зависящую от рабочей частоты, вида модуляции и ширины канала, и удовлетворять требованиям стандарта ЭМС. Упрощенная функциональная схема такой радиостанции показана на рисунке 2, где: АРУ - автоматическая регулировка усиления; АРЧ - автоматическая регулировка частоты; АРМ - автоматическая регулировку мощности.
Дуплексер
АРМ
ft
anti-îmaging
ЦАП
Г АРЧ
сл
P" Я
оО
p а
Ж CÜ
с
F о
Э О ^ р
A
Рис. 2. Приемопередатчик «идеальной» радиостанция ПКР
Аппаратная часть приемника включает перестраиваемый входной ПФ, МШУ с функцией автоматической регулировки усиления и АЦП. Последний предваряется антиэлайзинговым (от англ., anti-aliasing) фильтром нижних частот (ФНЧ), который выполняет техническую функцию сопряжения полосы частот аналогового сигнала с частотой выборок АЦП. Принятый сигнал в цифровом виде поступает в процессор, где и производится его дальнейшая обработка: основная селекция относительно сигналов на соседних каналах, оптимальная фильтрация, демодуляция, синхронизация и детектирование.
Аппаратная часть передатчика включает ЦАП, перестраиваемый фильтр и УМ. На выходе ЦАП располагается восстанавливающий фильтр (от англ. Reconstruction Filter, Anti-Imaging Filter), который выполняет подавление в спектре аналогового ВЧ-сигнала паразитных частот ЦАП. Анализ архитектуры радиостанции ПКР (см. рисунок 1) и приемопередатчика «идеальной» радиостанции ПКР (см. рисунок 2) иллюстрируют тенденцию уменьшения аппаратной обработки с одновременным увеличением доли программной обработки радиосигналов, которую можно реализовать средствами МОП и, таким образом, объясняют возникновение новой образовательной парадигмы, связанной с ПКР.
III. Современные тенденции применения ПКР
На сегодняшний день развитие программно-аппаратных средств ПКР позволяет говорить о возможностях обработки сигналов в программном виде непосредственно на несущей частоте радиосигнала за счет высокоскоростных АЦП, например, ADC12J4000 TI с разрядностью 12 бит и скоростью 4 Гбайт/с [3]. Но это пока единичные приложения, где стоимость и энергопотребление не являются препятствием. Большинство же современных плат ПКР используют аппаратное преобразование с РЧ на ПЧ, оцифровку на ПЧ и последующий цифровой перенос в область 0Ч (рисунок 3).
Рис. 3. Функциональная схема радиостанции ПКР и междисциплинарные связи курсов
Аппаратная часть, отвечающая за обработку радиосигнала на РЧ/ПЧ, включает ПФ, смесители, УМ передатчика, МШУ приемника, ОГ и предусматривает программно-управляемую АРУ, АРЧ и АРМ (см. рисунок 3).
Программно-аппаратная часть, отвечающая за обработку низкочастотного информационного сигнала, включает преобразователи АЦП/ЦАП и процессор, реализующий программные операции по выполнению функций физического и канального уровней, таких как цифровая фильтрация, модуляция/демодуляция, частотная и тактовая (битовая) синхронизация, сборка/разборка пакетов, управление параметрами обработки радиосигнала на ВЧ/ПЧ.
Программная реализация алгоритмов передачи, приема и обработки сигналов радиосвязи в ПКР наиболее гибко и оперативно реализуется универсальными GPP. Показательным примером подобной успешной реализации является повышение производительности базовых станций (БС) GSM при замене их GPP на более современные в конце 90-х годов; программное обеспечение БС при этом не потребовалось менять вовсе [3].
Однако для абонентских станций (АС) практически реализовать аналогичный эффект от использования более современных GPP оказалось затруднительным по причине существенного повышения энергопотребления и стоимости [3]. В абонентских устройствах предпочтительно использование комплекса аппаратных средств обработки: DSP-процес-соров, FPGA и специализированных интегральных схем ASIC (от англ. Application-Specific Integrated Circuit).
Требования по производительности и энергопотреблению для операций по обработке сигналов радиосвязи в реальном времени, предъявляемые к аппаратным средствам ПКР таковы (таблица 1), что использование одних лишь GPP оказывается недостаточным, - необходим компромисс между возможностью реконфигурации программного обеспечения (ПО) и временем разработки для аппаратных средств ПКР (рисунок 4).
Можно констатировать, что использование единой аппаратной платформы ПКР для поддержки разных стандартов радиосвязи, вещания и навигации, таких как 2G, 3G, 4G, WiFi, Bluetooth, GPS, FM, DVB в АС оказалось неконкурентоспособным [4]; в смартфонах, например, для каждого из стандартов
используется отдельная микросхема ASIC. С одной стороны, казалось бы, увеличение различных стандартов связи, вещания и навигации, должны были бы, по идее, привести к некоторому «потолку», когда для каждого из стандартов использовать отдельную микросхему ASIC в АС станет нецелесообразно, однако успехи в миниатюризации, энергопотреблении и стоимости решений ASIC таковы, что в нише АС такого «потолка» пока не предвидится [29]. В БС такие возможности ПКР как широкопо-лосность, перестраиваемость и возможность изменения ПО и, соответственно, апгрейда без необходимости замены аппаратного обеспечения, оказались достаточно привлекательными, несмотря на энергопотребление и стоимость.
ТАБЛИЦА 1. Аппаратные средства ПКР
Аппаратные средства Требования по производительности и энергопотреблению для выполнения операций по передаче, приему и обработке сигналов радиосвязи в реальном времени Практическое использование
GPP Широкие возможности сложных вычислений, хранения данных, реконфигурации ПО, высокое энергопотребление. БС
DSP Специализированы для алгоритмов ЦОС, широкие возможности реконфигурации ПО для алгоритмов ЦОС, низкое энергопотребление. АС
FPGA Высокопроизводительные параллельные вычисления, возможность реконфигурации ПО, более высокое энергопотребление, чем у DSP. БС
ASIC Высокая производительность, низкое энергопотребление, отсутствует возможность реконфигурации ПО. Подходят для высокопроизводительных операций. АС и БС
Медленная разработка
. Без возможности реконфигурации ПО (специализированное применение)
Быстрое
прототипирование
С возможностью реконфигурации ПО
Рис. 4. Соотношение между возможностью реконфигурации ПО и временем разработки для аппаратных средств ПКР
С другой стороны, перспективы ПКР, безусловно, есть в области развития когнитивного радио, систем военной радиоразведки, радиоподавления, навигации и связи и, конечно, образования.
IV. Зарубежный опыт использования ПКР в образовании
Современные образовательные тенденции характеризуются широким проникновением инновационных форм обучения в высших технических учебных заведениях [30]. Применительно к области телекоммуникаций и радиосвязи анализ опыта ряда зарубежных вузов позволяет говорить о возникновении новой образовательной парадигмы, связанной с направлением ПКР [14-19].
С образовательной точки зрения направление ПКР является междисциплинарным и охватывает следующие курсы: радиоприемные/радиопередающие устройства, цифровая обработка сигналов, теория электрической связи, программирование и имитационное моделирование (см. рисунок 3).
Интегрирующая роль курса «Принципы и технологии цифровой связи на основе программно-конфигурируемого радио» заключается в развитии системного подхода в части анализа и синтеза современного приемопередатчика с возможностью программной реализации большинства функций физического уровня и заключительной апробации их работы в радиоэфире [30].
Комплексное использование программно-аппаратных средств ПКР позволяет передавать/принимать радиосигналы в/из радиоэфира; при этом можно принимать как стандартные сигналы (например, сигналы GSM на рисунке 5), так и «свои» радиосигналы. В последнем случае подход МОП позволяет оперативно реализовать в программном виде в СПО необходимый функционал специализированных радиоприемных и/или радиопередающих устройств [28].
Рис. 5. Анализ спектра сигналов GSM приемником RTL-SDR в СПО MATLAB
Как показывает практика [14], студенты/инженеры могут хорошо знать и понимать предметную область радиосвязи и приемопередающих устройств, но не обладать навыками моделирования и программирования, или, наоборот, могут уметь моделировать и программировать, но не понимать предметной области радиосвязи. Интегрирующая
роль курса основам ПКР обнаружилась бы в процессе реализации конкретного приемопередатчика и проявилась бы в том, что студенты могли бы восполнить слабые стороны в одной области и усилить свои знания и навыки в другой.
За последнее десятилетие ряд зарубежных вузов внедрили свои курсы по ПКР на уровне магистратуры и бакалавриата [14-19] (таблица 2).
ТАБЛИЦА 2. Программно-аппаратное обеспечение курсов по ПКР в зарубежных вузах
Вуз Категория обучающихся Продолжительность курса (недель) Виды занятий Програм-мно-аппа- ратное обеспечение
The Penn. State University бакалавры старших курсов 15 6 л.р.*, дипломный проект NI-2920, LabVIEW
Worcester Polytechnic Institute бакалавры старших курсов 10 5 л.р.*, курсовой проект USRP N210, Simulink
Virginia Tech магистры 15 10 л.р.*, курсовой проект USRP-2, GNU Radio
University of Utah магистры 13 4 недели экспериментов USRP-2, MATLAB
Indiana University Fort Wayne бакалавры младших курсов 15 10 л.р.*, дипломный проект USRP, MATLAB, GNU Radio
United States Naval Academy бакалавры старших курсов/ магистры 15 2 л.р.*, курсовой проект USRP, MATLAB, GNU Radio
Free & Open-Source) [11], а что касается отладочных плат, то это Ettus B210 [12], NI USRP-2932 [10] и RTL-SDR [13]; их внешний вид представлен на рисунке 6, а основные параметры - в таблице 3.
Рис. 6. Отладочные платы ПКР: а) Ettus B210; б) RTL-SDR; в) NI USRP-2932
ТАБЛИЦА 3. Параметры отладочные платы ПКР
*л.р. - лабораторная работа
Анализ организации учебного процесса показывает, что дисциплины по основам ПКР ориентированы на бакалавров старших курсов и магистров, занимают один семестр и заканчиваются курсовым или дипломным проектом [14-19]. Занятия при этом организуются в бригадах по два человека; каждая бригада «вооружена» платой ПКР и компьютером с предустановленным СПО.
Материалы лекций, методических указаний к лабораторным и практическим занятиям доступны студентам заблаговременно и размещены в открытом доступе на сайтах вузов (см. таблицу 2). Содержание и порядок лекций «синхронизированы» с практическими и лабораторными занятиями. Кульминацией занятий является апробация реализованного решения при работе приемопередатчика в радиоэфире. Реализация интегрирующего подхода оказывается возможной за счет МОП [16].
Современная тенденция проникновения ПКР в науку, производство и образование определяется появлением на рынке программных и аппаратных средств доступных решений как в части СПО, так и в части отладочных плат. Широко используемые средства СПО ПКР включают MATLAB (производитель Mathworks) [9], LabVIEW (производитель National Instruments) [10] и GNU Radio (производитель
Параметры Ettus B210 NI USRP-2932 RTL-SDR
Интерфейс с ПК USB 3.0 GBE USB 2.0
Физические каналы 2 TX, 2 RX 1 TX, 1 RX 1 RX
Частотный диапазон, МГц 70-6000 400-4400 25-1750
Ширины полосы канала, МГц 56 20 2.8
АЦП, бит 12 16 8
Примерная стоимость, $ 1200 4600 20
Отличительной особенностью СПО MATLAB, LabVIEW и GNU Radio является наличие драйверов для связи с аппаратными средствами ПКР.
Анализ зарубежного опыта использования МОП систем радиосвязи на основе ПКР в учебном процессе как интегрирующего курса по разнородным дисциплинам позволяет сделать вывод об актуальности и востребованности данного направления с учебно-методической точки зрения. Особенно примечательным является появление на рынке радиоприемника ПКР RTL-SDR стоимостью $20 [13], а также выход монографии [19] по его использованию в учебном процессе.
Наличие в СПбГУТ программных и аппаратных средств, полученных за последние годы компетенций в данном направлении [20-30], а также практика факультативных занятий говорят о целесообразности оформления данного задела в курс «Принципы и технологии цифровой связи на основе программно-конфигурируемого радио» как совокупность учебно-методической документации, а также средств обучения и контроля образовательного процесса.
V. Эволюция радиостанций ПКР
Тенденции в области ПКР удобно проследить по эволюции приемных радиостанций (рисунок 7).
Первое поколение цифровых радиоприемников появилось в середине 1990-х годов. Как показано на рисунке 7а, аналоговая часть приемника осуществляет понижающее преобразование с РЧ на ПЧ с помощью первого ОГ радиочастоты и затем, с по-
мощью второго ОГ промежуточной частоты, переносит принятый сигнал в область 0Ч. Дискретизация и квантование сигнала осуществляется АЦП в области информационной частоты на скорости в десятки-сотни кГц, после чего для обработки цифрового сигнала используется DSP. Приемный тракт АС систем мобильной связи 2G GSM, выпускавшихся в середине 1990-х годов, строился по архитектуре с цифровой обработкой 0Ч.
fs,
кГц - МГц
МШУ ПФ
а Фильтр -л IMR
—J-У
Антиэл. \фильтр
(sin2nfiotj ОГ РЧ fio
-РЧ-
- Аналоговая обработка-у<-
fs, сотни МГц
АЦП
X
Фильтр ^дециматор
1 Г
( cos2n(ffT) ОГ П Ч fif/fs
( sin2n(fP)
X
Фильтр Адециматор
Г
R
-ЦОС-
-ПЧ-
-0Ч-
б)
"N 1 | ц
^ Антиэл.
фильтр АЦП
-A-—
-Аналоговая обработка-
Фильтр дециматор
Г
R
( cos2n(fk/fjt) ОГ РЧ ff
-ЦОС-
-РЧ-
-0Ч-
Рис. 7. Пример эволюции радиоприемника SDR с цифровой обработкой на частоте: а) нулевой (ВВ, от англ. Baseband);
б) промежуточной (IF); в) радиочастоте (RF)
Второе поколение цифровых радиоприемников появилось в начале 2000-х годов. Как показано на рисунке 7б, аналоговая часть приемника осуществляет понижающее преобразование с РЧ на ПЧ с помощью ОГ радиочастоты. Дискретизация и квантование сигнала осуществляется АЦП в области промежуточной частоты на скорости в десятки-сотни
МГц. Первым этапом цифровой обработки является цифровое понижающее преобразование (DDC, от англ. Direct Digital Downconversion) с промежуточной до нулевой частоты с помощью фильтрации-децимации. Последующая ЦОС осуществляется цифровым процессором обработки сигналов на 0Ч.
Третье поколение цифровых радиоприемников является современной тенденцией. Как показано на рисунке 7в, аналоговая часть приемника осуществляет МШУ и предварительную полосовую фильтрацию сигнала. Дискретизация и квантование сигнала осуществляется АЦП в области радиочастоты на скорости в единицы ГГц. ЦОС начинается с понижающего преобразования DDC с РЧ до 0Ч с помощью фильтрации-децимации. Последующая ЦОС осуществляется цифровым процессором обработки сигналов на 0Ч.
VI. Анализ структуры радиоприемника RTL-SDR
Радиоприемник RTL-SDR (рисунок 8), взятый за основу курса в [19], построен по архитектуре с программной обработкой на ПЧ, представленной на рисунке 7б, и включает два этапа преобразования частоты: аналоговое понижающее преобразование с РЧ на ПЧ и понижающее преобразование с ПЧ до 0Ч с помощью фильтрации-децимации.
Выходными данными радиоприемника RTL-SDR являются синфазная (/) и квадратурная (Q) составляющие принимаемого сигнала, показанные на входе блока Baseband DSP в схеме, представленной на рисунке 7б. Комплексный /Q-сигнал с выхода RTL -SDR поступает в MATLAB/Simulink посредством драйвера UHD (от англ. USRP Hardware Driver), где может быть реализована цифровая обработка принятого сигнала на 0Ч. Комплексные выборки IQ на выходе RTL-SDR представлены в формате 8-разрядных чисел с фиксированной запятой.
Радиоприемник RTL-SDR появился на рынке как ТВ-тюнер DVB-T и изначально не предполагался для использования в качестве приемника ПКР. Такая возможность обнаружилась в сообществе радиолюбителей: при переводе RTL-SDR из режима демодуляции/декодирования сигнала DVB-T в тестовый режим прибор принимал в диапазоне от 25 МГц до 1,75 ГГц и выдавал комплексные выборки IQ с частотой дискретизации до 2,8 МГц. При переводе демодулятора RTL2832U в штатный режим выборки IQ поступают на COFDM демодулятор DVB-T, а с выхода устройства USB снимается видеопоток MPEG2-TS [17].
В основе радиоприемника RTL-SDR лежат две микросхемы: тюнер Rafael Micro R820T и демодулятор DVB-T COFDM Realtek RTL2832U. В сообществе радиолюбителей было обнаружено, что при переводе демодулятора в тестовый режим устройство RTL-SDR перестает демодулировать/декодировать сигнал DVB-T и выдает комплексные выборки IQ на 0Ч. После этого за RTL ТВ-тюнером DVB-T закрепилось название RTL-SDR, что отражало возможности устройства принимать комплексные выборки IQ и осуществлять их программную обработку, например, в MATLAB/Simulink.
В схеме радиоприемника ПКР RTL-SDR на рисунке 8 [19] используются следующие обозначения:
fc - центральная РЧ принимаемого сигнала;
fio - частота ОГ тюнера;
fade = 28,8 МГц - частота дискретизации АЦП;
fade/2 = 14,4 МГц - частота среза ФНЧ на входе АЦП;
fif - ПЧ тюнера;
fs - частота выборок IQ (до 2,8 МГц);
K - коэффициент усиления МШУ;
N - индекс выборки;
fs - частота дискретизации сигнала в области 0Ч.
Параметры fc, K и fs настраиваются через интерфейс в MATLAB/Simulink посредством драйвера. Принимаемый сигнал на РЧ после МШУ и IMR-фильтра переносится на ПЧ с помощью ОГ, управляемого контролером демодулятора RTL2832U по интерфейсу I2C (Inter-Integrated Circuit). После адаптации амплитуды входного сигнала по динамическому диапазону на этапе АРУ сигнал с ПЧ переносится в диапазон 0Ч: сначала сигнал поступает на антиэлайзинговый фильтр, затем осуществляется дискретизация и квантование сигнала АЦП в области ПЧ, после чего выполняется цифровое понижающее преобразование DDC с ПЧ до 0Ч с помощью генератора с цифровым управлением (NCO, от англ. Numerically Controlled Oscillator), блока передискретизации и синхронизации, а также блока фильтрации-децимации.
Антиэлайзинговый фильтр - это ФНЧ, применяемый на входе АЦП для повышения качества оцифровки сигнала; частота его среза является перестраиваемой и равна половине fadc. Подавление частот сигнала выше половины частоты дискретизации АЦП исключает эффект наложения на сигнал зеркальных частот преобразования, или, как это называют в литературе по ЦОС, исключает эффект наложения спектров.
Радиоприемник RTL-SDR с тюнером Rafael Micro R820T и демодулятором Realtek RTL2832U функционирует следующим образом. Тюнер использует низкую ПЧ 3,75 МГц и осуществляет понижающее преобразование с РЧ сигнала с шириной полосы ~6 МГц на ПЧ 3,75 МГц. Далее принятый сигнал на этой ПЧ поступает на антиэлайзинговый фильтр демодулятора, а затем на АЦП с fade = 28,8 МГц. После дискретизации и квантования на АЦП выполняется цифровое понижающее преобразование с ПЧ до 0Ч с помощью NCO с частотой ff/fade.
Затем производится понижение частоты дискретизации, в результате чего на выходе блока фильтрации-децимации выборки следуют с частотой дискретизации не более fs = 2,8 МГц. В результате комплексные выборки IQ (8-разрядные числа с фиксированной запятой) сигнала с шириной полосы до 2,8 МГц с USB-разъема поступают в MATLAB/Simulink.
Тюнер (РЧ/ПЧ) R820T
Цифровой приемник (ПЧ/ОЧ) RTL2832U
О Гц
а)
Тюнер (РЧ/ПЧ) R820T
tФильтр IMR
Фильтр ПЧ
V r J
Цифровой приемник (ПЧ/ОЧ) RTL2832U
Блок л е ред искрети зац и и и синхронизации
^ cos2nflÖT^
-РЧ-
- Аналоговая обработка--м-
Фильтр децимагор
vi/
8 бот /
Q
8 бит
б)
Рис. 8. Структурная схема радиоприемника ПКР RTL-SDR в вещественном (а) и комплексном (б) представлении
Рассмотрим процедуру приема вещательной радиостанции на частоте 100,5 МГц. Для этого следует установить fe = 100,5 МГц и требуемое тюнером усиление K. Далее принятый сигнал переносится с РЧ на ПЧ. Затем демодулятором осуществляется аналогово-цифровое преобразование сигнала на ПЧ с частотой fade = 28,8 МГц. После дискретизации и квантования осуществляется понижающее преобразование с ПЧ до 0Ч генератором NCO, работающим на частоте fif/fade.
Частота дискретизации fs комплексных выборок IQ на USB-выходе устройства может устанавливаться в пределах до 2,8 МГц. Так, если fs = 2,4 МГц, то демодулятор будет настроен на работу с коэффициентом децимации равным 12 (28,8/12 = 2,4 МГц), что означает передачу в MATLAB/Simulink одной из 12-ти выборок; ширина полосы сигнала (канала), принимаемого в MATLAB/Simulink, окажется равной fs, а сам комплексный сигнал на 0Ч будет определен в полосе (-f/2; fs/2) или (-1,2 МГц; 1,2 МГц). Ширина полосы канала 2,4 МГц означает возможность обзора порядка 12 FM-радиостанций шириной 200 кГц (12 х 200 = 2,4), поэтому для демодуляции конкретной вещательной радиостанции в MATLAB/Simulink предварительно потребуется осуществить цифровую фильтрацию канала с шириной 200 кГц на центральной РЧ 100,5 МГц.
Из рисунка 8 следует, что параметр центральной частоты fe не равен частоте fio ОГ тюнера. Параметр fio определяется как fio = fe ~ fif. Это объясняется тем, что радиоприемник работает по схеме с однократным преобразованием частоты, и сначала осуществляется понижающее преобразование с РЧ на ПЧ: fif = 3,57 МГц. Например, для приема сигнала на несущей РЧ fe = 400 МГц частота fio ОГ тюнера устанавливается равной fio = fe - fif = 400 - 3,57 = 396,43 МГц. В смесителе в результате умножения принятого сигнала на fe с сигналом ОГ на fio получаем следующее выражение:
[cos2n(400e6)t] • [cos2n(396,43e6)t] = 1
= 2 [cos2n(3,57e6)t + cos2n(796,43e6)t].
Компонента на частоте 796,43 МГц ослабляется фильтром ПЧ тюнера, а на вход демодулятора поступает компонента на ПЧ 3,57 МГц. При установке центральной частоты для приема сигнала на РЧ fe = 400 МГц в MATLAB/Simulink мы устанавливаем это же значение, а значение частоты fio ОГ тюнера составляет 396,43 МГц и устанавливается автоматически [19].
На рисунке 9 представлены основные микросхемы приемника RTL-SDR (производства NooElec) [13]: разъем MCX (от англ. Micro Coaxial) для подключения антенны; тюнер для настройки на центральную РЧ и последующего аналогового понижающего преобразования с РЧ на ПЧ; демодулятор
для оцифровки, последующего цифрового понижающего преобразования с ПЧ на 0Ч и понижения частоты дискретизации; кварцевый генератор 28,8 МГц тактовых или синхроимпульсов для микросхем R820T и RTL2832U; USB 2.0 интерфейс для передачи выборок IQ на компьютер в MATLAB/Simulink; электрически стираемое программируемое постоянное запоминающее устройство (ЭСППЗУ или EEPROM, от англ. Electrically Erasable Programmable Read-Only Memory) для хранения конфигурации.
тюнер кварцевый демодулятор
R820T генератор RTL2832U
МСХ (ЭСППЗУ)
Рис. 9. Основные микросхемы приемника RTL-SDR (NooElec)
Анализ структуры радиоприемника RTL-SDR позволяет сделать вывод о том, что относительно доступное на рынке радиоприемное устройство, адаптированное под учебные задачи с поддержкой СПО позволяет организовать лабораторию и оборудовать рабочие места.
VII. Анализ особенностей реализации приемопередатчика ПКР в СПО
Пример реализации в СПО LabVIEW
Одной из самых распространенных отладочных плат, используемых в учебном процессе зарубежных вузов, является плата USRP N210 или NI USRP-2920/2932 [18]. Плата строится по модульному принципу и, в зависимости от аппаратных плат расширения обработки ВЧ/ПЧ-сигнала, может работать в разных диапазонах от 50 Гц до 6 ГГц; обработка сигнала 0Ч осуществляется на ПЛИС под управлением драйвера UHD. Плата соединяется с ПК по интерфейсу Ethernet и может работать с СПО MATLAB/Simulink, LabVIEW и GNU Radio (рисунок 10, где: ФАПЧ - это фазовая автоподстройка частоты; ГУН - это генератор, управляемый напряжением; DUC - это повышающий преобразователь частоты (от англ. Digital Up Converter).
Рассмотрим пример реализации приемопередатчика сигналов с фазовой манипуляцией на плате NI USRP-2932 [10]. Программно-аппаратное обеспечение практического занятия включает рабочий стенд из двух плат ПКР, подключенных к ПК посредством GBE-интерфейса. Одна плата используется в качестве передатчика, другая - в качестве приемника. Передача, прием и цифровая обработка осуществляется в ПК под управлением LabVIEW.
Организация стенда допускает удаленную сетевую настройку плат. Опуская сетевые настройки удаленного доступа, рассмотрим непосредственные настройки параметров радиотракта передатчика и приемника сигналов с фазовой манипуляцией на демонстрационном примере в СПО LabVIEW.
Настройка передатчика и приемника N1 USRP-2932 включает установку следующих параметров (рисунок 11):
- 1Р-адрес USRP устройства;
- количество выборок в секунду для /ф-компо-нент (максимальное значение - 50 Мвыборок/ с для 8 бит на выборку);
- значение центральной радиочастоты;
- диапазон настройки центральной радиочастоты (составляет 400 МГц-4,4 ГГц);
- усиление в тракте (диапазон составляет 0-31 дБ с шагом 1 дБ;
- выбор антенны (NI-USRP 2932 имеет два разъема подключения антенн: для передачи можно использовать только разъем ТХ1, для приема можно использовать разъемы RX1 и RX2);
- тип модуляции (выбирается из доступных в меню и на приемное стороне должен совпадать с типом модуляции в передатчике);
- параметры формирующего фильтра передатчика и параметры согласованного фильтра приемника (тип, коэффициент сглаживания и длина на приемной стороне должны совпадать с параметрами фильтра в передатчике).
Испытания приемопередатчика начинаются после настройки указанных выше параметров, для чего необходимо запустить оба проекта, используя кнопку запуска на панелях управления (см. рисунок 11). Результатом испытаний является отображение сигнального созвездия принимаемого сигнала ФМ-8 (рисунок 12).
Рис. 11. Окно настройки параметров приемника NI USRP-2932 в LabVIEW
Рис. 12. Корректный прием сигнала ФМ-8
Пример реализации в СПО GNU Radio
Для программной реализации приемопередатчика в GNU Radio [11] используется графическая среда GNU Radio Companion (GRC), которая включает библиотеку блоков передачи, приема и обра-
ботки сигналов, объединяя которые, можно построить достаточно сложную SDR-систему радиосвязи. Интерфейсом между программной моделью GRC и платой USRP B210 является драйвер UHD.
Программная реализация приемопередатчика включает разработку GRC-схемы приемника и передатчика и подробно изложена в [20-23]. Приведем схемы передатчика и приемника, реализованные типовыми блоками из библиотеки GNU Radio. Схема передатчика, использующего сигналы ОФМ-2 (рисунок 13), работает на передачу в радиоэфир через блок UHD USRP Sink. В состав схемы передатчика входит генератор битов «Vector Source», скремблер «Scrambler» и модулятор «Constellation Modulator», а также другие блоки преобразований и визуализации.
Схема приемника, использующего сигналы ОФМ-2 (рисунок 14), работает на прием из радиоэфира через блок UHD USRP Source. В состав схемы приемника входит автоматическая регулировка усиления «AGC», символьная синхронизация «Polyphasé Clock Sync» и демодулятор с частотной синхронизацией «Constellation Receiver», дифференциальный декодер «Differential Decoder», де-скремблер «Descrambler» и другие блоки преобразований и визуализации.
Сигнальное созвездие ОФМ-2 отображается в окне графического приложения GNU Radio на компьютере с ОС Linux, подключенном к приемнику (рисунок 15).
Options
ID: top_bock
Generate Options: QT GUI
Constellation Object
ID: bpsk
Symbol Map: 0, 1 Constellation Points: 1, -1 Rotational Symmetry: 2 Dimensionalty: 1
QT GUI Range
ID: amp
Label: Symb Ampi TX Default Value: 300 m Start: 10 m Stop: б Step: 10 m
QT GUI Range
freq
>el: Frequency Default Value: 433 m Start: 430 m Stop: 43б m Step: 1 m
QT GUI Range
ID: tx_gain Label: TX Gain Default Value: 40 Start: 1 Stop: 89 Step: 1
Unpacked to Packed Bits per Chunk: 1 Endianness: MSB
m:
Constellation Modulator Constellation: <con...(m = 2)> Differential Encoding: Yes Samples/Symbol: 2 Rotational Symmetry: 2 Excess BW: 350 m
IHi
Multiple Const Constant: 300 m
:
ськ:
UHD: USRP Sink Samp Rate (Sps): 500 k Ch0: Center Freq (Hz): 433 M Ch0: Gain (dB): 40 Ch0: Antenna: TX/RX Length tag name:
Vector Source Vector: 1 Tags:
Repeat: Yes
I-
Рис. 13. GRC-схема передатчика, использующего сигналы ОФМ-2
Options
ID: top_biock
Generate Options: QT GUI
Imp ort
Import : math
Variable
ID: samp_rate Value: 100k
Variable
ID: ebv Value: 350 m
QT GUI Range
ID: tx_gain Label: TX Gain Default Value: 40 Start: 1 Stop: S9 Step: 1
Variable
ID: sps Value: 2
Constellation Object
ID: bpsk
Symbol Map: 0, 1 Constellation Points: 1, -1 Rotational Symmetry: 4 Dimensionalty: 1
Differential Decoder Modulus: 2
in out
UHD: USRP Source Samp Rate (Sps): 100 k ChO: Center Freq (Hz): 433 M ChO: Gain (dB): 50 ChO: Antenna: TX/RX
KZ
AGC2 Attack Rate: 100 m Dekay Rate: 100 m
Refe"ence: 1 Gain 1
Max Gain: 65.536 k
Polyphase Clock Sync
Samples/Symbol 2
Loop Bandwidth 62.S m
Taps: rrc taps Filter Size: 32
Initial Phase: 16
Maximum Rate
Deviation: 2
Output SPS: 1
zl>C
Constellation Receiver Constellation Object: ok Loop Bandwidth: 62.8 m Minimum Freq Deviation: 2 m Maximum Freq Deviation: 500
>Œ
-MZ
QT GUI Frequency Sink FFT Size: 1.024 k Center Frequency (Hz):0 Bandwidth (Hz): 100 k
Variable
ID: fiits Value: 32
Variable
ID: rrc _taps
Value: firdes.root raised ...
QT GUI Constellation Sink Name: QT GUI Plot Number of Points:
024 k Sample Rate: 100 k Autoscale: No
Vector Source Vector: 1
Repeat: Yes
Error Rate Type: Bit Error Rate ndow Size: 1 M Bits per Symbol: 1
4Z
QT GUI Time Sink Name: QT GUI Rot Number of Points: 1.024 k Sample Rate: 100 k Autoscale: No
QT GUI Number Sink Autoscale: No Average: 0
Graph Type: Horizontai
Рис. 14. GRC-схема приемника, использующего сигналы ОФМ-2
а)
С и
б]
Рис. 15. Сигнальное созвездие ОФМ-2: а) Еъ^о = 1 дБ; б) Еъ/Ио = 10 дБ
Анализ представленных сигнальных созвездий позволяет сделать вывод о том, что с увеличением параметра Еь/Мо фазовый портрет становится различимым. Регулировать мощность шума в радиоканале можно посредством эмулятора испытательного стенда Keysight [32].
Пример реализации в СПО МАТЬАВ^тиНпк
Основные блоки цифровой обработки сигналов приемника и передатчика ФМ-4 реализованы программно в среде МА^АВ^тиИпк [9] и представлены на рисунках 16, 17.
Bits Generation —Lri/VW —
QPSK Scuare root
QPSK Modulator Baseband
Raised Cosine Transmit Filter
SDRu
Data Transmitter
F4E643
USRP Transmitter
Рис. 16. MATLAB/Simulink-схема ФМ-4 передатчика
SDRu Data
Receiver
F4E642
0 D ata Le n
data ¡n QPSK Receiver ber
л
t
Display USRP Receiver
Рис. 17. MATLAB/Simulink-схема ФМ-4 приемника
MATLAB/ Simulink-передатчик
USB-интерфейс
Плата B210 в режиме передачи
¥ § ¥ W
Коаксиальный кабель
Цифровой интерфейс
Для формирования радиочастотного сигнала и его излучения в эфир используется аппаратная платформа USRP B210 [12]. Цифровой сигнал в полосе модулирующих частот, сформированный в среде MATLAB, по интерфейсу USB передается на плату B210, где преобразуется в аналоговую форму и переносится на несущую частоту. На приемной стороне осуществляется обратное преобразование сигнала в цифровую форму и его передача для обработки в среде MATLAB. Установка основных параметров радиосигнала передатчика и приемника (несущая частота, усиление) осуществляется с помощью интерфейсных блоков MATLAB USRP Transmitter и USRP Receiver соответственно.
Анализ приведенных примеров реализации приемопередатчиков в СПО MATLAB/Simulink, LabVIEW и GNU Radio позволяет говорить о том, что в СПО есть удобный интерфейс пользователя с графической средой имитационного моделирования, позволяющей при помощи блок-диаграмм в виде направленных графов строить системы связи. Интерфейс предоставляет разработчикам ПКР «строительные блоки», обеспечивающие основные функции ЦОС. Все это вместе обеспечивает широкие возможности МОП. Для оценки показателей функционирования приемопередатчиков ПКР, реализованных в СПО, воспользуемся возможностями специального испытательного стенда Keysight.
VIII. Испытательный стенд Keysight лаборатории ПКР
Структурная схема и внешний вид испытательного стенда Keysight лаборатории программно-конфигурируемого радио СПбГУТ представлены на рисунках 18, 19. Поясним работу стенда на примере реализации и апробации работы приемопередатчика ПКР, реализованного в СПО MATLAB/Simulink.
MATLAB/ Simulink-приемник
USB-интерфейс
Плата B210 в режиме приема
Цифровой интерфейс
шеГ
12 ис
• Lg-"- ''-i д н - -. ^vHHIsE
3 — 1
Анализатор спектра EXA Эмулятор радиоканала PXB Векторный генератор MXG
Рис. 18. Структурная схема стенда Keysight СПбГУТ
Сигнал с выхода платы B210 передается на вход анализатора спектра EXA, который осуществляет перенос сигнала в полосу модулирующих частот и его преобразование в цифровую форму [20-23]. Оцифрованный сигнал передается по LVDS-интер-фейсу в эмулятор радиоканала PXB [31] для внесения канальных эффектов. Сигнал на выходе эмулятора канала по LVDS-интерфейсу передается на векторный генератор MXG, где преобразуется в аналоговую форму и переносится на несущую частоту. Сформированный сигнал на выходе генератора поступает на плату B210 для последующей об-
работки в приемнике. Эмулятор PXB [31] в реальном времени моделирует в цифровом виде широкий спектр физических явлений при распространении радиоволн. Для моделирования на несущей частоте сигнал передатчика MATLAB/Simulink переносится на 0Ч, оцифровывается анализатором спектра EXA, поступает в цифровом виде в эмулятор радиоканала, где затем преобразуется в аналоговую форму и переносится на несущую частоту векторным генератором MXG, и поступает в приемник MATLAB/Simulink.
Рис. 19. Стенд Keysight СПбГУТ
В результате испытаний передатчика и приемника ФМ-4, синтезированного средствами ПКР в среде MATLAB/Simulink, была проведена оценка вероятности битовой ошибки (BER, от англ. Bit Error Rate) в зависимости от Eb/No. На рисунке 20 представлены зависимости BER от Eb/No для модуляции QPSK, полученные аналитически, в результате моделирования и в результате измерений на испытательном стенде.
Рис. 20. Зависимость вероятности битовой ошибки от Бь/№
Из анализа рисунка 20 следует, что полученная зависимость BER отличается от теоретической не более чем на 1дБ, что подтверждает корректность эксперимента с полунатурным моделированием.
IX. Заключение
В настоящей работе были рассмотрены современные тенденции в области программно-конфигурируемого радио, а также выполнен обзор особенностей использования ПКР в области телекоммуникаций и радиосвязи при изучении принципов и технологий цифровой связи. Результаты анализа показывают возможность реализации инновационной образовательной технологии средствами и инструментами сквозного проектирования систем цифровой радиосвязи.
Практическая ориентированность курса заключается в возможности мгновенной апробации работы реализованного устройства в радиоэфире при работе на прием или передачу непосредственно в лаборатории. Задачами нового курса является получение навыков программной реализации алгоритмов и методик передачи, приема и обработки сигналов в современных и перспективных системах цифровой радиосвязи, а также овладение способностями оценки показателей функционирования реализованных алгоритмов и методик средствами натурного эксперимента и имитационного моделирования.
Приобретенные студентами знания и навыки необходимы для научно-исследовательской и опытно-конструкторской деятельности в области анализа и синтеза современных и перспективных систем цифровой радиосвязи на предприятиях реального сектора экономики.
БЛАГОДАРНОСТИ
Исследование подготовлено при поддержке благотворительного Фонда В. Потанина.
и
▼ СТИП1
БЛАГОТВОРИТЕЛЬНЫЙ ФОНД ВЛАДИМИРА ПОТАНИНА
СТИПЕНДИАЛЬНАЯ ПРОГРАММА
Список используемых источников
1. Mitola J. The software radio architecture // IEEE Communications Magazine. 1995. Vol. 33. Iss. 5. PP. 26-38. D01:10. 1109/35.393001
2. Belisle C., Kovarik V., Pucker L., Turner M. The software communications architecture: two decades of software radio technology innovation // IEEE Communications Magazine. 2015. Vol. 53. Iss. 9. PP. 31-37. D0I:10.1109/MC0M.2015.7263343
3. Moy C., Palicot J. Software radio: a catalyst for wireless innovation // IEEE Communications Magazine. 2015. Vol. 53. Iss. 9. PP. 24-30. D0I:10.1109/MC0M.2015.7263342
4. Wireless Innovation Forum. URL: https://www.wirelessinnovation.org (дата обращения 04.03.2019)
5. Base Station System Structure. Document No. SDRF-01-P-0006-V2.0.0 // SDRF Forum. URL: https://www.wirelessinnovation. org/assets/work_products/Reports/sdrf-01-p-0006-v2_0_0_basestation_systems.pdf (дата обращения 04.03.2019)
6. Галкин В.А. Основы программно-конфигурируемого радио. Москва: Горячая линия-Телеком, 2013. 372 с.
7. Деменков Н.П. Модельно-ориентированное проектирование систем управления // Кафедра «Технологии программирования» Университета ИТМО [электронный ресурс]. URL: http://is.ifmo.ru/miscellaneous/_matlab_simulink.pdf (дата обращения: 04.03.2019)
8. Ефремов А.А., Сорокин С.С., Зенков С.М. Модельно-ориентированное проектирование - международный стандарт инженерных разработок // MATLAB. Exponenta. URL: http://matlab.ru/upload/resources/EDU%20Conf/pp%2040-43% 20Sorokin.pdf (дата обращения: 04.03.2019)
9. MathWorks. URL: https://www.mathworks.com (дата обращения 04.03.2019)
10. National Instruments. URL: http://www.ni.com/ru-ru.html (дата обращения 04.03.2019)
11. GNU Radio. The Free & Open Soft Radio Ecosystem. URL: https://www.gnuradio.org (дата обращения 04.03.2019)
12. Ettus Research. URL: https://www.ettus.com (дата обращения 04.03.2019)
13. NooElec. URL: https://www.nooelec.com/store/sdr.html (дата обращения 04.03.2019)
14. Bilen S.G., Wyglinski A.M., Anderson C., Cooklev T., Dietrich C.B., Farhang-Boroujeny B., et al. Software-Defined Radio: A New Paradigm for Integrated Curriculum Delivery // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. Iss. 5. PP. 184-193. DOI:10.1109/MCOM.2014.6815911
15. El-Hajjar M., Nguyen Q.A., Maunder R.G., Ng S.X. Demonstrating the Practical Challenges of Wireless Communications Using USRP // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. Iss. 5. PP. 184-193. D0I:10.1109/MC0M.2014.6815911
16. Petrova M., Achtzehn A., Mahonen P. System-oriented communications engineering curriculum: teaching design concepts with SDR platforms // IEEE Communications Magazine. 2014. Vol. 52. Iss. 5. PP. 202-209. D0I:10.1109/MC0M.2014.6815913
17. Stewart R.W., Crockett L., Atkinson D., Barlee K., Crawford D., Chalmers I., et al. A low-cost desktop software defined radio design environment using MATLAB, simulink, and the RTL-SDR // IEEE Communications Magazine. 2015. Vol. 53. Iss. 9. PP. 64-71. D0I:10.1109/MC0M.2015.7263347
18. Wyglinski A.M., Orofino D.P., Ettus M.N., Rondeau T.W. Revolutionizing software defined radio: case studies in hardware, software, and education // IEEE Communications Magazine. 2016. Vol. 54. Iss. 1. PP. 68-75. D0I:10.1109/MC0M.2016.7378428
19. Stewart R.W., Barlee K.W., Atkinson D.S.W., Crockett L.H. Software Defined Radio using MATLAB & Simulink and the RTL-SDR. Glasgow: Strathclyde Academic Media, 2015.
20. Fokin G., Volgushev D., Kireev A., Bulanov D., Lavrukhin V. Designing the MIMO SDR-based LPD transceiver for longrange robot control applications // Proceedings of the 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops (ICUMT, St. Petersburg, Russian Federation, 6-8 October 2014). Piscataway, NJ: IEEE, 2014. PP. 456-461. D0I:10.1109/ICUMT.2014.7002144
21. Фокин Г.А., Лаврухин В.А., Волгушев Д.А., Киреев А.В. Модельно-ориентированное проектирование на основе SDR // Системы управления и информационные технологии. 2015. Т. 60. № 2. С. 94-99.
22. Волгушев Д.Б., Киреев А.В., Фокин Г.А. Модельно-ориентированный синтез систем радиосвязи на основе программно-конфигурируемого радио // IV Международная научно-техническая и научно-методическая конференция Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (Санкт-Петербург, Российская Федерация, 3-4 марта 2015): сборник научных статей в 2 томах. СПб: СПбГУТ, 2015. Т. 1. С. 50-53.
23. Фокин Г.А., Буланов Д.В., Волгушев Д.Б. Модельно-ориентированное проектирование систем радиосвязи на основе ПКР // Вестник связи. 2015. № 6. С. 26-30.
24. Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Experimental validation of multipoint joint processing of range measurements via software-defined radio testbed // Proceedings of the 18th International Conference on Advanced Communication Technology (ICACT, PyeongChang South Korea, 31 January-3 February 2016). Piscataway, NJ: IEEE, 2016. PP. 268-273. D0I:10.1109/ ICACT.2016.7423356
25. Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Positioning accuracy experimental evaluation in SDR-based MLAT with joint processing of range measurements // Proceedings of the International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications (ICRAMET, Jakarta, Indonesia, 3-5 October 2016). Piscataway, NJ: IEEE, 2016. PP. 7-12. DOI:10.1109/ICRAMET.2016.7849572
26. Борисов Е.Г., Машков Г.М., Фокин Г.А. Экспериментальный стенд оценки точности позиционирования источников радиоизлучения на основе программно-конфигурируемого радио // V международная научно-техническая и научно-методическая конференция Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (Санкт-Петербург, Российская Федерация, 10-11 марта 2016): сборник научных статей в 3 томах. СПб: СПбГУТ, 2016. Т. 1. С. 120-125.
27. Фокин Г.А., Лаврухин В.А., Волгушев Д.А., Киреев А.В. Практическая реализация приемопередатчика ОФМ-2 на SDR платформе Ettus B210 в среде GNU Radio // Информационные технологии моделирования и управления. 2016. Т. 99. № 3. С. 178-187.
28. Воробьев О.В., Фокин Г.А. Проект учебно-методического комплекса «Модельно-ориентированное проектирование систем радиосвязи на основе программно-конфигурируемого радио» // V Международная научно-техническая и научно-методическая конференция Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (Санкт-Петербург, Российская Федерация, 10-11 марта 2016): сборник научных статей в 3 томах. СПб: СПбГУТ, 2016. Т. 2. С. 280-284.
29. Фокин Г.А. Современные тенденции в области программно-конфигурируемого радио // VI Международная научно-техническая и научно-методическая конференция Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (Санкт-Петербург, 1-2 марта 2017): сборник научных статей в 4 томах. СПб: СПбГУТ, 2017. Т. 1. С. 271-276.
30. Фокин Г.А. О разработке и внедрении электронных практических занятий. VI Международная научно-техническая и научно-методическая конференция Актуальные проблемы инфотелекоммуникаций в науке и образовании (Санкт-Петербург, 1-2 марта 2017): сборник научных статей в 4 томах. СПб: СПбГУТ, 2017. Т. 4. С. 319-323.
31. N5106A PXB Baseband Generator and Channel Emulator // Keysight Technologies. URL: https://www.keysight.com/
en/pdx-x201744-pn-N5106A/pxb-baseband-generator-and-channel-emulator?&cc=RU&lc=rus (дата обращения: 04.03.2019)
* * *
PRINCIPLES AND TECHNOLOGIES OF DIGITAL COMMUNICATION BASED ON SOFTWARE DEFINED RADIO: A REVIEW OF MODERN TRENDS IN THE FIELD OF CREATING A CURRICCULUM
G. Fokin1
1The Bonch-Bruevich Saint-Petersburg State University of Telecommunications, St. Petersburg, 193232, Russian Federation
Article info
Article in Russian
For citation: Fokin G. Principles and Technologies of Digital Communication Based on Software Defined Radio: A Review of Modern Trends in the Field of Creating a Curricculum. Proceedings of Telecommunication Universities. 2019;5(1):78-94. (in Russ.) Available from: https://doi.org/10.31854/1813-324X-2019-5-1-78-94
Abstract: Current trends in software-defined radio (SDR) penetration into science, production and education is determined by the appearance on the market of affordable and multifunctional software and hardware solutions. Analysis of the experience of a number of foreign universities suggests a new educational paradigm in the field of telecommunications and radio communications related to the direction of the SDR. From an educational point of view, the field of the SDR is interdisciplinary and covers the following courses: radio receiving and radio transmitting devices, digital signal processing, theory of electrical communication, programming and simulation modeling. The integrating role of the SDR course is to develop a system approach for analyzing and synthesizing a modern transceiver with the ability to programmatically implement most of the functions of the physical layer and with final approbation of its work in real field conditions. The purpose of this work is to review current trends in the creation of a curriculum for training specialists in the course "Principles and Technologies of Digital Communication Based on Software Defined Radio". Thus the work analyzes architecture and evolution of the SDR radio station, current trends and foreign experience in the use of SDR in education, the hardware structure of the radio receiver RTL-SDR, features of the implementation of the SDR transceiver in open source software. To assess the performance indicators of the SDR transceivers, the conclusion contains approach for half-natural experiment testing on the Keysight test bench.
Keywords: SDR, SCA, FPGA, DSP, GPP, ASIC, transceiver, Keysight test bench. References
1. Mitola J. The software radio architecture. IEEE Communications Magazine. 1995;33(5):26-38. Available from: https:// doi.org/10.1109/35.393001
2. Belisle C., Kovarik V., Pucker L., Turner M. The software communications architecture: two decades of software radio technology innovation. IEEE Communications Magazine. 2015;53(9):31-37. Available from: https://doi.org/10.1109/MC0M. 2015.7263343
3. Moy C., Palicot J. Software radio: a catalyst for wireless innovation. IEEE Communications Magazine. 2015;53(9):24-30. Available from: https://doi.org/10.1109/MCOM.2015.7263342
4. Wireless Innovation Forum. Available from: https://www.wirelessinnovation.org [Accessed 4th March 2019]
5. SDRF Forum. Base Station System Structure. Document No. SDRF-01-P-0006-V2.0.0. Available from: https://www.wirelessinnovation. org/assets/work_products/Reports/sdrf-01-p-0006-v2_0_0_basestation_systems.pdf [Accessed 4th March 2019]
6. Galkin V.A. Osnovy programmno-konfiguriruemogo radio [Basics of Software-Defined Radio]. Moscow: Goriachaia liniia-Telekom Publ.; 2013. 372 p. (in Russ.)
7. Demenkov N.P. Modelno-orientirovannoe proektirovanie sistem upravleniia [Model-Based Design Management Systems]. Programming Technologies Department of ITMO University. (in Russ.) Available from: http://is.ifmo.ru/miscellaneous/_ matlab_simulink.pdf [Accessed 4th March 2019]
8. Efremov A.A., Sorokin S.S., Zenkov S.M. Modelno-orientirovannoe proektirovanie - mezhdunarodnyi standart inzhe-nernykh razrabotok [Model-Based Design - International Standard of Engineering]. MATLAB. Exponenta. (in Russ.) Available from: http://matlab.ru/upload/resources/EDU%20Conf/pp%2040-43%20Sorokin.pdf [Accessed 4th March 2019]
9. MathWorks. Available from: https://www.mathworks.com [Accessed 4th March 2019]
10. National Instruments. Available from: http://www.ni.com/ru-ru.html [Accessed 4th March 2019]
11. GNU Radio. The Free & Open Soft Radio Ecosystem. Available from: https: //www.gnuradio.org [Accessed 4th March 2019]
12. Ettus Research. Available from: https://www.ettus.com [Accessed 4th March 2019]
13. NooElec. Available from: https://www.nooelec.com/store/sdr.html [Accessed 4th March 2019]
14. Bilén S.G., Wyglinski A.M., Anderson C., Cooklev T., Dietrich C.B., Farhang-Boroujeny B., et al. Software-Defined Radio: A New Paradigm for Integrated Curriculum Delivery. IEEE Communications Magazine. 2014;52(5):184-193. Available from: https://doi.org/10.1109/MCOM.2014.6815911
15. El-Hajjar M., Nguyen Q.A., Maunder R.G., Ng S.X. Demonstrating the Practical Challenges of Wireless Communications Using USRP. IEEE Communications Magazine. 2014;52(5):184-193. Available from: https://doi.org/10.1109/MC0M.2014.6815911
16. Petrova M., Achtzehn A., Mahonen P. System-oriented communications engineering curriculum: teaching design concepts with SDR platforms. IEEE Communications Magazine. 2014;52(5):202-209. Available from: https://doi.org/10.1109/ MCOM.2014.6815913
17. Stewart R.W., Crockett L., Atkinson D., Barlee K., Crawford D., Chalmers I., et al. A low-cost desktop software defined radio design environment using MATLAB, simulink, and the RTL-SDR. IEEE Communications Magazine. 2015;53(9):64-71. Available from: https://doi.org/10.1109/MC0M.2015.7263347
18. Wyglinski A.M., Orofino D.P., Ettus M.N., Rondeau T.W. Revolutionizing software defined radio: case studies in hardware, software, and education. IEEE Communications Magazine. 2016;54(1):68-75. Available from: https://doi.org/10.1109/ MCOM.2016.7378428
19. Stewart R.W., Barlee K.W., Atkinson D.S.W., Crockett L.H. Software Defined Radio using MATLAB & Simulink and the RTLSDR. Glasgow: Strathclyde Academic Media; 2015.
20. Fokin G., Volgushev D., Kireev A., Bulanov D., Lavrukhin V. Designing the MIMO SDR-based LPD transceiver for longrange robot control applications. Proceedings of the 6th International Congress on Ultra Modern Telecommunications and Control Systems and Workshops, ICUMT, 6-8 October 2014, St. Petersburg, Russian Federation. Piscataway, NJ: IEEE; 2014. p.456-461. Available from: https:// doi.org/10. 1109/ICUMT.2014.7002144
21. Fokin G.A., Lavrukhin V.A., Volgushev D.A., Kireev A.V. Modelno-orientirovannoe proektirovanie na osnove SDR [ModelBased Design Based on SDR]. Sistemy upravleniia i informatsionnye tekhnologii. 2015;60(2):94-99. (in Russ.)
22. Volgushev D.B., Kireev A.V., Fokin G.A. Radio Communication System SDR Model Based Design. Proceedings of the IVth International Conference on Infotelecommunications in Science and Education, 3-4 March 2015, St. Petersburg, Russian Federation. St. Petersburg: Saint-Petersburg State University of Telecommunications Publ.; 2015. Vol. 1. p.50-53. (in Russ.)
23. Fokin G.A., Bulanov D.V., Volgushev D.B. Modelno-orientirovannoe proektirovanie sistem radiosviazi na osnove PKR [Model-Based Design of radio communication systems based on SIC]. Vestniksviazi. 2015;6:26-30. (in Russ.)
24. Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Experimental validation of multipoint joint processing of range measurements via software-defined radio testbed. Proceedings of the 18th International Conference on Advanced Communication Technology, ICACT, 31 January-3 February 2016, PyeongChang, South Korea. Piscataway, NJ: IEEE; 2016. p.268-273. Available from: https:// doi.org/10.1109/ICACT.2016.7423356
25. Mashkov G., Borisov E., Fokin G. Positioning accuracy experimental evaluation in SDR-based MLAT with joint processing of range measurements. Proceedings of the International Conference on Radar, Antenna, Microwave, Electronics, and Telecommunications, ICRAMET, 3-5 October 2016, Jakarta, Indonesia. Piscataway, NJ: IEEE; 2016. p.7-12. Available from: https://10.1109/ ICRAMET.2016.7849572
26. Borisov E., Mashkov G., Fokin G. Experimental Validation of Multipoint Joint Processing of Range Measurements via Software-Defined Radio Testbed. Proceedings of the Vth International Conference on Infotelecommunications in Science and Education, 10-11 March 2016, St. Petersburg, Russian Federation. St. Petersburg: Saint-Petersburg State University of Telecommunications Publ.; 2016. Vol. 1. p.120-125. (in Russ.)
27. Fokin G.A., Lavrukhin V.A., Volgushev D.A., Kireev A.V. Prakticheskaya realizaciya priemoperedatchika OFM-2 na SDR platforme Ettus B210 v srede GNU Radio [Practical Implementation FMR-2 Transceiver on SDR Ettus B210 Platform GNU Radio Medium]. Informacionnye tekhnologii modelirovaniya i upravleniya. 2016;99(3):178-187. (in Russ.)
28. Vorobyev 0., Fokin G. Radio Communication Systems Model Based Design via Software Defined Radio Proceedings of the Vth International Conference on Infotelecommunications in Science and Education, 10-11 March 2016, St. Petersburg, Russian Federation. St. Petersburg: Saint-Petersburg State University of Telecommunications Publ.; 2016. Vol. 2. p.280-284. (in Russ.)
29. Fokin G. Software Defined Radio Current Trends. Proceedings of the VIth International Conference on Infotelecommunications in Science and Education, 1-2 March 2017, St. Petersburg, Russian Federation. St. Petersburg: Saint-Petersburg State University of Telecommunications Publ.; 2017. Vol. 1. p.271-276. (in Russ.)
30. Fokin G. Development and Implementation of Electronic Curriculum Workshop. Proceedings of the VIth International Conference on Infotelecommunications in Science and Education, 1-2 March 2017, St. Petersburg, Russian Federation. St. Petersburg: Saint-Petersburg State University of Telecommunications Publ.; 2017. Vol. 4. p.319-323. (in Russ.)
31. Keysight Technologies. N5106A PXB Baseband Generator and Channel Emulator. Available from: https://www.keysight. com/en/pdx-x201744-pn-N5106A/pxb-baseband-generator-and-channel-emulator?&cc=RU&lc=rus [Accessed 4th March 2019]
