Software Radio Technologie Eine Momentaufnahme WCDMA Aggregierung von ... Funktionsblöcke, generieren z.B. Python, VHDL, oder C - Codes . Berner Fachhochschule ... Bachelor-Thesis

Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciencest

Software Radio Technologie Eine Momentaufnahme

21.Januar 2016, Rolf Vogt

▶ BFH- Technik und Informatik

Berner Fachhochschule | Haute école spécialisée bernoise | Bern University of Applied Sciences

▶ Einführung

▶ Einige theoretische Grundlagen

▶ Architekturen und Technologien

▶ Gegenwärtig erreichbare Performance

▶ Anwendungsbeispiele

▶ Die Software Radio Plattform an der BFH TI

Inhalt


Einführung


▶ Ideales Software Radio

▶ Receiver, Transmitter oder Transceiver mit folgender Struktur

Was ist ein Software Radio ?

▶ Ziel: Verschiebung aller Signalverarbeitungsaufgaben so weit als möglich ins Digitale

▶ Reale «Software Radio» - Architektur

▶ Heutzutage in vielen Fällen (noch) Mischformen, bei welchem die AD/DA-Wandlung auf ZF- oder NF-Stufe erfolgt

HF-TeilAmp/BPF

ADC/DAC

DSV

Antenne

DatenquelleDatensenke


Vorteile

▶ Flexibilität der Systemparameter

▶ Rekonfiguration durch Software (im Rahmen der physikalischen Grenzen des Hardwareteils)

▶ Flexible Signalwahl

▶ Anpassung an unterschiedliche Szenarien des Frequenznutzungsumfeldes

▶ Anpassung des Signaltyps bei Koexistenzproblemen

▶ Zeitdynamische Auslassung von Träger (LTE > GSM)

▶ Flexible Frequenzwahl

▶ Weniger dedizierte Geräteentwicklung erforderlich abhängig von Machbarkeit breitbandiger Antennen sowie akzeptabler Effizienz / HF-Vorstufen

Wozu Software Radio ?


Weitere Vorteile

▶ Verkürzte Entwicklungszyklen vor Markteinführung

▶ Over The Air Reconfigurability

▶ Upgrademöglichkeit

▶ Grössere Stückzahlen infolge universeller Hardware Senkung von Produktionskosten

▶ Erweiterbarkeit für

▶ Smart Antenna Systeme

▶ Cognitive Radio

Wozu Software Radio ?


▶ Dynamische Anpassung der Luftschnittstelle

▶ Heute: Nur wenig Parameter variiert: (Modulation, Frequenz, Sendeleistung)

▶ Zukunft: zeitdynamische Optimierung (einfacheres Interferenzmanagement

▶ Breitbandig Schmalbandig

▶ OFDMWCDMA

▶ Aggregierung von Spektrum

▶ Steigende Datenraten mehr Bandbreite erforderlich (trotz Effizienzerhöhung)

▶ Oft keine grösseren Bandbreiten „en bloc“ verfügbar SDR ermöglicht gleichzeitige Verarbeitung mehrerer ungenutzter Frequenzbandabschnitte mit grösseren Lücken die zu einem „virtuellen Träger“ zusammengefasst werden Vorteil: Grössere Frequenzdiversität wirkt Fading entgegen

Anwendungsbeispiele


Einige theoretische Grundlagen...... müssen sein....


Empfängerarchitekturen


▶ Eingangssignal wird zuerst analog auf eine Zwischenfrequenz umgesetzt

Klassischer Superhet mit Digitalisierung in ZF

fc-fc

f

|S(f)|

|X(f)|

fLO-fLO

f

-fIm fIm

|Y(f)|

fZFfZF

f

fLO-fLO


▶ Analoges Bandpassfilter am Eingang zwecks

▶ Unterdrückung von Spiegelfrequenzsignalen und weiteren unerwünschten Mischprodukten

▶ Reduktion der geforderten Dynamikbereichs im nachfolgenden ADC

▶ Kritischer Parameter: ZF

▶ Hohe ZF Gute Spiegelfrequenzunterdrückung

▶ Niedrige ZF Gute Kanalselektivität , u. U

▶ Oft Doppelsuperhet, um beide Kriterien zu optimieren

Klassischer Superhet mit Digitalisierung in ZF

DSP

LO

Input ADC


Zero- IF Approach (Direct Conversion Receiver)

Funktionsprizip

▶ Umsetzung des Empfangssignalspektrums (blau) direkt ins Basisband

▶ Linksverschiebung des Spektrums braucht LO-Signal mit einseitigemSpektrum Komplexes Signal x(t), repräsentiert durch 2 reelle Signale (I/Q)

▶ Amplitudendichtespektrums grundsätzlich asymmetrisch umgesetztes Spektrum im Basisband ebenfalls asymmetrisch Zeitsignal ist komplex

▶ LO-Frequenz auf der Mittenfrequenz fc des HF-Empfangssignals

fc-fc

f

|S(f)|

|X(f)|

fc-fc

f


▶ Mittenfrequenz des Empfangsspektrums wird auf Frequenz null umgesetzt → «DC» ist Bestandteil des weiter zu verarbeitenden Signals

▶ Oberer und unterer Zweig bezeichnen Real- und Imaginärteil des komplexen Basisbandsignals und werden im DSP komplex weiterverarbeitet

▶ DSP: Digitale Tiefpassfilterung, Demodulation, Decodierung etc.

Zero- IF Approach (Direct Conversion Receivcer)

Input

LO

ADC

DSP

ADC

90° I Q


Eigenschaften der Zero- IF ArchitekturVorteile

▶ Rascher Übergang in digitale Ebene

▶ Nachfolgende Komponenten (Filter) könnenauf tiefer Frequenz realisiert werden (Basisband)

▶ Theoretisch keine Spiegelfrequenz, praktisch limitiert durch I/Q-Genauigkeit → Empfangssignal ist seine eigenes Spiegelfrequenzsignal

Diverse Probleme und Limitierungen

▶ Systemintern erzeugter DC-Offset (kann mehrere Grössenordnungen stärker sein als Nutzsignal → Umgehung des Problems durch Frequenzstandard)

▶ Selfmixing im Mischer (endliche Isolation, Reflexion des LO-Signals am Antennenfusspunkt)

▶ LO-Frequenz liegt auf Mittenfrequenz des Empfangssignals → Re-Radiation

▶ Empfindlichkeitslimitierungen durch 1/f und «close in» LO-Phasenrauschen

Input

LO

ADC

DSP

ADC

90°

I Q


Low IF Approach

Funktionsprinzip

▶ Umsetzung des Empfangssignalspektrums in die Nähe des Basisbands

▶ Linksverschiebung des Spektrums braucht LO-Signal mit einseitigemSpektrum Komplexes Signal x(t), repräsentiert durch 2 reelle Signale (I/Q)

▶ Wie bei Zero-IF komplexe Signalverarbeitung

▶ Bei endlich genauem I/Q LO-Signal und I/Q Mismatching ( Praxis) Spiegelfrequenz, welche ausserhalb des Nutzignal-Empfangsspektrums liegt

fc-fc

f

|S(f)|

|X(f)|

fc-fc

f

fIF

fLO-fLO

fLO-fLO


▶ Ähnliche Struktur wie bei Zero-IF

▶ DSP:

▶ Digitale Bandpassfilterung:

▶ Entfernung von Störkomponenten nahe des Empfangsspektrums, Demodulation, Decodierung etc.

▶ Auftretende Spiegelfrequenzsignale durch I/Q Mismatchingkann i.d.R. nicht durch HF-Bandpass entfernt werden

Low – IF Architektur

Input

LO

ADC

DSP

ADC

90° I Q


Eigenschaften der Low- IF Architektur

Vorteile

▶ Umgehung diverser Probleme der Zero-IF-Architektur:

▶ DC-Offset, Rauschen

▶ Beibehaltung der meisten Vorteile von Zero-IF

Nachteile

▶ Spiegelfrequenzsignalbereich kann prinzipbedingt ausserhalb des Nutzsignalspektrums liegen

Input

LO

ADC

DSP

ADC

90°

I Q


▶ Notwendige, minimale Abtastfrequenz fs,min

grundsätzlich gegeben durch Empfangssignalbandbreite

▶ Limitierungen hauptsächlich gegeben durch

▶ ADC

▶ Max. Abtastrate halbe Signalbandbreite

▶ Auflösung: Effective Number of Bit (ENOB) massgebend! SNR, SFDR( spurious free dynamcic range), SINAD

▶ Jitter des Abtastvorgangs Phasenrauschen Verschlechterung des SNR

▶ Vergrösserung des Dynamikbereichs um 6dB/effektivem Bit

▶ Nachfolgende Dezimierungsfilter (z.B. zwecks Kanalselektion) ermöglichen einen Prozessgewinn

Direktabtastung

s(t)

x(t)

y(t)TS

TS : Abtastperiodefs = 1/Ts : Abtastfrequenz


▶ Durch Abtastung wird Spektrum periodisch Replika im Abstand von fs

▶ Abtasttheorem wird nur verletzt, wenn sich durch Abtastvorgang Spektrumsüberlappungen ergeben

▶ Unterabtastung: Die Spektrums“kopie“ in 1.Nyq’zone wird weiterverarbeitet

Unterabtastung

f

|S(f)|

|X(f)|fs-fs

fs-fs 2fs-2fs

f

f

|Y(f)|

DAB-Empfangs-spektrum

Abtast-frequenz

fs 2fs-fs fs/2fs/2

1.Nyquistzone

Beispiel:DAB-Empfang174…230MHzfs = 160MHz⇒ 14…70MHz


Vorteile gegenüber Überabtastung

▶ Geringerer Aufwand und Energieverbrauch in den nachfolgenden digitalen Bausteinen wegen tieferer Abtastfrequenz

▶ Geringerer analoger Aufwand

▶ Grössere Flexibilität des Empfängers wegen hauptsächlich digitaler Signalverarbeitung

Nachteile gegenüber Überabtastung

▶ Erhöhte Anforderungen an ADC, da dieser oberhalb der Abtastfrequenz betrieben wird

▶ Stärkerer Einfluss von Jitter/Phasenrauschen auf die Performance

▶ Rauschen und andere Störgrössen werden auch in die 1.Nyquistzone gefaltet und dem Nutzsignal überlagert.

Eigenschaften der Unterabtastung


▶ DSP (Oversampling, Interpolator, Antiimaging)

▶ D/A-Wandlung bis in den UHF-Bereich direkt

▶ SSB-Mischer für höhere Frequenzbereiche (oder Alternativen)

Senderarchitekturen

optional

DACSSB-

MischerDSP


Technologische Realisierung des Digitalteils


Digitale Bausteine

CPU (x86, ARM, etc.)

▶ Max. Flexibilität

▶ Einfach programmierbar (C, C++), viele Libraries vorhanden (open source)

▶ Sequenzielle Bearbeitung von Operationen bei komplexen Op. entsprechend mehrere Rechenzyklen tiefere Bandbreite/Datenrate

GPU

Hohe Anzahl Multiplizierer

Komplexe Programmierung

FPGA

▶ Performanceoptimierung durch Parallelisieren einfacher Operationen

▶ Oft nur wenig Speicher verfügbar

▶ Aufwendig in Programmierung

DSP

▶ Sparsamer als CPUs durch Optimierung auf Anwendung in der Signalverarbeitung, ansonsten vergleichbare Vor- und Nachteile


Software Tools für SDR


Entwicklungswerkzeuge für SDR

▶ Graphische Oberflächen mit Implementierung von Funktionsblöcken in der digitalen Signalverarbeitung für die Nachrichtentechnik

▶ (De-)Modulatoren

▶ Filter

▶ Oszillatoren, etc.

▶ Diagramme in Zeit- und Frequenzbereich

▶ Häufig Freeware

▶ Beispiele:

▶ GNU Radio

▶ Matlab/Simulink (Code Generator)

▶ Labview

▶ Funktionsblöcke, generieren z.B. Python, VHDL, oder C- Codes


Beispiel GNU Radio (Companion)▶ Flowgraph eines UKW-FM Empfängers

▶ Code Generator

▶ Funktionsblöcke, generieren Python Codes


Beispiel GNU Radio (Companion)▶ Ausschnitt aus UKW-Spektrum im Raum Biel

▶ Real Time Empfang mit Audio-Ausgabe

▶ Empfänger: DVB-Stick

▶ Betriebssystem: Ubuntu Linux


Kommerziell verfügbare SDREine kleine Auswahl....


USB-Sticks (reine Empfänger)

▶ RTL-Stick

▶ FunCube

Professionelle Empfänger

IZT

TSMW (R&S)

Sendeempfänger (Transceiver)

▶ Simplex

▶ HackRF

▶ Duplex

▶ BladeRF

▶ UMTRX (enthält 2 BladeRF)

▶ USRP

Übersicht nach Funktionalität eine kleine Auswahl...


USB Sticks▶ Hauptanwendung: USB-Sticks zum

Empfang von DVB-T Signalen auf Laptops

▶ Die meisten solchen Produkte verwenden die gleichen Tuner- und Basisbandchip

▶ CMOS-Tunerchip (Elonics E4000): Zero-IF Empfänger mit grosser Frequenzbereich: (64-1700MHz)

▶ Signalbandbreite: 3.2 MHz

▶ Geringe Auflösung/DynamikEingangs-

filterAntennen-

eingangLNA Quadratur-

MischerADCAnti Aliasing

FilterVGA

USB2-Interface PC

Tuner ChipElonics E4000

Basisband ChipRealtek RTL2832U

Lokal-Oszillator

I

Q

90°


HackRF One SDR

▶ Hersteller: Great Scott Gadgets

▶ Open source project

▶ 1MHz.. 6GHz RX und TX (ca. 10mW) (semiduplex)

▶ Verstärker, Filter, Mischer direct conversion zero-IF transceiver(2.3...2.7GHz)

▶ I/Q-Daten ADC bzw. DAC (8bit, 20MS/S) Xilinx XC2C CPLD

▶ Steuerung durch ARM-Dual-Core Cortex Prozessor (NXP LPC4320) USB Schnittstelle

▶ Durch Clock-Schnittstellen mit weiteren HackRF synch‘fähig Ausbau für Vollduplex, MIMO- App.

▶ Kompatibel mit Gnu Radio, SDR

▶ Ca. 350 CHF


USRP

▶ Universal Software Radio Peripheral Hersteller: Ettus

▶ Verschiedene Baureihen

▶ (Network, Bus, Embedded)

▶ Zero-IF-Architektur

▶ Modularer Aufbau

▶ Motherboard

▶ ADC, DAC, FPGA,DUC,DDC, Ethernet, USB, PCI, etc.

▶ Daughterboards

▶ RF Frontend (Mischer, Filter, Oszi, Verstärker)

▶ Full Duplex-Funktionalität simult. RX,TX

▶ Multi Channel-Funktionalität MIMO

▶ GPS Empfänger zur Synchr.

▶ Unterstützt Gnu Radio, Labview, Matlab


Auflösung (nominal) 16 bit I/Q-Daten

Frequenzbereich DC... 6GHz (mit entsprechendem Daugtherboard)

Analogbandbreite bis 160 MHz (mit entsprechendem Daugtherboard)

FPGA Proc. Bandbreite bis 200 MS/s (typenabhängig)

Host-Bandbreite 4..200 MS/s (Interfaceabhängig)

TX Power > 20dBm bis 3.5GHz (mit entsprechendem Daugtherboard)

RX Noise Figure < 4dB (bis 20MHz), < 7dB (bis 6GHz)

RX IIP3 > 4dBm (10 MHz.. 6 GHz)

USRP Performance als Beispiel heutiger SDR Plattformen


USRP Anwendungsbeispiele

▶ Open BTS

▶ Multiband Passive Bi-Static RADAR

▶ DVB-T/UMTS Sender als „Illuminator“

▶ Messung der Versorgungsqualität von DAB+-Netzen

▶ Bachelor-Thesis an BFH

▶ Detektion von Remote Control Signalen zur Drohnenabwehr

▶ Bachelor Thesis an BFH


USRP Anwendungsbeispiel Detektion ofFHSS/DSSS-Fernsteuersignale

▶ Zielanwendung:

▶ Dektektion von kleinen Flugobjekten, wie z.B. Drohnen, bei Grossanlässen

▶ Häufig proprietäre FHSS/DSSS-Fernsteuersysteme im 2.4GHz-Band

▶ Bedarf für eine flexible Lösung:

▶ “Lernmodus“

▶ “Detektionsmodus“

▶ “Hoppingmodus“


USRP Anwendungsbeispiel Detektion FHSS/DSSS-Fernsteuersignale-Resultate

▶ Lernmodus:

▶ Alle 36 Hopping-Sequenzen einer vorgegebenen, kommerziellen Fernbedienung können zuverlässig aufgezeichnet werden

▶ Detektionsmodus:

▶ Zuverlässige Detektion der aktuellen Hoppingsequenz einer sendenden Station funktioniert zuverlässig

▶ Hoppingmodus:

▶ Funktioniert zuverlässig unter Laborbedingungen

Alle Burst empfangen, obwohl jeder auf einer unterschiedlichen Frequenz sendet


VHF-SDR der Berner Fachhochschule▶ RX/TX 87-230MHz, 56MHz Signalbandbreite

▶ Unterabtastung im RX-Pfad

▶ LO/ADC Schaltungsteil optimiert auf geringes Phasenrauschen

▶ Drei wählbare Bandpassfilter am Eingang

▶ Zuschaltbare Verstärkerstufen im RX- und TX Pfad

▶ GPS synchronisierbarer Oszillator mit zwei PLLs

▶ IQ-Streaming über USB2 (40Mbytes/s)

ADC

FPGASpartan6

LX9

USB2

160MHz12Bit

DAC

Dual Loop PLL, VCO,

Jitter Cleaner, Clk.dist.

1GHz14Bit

IQ-Stream

Tx

Rx/Tx

Fp=250MHzFs=750MHz

FX2

87.5..108MHz

π

LNA

π

LNA

π

LNA

108-174MHz

174-230MHz

3rd Order Cauer

3rd Order Cauer

3rd Order Cauer

5th Order Cauer

5th Order Cauer

5th Order Cauer

87.5..108MHz

108-174MHz

174-230MHz

-10dB

-10dB

-10dB

VCXO

Ext. Freq. Ref. Input

Clk Out

USBUSB-UART

JTAG

Flash4M

FT230X

5th Order Chebyshev

LF Rx

GPS

1 PPS

GPS


VHF-SDR der Berner Fachhochschule

Prototyp

FilterbankADC

FPGAClock-

Generator

DACUSB2

GPS



Messresultate Empfangsteil

▶ Vergleich der Kenngrössenwerte mit USRP B210 bei 200MHz

Rx VHF-SDRUSRP B210 mit WBX-Frontend

Architektur Unterabtastung Zero-IFFs ADC 163.84 100MHzFs FFT 4.096 4.0667MHzSINAD @200MHz 71 46dBENOB @200MHz 11.5 7.3BitsAverage Noise Power Density -136 -97dBm/HzSFDR Single Tone -87 -51dBcAusserbandunterdrückung 0-1GHz -45 -10dBcPhase Noise @100Hz -90 -90dBc/Hz

Bild:Phasenrauschen bei Loopback, 200MHz



Messresultate Sendeteil

▶ Vergleich der Kenngrössenwerte mit USRP B210 bei 200MHz

Tx VHF-SDRUSRP B210 mit WBX-Frontend

Architektur Direktwandlunganaloge IQ-Umsetzung

Fs DAC 819.2 400MHzFs Basisband 4.096 4.0667MHzSFDR Single Tone 200MHz -34 -12dBcSFDR Single Tone 150MHz -47 -10.5dBcSFDR Single Tone 100MHz -60 -9.3dBcPhase Noise 200MHz @100Hz -88.7 -93dBc/HzPhase Noise 200MHz @1kHz -105.6 -98.5dBc/HzPhase Noise 200MHz @10kHz -107.9 -102.7dBc/HzPhase Noise 200MHz @100kHz -114.6 -114.6dBc/Hz


Anwendungsbeispiel: BFH-Projekt DAB+ Tunneleinsprechfunk

▶ Strassentunnels heute mit UKW-Einsprechfunk ausgestattet

▶ UKW wird langfristig durch DAB+ abgelöst

▶ Herkömmliche Lösungen bestehen meist aus einer Kombination eines Empfängers und Senders

DAB+ Einsprechfunksystem

SDR-Board mit FPGA

Embedded PC

Antenne ausserhalb

Tunnel

Antenne innerhalb

Tunnel

Verstärker

Einsprech-Audiosignal

Umschalten auf Einsprech-EnsembleNetzwerk

Fernsteuerung über

Workstation

Filter Filter

DAB-Modulator

IP-Core

DAB-Decoder/Demultiplexer

Software

DAB-Encoder/Multiplexer

Software

Datenstrom vom Original-EnsembleDatenstrom vom Einsprech-Ensemble

Synchronisationssignale

DAB-Demodulator

IP-Core

Basisbandsignal vom Einsprech-Ensemble

▶ BFH-Projekt: Entwicklung eines SDR-basierten Tunneleinsprechfunk-Systems

▶ Vorteil gegenüber herkömmlichen Lösungen

▶ Preis

▶ Effizienz: Parallel mehrere Mod/Demod im FPGA

▶ Zuverlässigkeit, MTBF

▶ Nur kleiner Embedded-Rechner nötig


Schlussfolgerungen

▶ Die Fortschritte der schnellen gemischt digital/analogen Signalverarbeitung haben den Traum des «idealen» SDR, wenigstens für gewisse Frequenzbereiche, teilweise Realität werden lassen

▶ Die Leistungsfähigkeit moderner SDRs eröffnet neue Anwendungsbereiche

▶ Trotz der Fortschritte ist es im Moment nicht absehbar, dass die SDR Technologie die klassischen analoge Technik überall ersetzen wird.

▶ Eine wichtiges Anwendungsfeld sind gegenwärtig Spezialapplikationen, bei welchen es sich wirtschaftlich nicht lohnt, ein dediziertes Produkt zu entwickeln

▶ Dedizierte Schaltungsentwicklungen können in Bezug auf Performance und Energieverbrauch noch immer substanziell besser abschneiden.

▶ SDR ersetzen klassische Realisierungen nicht, sie ergänzensie.


Herzlichen Dank!

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