Geekly articles weekly

Pengembangan multi-channel SDR

Saya akan memberi tahu Anda tentang pengalaman saya dalam mengembangkan penerima broadband multi-saluran digital.

Selama bertahun-tahun saya telah bekerja di bidang menciptakan alat untuk menangkap dan memproses sinyal dari radar navigasi udara dan pesisir. Sekitar dua tahun yang lalu, saya merilis versi RVAQ (Radar Video AcQuisition) terbaru kami, dan bertanya-tanya apa yang harus dilakukan selanjutnya dalam hidup. Saya menginginkan sesuatu yang baru dan tidak dikenal. Pilihan jatuh pada area yang belum saya bahas - radio digital dengan mudah masuk ke wilayah microwave.

Ini adalah bab pertama yang dikhususkan untuk formulasi awal masalah.

Di mana untuk memulai jika Anda tidak pernah secara profesional terlibat dalam penerimaan radio digital, kecuali penerima Mishutka berkumpul di masa kecil? Tentu saja, dengan penyegaran dalam membaca Polyakov dan model di MATLAB. Gagasan awalnya adalah membuat penerima multi-saluran dalam rentang 156-162 MHz untuk memantau dan merekam semua percakapan aktif di pita VHF laut. Saya akan mencantumkan properti yang diinginkan dari penerima tersebut:
1. Band penerimaan setidaknya 6 MHz (162-156 = 6)
2. Sensitivitasnya tidak lebih buruk dari -110 dBm, jika tidak mereka akan tertawa.
3. Rentang dinamis yang besar, karena ketika Anda mendengarkan sebuah kapal di pantai di laut sejauh 30 mil, seseorang pasti akan berteriak di dekatnya dengan daya 25 watt. Untuk penerima yang layak, level pemblokiran harus setidaknya 70dB. Berjalan sedikit di depan, saya akan mengatakan itu ternyata menghasilkan lebih dari 90dB pemblokiran. Singkatnya, RTL-SDR sangat tidak memenuhi harapan. Sepertinya aneh, saya mulai dengan pilihan ADC. Karena jika secara alami tidak ada ADC yang sesuai (setidaknya secara teori), maka tidak layak pakai. ADC semacam itu ditemukan.

Sekarang Anda harus memilih arsitektur penerima. Peninjauan solusi yang relevan, studi tentang elemen dasar dan intuisi memungkinkan untuk berkutat pada penerima konversi langsung. Juga diputuskan untuk memindahkan wilayah yang diminati oleh spektrum menggunakan demodulator quadrature ke frekuensi nol dan bekerja di zona Nyquist pertama untuk memaksimalkan penggunaan semua kualitas ADC yang dipilih.

Model awal untuk estimasi parameter
clear all;
k				= 1.381e-23;	% Joule/K 	- Boltzmann's Constant
T0				= 290;			% K			- temperature
% Encoding Windows-1251

% 1.     
% 1010          -       
% 1011          -    
% 1012          -     (/.)
% 1013          -      
% 1014          -      
% 1015          -    
% 1021, 1022    -     .
% 1031, 1032    -    
% 1041, 1042    -      
% 1051, 1052    -   

% 2.            

		Rrf_inp_ohm			= 50;		% Ohm	- 	 .

% 2011  -    
        BWrf_ekv_prf_hz   	= 20.0e6;   % Hz	-	    
        Lrf_max_prf_db      =  1.0;     % dB 	- 	        (insertion loss)
        
% 2012  -    
% (    Agilent MGA-71543    )
        Grf_lna_db     	    = 16.0;     % dB 	- 	   
        NFrf_lna_db         = 1.0;      % dB		- 	   
        
% 2013  -      
        BWrf_ekv_fms_hz   	=  6.0e6;   % Hz	-	     
        Lrf_max_fms_db      =  4.0;    % dB 	- 	         (insertion loss)
        
% 2014  -      
% (    Agilent MGA-71543    )
        Grf_amp_db      	=  16.0;    % dB 	- 	   
        NFrf_amp_db     	=  1.0;     % dB    - 	  
		
% 2015  -    
% (    Analog Devices ADL5387)
        Grf_mix_db      	=   4.5;    	% dB 	- 	    
        NFrf_mix_db     	=  15.0;    	% dB    - 	   
		IP1dBrf_mix_dbw		=  13.0 - 30.0; % dBW	- 	Input P1dB (IP1dB)

% 3.                
% 3011	-	
%    (db)
        NFrf_sys_db = pow2db( ( db2pow(  Lrf_max_prf_db )       ) + ...                   
                              ( db2pow( NFrf_lna_db     ) + 1 ) / ( db2pow( -Lrf_max_prf_db )) + ...
                              ( db2pow(  Lrf_max_fms_db ) + 1 ) / ( db2pow( -Lrf_max_prf_db ) * db2pow(  Grf_lna_db )) + ...
                              ( db2pow( NFrf_amp_db     ) + 1 ) / ( db2pow( -Lrf_max_prf_db ) * db2pow(  Grf_lna_db ) * db2pow( -Lrf_max_fms_db )) + ...
							  ( db2pow( NFrf_mix_db     ) + 1 ) / ( db2pow( -Lrf_max_prf_db ) * db2pow(  Grf_lna_db ) * db2pow( -Lrf_max_fms_db ) * db2pow(  Grf_amp_db )) ...
                            );

%    (dB)
		Grf_sys_db	= ( Grf_lna_db + Grf_amp_db + Grf_mix_db ) - ( Lrf_max_prf_db + Lrf_max_fms_db );
		
%      (Hz)
		BWrf_sys_hz = BWrf_ekv_fms_hz;

% 3012	-	Baseband LPF
		Lbb_lpf_db		= 9;		% dB			-	   Baseband LPF    (insertion loss)
		
% 3013	-	Baseband  (LTC6400-14)
		Gbb_opa_db		= 0;		% dB			-	  
		NFbb_opa_db     = 0;      % dB			-	  	

%    ,      (dB)
		Gbb_lfa_db		= Gbb_opa_db - Lbb_lpf_db;
		
%         (dB) -   . 
		NFbb_sys_db     = pow2db( ( db2pow( NFrf_sys_db         )     ) + ...                   
                                  ( db2pow( NFbb_opa_db         ) + 1 ) / ( db2pow( Grf_sys_db )) ...
					    		);
							
%         (dB)
		Gbb_sys_db	    = Grf_sys_db + Gbb_lfa_db; 

%       (Hz) -  
		BWbb_sys_hz		= BWrf_sys_hz;
		
%         (dBW)		
		PNbb_out_dbw	= pow2db( k * T0 * BWrf_sys_hz ) + NFbb_sys_db + Gbb_sys_db;	

% 3014	-	 
% (    1  Linear Technology LTC2271)
		FSadc_hz		= 20.0e6;	% Hz	-	Sampling rate		
		SNadc_fs_db		= 84;		% dB	-	SNR 
		NBadc_fs_bits	= 16;		% bits 	-	Full scale bits
		Vadc_fs_v		= 2;		% V		-	Full scale voltage
		Radc_inp_ohm	= 1000;		% Ohm	-	Input ADC resistance	

%            (dBW)			
		PFSadc_inp_dbw	= pow2db( 2.0 * (( Vadc_fs_v * 0.5 * sqrt( 0.5 )) ^ 2 ) / Radc_inp_ohm );  
		
%      (dBW)			
		PNadc_snr_dbw	= PFSadc_inp_dbw - SNadc_fs_db;
		
%      (dBW)
		PNadc_qan_dbw	= PFSadc_inp_dbw - ( NBadc_fs_bits * mag2db( 2 ) + mag2db( sqrt( 6 ) / 2 )); % adding correction factor for sinusoidal signal			
					
% 3015	-	     
        SNfm_min_db		= 12.0;		% dB  		-   -       
		BWfm_max_hz		= 25.0e3;	% Hz 		-    ,    		
		BWfm_min_hz		= 6.25e3;	% Hz 		-      ,    

%   (dBW)         (     )	
		Pfm_min_dbw		= pow2db( k * T0 * BWfm_max_hz ) + NFbb_sys_db + SNfm_min_db;		
		
%         ,      (dBW)
		Pfm_min_bb_sys_dbw 	= Pfm_min_dbw + Gbb_sys_db;		

%     .        
%        (dBW)
		PFSmix_inp_dbw = PFSadc_inp_dbw - Gbb_lfa_db - Grf_mix_db;		

%       ( )
		deltaPmix_inp_lin = IP1dBrf_mix_dbw - PFSmix_inp_dbw;



Sekarang saya ingin gambar
%       
Nfft = 2 * (( FSadc_hz / 2 ) / BWfm_min_hz ); 
Nsmp = Nfft;

tmp_fft_buf = zeros( 1, Nfft );
tmp_acc_buf = zeros( 1, Nfft );
tmp_smp_buf = zeros( 1, Nsmp );

max_acc = 30;

for acc = 1:max_acc
%   1 
%     -      
%    -       

  PS1 = db2pow( Pfm_min_bb_sys_dbw );
  WS1 = 25.0e3;
  FS1 =  1.0e6;
  
  Fstart = FS1;
  Fstop  = Fstart + WS1 - BWfm_min_hz;
  Pstep  = PS1 / ( WS1 / BWfm_min_hz ); 
  PS1_smp_buf = zeros( 1, Nsmp );
  
  for f = Fstart:BWfm_min_hz:Fstop
      phi_acc = 2.0 * pi * rand( 1 ); % random phase
      phi_stp =       pi * ( f / ( FSadc_hz / 2 ));
      
      for k = 1:Nsmp
          PS1_smp_buf( k ) = PS1_smp_buf( k ) + sqrt( Pstep ) * exp( j * phi_acc );
          phi_acc = phi_acc + phi_stp;
          
          if( phi_acc > (  2.0 * pi ))
              phi_acc = phi_acc - 2.0 * pi;
          else
              if( phi_acc < ( -2.0 * pi ))
                  phi_acc = phi_acc + 2.0 * pi;
              end
          end
      end
  end

%   2 
%     -       
%    -       

  PS2 = db2pow( PFSadc_inp_dbw - 1.0 ); % -1 dB back off 
  WS2 = 25.0e3;
  FS2 = -2.0e6;
  
  Fstart = FS2;
  Fstop  = Fstart + WS2 - BWfm_min_hz;
  Pstep  = PS2; 
  PS2_smp_buf = zeros( 1, Nsmp );
  
  for f = Fstart:BWfm_min_hz:Fstop
      phi_acc = 2.0 * pi * rand( 1 ); % random phase
      phi_stp =       pi * ( f / ( FSadc_hz / 2 ));
      
      for k = 1:Nsmp
          PS2_smp_buf( k ) = PS2_smp_buf( k ) + sqrt( Pstep ) * exp( j * phi_acc );
          phi_acc = phi_acc + phi_stp;
          
          if( phi_acc > (  2.0 * pi ))
              phi_acc = phi_acc - 2.0 * pi;
          else
              if( phi_acc < ( -2.0 * pi ))
                  phi_acc = phi_acc + 2.0 * pi;
              end
          end
      end
  end

%      
  PN1 = db2pow( PNbb_out_dbw );
  WN1 = BWbb_sys_hz;
  
  Pfull_bw = PN1 * ( FSadc_hz / WN1 );
  
  PN1_smp_buf = sqrt( 0.5 * Pfull_bw ) * complex( randn( 1, Nsmp ), randn( 1, Nsmp ));
  tmp_fft_buf = fftshift( fft( PN1_smp_buf ));
  tmp_msk_buf = zeros( 1, Nfft );
  tmp_msk_buf((( Nfft / 2 ) - (( WN1 / FSadc_hz ) * ( Nfft / 2 )) + 1 ) : (( Nfft / 2 ) + (( WN1 / FSadc_hz ) * ( Nfft / 2 )))) = ... 
              ones( 1, (( WN1 / FSadc_hz ) * Nfft ));
  
  tmp_fft_buf = tmp_fft_buf .* tmp_msk_buf;
  PN1_smp_buf = ifft( fftshift( tmp_fft_buf ));

%    
  PN2 = db2pow( PNadc_snr_dbw ) - db2pow( PNadc_qan_dbw );
  %PN2 = db2pow( PNadc_snr_dbw );
  
  Pfull_bw = PN2;
  
  PN2_smp_buf = sqrt( 0.5 * Pfull_bw ) * complex( randn( 1, Nsmp ), randn( 1, Nsmp ));

%    
  QAN_smp_buf = PS1_smp_buf + PS2_smp_buf + PN1_smp_buf + PN2_smp_buf;
  
  QAN_delta = Vadc_fs_v / ( 2 ^ NBadc_fs_bits );
  
  QAN_smp_buf = round( QAN_smp_buf ./ QAN_delta ) .* QAN_delta;
  
  QAN_smp_buf_re = real( QAN_smp_buf );
  QAN_smp_buf_re( find( QAN_smp_buf_re > (  Vadc_fs_v / 2.0 ))) =  Vadc_fs_v / 2.0;
  QAN_smp_buf_re( find( QAN_smp_buf_re < ( -Vadc_fs_v / 2.0 ))) = -Vadc_fs_v / 2.0;
  
  QAN_smp_buf_im = imag( QAN_smp_buf );
  QAN_smp_buf_im( find( QAN_smp_buf_im > (  Vadc_fs_v / 2.0 ))) =  Vadc_fs_v / 2.0;
  QAN_smp_buf_im( find( QAN_smp_buf_im < ( -Vadc_fs_v / 2.0 ))) = -Vadc_fs_v / 2.0;
  
  QAN_smp_buf = complex( QAN_smp_buf_re, QAN_smp_buf_im );

%   ADC

  tmp_smp_buf = QAN_smp_buf;
  %tmp_smp_buf = PS1_smp_buf + PS2_smp_buf + PN1_smp_buf + PN2_smp_buf;
  
  tmp_fft_buf = fft( tmp_smp_buf ) / Nfft;
  tmp_acc_buf = tmp_acc_buf + ( tmp_fft_buf .* conj( tmp_fft_buf ));
end  

tmp_acc_buf = tmp_acc_buf ./ max_acc;

f = linspace(( -FSadc_hz / 2 ) + BWfm_min_hz, FSadc_hz / 2, Nfft );

plot( f, pow2db( fftshift( tmp_acc_buf ))); 
xlim( [( -FSadc_hz / 2 ), ( FSadc_hz / 2 )] ); 
ylim( [-150.0, -20.0] ); 
title('Power Spectrum')
xlabel('Frequency (Hz)')
ylabel('P(f) dBW')
drawnow;



Nah, model menunjukkan kelayakan ide - sensitivitas -115dBm, menghalangi di bawah 90dB.

Selanjutnya, dalam FPGA, menggunakan blok normalisasi sinyal quadrature, kami menghapus komponen konstan, mengatasi saluran cermin dan menerapkan sinyal ke input DDC . Setelah penyimpangan frekuensi yang diinginkan menjadi nol, sinyal akan menuju rantai CIC digital - dan filter FIR , membentuk pita saluran. Tentu saja, jika kita ingin secara bersamaan menerima lebih dari satu saluran, kita harus memiliki banyak DDC dan filter.

Pada artikel berikutnya, jika publik akan tertarik, saya akan berbicara tentang langkah selanjutnya dalam pemodelan, dan evaluasi sumber daya perangkat keras FPGA.

Source: https://habr.com/ru/post/id395853/

More articles:


All Articles