Mjukvarudefinierad radio

Från HamWiki

(Omdirigerad från SDR)
Hoppa till: navigering, sök

Traditionellt byggs radiosystem i hårdvara. Filter, blandare, osv. byggs av diskreta komponenter. Mjukvarudefinierad radio, eller SDR, byggs istället genom att implementera dessa steg mer eller mindre i mjukvara.

Innehåll

Mottagare

Olika varianter finns att realisera detta. Radio i sin natur är analogt, så någon del av radion måste vara analog. Det som skiljer är var den analoga signalen digitaliseras, samt hur.

Eftersom samplingsfrekvensen måste vara dubbla önskade bandbredden finns det varianter att samla olika frekvensband, med kostnad för komplexitet på hårdvaran i olika delar.

Direktsamplad

Enklaste mottagaren konstrueras genom att antennen kopplas via en antennförstärkare och lågpassfilter till en ADC, för att sedan behandlas digitalt.

Denna metod lämpar sig bra för låga frekvenser, och den digitaliserade signalen representerar exakt radiosignalen.

Nackdelen är att samplingsfrekvensen måste vara dubbelt av högsta mottagna frekvensen. Vid mottagning av upp till kortvåg på 30MHz ger att lägsta samplingsfrekvens blir 60MHz, vilket är möjligt i dagens teknik. VHF upp till 300MHz ger att samplingfrekvensen skall vara 600MHz, vilket närmar sig dagens gränsfall med enkel teknik. UHF ger 6GHz samplingsfrekvens.

En implementation av directsamplad SDR (Software Defined Radio) är HPSDR http://www.openhpsdr.org där modulerna kan köpas som byggsatser eller färdigmonterade från TAPR http://www.tapr.org och NT Electronics http://www.hpsdr.eu. För en komplett station behövs: 

Bakplan: "Atlas"
USB interface: "Magister" eller "Ozy"
Mottagare: "Mercury"
Sändare: "Penelope"  (0.5W uteffekt)
Samt någon form av PA, t.ex. "Pennywhistle"

Samplad mellanfrekvens

För att bygga en mottagare på högre frekvenser kan radiosignalen blandas och filtreras analogt, likt första stegen i en superheterodynmottagare. Detta gör att önskade frekvensbandet istället är fast på en lägre frekvens, vilket kan samplas istället.

Exempel: Önskat frekvensband att sampla är 2m-bandet, 144-146MHz, plus marginal 140-150MHz. Ett bandpassfilter konstrueras för önskat frekvensband. Denna signal blandas sedan med 138MHz, och lågpassfiltreras på 100MHz för att klippa övre spegelfrekvensen. 140-150MHz kommer då att vara representerad på 2-12MHz. Högsta frekvenskomponent är 12MHz, vilket ger samplingsfrekvens på minst 24MHz. Samplingsfrekvens på 30MHz ger således marginal även här. Jämför denna med 300MHz om 144-146MHz skulle direktsamplas.

Denna metod ökar komplexiteten på analogdelen, och gör att många filter och blandare ändå måste byggas, men minskar prestandakrav på digitaldelen.

Bandpassamplad

Anledningen till att samplingsfrekvensen på en mottagen signal måste vara dubbla högsta frekvenskomponenten är för att spegelfrekvenser annars uppstår, då en sampel tas var n:te period istället för att en hel period samplas. Men dessa spegelfrekvenser kan utnyttjas för att arbeta med en lägre samplingsfrekvens, om endast ett frekvensband skall tas emot.

Exempel: Önskat frekvensband att sampla är 2m-bandet, 144-146MHz, plus marginal 140-150MHz. Ett bandpassfilter konstrueras för önskat frekvensband. Denna signal samplas sedan med en ADC på samplingsfrekvens 20MHz. 140-150MHz kommer då att uppträda som spegelfrekvenser på 0-10MHz.

Denna metod kräver dock att ADC:n klarar av att mäta RF-signalen vid en given tidpunkt, och inte internt lågpassfiltrera. I princip krävs en ADC som klarar att sampla RF-signalen som en direktsamplad, men att den tillåts arbeta på lägre frekvenser.

kvadraturmottagare

Även kallad I/Q-mottagare. Använder en komplex mellanfrekvens, eller I/Q-basband.

För att studera vad som händer i detta fall så studerar vi först en RF-signal med endast en godtycklig bärvåg. Eftersom hela rf-spektrat är uppbyggt av en summa bärvågor med olika fas och amplitud kan detta appliceras på alla sinus-signaler var för sig.

Vi studerar först signalen med vinkelfrekvens ω.rad/s, amplitud a och fasförskjutning φ.

r(t) = acos(ωt + φ)

Denna kan skrivas om med eulers formel för cosinus.

\cos(v) = \frac{e^{j v} + e^{-j v}}{2}

Detta ger:

r(t) = a \frac{ e^{j (\omega t + \phi) } + e^{j (-\omega t - \phi) } }{2}

Vad man ser här är att varje reell svängning (cosinus) i RF ger två komplexa svängningar, en med positiv frekvens, och en med negativ frekvens.

Låt säga att vi nu vill ta emot en signal med mittpunktsfrekvens ω0, för att få en mellanfrekvenssignal i(t) med komplexa svängningar.

i_0(t) = r(t) e^{-j \omega_0 t}

Vilket kan skrivas vidare som:

i_0(t) = a \frac{ e^{j (\omega t + \phi) } + e^{j (-\omega t - \phi) } }{2} e^{-j \omega_0 t}

i_0(t) = a \frac{ e^{j (\omega t + \phi) } e^{-j \omega_0 t} + e^{j (-\omega t - \phi) } e^{-j \omega_0 t} }{2}

i_0(t) = a \frac{ e^{j ((\omega - \omega_0) t + \phi)} + e^{j ((-\omega - \omega_0) t - \phi) } }{ 2 }

Givet att ω och ω0 inte skiljer myket kommer första svängningskomponenten att ha en relativt låg absolut frekvens, medans den andra kommer att ha en hög absolut frekvens.

Efter detta kan ett Linjärt, tidsinvariant låtpassfilter appliceras på både real- och imaginärdel var för sig, för att filtrera bort allt utom mellanfrekvensen. Efter detta kan även en skalning med faktor 2 ske (om denna sker implicit eller explicit i hårdvara är en designfråga). Resultatet blir således:

i(t) = a e^{j ((\omega - \omega_0) t + \phi)}

Även fasförskjutningen bibehålles i denna metod. Noteras kan även göras att negativ och positiv frekvens för en cosinussignal ger samma signal. Så är ej fallet för komplexa svängningar, och negativ och positiv frekvens kan separareras i efterhand.

Real- och imaginärdel brukar ofta kallas I och Q-signal.

För att realisera denna praktiskt krävs en oscillator som genererar både en sinus, samt en signal fasförskjuten 90 grader, och har två parallella blandarkanaler. Detta kan göras i en och samma ic-krets, t.ex. lt5517[1]

Saknar referenser, behöver fyllas på

Referenser

  1. ↑ http://www.linear.com/pc/productDetail.jsp?navId=H0,C1,C1011,C1725,P1711
Hämtad från "http://www.hamwiki.se/wiki/Mjukvarudefinierad_radio"
Personliga verktyg