ВВЕДЕНИЕ 4
ГЛАВА 1. ОБЗОР 7
1.1. SDR приемники супергетеродинного типа 7
1.2. SDR приемники прямого преобразования 14
1.3. Принцип архитектуры DDCDUC 16
1.4. Аналого-цифровые преобразователи 26
1.5. Требования к разрабатываемому устройству 33
ГЛАВА 2 АНАЛИЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ 34
2.1. Квадратурная обработка сигналов 34
2.2. Алгоритм работы DDC SDR приемника с DDC дециматором 38
2.3. Алгоритм работы DDC SDR приемника с применением быстрого
преобразования Фурье 43
2.4. Анализ существующих IP-библиотек SDR для ПЛИС 46
Глава 3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО-УПРАВЛЯЕМОГО УСТРОЙСТВА51
3.1. Разработка устройства 51
3.2. Разработка программного обеспечения 55
3.2.1. Применение алгоритма БПФ 56
3.2.2. Применение алгоритма DDC 59
Заключение 67
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 68
В настоящее время телекоммуникационные системы имеют важнейшую
роль в жизни людей. В то время, когда совершенствовались способы передачи
данных, одновременно эволюционировала и элементная база таких устройств. В
различные промежутки времени появлялись разные способы выделения полезного сигнала из рабочего диапазона частот [1]. С развитием приемо-передающих
устройств появилась технология SDR или Software-defined radio (программноопределяемое радио), такие устройства могут как принимать, так и передавать
радиосигнал. Технология SDR обладает следующими преимуществами:
просмотр спектра сигнала на экране ПК;
программные, настраиваемые фильтры;
функционал для измерений сигнала;
возможность настройки приема/передачи различных модуляций.
Все существующие принципы работы SDR [2] можно подразделить на 3
вида:
устройства SDR, в которых цифровая обработка сигнала происходит не
ресурсами устройства, а на ПК, задача таких устройств –выполнить перенос нулевой частоты входного сигнала, а затем передать такой сигнал
на линейный вход звуковой карты ПК. В нынешнее время такой тип SDR
не используется. Немало важным условием для работы таких SDR приемников является использование произоводительной и дорогостоящей
дискретной аудиокарты
SDR приемники с интегрированной микросхемой АЦП. Передача сигнала на ПК осуществляется в цифровом виде. Приемники такого типа
имеют архитектуру гетеродинного приема сигнала. Такие приемники
имеют ширину канала принимаемого сигнала от 2 до 10 МГц, производители предлагают разные модели на разные частоты и диапазоны (rtl5
sdr, SDRPlay, Airspy). Недостаток таких приемников — появление зеркального канала, из-за того, что фильтры основаны на аналоговых компонентах. Также, в такого рода приемниках сигналы мощных станций,
находящихся поблизости от приемника, могут негативно влиять на
прием сигнала, что проявляется в виде помех.
DDC (direct down conversion) SDR – это наиболее современная технология. Основное отличие от любых других приемников SDR заключается
в отсутствии аналогового генератора для подстройки на частоту приема.
Задачу по оцифровке сигнала с антенны берет на себя АЦП с большой
частотой дискретизации, современные АЦП имеют частоты дискретизации до 5-6 ГГц, по теореме Котельникова-Шеннона такое устройство будет иметь диапазон приема сигнала, равный половине частоты дискретизации, то есть на диапазоне примерно до 2,5-3 ГГц. Цифровая обработка сигнала с АЦП выполняется в быстродействующей ПЛИС прямо
на плате устройства, и нужный частотный канал (обычно до 6 МГц) передается на компьютер. Такой приемник не имеет зеркальных каналов.
При разработке наиболее предпочтительный является тип DDC SDR, так
как позволяет реализовать мультистандартный прием сигналов без особой
нужды изменять аналоговую часть приемника. Для реализации таких устройств
применяются АЦП конвейерного типа, обладающие хорошей разрядностью и
большой частотой дискретизации, и ПЛИС, способные быстро обработать сигнал с АЦП и отправить на ПК для дальнейшей работы с сигналом. Недостатки
таких устройств:
стационарная работа;
сложная алгоритмическая часть.
При использовании SDR приемников открываются большие возможности
для отладки различных сигналов, экспериментальных протоколов, а также тестирования методов ЦОС. Исходя из этого было решено разработать программируемый SDR приемник на базе ПЛИС, с возможностью изменения прошивки
ПЛИС.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы были исследованы основные принципы работы SDR приемников, современные архитектуры
SDR, основные компоненты таких устройств для достижения успехов в выполнении поставленной задачи, а именно в разработке программируемого DDC SDR
приемника на базе ПЛИС. По результатам анализа было выявлено, что SDR приемники представляют собой закрытую технологию и в основном разрабатываются с использованием готовых DSP микросхем без возможности изменения
прошивки устройства ЦОС, именно поэтому было решено разработать устройство с возможностью изменения алгоритмов ЦОС.
Разработан прототип устройства, основанный на архитектуре DDC SDR,
принцип работы которого основан на переносе сигнала на промежуточную частоту с помощью программного генератора и цифровых фильтров. Были проведены эксперименты по внедрению архитектуры DDC c использованием эффективного алгоритма быстрого преобразования Фурье. Недостатком устройства является использованный интерфейс UART для передачи данных на ПК, в дальнейшем следует использовать соединение через Ethernet или PCI-e, что позволит
обрабатывать каналы большего диапазона. Главным достоинством устройства
является возможность программирования ПЛИС под нужды пользователя.
Цель работы достигнута: разработан программируемый DDC SDR приемник с возможностью изменения прошивки ПЛИС и выводом сигнала на ПК.
