Принцип работы SDR отражается в его названии — это система радиосвязи с программируемыми параметрами, то есть ее параметры определяются программным обеспечением, хотя и ограничены аппаратными ресурсами и основывается на оцифровке принятого радиосигнала и дальнейшей обработке его уже в цифровой форме.

Основная мысль SDR-системы — это максимальный перенос операций в цифровую форму. В идеале аналого-цифровой преобразователь (АЦП/ADC) должен стоять непосредственно после приемной антенны. Во многом именно по этой причине развитие SDR задерживалось (хотя стоит признать, военные начали использовать данную архитектуру достаточно давно). Характеристики АЦП во многом будут обеспечивать возможности применения всего SDR-приемника.


Цифровую обработку сигнала можно производить посредством цифрового сигнального процессора (ЦСП), программируемых логических интегральных схем (ПЛИС/FPGA) или микросхемы ASIC, которые представляют из себя микросхему, заточенную под определенную цель. Наибольшую гибкость системе предоставляют ЦСП (компьютер), а наибольшую производительность ASIC. Характеристики ПЛИС и по гибкости и по производительности находятся примерно посередине, а особенно учитывая стоимость разработки ASIC, то ПЛИС особенно предпочтительна.

Как же происходит процесс цифровой обработки? Вначале с помощью АЦП ( Аналого-цифровой преобразователь ) выполняется дискретизация аналогового электрического сигнала ( последовательность цифровых замеров - выборок), т. е. перевод его в цифровой вид, пригодный для последующей цифровой обработки. Дискретизацию обычно характеризуют частотой дискретизации — частотой снятия замеров - и разрядностью преобразователя в битах (точность преобразования). Ниже на рисунке представлена синусоида с указанием "крестиками" точек (выборок), в которых АЦП выполнил измерение уровня сигнала.

У вас может возникнуть вопрос, почему недостаточно просто получить информацию о сигнале только с помощью последовательности выборок мгновенной амплитуды?

   Во-первых, невозможно определить частоту этого сигнала. Конечно, бросив взгляд на картинку, можно сказать, что это достаточно просто - определить длину периода. Правда, вы понятия не имеете, какая зависимость от времени - положительная или отрицательная (т.е. cos(х) или cos(-х) ), так как они обе генерируют одну и ту же кривую. При обработке сигнала это станет проблемой, т.к. смешивание (умножение) двух сигналов f1 ⊗ f2 в связи с неопределенностью знака может вызывать получение вместо  f1 + f2 результат f1 - f2.
   Во-вторых, трудно определить пиковую амплитуду сигнала. В принципе вы можете увидеть пиковую амплитуду при 0 °, 180 °, 360 ° и т.д., но как по отдельной выборке вы узнаете, какая именно сейчас фаза, а? И вы уверены, что дискретизация сигнала произошла точно на пике? Это невозможно сказать и, к тому же, выборки, могут быть всего лишь две за период и в любой точке фазы сигнала.

Эти проблемы возникают из-за того, что плоская картина сигнала, приведенная на рисунке не отражает полную картину всех параметров сигнала, смотреть на сигнал надо в трех измерениях как на спираль (штопор, пружина). I/Q данные избавлены от этих проблем, т.к. являются гораздо боле точным представлением сигнала. Если вы посмотрите на эту кривую со стороны, то получите тот же график, что и выше. Ваш "настоящий" сигнал, на самом деле, это 2D (плоская) проекция этого спирального сигнала. Это был график только "I" из I/Q данных.



Теперь посмотрим на спираль сверху. Это выглядит очень похоже, но, как вы видите, начинается не с фазы 90 °.  Это вид Q части ваших I/Q данных.



 Что же такое I/Q? Уравнение, описывающее синусоидальную волну, выглядит следующим образом:

 


В радиотехнических устройствах измерить пиковую амплитуду или фазу сигнала намного сложнее, чем получить ту же информацию о сигнале, используя I/Q данные. Давайте, для примера, возьмем одну выборку I/Q данных и посмотрим, что она собой представляет.

 В полярных координатах отображение этой выборки называется "фазовый вектор", показывающий амплитуду и фазу периодического процесса.


Пиковая амплитуда сигнала A отмечена вектором синего цвета, а мгновенной амплитудой нашего реального сигнала является значение по оси I, которое получается, как утверждает тригонометрия, в зависимости от угла ϕ нашей косинусоиды (описывается функцией I = A⋅cos(ϕ) ).

I/Q данные являются ортогональным представлением в полярных координатах. Вместе, представленные в виде двух отдельных переменных, они указывают однозначно длину вектора и его наклонение и также I/Q данные вместе описывают комплексное число I + Qi.

Как же при дискретизации сигнала получить I/Q данные? Для этого используют математический трюк. Поскольку уравнение, описывающее синусоидальный сигнал  A⋅cos(w + ϕ) , содержит в скобках сумму угловых параметров, то согласно тригонометрии ее можно представить в виде разности произведений косинусов и синусов угловых параметров. Обратите внимание, что после подстановки параметров синусоидального сигнала, в произведении содержится A⋅cos(ϕ) и A⋅sin(ϕ), которые и есть необходимые нам I и Q. Таким образом, уравнение, описывающее синусоидальную волну, равняется разности I, умноженное на cos(w) и Q, умноженное на sin(w).

Если вспомнить, что косинус и синус одной и той же несущей частоты, сдвинуты по фазе на 90 градусов, то пользуясь полученным равенством можно создать блок-схему формирования сигнала, состоящий из I/Q потока данных и двух смесителей сигналов I и Q с сигналом несущей частоты, которые попадают на смесители со сдвигом на 90 градусов. Результирующий сигнал, согласно формулы, получается вычитанием выходных сигналов смесителей.

Аналогично построен приемный тракт SDR-приемника -  радиосигнал с антенны поступает сразу на два смесителя, на которые подается сигнал несущих частот со сдвигом на 90 градусов один относительно другого. Результирующие сигналы на выходе смесителей дискретизируется с помощью с помощью двух АЦП. На выходе АЦП получатся I и Q данные, которые поступают с частотой дискретизации и каждая выборка равняется 8-12-16 бит в зависимости от разрядности АЦП. Структурная схема SDR с прямым преобразованием представлена ниже. Как зависят параметры SDR приемника от разрядности АЦП, читайте в предыдущей статье "Практические характеристики SDR приемника".




Согласно с теоремой Котельникова — Найквиста — Уиттакера — Шеннона, или попросту теоремой отсчетов, "Если аналоговый сигнал не содержит в своем спектре частот выше Fmax, то его можно идеально точно восстановить по дискретным отсчетам, взятым равномерно с частотой строго большей 2·Fmax". Другими словами, полоса обзора I и Q канала будут равны половине частоты дискретизации, но, поскольку у нас два источника данных, то общая полоса обзора такого SDR приемника будет равна частоте дискретизации.

Цифровая обработка сигналов сводится в основном к модуляции и  демодуляции сигналов. Модуляция меняет синусоиду радиосигнала для кодирования в нем информации. Осуществляя модуляцию, можно перенести низкочастотный сигнал (информационное сообщение) на более высокую (радио) несущую частоту. Поскольку в уравнении описывающем синусоидальный сигнал, имеется три параметра (A- амплитуда, f - частота, ϕ - фаза), то самыми простыми будут амплитудная, частотная и фазовая модуляции. Очевидным преимуществом цифровой обработки сигналов, представленных комплексными числами (I/Q поток данных) в том, что пользуясь математикой и изменяя I и Q согласно формул, можно получить сколь угодно сложные виды модуляций, применяемые как в системах голосовой радиосвязи, так и  в GPS-приемниках, Wi-Fi и прочих системах передачи данных, GSM/LTE сотовых систем связи, в системах транкинговой связи Tetra и т.д.

Амплитудная модуляция.

 

 

 






Частотная модуляция.

 







Фазовая модуляция.








У вас недостатньо прав для коментування