AD9361: Analog(owy) sposób na SDR

Strony: 1 2

Nowatorska technologia budowy radiowych torów nadawczych i odbiorczych – SDR (Software Defined Radio) – coraz szybciej zdobywa rynek, w czym wydatnie pomaga rosnąca dostępność wyspecjalizowanych przetworników A/C i C/A, których parametry są kluczowe dla dobrej jakości transmisji radiowej. W artykule przedstawiamy nowość z oferty firmy Analog Devices: podwójny transceiver SDR oznaczony symbolem AD9361, który ma szansę zrewolucjonizować aplikacje SDR.

Analog Devices jest jedną z niewielu na rynku firm kreujących nowatorskie trendy na rynku podzespołów mixed-signal, który należy do jednych z najtrudniejszych i wymagających ogromnych zasobów wiedzy inżynierskiej. Prezentowany w artykule transceiver SDR jest kolejnym układem w ofercie ADI, który na wiele lat da firmie prymat na rynku, podobnie jak ma to miejsce w przypadku syntezerów DDS. Ich opracowanie i wdrożenie na rynek także nie było łatwe…

SDR w kilku słowach

Zacznę od tego wyjaśnienia pojęcia ważnego dla dobrego zrozumienia prezentowanej przez nas tematyki: wbrew poglądowi propagowanemu w wielu publikacjach (oraz – oczywiście – Internecie) akronim SDR nie oznacza „radia programowalnego”, oznacza natomiast „realizowany programowo odbiór sygnałów radiowych”. W systemach SDR ciężar konwersji transmitowanych sygnałów do postaci zmodulowanej fali elektromagnetycznej i w drugą stronę spoczywa na oprogramowaniu, które jest wykonywane przez procesor DSP lub odpowiednio skonfigurowane układy FPGA, co pozwala uniknąć konieczności stosowania mało elastycznych, niezbyt precyzyjnych i trudnych w strojeniu obwodów analogowych (jak choćby heterodyny, filtry pośredniej częstotliwości czy demodulatory). Dzięki zastosowaniu odpowiednich algorytmów cyfrowej obróbki sygnałów radiowych i użyciu jako domyślnego wzorca częstotliwości rezonatorów lub generatorów MEMS lub kwarcowych, użytkownik transceivera SDR może dowolnie kształtować charakterystykę emitowanych/odbieranych przez niego sygnałów, co pozwala m.in. na stosowanie optymalnie wąskich kanałów transmisyjnych, minimalizację zakłóceń elektromagnetycznych czy też stosowanie inteligentnych protokołów transmisji danych, zwiększających prawdopodobieństwo bezpiecznego ich przesłania. Przeniesienie ciężaru obróbki sygnału radiowego na oprogramowanie, poza poprawą parametrów transmisji, tworzy użytkownikom zupełnie możliwości użytkowe: urządzenie o określonej konstrukcji sprzętowej może realizować wiele różnych zadań radiowych, definiowanych przez oprogramowanie.

Rys. 1. Schemat blokowy transceivera SDR (źródło grafiki: Wikipedia)

Transceiver SDR…

…składa się z elementów pokazanych na rysunku 1, gdzie widać, że z klasycznego toru RF zostało w nim niewiele. Sygnał radiowy po wzmocnieniu tuż za/przed – w zależności od kierunku transmisji odbiór/nadawanie – anteną jest analogowo przenoszony do zakresu niskich częstotliwości (IF – Intermediate Frequency, częstotliwość pośrednia) i poddawany próbkowaniu A/C (w torze odbiorczym) lub (w torze nadawczym) wytwarzany za pomocą przetwornika C/A (w torze nadawczym). Zabieg przeniesienia sygnałów odbieranych/nadawanych w zakres niskich częstotliwości umożliwia zastosowanie przetworników A/C i C/A o relatywnie niskich częstotliwościach próbkowania. Przykładowo: do prawidłowego spróbkowania sygnału transmitowanego w kanale radiowym o szerokości 40 MHz – zgodnie z twierdzeniem Nyquista – po jego przeniesieniu w zakres częstotliwości 0…40 MHz, wystarczy przetwornik o makysmalnej częstotliwości próbkowania 80 MHz. W przypadku próbkowania tego samego sygnału emitowanego na częstotliwości nośnej 2,4 GHz potrzebny byłby przetwornik o częstotliwości próbkowania 4,8 GHz…

Rys. 2. Schemat analogowego toru eliminującego częstotliwość nośną sygnału radiowego

Ten sam problem dotyczy toru nadawczego: jeżeli sygnał z wyjścia przetwornika C/A podawany byłyby wprost do anteny, niezbędne by były bardzo wysokie częstotliwości próbkowania, co znajmniej 2-krotnie wyższe niż górna częstotliwość obslugiwanego pasma radiowego.

Przenoszenie wybranego pasma radiowego w „dół” odbywa się zazwyczaj analogowo – za pomocą mieszaczy kwadraturowych (rysunek 2), w rozwiązaniach bardziej scyfryzowanych są stosowanego także rozwiązania wykorzystujące sygnał o częstotliwości pośredniej, który jest poddawany przetwarzaniu A/C (rysunek 3).

Rys. 3. Cyfrowy tor konwersji częstotliwości nośnej z wykorzystaniem sygnału pośredniego

Zazwyczaj układ generatora lokalnego w obydwu metodach konwersji jest realizowany metodą bezpośredniej syntezy częstotliwości (DDS), czyli wyłącznie na bazie elementów cyfrowych. Wytwarza on próbki dwóch sygnałów sinusoidalnych przesuniętych między sobą o 90 stopni w fazie (sinus i cosinus). Próbki sygnału generatora lokalnego generowane są z tą samą częstotliwością, z jaką jest próbkowany przetwarzany sygnał.

Modulacja kwadraturowa

Popularną obecnie metodą kodowania sygnałów radiowych w aplikacjach profesjonalnych jest modulacja ortogonalna (kwadraturowa), polegająca na emisji sygnałów składających się z sumy dwóch sinusoid o jednakowych częstotliwościach, modyfikowanych amplitudach i wzajemnej fazie. Ortogonalne sygnały wykorzystywane do kodowania informacji są nazywane I oraz Q, przesyłane dane są zakodowana we wzajemnej, chwilowej relacji pomiędzy fazami i amplitudami tych sygnałów.

Na rysunkach poniżej pokazano zasadę tworzenia i dekompozycji sygnału złożonego na składowe I i Q.

Analog Devices ma sposób na SDR

Budowa kompletnych torów nadawczych i odbiorczych SDR jest możliwa z wykorzystaniem dostępnych na rynku podzespołów, w tym syntezerów DDS, wzmacniaczy VGA/PGA, scalonych stabilizatorów poziomu sygnałów radiowych z automatyczną kontrolą wzmocnienia (AGC). Przykład takiego rozwiązania pokazano na rysunku 4, jak widać liczba niezbędnych układów jest spora.