Blog: Een ingenieursgids voor softwaregedefinieerde radio

Het ontstaan ​​van softwaregedefinieerde radio dateert uit de jaren zeventig en was aanvankelijk beperkt tot militaire toepassingen. Vooruitgang in FPGA- en DSP-signaalverwerkingstechnologieën, de ontwikkeling van op IC gebaseerde radiotransceivers en de evolutie van kleine mobiele draadloze netwerken leidden echter tot een toename van SDR-activiteit in het begin van de jaren 2000. Dit artikel legt de basisconcepten achter SDR uit, onderzoekt de flexibiliteit die SDR biedt in vergelijking met traditionele RF-architecturen en enkele populaire gebruiksscenario’s. Ook worden potentiële nieuwe toepassingen benadrukt die kunnen profiteren van SDR, aangezien het gebruik van draadloze connectiviteit een essentieel aspect van de samenleving wordt.

Blog: Een ingenieursgids voor softwaregedefinieerde radio
Mark Patrick

Door Mark Patrick, Mouser Electronics

Radiofrequentie (RF)-engineering is altijd een gespecialiseerde vaardigheid geweest en traditioneel analoog. Vanaf het prille begin werd radiocommunicatie voornamelijk gebruikt voor spraakcommunicatie en het verzenden en ontvangen van berichten, meestal met behulp van morsecode. Of het nu via spraak- of morsecode is, voor het overdragen van informatie moet de frequentie van een zender worden gemoduleerd. Omroepen begonnen amplitudemodulatie (AM) te gebruiken voor lokale ‘middengolf’- en lange-afstands-‘kortegolf’-uitzendingen. Frequentiemodulatie (FM) werd populair voor uitzendingen op zeer hoge frequentie (VHF) voor lokale en nationale omroepnetwerken. Het ontwerp van elke radio-ontvanger en zender was volledig analoog. Digitale datatransmissie maakt gebruik van een radiomodulator en demodulator (modem) eenheid om de binaire wereld om te zetten in het analoge domein van de radio. Frequency shift keying (FSK) was de modulatietechniek die aanvankelijk voor dergelijke toepassingen werd gebruikt.

SDR heeft de manier waarop we radiosystemen ontwerpen fundamenteel veranderd. Maar laten we, voordat we ingaan op hoe SDR werkt, eens kijken naar enkele SDR-gebruiksscenario’s.

Amateurradio-enthousiastelingen waren early adopters van SDR. Op SDR gebaseerde transceivers (een gecombineerde zender en ontvanger) bieden een handig, lichtgewicht en zeer draagbaar middel voor noodcommunicatie in rampsituaties. Recente voorbeelden zijn onder meer het assisteren bij de coördinatie van de hulpverlening op de Azoren na recente vulkaanuitbarstingen.

SDR wordt veel gebruikt voor wetenschappelijk astronomisch onderzoek. De mogelijkheid om de middenfrequentie van een ontvanger te regelen, de bandbreedte aan te passen en de resultaten van radio-uitbarstingen van verre sterren weer te geven op een spectrale ‘waterval’-display.

Naarmate cellulaire netwerken evolueren, is het concept van kleincellige ORAN (open radiotoegangsnetwerken) bijzonder geschikt voor het gebruik van SDR. Telco-operators en netwerkproviders passen in toenemende mate SDR toe voor onderzoek en basisstations van de volgende generatie 5G en 6G mobiele netwerken.

Wat is softwaregedefinieerde radio?

Hoewel er verschillende definities zijn van wat een SDR-ontvanger of -zender is, benadrukken ze allemaal dat een groot deel van de traditionele analoge circuitfuncties zijn vervangen door op software gebaseerde digitale signaalverwerkingstechnieken. Een essentieel onderdeel van een SDR-ontvanger zal nog steeds gebruik maken van analoge circuits. De radio-front-end detecteert radiofrequentiesignalen met ultralaag voltage die van een antenne worden ontvangen. Vanaf dat moment wordt echter de signaalverwerking, die voornamelijk demodulatie omvat, door software uitgevoerd. De software kan draaien op een speciale ingebouwde programmeerbare processor of een laptop of desktopcomputer.

Blog: Een ingenieursgids voor softwaregedefinieerde radio
Figuur 1 belicht de belangrijkste functionele blokken van een traditionele AM superheterodyne (superhet) radio-ontvanger. Zwakke signalen van de antenne worden door banddoorlaatfilters geleid die de bandbreedte van gedetecteerde signalen beperken tot die van belang, en ze worden vervolgens versterkt en doorgegeven aan een mengcircuit. De mixer combineert het ontvangen signaal met de output van een oscillator met variabele frequentie om een vaste middenfrequentie (IF) te creëren. De afstemming van de ontvanger wordt bereikt door de frequentie van de lokale oscillator (LO) te variëren. Een IF-versterker verhoogt de signaalniveaus aanzienlijk en filters verwijderen de ongewenste producten van de mixerfunctie. Daarna vindt demodulatie en versterking van het audiosignaal plaats.
Blog: Een ingenieursgids voor softwaregedefinieerde radio
Figuur 2 – De architecturale basisblokken van een voorbeeld SDR-ontvanger (bron Mouser). Vergelijk hoe een SDR-ontvanger verschilt met figuur 2.

De analoge delen van een SDR-ontvanger zijn beperkt tot de front-end van de radiofrequentie. Gefilterde signalen worden doorgegeven aan een analoog naar digitaal omzetter (ADC) voor verdere verwerking in het digitale domein. De exacte architectuur van een SDR-ontvanger varieert. Een steeds populairdere benadering van SDR-ontwerp maakt bijvoorbeeld een tussenfrequentie overbodig. Een zero-IF (ZIF) -benadering, ook wel directe conversie genoemd, brengt de uitvoer van de RF-front-end naar een ADC rechtstreeks naar een digitale basisbandverwerkingsfunctie die wordt uitgevoerd in software die demodulatie en filtering omvat.

Dit korte gedeelte behandelt alleen de basisprincipes van SDR en hoe deze verschilt van traditionele RF-technieken. Lezers die meer willen weten over SDR, zullen baat hebben bij meer gedetailleerde bronnen. Een uitstekend downloadbaar boek is Software-Defined Radio for Engineers, beschikbaar op de Analog Devices-website.

Hoewel we ons in dit gedeelte voor de beknoptheid alleen hebben gericht op de architectuur van de ontvanger, zijn dezelfde beschreven methoden ook van toepassing op zenders.

Aan de slag met SDR

Flexibele SDR-platforms zijn er in alle soorten en maten. Eenvoudige USB-aangedreven dongles kosten $ 25 tot uitgebreide, complete SDR-transceivers die meer dan $ 6.000 kosten. Er zijn verschillende populaire SDR-evaluatiekits en ontwikkelingsmodules beschikbaar voor een budget tussen $ 100 en $ 200. Veel populaire SDR-platforms gebruiken commercieel verkrijgbare RF-transceiver-IC’s in combinatie met een FPGA. Naast het kiezen van een SDR-hardwareplatform, moet u beslissen hoe u het gaat programmeren.

GNU Radio is een gratis, open-source DSP-programmeertoolchain die speciaal is ontworpen voor het ontwerpen en ontwerpen van SDR-applicaties. Aanvankelijk puur bedoeld voor educatieve doeleinden, wordt het algemeen gebruikt voor draadloos onderzoek en ontwikkeling, amateurradio en radioastronomie. GNU biedt een reeks verschillende functionele blokken, zoals filters, grafische displays, demodulators, signaalgeneratoren, wiskundige operators, kanaalmodellen en Fourier-analysefuncties. Individuele functies worden op een werkplek geplaatst en verbonden met behulp van een visuele stroomdiagramstijl van programmeren – zie figuur 3.

Blog: Een ingenieursgids voor softwaregedefinieerde radio
Figuur 3 – Een voorbeeld van een GNUradio-stroomdiagram van een eenvoudige FM-ontvanger (bron GNUradio)

Een andere toolchain die populair is bij SDR-ingenieurs, is het gebruik van Matlab en Simulink en hun DSP- en SDR-extensies. Een ander SDR-ontwikkelingsecosysteem op basis van GNUradio maar met het SoapySDR-framework is Pothosware.

Wil je experimenteren met SDR zonder een ontwerp te ontwerpen, dan kun je direct aan de slag met een van de vele gratis, open source SDR-applicaties, zoals SDR Console.

Lime Microsystems, een leverancier van FPGA-gebaseerde veldprogrammeerbare radiofrequentie (FPRF) transceivers, biedt verschillende SDR-platforms aan op basis van zijn LMS7002-serie transceiver-IC’s. De LMS7002 is een sterk geïntegreerd IC met dubbele transceivers, geschikt voor full-duplex werking van 100 kHz tot 3,8 GHz.

De IC is geschikt voor vele toepassingen, van SDR-prototyping, basisstations voor kleine cellen, satellietcommunicatienetwerken en het ontwerpen van herconfigureerbare draadloze IoT-netwerken. Afbeelding 4 illustreert de uitgebreide architectuur en kernfuncties van de LMS7002.

Blog: Een ingenieursgids voor softwaregedefinieerde radio
Afbeelding 4 – De functionele blokarchitectuur van de Lime Microsystems LM7002 dual RF transceiver IC (bron Lime Microsystems)

Lime Microsystems heeft een innovatieve benadering gekozen voor de ontwikkeling van haar SDR-platforms op basis van de LMS7002-serie, waarbij ze ervoor hebben gekozen om de ontwikkeling via Crowd Supply te financieren. Door een LMS7002 en een Intel Altera MAX10 FPGA te integreren, levert de LimeSDR-minikaart een complete SDR-oplossing op een USB-aangedreven dongle-achtige PCB – zie afbeelding 5.

Blog: Een ingenieursgids voor softwaregedefinieerde radio
Afbeelding 5 – Het Lime Microsystems LimeSDR-minibord (bron Lime Microsystems)

MyriadRF is een online community die de acceptatie van de LMS7002-serie voor open-source hardware- en software-SDR-projecten aanmoedigt. Het biedt toegang tot een ecosysteem van ontwikkelingstools, bronnen en projectvoorbeelden. Voor innovators en ontwikkelaars die bekend zijn met het Grove Studio-platform en de Raspberry Pi, is het LimeSDR-minibord opgenomen in de CS-LIME-10 Grove Starter Kit.

De ADALM PLUTO van Analog Devices is een zelfstandige RF-leermodule die de AD9363 RF-transceiver-IC van Analog Devices en een Xilinx Zynq 7000 FPGA integreert. Het wordt gevoed via een USB-verbinding met een hostcomputer en werkt van 325 MHz tot 3.800 MHz in half- of full-duplex-modus. Ondersteuning voor SDR-ontwikkeling voor PlutoSDR omvat GNUradio, MatLab/Simulink en Pothosware.

SDR – wat komt er nu?

In dit korte artikel hebben we het onderwerp softwaregedefinieerde radio geïntroduceerd. Het is een opwindend gebied voor embedded ontwikkelaars, analoge ontwerpers en RF-ingenieurs om nieuwe vaardigheden te leren en nieuwe manieren te overwegen om draadloze systemen te ontwikkelen.

We hebben slechts enkele van de mogelijke use-cases genoemd, maar het opwindende deel van SDR is het vermogen om in een oogwenk opnieuw te worden geconfigureerd. Overweeg hoe u RF-flexibiliteit en wendbaarheid in een ontwerp kunt gebruiken. In plaats van te worden beperkt door het gebruik van een enkele RF-datacommunicatiemethode, bijvoorbeeld de sub-GHz LPWAN LoRa, zou u een flexibele transceiver kunnen maken die zou kunnen werken met LoRa, mobiel en wifi. De flexibiliteit helpt bij het toevoegen van meer functionaliteit en vereenvoudigt de stuklijstkosten en de bijbehorende uitdagingen op het gebied van de inkoop van componenten. Stelt u zich eens voor dat u een router voor huisautomatisering ontwikkelt die zich kan aanpassen aan elk nieuw draadloos protocol. Via een over-the-air (OTA) upgrade kan een op SDR gebaseerde router opnieuw worden geconfigureerd om volledig gebruik te maken van nieuwe mobiele infrastructuren, zoals de overstap van 5G naar 6G.

Toekomstige mogelijke gebruiksscenario’s vereisen mogelijk wijzigingen in de antenne van de router en de analoge front-end. Tijdens het initiële ontwerp kunnen factoren zoals waarschijnlijke toekomstige werkfrequenties en filtervereisten het front-endontwerp beïnvloeden, zodat de nodige functies kunnen worden opgenomen. Ontwerpen in deze mate van draadloze communicatieflexibiliteit is alleen mogelijk met SDR en zorgt voor toekomstbestendigheid en klantveiligheid op de lange termijn.

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd. Vereiste velden zijn gemarkeerd met *