ДонНТУ   Портал магистров

Реферат по теме выпускной работы

Содержание

Введение

В последние годы все более широкое распространение в области телекоммуникаций находят Software Defined Radio (SDR) технологии. Термин SDR имеет несколько размытое значение, но обычно он используется для обозначения радиоприемников и передатчиков, основные параметры которых определяются программным обеспечением (ПО), и основные аспекты работы которых изменяются с помощью внесения изменений в ПО. Такое определение принято международной организацией по вопросам программируемых радио под названием SDR Forum [1].

Сферу применения SDR можно разделить на две большие группы: сферу военного и сферу гражданского применения.

Примером военного применения может служить американская программа US SpeakEasy Programme. К преимуществам использования SDR в военных коммуникациях относятся возможность манипуляции с шифрованием при каждой передаче, возможность изменения типа модуляции, ширины канала, частоты, голосового кодека. Все это усложняет работу по перехвату и декодированию информации противником.

В гражданском мире SDR является той технологией, которая позволит оператору или провайдеру предоставлять услуги нового стандарта без закупки нового оборудования. Для этого будет достаточно обновить ПО существующих узлов сети [2].

Если мыслить менее глобально, то SDR является хорошей технологией для исследователей в области телекоммуникаций и радиолюбителей. Подход позволяет исследовать новые методы обработки сигналов, проверять теории без материальных и временных затрат исследователя на реконфигурацию аппаратной базы.

1. Актуальность темы

Современное телекоммуникационное оборудование, в частности приемники, конструируются по комбинированной схеме, состоящей из аппаратной части и программной части, что соответствует концепции SDR. Программная реализация основных функций приемника позволяет внедрять новые алгоритмы цифровой обработки сигналов (ЦОС) и расширять функциональные возможности SDR приемников. На рисунке 1 изображена идеализированная схема SDR приемника, отражающая его основной принцип – минимальное количество аппаратных модулей. Однако на практике по ряду причин применяются более сложные схемы, о которых будет сказано далее.

Идеализированная схема SDR приемника

Рисунок 1 – Идеализированная схема SDR приемника

Телекоммуникационное оборудование работает в различных условиях, часто передаваемые сигналы подвергаются различным искажениям (атмосферные помехи, многолучевое распространение сигналов, влияние эффекта Доплера), в то же время современные мобильные стандарты предъявляют жесткие требования к качеству сигнала (например, в стандарте GSM нестабильность частоты не должна превышать 10е–6 Гц) [3]. Существует противоречие между жесткими требованиями к качеству принятого сигнала и реальными сигналами, поступающими на вход приемника.

Также с течением времени или с изменением условий окружающей среды происходит изменение свойств самого приемника, что может привести к ухудшению качества принятого сигнала. Для компенсации этих изменений необходимо иметь возможность оперативного управления амплитудой и фазой сигнала гетеродина, что проблематично при его аппаратной реализации.

2. Цель и задачи исследования

Решением названных проблем может стать использование программного гетеродина SDR приемника на основе системы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), что позволит не только производить программную настройку гетеродина, но и точно отслеживать входной сигнал. Именно исследованию методов построения гетеродинов программных приемников и посвящена данная работа.

В связи с этим целью исследований является расширение функциональных возможностей SDR приемников за счет использования усовершенствованных гетеродинов на основе программной ФАПЧ. Для достижения цели необходимо выполнить следующие задачи:

  1. Обоснование требований к гетеродину SDR на основе программной ФАПЧ.
  2. Синтез структурной схемы программного гетеродина.
  3. Проведение моделирования работы гетеродина.
  4. Анализ результатов моделирования, усовершенствование схемы.
  5. Разработка рекомендаций по построению программных гетеродинов на основе ФАПЧ.

3. Концепция построения программного гетеродина

3.1 Обзор вариантов построения SDR приемников

Прежде чем приступать к проектированию программного гетеродина, необходимо выбрать схему SDR приемника, в составе которой он будет работать. Зачастую схема идеализированного приемника не применяется на практике, так как намного легче провести некоторую предварительную обработку сигнала аппаратными средствами (в основном усилители, полосовые фильтры (ПФ), фильтры нижних частот (ФНЧ)) перед подачей на АЦП. Концепция SDR достаточно нова, не существует единой стандартной схемы построения программного приемника. Но есть ряд схем, которые наиболее часто встречаются на практике. Они хорошо описаны в источниках [2], [4–6]. Наиболее подробная классификация приведена в [4]. В целом, эта классификация не особо отличается от классификации традиционных приемников.

SDR приемники могут быть построены по схеме прямого преобразования или по схеме с промежуточной частотой (супергетеродинный приемник), каждая схема имеет свои достоинства и недостатки. Основные преимущества приемника прямого преобразования (рис. 2) – простота и отсутствие побочных каналов, возникающих при наличии промежуточной частоты.

SDR приемник прямого преобразования

Рисунок 2 – SDR приемник прямого преобразования

Супергетеродинный приемник не имеет этих преимуществ, зато имеет лучшую избирательность. Также есть существенное ограничение, связанное с полосой перестройки SDR приемника прямого преобразования. Она ограничена возможностями АЦП. Так, например, при реализации SDR на ПК со звуковой картой с частотой дискретизации 44100 Гц, полоса перестройки составит около 20 кГц. Применимо к SDR супергетеродинные приемники также делятся на приемники с аналоговой промежуточной частотой (рис. 3) и программной промежуточной частотой (рис. 4).

Супергетеродинный SDR приемник с аналоговой промежуточной частотой

Рисунок 3 – Супергетеродинный SDR приемник с аналоговой промежуточной частотой

Для реализации SDR приемника на базе ПК логичным видится применение схемы супергетеродинного приемника с программной промежуточной частотой. Аппаратная часть позволит производить настройку в широком диапазоне частот, а программный гетеродин будет отвечать за точную подстройку сигнала. Также стоит отметить, что в большинстве SDR приемников происходит обработка синфазного (I) и квадратурного сигналов (Q), именно поэтому перед ЦОС во всех схемах сигнал сначала расщепляется на I и Q компоненты.

Супергетеродинный SDR приемник с программной промежуточной частотой

Рисунок 4 – Супергетеродинный SDR приемник с программной промежуточной частотой

3.2 Синтез схемы программного гетеродина

Для достижения поставленной цели принято решение строить программный гетеродин на основе системы ФАПЧ. Исследованием этих систем ученые начали заниматься еще в начале прошлого века. Среди русскоязычных публикаций по теме следует отметить книгу Шахгильдяна В.В. и Ляховкина А.А. [7], которая является «классическим» русскоязычным изданием для изучения систем ФАПЧ. Из зарубежных источников выделяются полнотой изложения материала книги [8] и [9]. Также существует немало публикаций, посвященным структуре и принципам работы простых контуров ФАПЧ. Тут нужно выделить статью [10], в которой в сжатом объеме автор объясняет принцип работы контура ФАПЧ, его основных модулей, рассматривает основные параметры и характеристики контура. Среди работ студентов ДонНТУ стоит выделить работы, посвященные оптимизации систем синхронизации телекоммуникационных систем на основе ФАПЧ [11–13]. Работы [14], [15] посвящены оптимизации систем ФАПЧ с целью уменьшения времени захвата сигнала.

Классическая схема ФАПЧ (рис. 5) состоит из трех основных элементов: фазового детектора (ФД), ФНЧ и генератора управляемого напряжением (ГУН) [8].

Схема контура ФАПЧ

Рисунок 5 – Схема контура ФАПЧ

При анализе схемы за входной сигнал s(t) принимают гармоническое колебание с постоянной частотой ω и фазой Θ:

формула 1 (1)

Сигнал на выходе ГУН v(t) представляет собой сигнал, который синхронизируется со входным. Его опорная частота равна частоте входного сигнала, а фаза – Ω:

формула 2 (2)

Сигнал p(t) определяется уравнением:

формула 3 (3)

Учитывая, что частоты опорного и входного сигнала равны:

формула 4 (4)

ФНЧ срезает составляющую с частотой 2ω, после чего сигнал e(t) подается на ГУН, мгновенная частота сигнала на выходе которого зависит от управляющего напряжения, а полная фаза Ф(t) равна:

формула 5 (5)

где К0 – коэффициент пропорциональности ГУН.

Отсюда следует, что два из трех основных элементов ФАПЧ легко реализовать программно. ФД реализуется обычной операцией умножения отсчетов входного сигнала и сигнала ГУН, а ГУН реализуется в виде генератора гармонического сигнала (например, простым вызовом математической функции sin(x)) и интегратора сигнала управления. С ФНЧ дело обстоит немного сложнее.

Гетеродин на основе ФАПЧ должен отслеживать не только постоянное фазовое рассогласование, но и частотное рассогласование, которое может медленно меняться во времени, поэтому необходим порядок контура ФАПЧ, равный двум. Это обеспечит ФНЧ первого порядка, так как одну единицу к порядку астатизма контура добавляет ГУН (т.к. это интегрирующий элемент) [16]. В качестве петлевого ФНЧ первого порядка лучше использовать пропорционально-интегральный (ПИ) регулятор. В [17] приведена формула для его программной реализации:

формула 6 (6)

где Ki и Kp – интегральный и пропорциональный коэффициенты ПИ регулятора соответственно.

В соответствии с выбранной схемой SDR приемника (рис. 4) в программной части содержится фазовращатель, что позволяет получать синфазную (I) и квадратурную (Q) составляющие аналитического сигнала. Это обеспечивает возможность использования ФД, который не имеет на выходе суммарных частотных компонент. Его реализация имеет вид:

формула 7 (7)

где индексы '1 'и '2' означают принадлежность переменной к входному сигналу и сигналу с выхода ГУН соответственно.

Программный фазовращатель реализуется фильтром Гильберта, который, по сути, является ФНЧ. При выборе порядка фильтра следует учитывать, что слишком маленький порядок приведет к существенным искажениям квадратурной составляющей, а слишком большой – не только к увеличению числа математических операций, необходимых для реализации фильтра, но и к увеличению групповой задержки фильтра [18].

С учетом вышесказанного предложена схема гетеродина SDR приемника на основе программной системы ФАПЧ (рис. 6).

Схема программного гетеродина SDR на основе ФАПЧ

Рисунок 6 – Схема программного гетеродина SDR на основе ФАПЧ

3.3 Моделирование работы программного гетеродина

Для моделирования предложенной схемы было разработано ПО, которое позволяет проследить за поведением программного гетеродина на основе ФАПЧ при подаче на его вход различных сигналов. Упрощенный алгоритм работы можно найти в [19].

Главное преимущества такого подхода – возможность работать с реальными сигналами, извлечение их отсчетов из буфера звуковой карты и обработка в режиме реального времени. Это гарантирует то, что одно из главных ограничений SDR приемника, связанное с ограниченными возможностями звуковой карты ПК в качестве АЦП, будет учтено.

ПО было разработано в среде Visual C++ 2010 Express [20] с использованием стандартных библиотек языка и библиотеки быстрого преобразования Фурье (БПФ) [21]. Основы программирования под Windows описаны в книге Петзольда [22]. В статьях [23], [24] описаны основные принципы работы с данными из буфера звуковой карты в операционной системе Windows. Генерация аналитического сигнала происходила с помощью фильтра Гильберта, коэффициенты которого предварительно рассчитаны в MATLAB [25].

В ходе экспериментальных исследований на компьютере запускалась разработанная программа, сигналы с генератора гармонических сигналов подавались на микрофонный вход звуковой карты компьютера, которая выступала в качестве АЦП. В главном окне программы отображается форма входного сигнала и его спектра (слева), форма выходного сигнала и его спектра (справа). Кроме того, что программный гетеродин хорошо следит за медленным изменением частоты входного сигнала, система проявляет хорошие фильтрующие свойства при слежении за сигналом с низким уровнем отношения сигнал / шум (рис. 7).

Процесс захвата сигнала

Рисунок 7 – Анимация процесса захвата сигнала
(анимация: 7 кадров, 7 циклов повторения, 140 килобайт)

Не стоит забывать, что помимо низкого уровня шума выдаваемого сигнала гетеродин должен обеспечивать минимальную скорость перестройки при изменении частоты несущего колебания. Это связано с тем, что необходимо обеспечить минимальное число потерянных бит. А ошибки возникают из-за шумов гетеродина, также информация теряется за время перестройки гетеродина на необходимую частоту. Разработанная модель позволяет увидеть, что при настройке гетеродина на быстрый захват сигнала, он начинает больше шуметь. Математические выкладки, подтверждающие эту закономерность можно найти в [8], [9] и [17].

Выводы

В результате исследования было предложено использование программной ФАПЧ в качестве гетеродина SDR приемника и выбрана структуру системы, которая позволит улучшить качество приема сигнала в условиях помех и нестабильности несущего колебания. По сравнению с классической схемой ФАПЧ, предложенный программный гетеродин строится по схеме с фазовращателем и работает с аналитическим сигналом, что позволяет использовать улучшенный ФД. Разработано ПО, которое в условиях обработки реального сигнала подтвердило возможность использования системы на практике.

Исследования подтвердили основное противоречие гетеродина на основе ФАПЧ: при уменьшении времени захвата ухудшается стабильность выдаваемого сигнала и наоборот. Основными параметрами, которые позволяют управлять скоростью захвата и шумовыми характеристиками гетеродина, являются коэффициенты ПИ-регулятора. Поэтому направлением дальнейших исследований является разработка системы динамического изменения коэффициентов фильтра для обеспечения минимального времени захвата и уровня шумов программного гетеродина в любых условиях функционирования.

Примечание

При написании данного автореферата квалификационная работа магистра еще не завершена. Дата окончательного завершения работы: 15 декабря 2012 года. Полный текст работы и материалы по теме работы могут быть получены у автора или его научного руководителя после указанной даты.

Список источников

  1. SDR forum [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.wirelessinnovation.org/.
  2. Kenington P.B. RF and baseband techniques for Software Defined Radio / P.B. Kenington. – Artech House, 2005. – 337 pp.
  3. Эффект Доплера в сетях: GSM, 3G, 4G [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://habrahabr.ru/....
  4. DeSimone M. Software-Defined Radio – An overview and tutorial / Mike DeSimone. – 2009. – 54 pp.
  5. Burns P. Software Defined Radio for 3G / Paul Burns. – Artech House, 2003 – 300 pp.
  6. Tuttlebee W. Software Defined Radio – Enabling technologies / Walter Tuttlebee. – John Wiley & Sons, 2002. – 428 pp.
  7. Шахгильдян В.В. Системы фазовой автоподстройки частоты / В.В. Шахгильдян, А.А. Ляховкин – М.: Связь, 1972. – 450 с.
  8. Best R.E. Phase-Locked Loops. Design, simulation, and applications / Roland E. Best. – McGraw-Hill, 2004. – 424 pp.
  9. Egan W. Phase-lock basics / William Egan. – John Willey & Sons, 2007. – 455 pp.
  10. Контур фазовой автоподстройки частоты и его основные свойства [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dsplib.ru/....
  11. Аллилуйкина А.Д. Исследование ФАПЧ систем синхронизации в радиочастотных каналах телекоммуникационных сетей [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/....
  12. Бурховецкий В.Д. Исследование аналоговой ФАПЧ в цифровом канале связи [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/....
  13. Нестеренко А.С. Исследование методов и средств фазовой синхронизации в спутниковом канале [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/....
  14. Волкова А.А. Исследование методов повышения достоверности приема дискретных сигналов в радиоканале с использованием демодуляторов на основе ФАПЧ [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/....
  15. Даниленко С.И. Исследование и усовершенствование синхрогенератора на основе ФАПЧ с улучшенными характеристиками захвата и слежения [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://masters.donntu.ru/....
  16. Цифровой контур ФАПЧ (digital PLL) и его свойства [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.dsplib.ru/....
  17. Nezami M.K. RF architectures & digital signal processing aspects of digital wireless transceivers / Mohamed K. Nezami. – Draft, 2003. – 513 с.
  18. Лайонс Р. Цифровая обработка сигналов / Ричард Лайонс. – М.: Бином, 2006. – 656 с.
  19. Зюмін С.А. Використання програмних ФАПЧ в SDR технологіях / С.А. Зюмін. – Сучасні інформаційні технології та програмне забезпечення комп’ютерних систем. Збірник тез доповідей Всеукраїнського студентського науково-практичного семінару. – Кіровоград, "Код" – 2012, с. 16-18.
  20. Visual C++ 2010 Express [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.microsoft.com/....
  21. Быстрое преобразование Фурье, листинг программы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://psi-logic.narod.ru/....
  22. Петзолд Ч. Программирование для Windows 95 / Ч. Петзолд. – СПб.: БХВ-Петербург, 1997. – Том I. – 495 с.
  23. Музыченко Е. Низкоуровневое программирование звука в Windows [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.compress.ru/....
  24. Тарасенко А. Работа со звуковой картой в Windows [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://junglewin.narod.ru/....
  25. MATLAB Trial Download and Videos [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://www.mathworks.com/....