Реферат за темою випускної роботи

Зміст

• Вступ
• 1. Актуальність теми
• 2. Мета і задачі дослідження
• 3. Концепція побудови програмного гетеродина
• 3.1 Огляд варіантів побудови SDR приймачів
• 3.2 Синтез схеми програмного гетеродина
• 3.3 Моделювання роботи програмного гетеродина
• Висновки
• Список джерел

Вступ

В останні роки все більш широке поширення в області телекомунікацій знаходять Software Defined Radio (SDR) технології. Термін SDR має дещо розмите значення, але зазвичай він використовується для позначення радіоприймачів і передавачів, основні параметри яких визначаються програмним забезпеченням (ПЗ), та основні аспекти роботи яких змінюються за допомогою внесення змін в ПЗ. Таке визначення прийнято міжнародною організацією з питань програмованих радіо під назвою SDR Forum [1].

Сферу застосування SDR можна розділити на дві великі групи: сферу військового та сферу цивільного застосування.

Прикладом військового застосування може служити американська програма US SpeakEasy Programme. До переваг використання SDR у військових комунікаціях відносяться можливість маніпуляції з шифруванням при кожній передачі, можливість зміни типу модуляції, ширини каналу, частоти, голосового кодека. Все це ускладнює роботу з перехоплення і декодуванню інформації противником.

У цивільному світі SDR є тією технологією, яка дозволить оператору або провайдеру надавати послуги нового стандарту без закупівлі нового обладнання. Для цього буде достатньо оновити ПЗ існуючих вузлів мережі [2].

Якщо мислити менш глобально, то SDR є хорошою технологією для дослідників у галузі телекомунікацій та радіоаматорів. Підхід дозволяє досліджувати нові методи обробки сигналів, перевіряти теорії без матеріальних і часових витрат дослідника на реконфігурацію апаратної бази.

1. Актуальність теми

Сучасне телекомунікаційне устаткування, зокрема приймачі, конструюються за комбінованою схемою, що складається з апаратної частини і програмної частини, що відповідає концепції SDR. Програмна реалізація основних функцій приймача дозволяє впроваджувати нові алгоритми цифрової обробки сигналів (ЦОС) і розширювати функціональні можливості SDR приймачів. На рисунку 1 зображена ідеалізована схема SDR приймача, що відображає його основний принцип – мінімальну кількість апаратних модулів. Однак на практиці з ряду причин застосовуються більш складні схеми, про які буде сказано далі.

Телекомунікаційне обладнання працює в різних умовах, часто сигнали, що передаються, зазнають змін (атмосферні завади, багатопроменеве поширення сигналів, вплив ефекту Доплера), в той же час сучасні мобільні стандарти пред’являють жорсткі вимоги до якості сигналу (наприклад, в стандарті GSM нестабільність частоти не повинна перевищувати 10е–6 Гц) [3]. Існує суперечність між жорсткими вимогами до якості прийнятого сигналу і реальними сигналами, які надходять на вхід приймача.

Також з плином часу або зі зміною умов навколишнього середовища відбувається зміна властивостей самого приймача, що може привести до погіршення якості прийнятого сигналу. Для компенсації цих змін необхідно мати можливість оперативного управління амплітудою і фазою сигналу гетеродина, що проблематично при його апаратній реалізації.

2. Мета і задачі дослідження

Рішенням названих проблем може стати використання програмного гетеродина SDR приймача на основі системи фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ), що дозволить не тільки здійснювати програмну настройку гетеродина, а й точно відслідковувати вхідний сигнал. Саме дослідженню методів побудови гетеродинів програмних приймачів і присвячена дана робота.

У зв’язку з цим метою досліджень є розширення функціональних можливостей SDR приймачів за рахунок використання удосконалених гетеродинів на основі програмної ФАПЧ. Для досягнення мети необхідно виконати наступні завдання:

1. Обґрунтування вимог до гетеродина SDR на основі програмної ФАПЧ.
2. Синтез структурної схеми програмного гетеродина.
3. Проведення моделювання роботи гетеродина.
4. Аналіз результатів моделювання, удосконалення схеми.
5. Розробка рекомендацій з побудови програмних гетеродинів на основі ФАПЧ.

3. Концепція побудови програмного гетеродина

3.1 Огляд варіантів побудови SDR приймачів

Перш ніж приступати до проектування програмного гетеродина, необхідно вибрати схему SDR приймача, у складі якої він буде працювати. Найчастіше схема ідеалізованого приймача не застосовується на практиці, тому що набагато легше провести деяку попередню обробку сигналу апаратними засобами (в основному підсилювачі, полосові фільтри (ПФ), фільтри нижніх частот (ФНЧ)) перед подачею на АЦП. Концепція SDR досить нова, не існує єдиної стандартної схеми побудови програмного приймача. Але є ряд схем, які найбільш часто зустрічаються на практиці. Вони добре описані в джерелах [2], [4–6]. Найбільш детальна класифікація приведена в [4]. В цілому, ця класифікація не особливо відрізняється від класифікації традиційних приймачів.

SDR приймачі можуть бути побудовані за схемою прямого перетворення або за схемою з проміжною частотою (супергетеродинний приймач), кожна схема має свої переваги і недоліки. Основні переваги приймача прямого перетворення (рис. 2) – простота і відсутність побічних каналів, що виникають при наявності проміжної частоти.

Супергетеродинний приймач не має цих переваг, зате має кращу вибірковість. Також є істотне обмеження, пов’язане зі смугою перебудови SDR приймача прямого перетворення. Вона обмежена можливостями АЦП. Так, наприклад, при реалізації SDR на ПК із звуковою картою з частотою дискретизації 44100 Гц, смуга перебудови складе близько 20 кГц. Застосовується до SDR супергетеродинні приймачі також діляться на приймачі з аналоговою проміжною частотою (рис. 3) та програмною проміжною частотою (рис. 4).

Для реалізації SDR приймача на базі ПК логічним бачиться застосування схеми супергетеродинного приймача з програмною проміжною частотою. Апаратна частина дозволить робити настроювання в широкому діапазоні частот, а програмний гетеродин буде відповідати за точне підстроювання сигналу. Також варто зазначити, що в більшості SDR приймачів відбувається обробка синфазного (I) і квадратурного сигналів (Q), саме тому перед ЦОС у всіх схемах сигнал спочатку розщеплюється на I і Q компоненти.

3.2 Синтез схеми програмного гетеродина

Для досягнення поставленої мети прийнято рішення розробляти програмний гетеродин на основі системи ФАПЧ. Дослідженням цих систем вчені почали займатися ще на початку минулого століття. Серед російськомовних публікацій по темі слід відзначити книгу Шахгільдяна В.В. і Ляховкіна А.А. [7], яка є «класичним» російськомовним виданням для вивчення систем ФАПЧ. Із зарубіжних джерел виділяються повнотою викладу матеріалу книги [8] та [9]. Також існує чимало публікацій, присвячених структурі та принципам роботи простих контурів ФАПЧ. Тут потрібно виділити статтю [10], в якій в стислому обсязі автор пояснює принцип роботи контуру ФАПЧ, його основних модулів, розглядає основні параметри та характеристики контуру. Серед робіт студентів ДонНТУ варто виділити роботи, присвячені оптимізації систем синхронізації телекомунікаційних систем на основі ФАПЧ [11–13]. Роботи [14], [15] присвячені оптимізації систем ФАПЧ з метою зменшення часу захоплення сигналу.

Класична схема ФАПЧ (рис. 5) складається з трьох основних елементів: фазового детектора (ФД), ФНЧ і генератора керованого напругою (ГКН) [8].

При аналізі схеми за вхідний сигнал s (t) приймають гармонійне коливання з постійною частотою ω і фазою Θ:

(1)

Сигнал на виході ГКН v (t) являє собою сигнал, який синхронізується зі вхідним. Його опорна частота дорівнює частоті вхідного сигналу, а фаза – Ω:

(2)

Сигнал p (t) визначається рівнянням:

(3)

Враховуючи, що частоти опорного і вхідного сигналу рівні:

(4)

ФНЧ зрізає складову з частотою 2ω, після чого сигнал e(t) подається на ГКН, миттєва частота сигналу на виході якого залежить від керуючої напруги, а повна фаза Ф (t) дорівнює:

(5)

де К₀ – коефіцієнт пропорційності ГКН.

Звідси випливає, що два з трьох основних елементів ФАПЧ легко реалізувати програмно. ФД реалізується звичайною операцією множення відліків вхідного сигналу і сигналу ГКН, а ГКН реалізується у вигляді генератора гармонійного сигналу (наприклад, простим викликом математичної функції sin(x)) та інтегратора сигналу управління. З ФНЧ все трохи складніше.

Гетеродин на основі ФАПЧ повинен відслідковувати не тільки постійну фазову неузгодженість, але і частотну неузгодженість, яка може повільно змінюватися в часі, тому необхідний порядок контуру ФАПЧ, рівний двом. Це забезпечить ФНЧ першого порядку, так як одну одиницю до порядку астатизму контуру додає ГКН (тому що це інтегруючий елемент) [16]. В якості петлевого ФНЧ першого порядку краще використовувати пропорційно-інтегральний (ПІ) регулятор. В [17] наведена формула для його програмної реалізації:

(6)

де K_i та K_p – інтегральний і пропорційний коефіцієнти ПІ регулятора відповідно.

Відповідно до обраної схеми SDR приймача (рис. 4) в програмній частині міститься фазообертач, що дозволяє отримувати синфазну (I) і квадратурну (Q) складові аналітичного сигналу. Це забезпечує можливість використання ФД, який не має на виході сумарних частотних компонент. Його реалізація має вигляд:

(7)

де індекси '1 'і '2' означають приналежність змінної до вхідного сигналу і сигналу з виходу ГУН відповідно.

Програмний фазообертач реалізується фільтром Гільберта, який, по суті, є ФНЧ. При виборі порядку фільтра слід враховувати, що занадто маленький порядок призведе до істотних спотворень квадратурної складової, а надто великий – не тільки до збільшення числа математичних операцій, необхідних для реалізації фільтра, а й до збільшення групової затримки фільтра [18].

З урахуванням вищезазначеного запропоновано схему гетеродина SDR приймача на основі програмної системи ФАПЧ (рис. 6).

3.3 Моделювання роботи програмного гетеродина

Для моделювання роботи запропонованої схеми було розроблено ПЗ, яке дозволяє простежити за поведінкою програмного гетеродина на основі ФАПЧ при подачі на його вхід різних сигналів. Спрощений алгоритм роботи можна знайти в [19].

Головна перевага такого підходу – можливість працювати з реальними сигналами, обробка відліків сигнала, взятих з буфера звукової карти. Це гарантує те, що одне з головних обмежень SDR приймача, пов’язане з обмеженими можливостями звукової карти ПК в якості АЦП, буде враховано.

ПЗ було розроблено в середовищі Visual C + + 2010 Express [20] з використанням стандартних бібліотек мови програмування та бібліотеки швидкого перетворення Фур’є (ШПФ) [21]. Основи програмування під Windows описані в книзі Петзольда [22]. У статтях [23], [24] описані основні принципи роботи з даними з буфера звукової карти в операційній системі Windows. Генерація аналітичного сигналу відбувалася за допомогою фільтра Гільберта, коефіцієнти якого попередньо розраховані в MATLAB [25].

В ході експериментальних досліджень на комп’ютері запускалася розроблена програма, сигнали з генератора гармонійних сигналів подавалися на мікрофонний вхід звукової карти комп’ютера, яка виступала в якості АЦП. У головному вікні програми відображається форма вхідного сигналу і його спектра (ліворуч), форма вихідного сигналу і його спектра (праворуч). Крім того, що програмний гетеродин добре стежить за повільним зміною частоти вхідного сигналу, система проявляє хороші фільтруючі властивості при спостереженні за сигналом з низьким рівнем відносини сигнал / шум (рис. 7).

Не варто забувати, що крім низького рівня шуму сигналу гетеродин повинен забезпечувати мінімальну швидкість перестроювання при зміні частоти несучого коливання. Це пов’язано з тим, що необхідно забезпечити мінімальне число втрачених біт. А помилки виникають через шуми гетеродина, також інформація втрачається за час перебудови гетеродина на необхідну частоту. Розроблена модель дозволяє побачити, що при налаштуванні гетеродина на швидке захоплення сигналу, він починає більше шуміти. Математичні викладки, що підтверджують цю закономірність можна знайти в [8], [9] та [17].

Висновки

В результаті дослідження було запропоновано використання програмної ФАПЧ в якості гетеродина SDR приймача і обрано структуру системи, яка дозволить поліпшити якість прийому сигналу в умовах перешкод і нестабільності несучого коливання. У порівнянні з класичною схемою ФАПЧ, запропонований програмний гетеродин будується за схемою з фазообертачем і працює з аналітичним сигналом, що дозволяє використовувати покращений ФД. Розроблено ПЗ, яке в умовах обробки реального сигналу підтвердило можливість використання системи на практиці.

Дослідження підтвердили основне протиріччя гетеродина на основі ФАПЧ: при зменшенні часу захоплення погіршується стабільність сигналу і навпаки. Основними параметрами, які дозволяють управляти швидкістю захоплення і шумовими характеристиками гетеродина, є коефіцієнти ПІ-регулятора. Тому напрямом подальших досліджень є розробка системи динамічної зміни коефіцієнтів фільтра для забезпечення мінімального часу захоплення і рівня шумів програмного гетеродина за будь-яких умов функціонування.

Примітка

При написанні даного автореферату кваліфікаційна робота магістра ще не завершена. Дата остаточного завершення роботи: 15 грудня 2012 року. Повний текст роботи та матеріали по темі роботи можуть бути отримані у автора або його наукового керівника після вказаної дати.

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/....

Резюме Биография Библиотека Ссылки Отчет о поиске Индивидуальный раздел