Файл: O. V. Plokhikh.pdf

146
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
O. A. Kuvshinov, O. V. Plokhikh
| Application of Software-defined radio in communication systems и передаче радиосигнала клиентского устройства вне зависи- мости от используемого этим устройством протокола. Основная идея заключается в организации высокоскоростного канала свя- зи между устройствами на большом расстоянии. Это достига- ется преобразованием радиосигнала сначала в электрическую, а затем в оптическую форму и передачей его через ВОК. Пре- имущества передачи данных с использованием ВОК способст- вуют достижению желаемого результата. Аппаратное решение, предлагаемое авторами, представляет собой устройство на базе микроконтроллера STM, четырех приемопередатчиков сигна- лов диапазона 2,4–2,5 ГГц и четырех преобразователей часто- ты. Такой подход к аппаратной реализации оказывается более экономичным и гибким вариантом по сравнению с использова- нием готовых решений ПОР в данном случае. Примерами ис- пользования такой системы может быть увеличение площади развертывания сети на базе технологии Wi-Fi, удаленное управ- ление оборудованием на промышленных объектах с особо опас- ными условиями, достижение низких задержек распростране- ния сигнала. Для модернизации сети Интернет предложенное решение может быть задействовано при развертывании сетей типа FTTx и PON.
ПОР могут быть применены для решения общих задач ра- диосвязи и использованы в системах различного назначения.
Так, в работе [10] представлен алгоритм обнаружения помехи в канале связи, основанный на правильном выборе порога при- нятия решения о наличии сигнала на выходе приемной антен- ны. Аппаратная часть ПОР в данной работе представляет собой устройство NI USRP-2954R, обладающее следующими характе- ристиками: частотный диапазон до 6 ГГц, ширина полосы сиг- нала до 160 МГц, максимальная частота АЦП – 200 МВыб/с.
В своей работе [10] авторы используют ПОР одновременно в ка- честве передатчика и приемника сигнала, а также генератора помехи и шума. Внутри этого устройства сформированный сиг- нал поступает на вход приемника, где переносится на несущую частоту 10 МГц, преобразуется в аналоговую форму и усили- вается. Принимаемый сигнал также усиливается, переносится на промежуточную пониженную частоту, преобразуется в циф- ровую форму и передается устройству обработки – ПЭВМ. Для оценки результатов работы предложенного алгоритма авторы
[10] демонстрируют зависимости вероятности ложной тревоги от мощности помехи.
В работе [11] представлен метод распознавания способа мо- дуляции принятого сигнала с применением технологий ней- ронных сетей и ПОР. Роль ПОР в данной работе заключается

147
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
О
. А
. Кувшинов
, О
. В
. Плохих
|
Применение программно
-определяемого радио в
системах связи в формировании сигналов с различными способами модуля- ции и манипуляции, а также приеме передаваемых сигналов в широком спектре частот. В качестве аппаратного решения авторами используется Ettus USRP B210. Это устройство пред- ставляет собой программно-определяемый приемопередатчик сигналов в диапазоне 70 МГц – 6 ГГц с шириной полосы кана- ла до 56 МГц, включающий 4 канала (2 для приема и 2 для пе- редачи). Настройка осуществляется с применением программ- ного инструмента GNU Radio. Принятые отсчеты различных сигналов обрабатываются разработанным авторами алгорит- мом, определяющим способ модуляции отдельного принятого сигнала. Реализованная система с вероятностью не ниже 0,95 различает 24 способа модуляции.
На этой же элементной базе реализован блок цифровой об- работки и управления радиолокатора системы аэрологическо- го радиозондирования, описанный в [12]. ИС AD9361 вклю- чена в приемный тракт на промежуточной частоте 400 МГц, а дальнейшая обработка сигналов, управление и взаимодейст- вие с компьютером по сети Ethernet выполняется средствами
ZYNQ 7020.
Технология ПОР широко применяется в задачах радиоло- кации. Например, в работе [13] представлены результаты раз- работки ветрового профайлера или радиолокатора параметров ветра для получения профиля ветра на высотах от 200 м до
4 км. У данного радиолокатора излучение зондирующих радио- импульсов и прием отраженного сигнала осуществляется тре- мя разнесенными в пространстве фазированными антенными решетками. Радиолокатор принимает отдельно на каждую ан- тенну отраженный на разных высотах от неоднородностей ат- мосферы сигнал. Дальнейшая корреляционная обработка этих сигналов позволяет определить горизонтальный вектор скоро- сти ветра на разных высотах. Разработчики профайлера исполь- зовали 4-канальный модуль ПОР Pentek 7642 с 14-разрядными
АЦП и цифровым переносом сигнала с промежуточной часто- ты (ПЧ) 60 МГц на нулевую частоту.
Из представленных вариантов использования ПОР в ре- шениях задач радиосвязи видно, что такие системы эффек- тивны в имитации разнообразных сложных сигналов, а вме- сте с тем и эмулировании различных реальных систем связи.
Выбор подходящего устройства ПОР способствует экономии средств на разработку макета, а использование специализи- рованного программного обеспечения (ПО) для взаимодейст- вия с таким устройством дополнительно упрощает и ускоря- ет процесс разработки.

148
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
O. A. Kuvshinov, O. V. Plokhikh
| Application of Software-defined radio in communication systems
ПОР находит применение и в системах навигации. В работе
[14] представлено решение для определения местоположения мо- бильных устройств в помещении при помощи имеющейся бес- проводной локальной сети на базе стандарта Wi-Fi. Принцип работы заключается в накоплении данных о текущем состоянии канала путем приема и обработки пилот-сигналов с помощью двух различных алгоритмов машинного обучения. В результате формируется набор временных и частотных параметров сигна- лов в эфире, на основании чего делается вероятностное заключе- ние о текущем местоположении источника анализируемого сиг- нала. Применение ПОР обусловлено возможностью выделения отдельных поднесущих из сложного OFDM-сигнала (Orthogonal
Frequency Division Multiplexing – мультиплексирование с орто- гональным разделением поднесущих). Аппаратная реализация представляет собой приемопередатчик NI USRP 2932. Устрой- ство функционирует в диапазоне 400 МГц–4,4 ГГц с канала- ми с шириной полосы до 20 МГц. Конфигурация устройства и обработка сигнала осуществляется программными методами с использованием ПЭВМ. Для передачи данных на компьютер предусмотрен интерфейс Gigabit Ethernet. В результате экспе- риментов авторами работы [12] получено, что погрешность оп- ределения местоположения в помещении при наличии только одной точки доступа Wi-Fi достигает 0,67 м.
В работе [15] показано, что технология ПОР может быть при- менена в задачах спутниковой навигации. Авторами разрабо- тан приемник спутниковых навигационных сигналов на базе
ИС R820T2 и RTL2832U. Обработка в представленном приме- ре осуществляется средствами ПЭВМ. Применение ПОР в по- добных задачах обусловлено разнообразием существующих на- вигационных систем и вместе с этим широкого спектра частот.
Для демонстрации работоспособности авторами предложенного решения выполнен ряд экспериментов по приему и обработке реального сигнала системы GPS. В результате было заключе- но, что показатели системы сопоставимы с современными ши- роко использующимися устройствами потребителей спутнико- вых навигационных услуг.
Представленные примеры демонстрируют универсальность технологии ПОР не только в значении частотного ресурса, ис- пользуемого устройством по назначению, но и универсальность в применении в различных областях радиосвязи. Актуальность изучения и развития этой технологии также подкрепляется тем, что она находит применение не только в самых новых, перспек- тивных и развивающихся направлениях, но и в классических задачах радиосвязи.

149
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
О
. А
. Кувшинов
, О
. В
. Плохих
|
Применение программно
-определяемого радио в
системах связи

150
Ural Radio Engineering Journal. 2022;6(2):140–159
ISSN 2588-0454
O. A. Kuvshinov, O. V. Plokhikh
| Application of Software-defined radio in communication systems
Внешний опорный генератор
Управляемый генератор с ФАПЧ
МШУ
0.042–1.766 ГГц
85–95 дБ
Полоса: 6–8 МГц
К устройству обработки
(RTL2832U)
Рис. 1а. Структурная схема устройства R820T2:
МШУ – малошумящий усилитель; ФАПЧ – система фазовой автоподстройки частоты, включающая в себя делители частоты и фильтр нижних частот (ФНЧ)
Fig. 1a. Block diagram of R820T2:
МШУ – low-noise amplifier (LNA); ФАПЧ – phase-locked loop (PLL) with low-pass filter (LPF) and frequency dividers
Внешний генератор
28.8 МГц
Управляемый генератор с ФАПЧ
USB- интерфейс
Пакетный фильтр
Декодер
Эквалай- зер
БПФ
Синхро- низатор
OFDM- преобра- зователь cos(
ωt)
sin(
ωt)
АРУ
АЦП
На приемник
Принятый сигнал приемника
(R820T2)
К устройству дальнейшей обработки (ПК)
Рис. 1б. Структурная схема устройства RTL2832U:
АРУ – автоматическая регулировка усиления;
БПФ – блок выполнения быстрого преобразования Фурье
Fig. 1b. Block diagram of RTL2832U:
АРУ – automatic gain control (AGC); БПФ – fast Fourier transform (FFT)
Демодулятор выполняет демодуляцию сигнала с OFDM-моду- ляцией, выделение полезной информации из полученных подне- сущих, фильтрацию пакетов и передачу обработанных данных на дальнейшее устройство обработки с использованием интер- фейса USB.
Структурная схема устройств NI USRP 29xx представлена на рис. 2 и актуальна для всех представленных в данной рабо- те моделей устройств.