Echipamente Radio Definite Prin Software

Domeniu: Electronică

Conține 1 fișier: doc

Pagini : 89 în total

Cuvinte : 30633

Mărime: 3.69MB (arhivat)

Publicat de: Casandra Scarlat

Puncte necesare: 12

Universitatea “Politehnica” din Bucureşti Facultatea de Electronică, Telecomunicaţii şi Tehnologia Informaţiei

Descarcă acum

Cuprins Extras Bibliografie Preview

Cuprins

1. Introducere în Echipamente Radio definite prin Software (SDR) 9
1.1 Introducere 9
1.2 Conceptul SDR 9
1.3 Arhitecturi de bază în tehnologia SDR 11
1.3.1. Arhitectura ideală SDR 12
1.3.2 Cerinţe şi specificaţii tehnice 12
1.3.3 Specificaţii tehnice ale receptorului 14
2. Noţiuni generale despre circuitele FPGA 16
2.1 Arhitectura FPGA 16
2.2 Utilizarea FPGA în tehnologia SDR 18
3.Emiţătorul în tehnologia SDR 19
3.1 Introducere 19
3.2 Considerente de proiectare a emiţătoarelor 19
3.2.1 Filtrele necesare în emiţător 19
3.2.2 Arhitecturi pentru emiţătoare 20
3.2.2.1 Translatarea analogică a semnalului la o frecvenţă superioară, folosind semnale în cuadratură 20
3.2.2.2 Translatarea semnalului la o frecvenţă superioară, folosind semnale în cuadratură cu interpolare 23
3.2.2.3. Translatarea digitală a semnalului la o frecvenţă superioară, folosind o frecvenţă intermediară 25
3.2.2.4. Translatarea digitală a semnalului la o frecvenţă superioară, folosind mai multe frecvenţe intermediare 26
3.2.3 Emiţătorul în standardul GSM – modulaţia GMSK 26
3.3 Eficienţa şi liniaritatea emiţătorului 27
3.3.1 Cerinţele de liniaritate ale emiţătorului 28
3.3.2 Distorsiuni de ordinul doi 29
3.3.3 Elemente de control al puterii 29
3.3.4 Multiplicatoarele 29
4. Tehnici de liniarizare şi sinteză de radiofrecvenţă pentru emiţătoare SDR 30
4.1 Tehnici de liniarizare ale emiţătorului 30
4.1.1 Predistorsionare digitală 30
4.1.2 Tehnici ce folosesc reacţia negativă 32
4.1.2.1 Bucla Polară 33
4.1.2.2 Bucla Carteziană 35
4.2 Tehnici de sinteză RF 36
4.2.1. Emiţătorul cu sinteză RF polară 37
4.2.2. Emiţătorul LINC 38
4.2.3. Tehnicile Sigma-Delta 38
5. Codarea semnalului vocal în standardul GSM 39
5.1. Canalul radio GSM 39
5.2 Principiile de bază ale tehnicii „Analiză prin Sinteză” 40
5.2.1 Structura unui codec bazat pe tehnica „Analiză prin Sinteză” 40
5.2.2. Filtru de sinteză pe termen scurt 41
5.2.3. Predicţia pe termen lung 44
5.2.4. Filtrul de analiză a erorii de predicţie 45
5.2.5. Modele de excitaţie 45
5.3 Procesarea audio în standardul GSM 47
5.4 Sensibilitatea biţilor pentru codecul GSM de 13kbps 53
5.5 Descrierea funcţională a codorului GSM 55
5.5.1 Preprocesarea 55
5.5.2 Analiza LPC 55
5.5.3 Filtrul eroare a predicţiei antegrade pe termen scurt 57
5.5.4 Analiza LTP 58
5.5.5 Analiza RPE 58
5.6 Decodorul GSM 59
5.7 Codecul half-rate GSM 60
6. Aplicatie practică. Proiectarea şi simularea funcţionǎrii blocurilor funcţionale folosind Xilinx Accel DSP 63
6.1 Considerente de proiectare utilizând Accel DSP 63
6.2 Implementarea unor blocuri funcţionale din codorul RPE-LTP 64
6.2.1 Preprocesarea semnalului vocal 64
6.2.1.1 Eliminarea CC 64
6.2.1.2 Preaccentuarea 65
6.2.2 Analiza liniar predictivă pe termen scurt 66
6.2.2.1 Segmentarea primară 66
6.2.2.2 Estimarea funcţiei de autocorelaţie pe termen scurt 68
6.2.2.3 Calcularea coeficienţilor de reflexie 69
6.2.2.4 Calcularea şi codarea parametrilor LAR 71
6.2.2.5 Decodare LAR 73
6.2.2.6 Interpolare LAR şi calcularea coeficienţilor de reflexie 73
6.2.3 Filtrul de eroare a predicţiei pe termen scurt 74
6.2.4 Analiza liniar predictivă pe termen lung 75
6.2.4.1 Segmentarea secundară 75
6.2.4.2 Calcularea şi codarea parametrilor LTP 76
6.2.4.3 Decodarea parametrilor LTP 77
6.2.4.4 Filtru de predicţie pe termen lung 77
6.2.5 Analiza RPE 78
6.2.5.1 Filtru trece jos pentru prevenirea alierii spectrale 78
6.2.5.2. Decimarea şi determinarea indexului în grila RPE 79
Concluzii 81
Bibliografie 83
Anexe 85

Extras din proiect

Introducere în Echipamente Radio definite prin Software (SDR)

1.1Introducere

În ultimul deceniu al secolului 20, tehnologia SDR a parcurs o tranziţie incredibilă, de la un concept academic şi militar obscur la o componentă importantă a pieţei comunicaţiilor mobile. Odată cu apariţia dispozitivelor de comunicaţii multimedia 3G şi WiFi, ce permit transferul informaţiilor de voce, imagine şi date, a avut loc o evoluţie rapidă a comunicaţiilor wireless. Această evoluţie în comunicaţii a fost în special accelerată de evoluţia independentă a tehnologiei informaţiei şi microelectronicii. În ziua de azi, combinaţia între mobilitate şi conectivitate a devenit o comoditate şi un confort esenţial pentru societate. Mulţimea de standarde wireless, oferind o clasă largă de servicii în diferite medii şi regiuni geografice, este vastă şi în continuă creştere. Acest fapt a dus la dezvoltarea soluţiei de echipamente radio definite prin software (SDR).

Termenul de SDR poate fi definit ca “Echipamente radio în care funcţiile de nivel fizic sunt definite, parţial sau în totalitate, prin software”. Acest fapt implică arhitecturi flexibile, echipamentul putând fi configurat să se adapteze la diferite standarde, forme de undă, benzi de frecvenţă, lărgimi de bandă sau moduri de operare. Astfel SDR este un echipament multifuncţional, programabil şi uşor de upgradat, care poate întreţine o varietate de servicii şi standarde, oferind în acelaşi timp o soluţie ieftină şi eficientă. Pentru un dispozitiv ce oferă o funcţionalitate multi-mod şi standarde multiple, tehnologia SDR oferă o soluţie elegantă pentru o problemă complexă. Flexibilitate sa este ideală pentru a satisface cerinţele de calitate QoS pentru diferite aplicaţii de date, voce şi multimedia.

În prezent, multe modele de staţii de bază folosesc arhitecturi SDR, sau arhitecturi bazate pe principiile SDR. Pe de altă parte, încet dar sigur, producătorii de circuite integrate sau chipset-uri adoptă principiile SDR în proiectare de echipamente radio multi-mod şi multi-standard destinate dispozitivelor mici precum telefoanele mobile sau laptopurile.

Beneficiile ce provin din folosirea tehnologiei SDR includ:

• Pentru abonaţi – roaming internaţional mai uşor de realizat, servicii îmbunătăţite şi mai flexibile.

• Pentru operatorii de reţele mobile – posibilitate de dezvoltare rapidă şi de introducere de servicii noi şi personalizate, costuri reduse de întreţinere şi îmbunătăţire, flexibilitate mărită a utilizării şi administrării spectrului de frecvenţe.

• Pentru producătorii de telefoane şi staţii de bază – scăderea dimensiunilor, flexibilitate mărită de producere şi evoluţie rapidă şi îmbunătăţită a produselor.

• Pentru moderatori – perspectiva creşterii eficienţei spectrale, o utilizare mai bună a unei resurse limitate.

1.2 Conceptul SDR

Arhitectura SDR este una flexibilă şi versatilă ce utilizează circuite universale care pot fi programate sau configurate software. Echipamentele SDR tind să facă procesarea de semnal în domeniul digital. Aceasta procesare digitală nu implica însă o proiectare mai uşoară a echipamentului radio, ci doar o flexibilitate mai mare, pentru a oferi suport mai multor servicii la un cost mai redus. Flexibilitatea măreşte chiar complexitatea proiectării. Avantajul SDR este adaptabilitatea sa la condiţiile de mediu şi capacitatea de a oferi suport pentru un număr mare de aplicaţii.

Conceptul SDR implică anumite caracteristici ale antenei şi DSP-ului. În cazul antenei este nevoie de flexibilitate la acordarea pe anumite benzi de frecvenţă, de adaptabilitate la operaţiunile cu intrări şi ieşiri multiple (MIMO), auto-aliniere şi de rejecţie a interferenţelor. În ceea ce priveşte procesărea de semnal analogic sau digital, echipamentul SDR controlează diferite nivele de radio frecvenţa pentru a se putea adapta mai uşor la condiţiile de mediu în continuă schimbare. În majoritatea aplicaţiilor sunt folosite circuitele FPGA pentru a îndeplini aceste condiţii. Toate acestea asigură posibilitatea de reconfigurare în timp real a echipamentelor radio, ceea ce permite treacerea de la o reţea la alta, de la o zonă geografică la alta, oferind suport pentru multe aplicaţii heterogene.

Implementările SDR actuale se bazează în mare parte pe circuite reconfigurabile. Cea mai eficientă implementare pentru un echipament radio ce funcţionează intr-un standard unic este folosirea de circuite integrate specifice aplicaţiei (ASIC). Situaţia se schimbă în cazul unui dispozitiv multi-mod şi cu standarde multiple, circuitele integrate pentru astfel de aplicaţii dovedindu-se a fi foarte complexe, în ceea ce priveşte implementarea, şi ineficiente, în ceea ce priveşte costul şi consumul de putere. Din acest motiv, proiectanţii de SDR s-au îndreptat către circuitele FPGA deoarece acestea sunt circuite flexibile şi reconfigurabile, ce oferă suport pentru algoritmii complexi folosiţi în aplicaţii multiple de voce, date şi multimedia.

În acest caz sunt folosite unul sau mai multe circuite FPGA, împreună cu unul sau mai multe procesoare de semnal digital (DSP), cu unul sau mai multe procesoare de uz general (GPP) şi/sau cu micricontrolere. Circuitele FPGA sunt configurate iniţial şi, în funcţie de arhitectură, pot fi configurate parţial şi în timp real. În ciuda acestor avantaje, industria nu a adoptat circuitele FPGA pentru dispozitivele portabile din cauza dimensiunilor necesare, costurilor şi consumului de putere. Similar şi procesoarele DSP şi cele GPP pot fi programate în timp real din memorie, oferind o soluţie complet flexibilă pentru echipamentele radio. Spre deosebire de procesoarele DSP dedicate, folosite în echipamentele cu standard unic, tehnologia SDR utilizează procesoare DSP ce aplica aceleaşi nuclee computaţionale pentru toţi algoritmii de control.

Avantaje şi dezavantaje ale SDR

Se consideră că dezvoltarea tehnologiei SDR va revoluţiona domeniul comunicaţiilor. Unul din principalele avantaje al SDR este că echipamentele de acest tip pot fi modificate rapid pentru a suporta mai multe standarde. Posibilitatea de a reconfigura dispozitive (de exemplu: telefoane celulare, emiţătoare WI-FI, echipamente radio cu modulaţie în frecvenţă şi în amplitudine, terminale pentru comunicaţiile prin satelit) este foarte atractivă.

O consecinţă a posibilităţii de a reutiliza acelaşi echipament hardware prin reconfigurare software este faptul că producţia în masă se va putea face la un cost mai mic. Un alt avantaj al SDR este posibilitatea de a îmbunătăţii implementarea software în mai multe etape şi de a face corecţia erorilor şi bug-urilor apărute în timpul funcţionării. În plus, SDR poate asigura interoperabilitatea diferitelor sisteme în multe aplicaţii cum ar fi cele militare, aplicaţii de căutare şi salvare. Datorită creşterii ratei de transmisie prin multiplexare şi împrăştiere spectrală, SDR se poate folosi în reţelele celulare, în reţelele GSM şi în sistemele din generaţiile viitoare. De asemenea, SDR oferă o nouă abordare în proiectarea staţiilor de bază wireless dintr-o reţea de telecomunicaţii. Această abordare conferă avantaje semnificative cum ar fi reducerea dimensiunilor, a complexităţii şi a consumului de putere. Dar cel mai important este că o astfel de staţie de bază poate suporta simultan mai multe standarde pentru interfeţele aer, mai multe scheme de modulaţie şi mai multe protocoale. Unii furnizori de servicii de telefonie comercială au început deja să manifeste interes faţă de această nouă tehnologie, datorită avantajelor majore din punct de vedere economic, pe care aceasta le oferă pe termen lung.

Caracteristici atractive ale SDR:

1. Performanţa: funcţionalitatea arhitecturilor radio convenţionale este determinată în principal de componentele hardware, cu configurabilitate minimă prin software. Componentele hardware constau în amplificatoare, filtre, mixere şi oscilatoare, dedicate unui anumit mod de transmisie. Partea software este dedicată controlării interfeţelor cu reţeaua de comunicaţie şi corecţiei erorilor. Ca urmare a faptului ca implementarea este predominant hardware, upgradarea unui model radio convenţional înseamnă de fapt abandonarea completă a vechiului model şi reînceperea proiectării. Acest proces implică pierdere de timp şi resurse. SDR rezolvă această problemă, implementând funcţionalităţile radio sub forma de module software, care rulează pe platforme hardware. Întrucât funcţionalităţile radio sunt implementate software, când apare o nouă tehnologie, ea poate fi implementată cu uşurinţă, prin modificarea dinamică a unor parametrii, adică prin reprogramarea software-ului.

2. Flexibilitate: inflexibilitate sistemelor radio convenţionale limitează posibilitatea de a obţine informaţia potrivită pentru utilizatorul potrivit, la momentul potrivit. În cazul SDR, sunt posibile numeroase tipuri de modulaţie şi multiple standarde pentru interfaţa radio. Prin urmare, platformele SDR pot servi o gamă largă de aplicaţii, incluzând servicii de comunicaţie analogică, digitală celulară, personală (PCS – Personal Communication Service), sisteme de bandă largă, cu spectru împrăştiat (ex: CDMA), sisteme de navigaţie (ex: GPS – Global Positioning System) şi alte sisteme radio.