УДК 004

Технологии аналого-цифрового преобразования для программноопределяемых радиостанций

Тетерин Николай Николаевич – магистрант МИРЭА – Российского технологического университета.

Карташов Илья Вадимович – бакалавр МИРЭА – Российского технологического университета.

Аннотация: В статье рассматривается изучение технологий аналого-цифрового преобразования для программноопределяемых радиостанций.

Тенденция в разработке современных приемопередатчиков заключается в переходе к программноопределяемой радиосвязи (SDR), где реконфигурируемое оборудование может поддерживать различные технологии (сотовая связь, Bluetooth, WLAN, WiMAX, DVB-H и т. д.) просто путем изменения программного обеспечения. В таком радио сосуществование и одновременное использование являются проблемами, но основными проблемами со стороны мобильного терминала являются рассеивание мощности, управление энергопотреблением, размер и стоимость. Телефоны, объединяющие сотовую и беспроводную локальную вычислительную сеть (WLAN), уже представлены на рынке, но новые появляющиеся беспроводные технологии, такие как 3G (Long Term Evolution или UTRAN-LTE) и всемирная совместимость для микроволнового доступа (WiMAX), должны быть реализованы.

Ключевые слова: технологии, оборудование, телефоны, радиостанции, аналого-цифровой.

Считается, что системы глобального позиционирования, FM-радио и цифровое видеовещание станут частью будущих телефонов. Все эти стандарты приводят к сложным архитектурным требованиям, таким как реконфигурируемость и программируемость для многостандартных радиорешений, которые одновременно совместимы с резервным копированием и рассчитаны на будущее. Ключевым соображением при проектировании мобильных терминалов является аналого-цифровой интерфейс; Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) могут быть блоками, ограничивающими производительность в цепи приемника/передатчика. Требования, налагаемые многими стандартами беспроводной связи, зачастую сложнее выполнить в цепочке приемника, чем в цепочке передатчика. Поэтому основное внимание в этой главе уделяется цепочке приемника и проблемам проектирования АЦП для системных решений SDR.

Почему программно-определяемые радиостанции?

Software Defined Radio – одна из новых технологий, рассматриваемая в наши дни во многих коммерческих встраиваемых приложениях. Джон Митола представил концепцию Software Defined Radio (SDR) в начале 90-х годов [1], и первоначально ее продвигала только оборонная промышленность. Концепция SDR широко изучалась и продвигалась вооруженными силами США в их многофункциональной совместной тактической радиосистеме (JTRS). Теперь SDR выходит на коммерческий рынок, где быстро растет число игроков. Внедряются новые беспроводные услуги и стандарты, а потребители ожидают появления многофункциональных мобильных устройств. Таким образом, беспроводная индустрия становится все более сложной, и разработчики радиоприемников сталкиваются с особыми проблемами при их разработке: многодиапазонные антенны, многодиапазонные многорежимные ВЧ-интерфейсы, мультистандартные АЦП/ЦАП, и реконфигурируемые процессоры цифровых сигналов. Программно-определяемая радиосвязь позволяет одному беспроводному устройству поддерживать многодиапазонные и многорежимные радиосвязи, ранее доступные только через несколько устройств. SDR – это радио с универсальным аппаратным обеспечением, основанным на аналоговой схеме, с гибкой программной архитектурой. Хотя концепция SDR существует уже много лет, практические проекты становятся возможными только сейчас благодаря достижениям во многих технологиях, включая: КМОП, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование, программируемые вентильные матрицы (FPGA), сверхбыстрые интерфейсы передачи данных, мощные и экономичные программируемые цифровые сигнальные процессоры (DSP) и адаптивные вычислительные машины. Приемопередатчики SDR имеют несколько преимуществ по сравнению с традиционными радиоприемопередатчиками. Самым главным преимуществом является гибкость. SDR могут быть запрограммированы и/или переконфигурированы на лету. Пользователи могли первоначально настроить свои радиостанции, загрузив персонализированный пакет функций программного обеспечения. Обновления и реконфигурации можно было выполнять через простой доступ в Интернет, а загрузки можно было получать даже по беспроводной сети. Реконфигурируемые радиостанции могут принести значительную пользу предприятиям коммунального обслуживания: в чрезвычайных ситуациях, таких как наводнения, извержения вулканов, железнодорожные аварии и торнадо. Еще одним важным преимуществом является то, что SDR является «гибкой» радиотехнологией, поскольку ее также можно настроить для работы с несколькими протоколами и технологиями связи, включая глобальную систему мобильной связи (GSM), широкополосный множественный доступ с кодовым разделением каналов (WCDMA), Bluetooth, WLAN, WiMAX. и будущих стандартов. Наконец, благодаря своей модульности и гибкой программной архитектуре,

Коммерческие СПЗ и СР

Технология программно-определяемой радиосвязи включает реконфигурируемые радиостанции, программно-определяемые радиостанции (SDR) и программно-определяемые радиостанции (SR). По данным Vanu Inc., «Software Radio – это тип SDR, который максимизирует повторное использование программного обеспечения на разных платформах и поколениях оборудования» [2]. SDR [3] не был достижим до прошлого года из-за отсутствия АЦП, способных напрямую преобразовывать РЧ-сигналы в цифровые данные. Программное радио ВануТМявляется первым коммерчески доступным программным радиоустройством, в котором единая многоразовая аппаратная платформа может полностью программно поддерживать несколько беспроводных услуг и стандартов. Система может поддерживать все функции базовой станции сотовой связи GSM, работающие на готовых серверах Hewlett Packard ProLiant с ПО Analog Devices Corporation Digivance.ТМПодсистема РЧ. Существует множество текущих исследований и прототипов или коммерческих продуктов SDR для прорывных технологий, таких как предложенная TechnoConcepts [4]. TechnoConcepts выпустила True Software RadioТМ(TSR), которая заменяет обычные аналоговые схемы комбинацией собственных дельта-сигма-преобразователей и цифровой обработки сигналов на основе программного обеспечения. Компания считает, что True Software RadioТМсоздадут многорежимные радиостанции, которые могут работать с несколькими частотными диапазонами, обрабатывать несколько протоколов передачи, перенастраиваться на лету и легко и экономично обновляться. Фундаментальным шагом в технологии SDR/SR является внедрение ее в потребительские телефоны. Основными проблемами применения SDR/SR в сотовых телефонах являются рассеиваемая мощность, площадь кремния и цена. BitWave Semiconductor Inc. утверждает, что у них есть радиочастотная микросхема Softransceiver с технологией CMOS 0,13 мкм, в которой используется технология SDR, позволяющая пользователям сотовых телефонов, ноутбуков и других мобильных устройств обмениваться данными через разные сети. Одночиповая радиочастотная ИС BitWave использует традиционную архитектуру приемопередатчика и адаптирует ее к конфигурируемости, подобной SDR. Используя этот подход, системе не требуются чрезвычайно высокопроизводительные АЦП и DSP SR, чтобы обеспечить такую же гибкость при программном управлении. Многие другие промежуточные решения будут предложены и будут сосуществовать до тех пор, пока телефоны SR не станут возможными. По оценкам Business Communications Review, продукты для мобильных телефонов SR станут коммерчески осуществимыми не ранее 2010 года. Чтобы сделать это раньше, необходимы постоянные архитектурные и технологические инновации для решения конкретных проблем, таких как проектирование сверхвысокопроизводительных АЦП с низким энергопотреблением. SR в мобильных телефонах требует усовершенствования технологий АЦП и ЦАП, где основной проблемой является срок службы батареи. АЦП и ЦАП, которые должны работать на чрезвычайно высокой тактовой частоте, и суперкомпьютеры, используемые для цифровой обработки, потребляют много энергии. Основная проблема заключается в поддержании общей рассеиваемой мощности в допустимых пределах. Наше видение SDR в сотовых телефонах заключается в том, что технология может обеспечить производительность/энергоэффективность за счет оптимального аналогового/цифрового разделения, связанного с аналоговыми и радиочастотными компонентами с цифровой поддержкой. Вместо того, чтобы преобразовывать радиочастотный сигнал непосредственно в цифровые данные, лучше преобразовать сигнал с высокой ПЧ, который может обеспечить достаточную гибкость, при более низкой частоте дискретизации и рассеиваемой мощности.

Беспроводные системы следующего поколения должны будут поддерживать широкий диапазон скоростей передачи данных в нескольких полосах пропускания сигнала и потребуют гибких системных ресурсов. АЦП является ключевым компонентом полностью интегрированного программного радио.

Список литературы

  1. Техноконцепты. [Электронный ресурс], (Дата обращения 05.06.2022).
  2. Битвейв. [Электронный ресурс], (Дата обращения 08.06.2022).
  3. Обзор деловых коммуникаций. [Электронный ресурс], (Дата обращения 10.06.2022).
  4. Беспроводные сети. [Электронный ресурс], (Дата обращения 05.06.2022).
  5. Аппаратные технологии. [Электронный ресурс], (Дата обращения 05.06.2022).

Интересная статья? Поделись ей с другими: