Principy, techniky, řešení Ing. David Kopecký, ČVUT FEL, Praha 2007
Literatura Kenington, P.B.: RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio, Artech House,Inc., Boston, 2005 Guo,J.Y.: Advances in Mobile Radio Access Networks, Artech House,Inc., Boston, 2004 Murmann, B., Boser, B.E.: Digitally Assisted Pipeline ADCs, Kluwer Academic Publishers, New York, 2004 Kesler, W.: HIGH SPEED SAMPLING AND HIGH SPEED ADCs, Analog Devices, 1996 Tuttlebee, W.: Software Defined Radio - Enabling Technologies, John Wiley & Sons Ltd, England, 2002 www.sdrforum.org www.vana.com www.radiochallenge.org www.analog.com
Co je to SDR? Radiový příjmač/vysílač jehož hlavní parametry jsou dány programovým vybavením. Vlastnosti je možno měnit změnou programu Konfigurace je nezávislá na technických prostředcích Inovace a implementace nových technologií lze provádět změnou programového vybavení
Požadavky na technické prostředky Frekvenční rozsah antény zisk a směrovost miniaturizace minimalizace ceny Oddělení vysílání a příjmu Vzorkování v základním pásmu A/D rozlišení podle požadovaného dynamického rozasahu Přeladitelný AA filtr Anténa A/D převodník D/A převodník
Základní architektura SDR Teoretické ideáln lní řešení Modulační schéma Rozdělení kanálů Protokoly přenosu Kódování Řízení výkonu a citlivosti
Úzko/ zko/široko pásmový p číslicový příjímač
Šrokopásmový číslicový příjímač zjednodušen ené reáln lné zapojení
Požadovan adované vlastnosti pro radiostanici SDR Kmitočtový rozsah 0 x GHz Dynamický rozsah přijímače Výstupní výkon 0 dbm 120 dbm > 1 W Potlačení sousedních kanálů 75 db Rozsasah řízení vysílacího výkonu 70 db Šířka pásma kanálů yy MHz Polačení obrazů 60 db
Modifikace řízení BTS
RF černá skříňka ka koncept
Chytrá anténa na
Referenční model základnovz kladnové stanice SDR
HW pro SDR DSP GPP General purpose processors FPGA Field programmable gate array FPFA Field Programmable Function Array ASIC (ASSP) Application specific integrated circuit P-ASSP Programmable Application-Specific Standard Product MPPA Massively Parallel Processor Arrays RCF Reconfigurable Compute Fabric (Freescale Semiconductor) ASIP Algorithm Specific Instruction Set Processor GARP (na GPP) Combining a Processor with a Reconfigurable Computing Array RAW Massachusetts Institute of Technology ACM Adaptive Computing Machine FastMATH Adaptive Signal Processor (2,5GHz)
FPFA
ASIP
RAW (MIT)
ACM (Quicksilver( Technology)
A/D převodp
Energetická bilance převodnp evodníku 40MS/s
Teoretická spotřeba ADC
Analogový signál l fa vzorkovaný fs (ideáln lní vzorkování) = > zrcadlení na + Kfs + + + fa, K=1,2,3,
Aliasing a dynamický rozsah
Vliv zvýšen ení vzorkovacího kmitočtu tu
Podvzorkování (Nyquistovy zóny) z
Aliasing při p i podvzorkování,, podmínky
Kvantizace a kvantizační šum
Parametry reálných A/D převodnp evodníků (součástek stek hodnoty pro AD9042) Stejnosměrné parametry Počet bitů výstupního slova 12bit Napěťový rozsah ±0,5V Vstupní odpor 250Ω Vstupní kapacita 5,5pF Napájecí napětí 5V Příkon 600mW Teplotní rozsah 40 + 80 C Dynamické parametry Maximální rychlost 41MSPS Minimální rychlost 5MSPS SNR 68dB (udává se pro několik vstupních kmitočtů) SINAD 67dB SFDR 90dB Two Tone SFDR 90dB Aperture Uncertainty (Jitter) 0,7ps Vstupní kmit. Rozsah 100MHz Zpoždění 10ns
SFDR (Spurious Free Dynamic Range) Posouzení vlivu statisticky závislých kvantovacích chyb
SFDR > teoretické SQNR
Snížen ení vlivu nerovnoměrn rného rozdělen lení kvantizačního šumu
Dither zlepšen ení SFDR
Fázová nestabilita odběru vzorku
Vliv jiteru na SNR
Aproximační převodník
Paralelní převodník k (FLASH)
Flash interpolační
Odčítac tací převodníky
AD 9042 12bit, pipelined, odčítac tací
AD9220
DA převodp Přímé spínání proudových zrojů v binárním kódu
Plně dekódovan dované spínání
Segmentovaný DA převodnp evodník
Varianty řešení příjímače
Číslicový demodulátor a filtr pro získz skání I+Q z nulové mezifrekvence
Vícekanálový přijp ijímač s číslicovou mezifrekvencí
Rušen ení místním m oscilátorem Následek DC offset Odstranění Vyloučení kmitočtu oscilátoru z přijímaných kmitočtů Oddělení kapacitou DC kalibrace
Interpolace číslicového signálu
Up konvertor
OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing Systems
OFDM DSP řešení
SCA Software Communication Architecture
SCA interface (HAL) sdrforum.org
Architektura Vanu Inc. pro SDR
Vanu základnová stanice (BTS) multi-mode
Aplikace Bezdrátov tové sítě
WirelessUSB CIRF69213 (Cypress)
Multi mode / Reconfigurable? Re konfigurovatelný Možnost opravy chyb Změny algoritmu Zvýšení rychlosti uvedení do prodeje Rychlé ověření ceny Snížení licenčních poplatků Podpora deregulovaného přidělování kmitočtů (kmitočet je přidělen bez specifikace typu provozu) Minimalizace funkčních omezení zařízení Počáteční zvýšení ceny, příkonu
E2R model end to end reconfigurability Minimalizace omezení při rozšiřování funkcí zaříaení Podpora postupné evoluce SDR Podpora různých úrovní konfigurovatelnosti Definice jednoho modulu pro řízení sdílených modulů (CCM) Standardizace API které umožní nezávislost konfigurace na zařízení
E2R model end to end reconfigurability
Bloky CEM (Configurable Execution Module)
Bloky CEM (Configurable Execution Module)
SDR pro IEEE802.11a 802.16a Proměnná rychlost Šířka pásma Modulace PSK (QAM, 64 QAM) Použitý ECC Poměr Cyklický prefix (CP)/užitečný čas 16.13Mb/s 72.61Mb/s (IEEE802.16a WMAN) 20MHz/kanál OFDM (8 subnosných) 256 bodová IFFT 6Mb/s 54Mb/s (IEEE802.11a WLAN) 4 subnosné 64 bodová IFFT
IEEE802.16a WMAN
IEEE802.11a WLAN
FPGA blokové zapojení
SoftRock 40
http://www.amqrp.org/kits/ softrock40/index.html
Postup při vývoji software
ALTERA FPGA STRATIX
LVDS (Low Voltage Differential Signaling ) 350mV 400Mb/s 1,2V
LVDS multi drop
Literatura Kenington, P.B.: RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio, Artech House,Inc., Boston, 2005 Guo,J.Y.: Advances in Mobile Radio Access Networks, Artech House,Inc., Boston, 2004 Murmann, B., Boser, B.E.: Digitally Assisted Pipeline ADCs, Kluwer Academic Publishers, New York, 2004 Kesler, W.: HIGH SPEED SAMPLING AND HIGH SPEED ADCs, Analog Devices, 1996 Tuttlebee, W.: Software Defined Radio - Enabling Technologies, John Wiley & Sons Ltd, England, 2002 www.sdrforum.org www.vana.com www.radiochallenge.org www.analog.com