В классической радиостанции модуляция, фильтрация и протокол связи заложены в схему. Чтобы перейти на другой стандарт, нужно разрабатывать новую плату. Программно-определяемое радио (SDR, Software Defined Radio) переносит эти функции в программное обеспечение.
В результате одна и та же аппаратная платформа может работать как приёмник, передатчик, анализатор спектра или базовая станция – в зависимости от загруженной программы. Разберём, как устроено SDR, что это меняет в проектировании систем связи и на что смотреть при выборе платформы.
Что такое программно-определяемое радио
SDR – это программируемый приёмопередатчик, который способен работать с разными протоколами беспроводной связи без замены аппаратной части. Аппаратно реализуется только то, что невозможно сделать цифровыми методами: приём и излучение радиосигнала, его усиление, перенос по частоте и преобразование в цифровую форму. Всё остальное – демодуляция, декодирование, обработка протокола – выполняет программа.
Под «SDR-связью» обычно понимают системы связи, построенные на таких платформах: их параметры можно менять обновлением программного обеспечения, в том числе удалённо.
Как устроена SDR-платформа
Сигнал в SDR-системе проходит несколько ступеней, и на каждой видна граница между «железом» и программой:
- Аналоговый радиочастотный тракт. Усилители, смесители, фильтры и синтезатор частоты переносят сигнал из радиодиапазона на промежуточную или нулевую частоту. В современных платформах эти узлы часто объединены в одной микросхеме интегрального трансивера.
- АЦП и ЦАП. Преобразователи переводят сигнал в цифровую форму и обратно. Их частота дискретизации и разрядность определяют полосу и динамический диапазон системы.
- ПЛИС. Программируемая логика выполняет ресурсоёмкие операции в реальном времени: цифровое преобразование частоты, децимацию, фильтрацию.
- Процессор или компьютер. Здесь работают алгоритмы модуляции и демодуляции, кодирования и обработки протоколов. Эту часть проще всего изменить.
Аппаратный и программный подход к радиотракту
| Подход | Сильные стороны | Ограничения |
|---|---|---|
| Аппаратный радиотракт на специализированных микросхемах | Минимальные энергопотребление и стоимость в массовом производстве | Работает только с тем стандартом, под который разработан |
| SDR с обработкой на компьютере | Максимальная гибкость, быстрая разработка алгоритмов | Задержка и скорость обработки зависят от интерфейса и ресурсов компьютера |
| SDR со встроенной ПЛИС и процессором | Обработка в реальном времени, автономная работа | Разработка для ПЛИС требует отдельной квалификации |
Как SDR меняет проектирование систем связи
- Новая модуляция – новая программа, а не новая плата. Переход на другой стандарт или вид модуляции сводится к изменению программного обеспечения. Цикл «идея – проверка в эфире» сокращается с месяцев до дней.
- Один код от моделирования до эфира. Алгоритм, отлаженный в GNU Radio или MATLAB, запускается на реальной платформе и работает с реальными сигналами, помехами и искажениями тракта.
- Многоканальные системы без переразработки. Платформы с несколькими когерентными каналами позволяют исследовать MIMO и формирование диаграммы направленности, просто добавляя алгоритмы обработки.
- Интеллектуальная обработка на борту. Появились SDR-платформы со встроенными вычислителями для нейросетей: распознавание типа модуляции и обнаружение помех выполняются прямо на устройстве с минимальной задержкой.
Обратная сторона гибкости – повышенные требования к безопасности и энергоэффективности. Исследователи относят эти направления к ключевым задачам дальнейшего развития SDR.
Что можно делать с SDR-приёмником и какие программы используются
Типичные задачи SDR-платформ: мониторинг радиочастотного спектра, поиск и анализ помех, приём сигналов спутниковой навигации, испытания радиоаппаратуры, исследования в области радиолокации и связи. В обучении SDR позволяет на одном устройстве показать работу приёмника и передатчика с любым видом модуляции.
Основа программной экосистемы – открытый драйвер UHD, через который платформой управляют среды GNU Radio, MATLAB и LabVIEW. Для задач с искусственным интеллектом используются библиотеки машинного обучения, например TensorFlow.
Как выбрать SDR-платформу
Мы поставляем SDR-платформы LuoWave для лабораторий, предприятий и учреждений образования Беларуси. На вопрос, какая платформа лучше, однозначного ответа нет: всё зависит от задачи. При выборе рекомендуем учитывать:
- Диапазон частот. Например, у LW-B210 и DeepSDR 1 он составляет от 70 МГц до 6 ГГц.
- Число когерентных каналов. Для простых приёмопередатчиков достаточно двух каналов, как у LW-B210. Для MIMO и формирования луча подойдут четырёхканальные платформы, например LW-X410.
- Интерфейс. USB 3.0 удобен для портативной работы с ноутбуком. Для передачи широкополосных потоков на сервер нужны сетевые интерфейсы: у LW-X410 предусмотрены порты 100GbE.
- Вычислительные ресурсы. Если обработка должна идти на самом устройстве, обратите внимание на платформы с ПЛИС класса RFSoC или со встроенным ИИ-модулем, как DeepSDR 1 с NVIDIA Jetson Orin NX.
- Синхронизация. Для систем из нескольких синхронизированных устройств важны входы опорной частоты 10 МГц и сигнала PPS. При необходимости платформу дополняют опорным генератором с GPS-подстройкой (GPSDO).
Полный перечень SDR-платформ представлен в разделе радиоизмерительного оборудования.
Частые вопросы
Чем SDR отличается от обычного радиоприёмника?
В обычном приёмнике обработка сигнала выполняется специализированными схемами и не меняется. В SDR она реализована программно, поэтому одно устройство может принимать сигналы разных стандартов.
Какие программы нужны для работы с SDR?
Для платформ, совместимых с драйвером UHD, чаще всего используют GNU Radio, MATLAB и LabVIEW. Выбор зависит от задачи: GNU Radio удобна для быстрой сборки схем обработки, MATLAB – для разработки и анализа алгоритмов.
Нужна ли для SDR специальная антенна?
Антенна подбирается под рабочий диапазон частот. Широкий диапазон SDR-платформы не означает, что одна антенна одинаково эффективна на всех частотах, поэтому для разных задач часто используют разные антенны и полосовые фильтры.
SDR и HDR – это связанные понятия?
Нет. В радиотехнике SDR означает программно-определяемое радио. В видеотехнике этой же аббревиатурой обозначают стандартный динамический диапазон изображения в противоположность HDR – расширенному.
Поможем подобрать SDR-платформу под вашу задачу
Источники
- Akeela R., Dezfouli B. Software-defined Radios: Architecture, State-of-the-art, and Challenges – обзор архитектуры и проблем развития SDR.
- Cruetech. Что такое программно-определяемое радио (SDR) – архитектура и области применения SDR.