ОБЗОР SDR РАДИОУСТРОЙСТВ И КОГНИТИВНОЙ РАДИОСВЯЗИ OVERVIEW OF SDR RADIO DEVICES AND COGNITIVE RADIO COMMUNICATION Грунтовский Александр Андреевич, магистрант, Донской государственный технический университет, г.Ростов-на-Дону Gruntovsky Alexander Andreevich, Undergraduate, Don State Technical University, Rostov-on-Don [email protected] Аннотация В настоящее время стала актуальной проблема эффективного использования доступного спектра частот. Однако технология когнитивного радио предлагает ряд путей решения этой проблемы. Когнитивное радио представляет собой механизм динамического управления спектром, который позволяет вторичным пользователям передавать сообщения в диапазоне частот, оставленном для первичных пользователей, в те моменты, когда данный диапазон не используется первичными пользователями. Одним из основных способов реализации такой системы является использование программно-аппаратных комплексов средств связи, построенных на основе технологии SDR. Эта технология позволяет гибко программировать и настраивать радиосистемы с помощью программного обеспечения, не требуя значительных аппаратных изменений. Таким образом, SDR-технологии обеспечивают критически важные возможности для успешной реализации когнитивного радио. В статье представлена структурная схема когнитивного радио, которая отображает ключевые компоненты этой технологии. В целом, использование технологии когнитивного радио с программноаппаратными комплексами на основе SDR-технологий предлагает эффективный способ управления спектром частот и решения проблемы его эффективного использования. Annotation Currently, the problem of effective use of the available frequency spectrum has become urgent. However, cognitive development technology offers a number of ways to solve this problem. Cognitive radio is a dynamic spectrum management mechanism that allows secondary users to transmit messages in the frequency range reserved for primary users, at those moments when this range is not used by primary users. One of the main ways to implement such a system is the use of software and hardware complexes of communication facilities built on the basis of SDR technology. This technology allows you to flexibly program and configure radio systems using software without requiring significant hardware changes. Thus, SDR technologies provide critical opportunities for the successful implementation of cognitive radio. The article presents a block diagram of cognitive radio, which displays the key components of this technology. In general, the use of cognitive radio technology with software and hardware complexes based on SDR technologies offers an effective way to control the frequency spectrum and solve the problem of its effective use. Ключевые слова: когнитивная радиосвязь, программно-определяемое радио, ЦАП, АЦП, смеситель. Keywords: cognitive radio communication, software-defined radio, digital to analog converter, analog to digital converter, mixer. В начале 80-х годов прошлого века, основным способом передачи радиосигналов была амплитудная модуляция (АМ). Это было обусловлено простотой процессов модуляции и демодуляции. Тем не менее, это приводило к снижению качества принимаемого сигнала из-за затухания в канале, искажений и помех. Частично эти проблемы были решены с появлением частотной модуляции (ЧМ), которая обеспечивала качество звука сравнимое с компакт-дисками (CD), но имела ограниченную область распространения [1]. Однако в радиоприемниках XM эта проблема была решена благодаря установке наземных ретрансляторов, которые передавали сигнал даже в условиях плотной городской застройки. Сеть вещания имела смешанную архитектуру, состоящую как из спутникового, так и наземного оборудования [2]. Во-первых, эра аналогового радио подходила к концу, и все больше стран переходили на цифровое вещание, которое обеспечивает более высокое качество звука. Во-вторых, ограниченный частотный спектр становился все более ограниченным ресурсом, и цифровые методы обработки позволяли сжимать данные и размещать больше информации на одной полосе частот [2]. Применение спектрально-эффективных видов модуляции позволило значительно повысить скорость передачи информации при имеющихся ограничениях на частотный ресурс. Применение энергетически эффективных видов модуляции позволило существенно повысить помехоустойчивость передачи информации. Однако, применение спектрально-эффективных видов модуляции зависит от уровня шумов и помех в канале. Таким образом, возникло противоречие между стремлением к повышению скорости передачи информации путем применения спектрально-эффективных видов модуляции, с одной стороны, и низкой эффективностью этих видов модуляции в условиях высокого уровня помех, с другой стороны. Для разрешения этого противоречия была предложена технология программно-определяемого радио (SDR), позволяющая перестраивать технологии модуляции и демодуляции сигналов, используемые в системах связи, путем перепрограммирования блоков цифровой обработки без изменения аппаратного состава. Это, в свою очередь, позволило изменять в реальном времени вид используемых цифровых сигналов в канале связи в зависимости от сложившейся шумовой обстановки. Рассмотрим особенности построения приемных устройств, реализованных по технологии SDR. На рисунке 1 представлен традиционный супергетеродинный приемник, где процесс обработки сигнала осуществляется с помощью электронных схем. Основным недостатком такой схемы является её настройка только на конкретный вид модуляции. Рисунок 1 – Структурная схема супергетеродинного приёмника На рисунке 2 изображен SDR-приемник, где вместо традиционного демодулятора применяется АЦП (аналого-цифровой преобразователь). АЦП позволяет преобразовать аналоговый сигнал ПЧ в цифровую форму, которая затем может быть обработана программными алгоритмами. Рисунок 2 – Структурная схема первого SDR На рисунке 3 изображена схема современного SDR-приемника, где демодуляция и фильтрация сигнала выполняются в сигнальном процессоре (DSP). Современные аналого-цифровые преобразователи (АЦП) обладают высокой скоростью работы, что позволяет DSP выполнять больше функций. Для работы DSP необходимо знать амплитуду и фазу сигналов. Для этого принятый радиосигнал разделяется на два компонента: синфазную (I) и квадратурную (Q). Компонента I соответствует амплитуде сигнала, а компонента Q смещена на 90 градусов и отражает его фазу. Такое разделение позволяет DSP осуществлять дальнейшую обработку сигнала, такую как демодуляцию, фильтрацию, амплитудную и фазовую модуляцию и другие операции обработки сигналов. Схема современного SDR-приемника на рисунке 3 показывает, что сигнал после понижения частоты до промежуточной частоты (ПЧ) передается в АЦП, который преобразует аналоговые сигналы в цифровой вид, разделяет их на компоненты I и Q, и передает их на DSP для дальнейшей обработки. DSP выполняет нужные алгоритмы обработки сигнала, такие как фильтрация и демодуляция, и выдает результаты в цифровой форме, которые могут быть использованы для дальнейшего анализа, передачи или отображения [3]. Вначале входной сигнал усиливается с использованием малошумящего усилителя. Далее сигнал подвергается смешиванию в гетеродине с помощью сигналов синтеза частоты. Такой процесс позволяет разделить сигнал на компоненты I и Q. Для получения квадратурной компоненты гетеродин смещается на 90º. Частота гетеродина настраивается таким образом, чтобы разность вы- ходных сигналов от смесителей была равна нулю для немодулированного сигнала или равна сигналу основной полосы для модулированного сигнала. Рисунок 3 – Современная схема SDR-приёмника Такая конструкция, где используется нулевая промежуточная частота, называется прямым преобразованием. Затем сигналы основной полосы фильтруются при помощи фильтра нижних частот (ФНЧ) и подаются на пару аналого-цифровых преобразователей (АЦП) для дальнейшей цифровой обработки. Затем, в цифровом преобразователе, частота сигнала снижается до рабочего диапазона сигнального процессора. SDR (Software Defined Radio) имеет простую аппаратную часть, так как стандартные радиочастотные схемы минимизируются, а их стоимость снижается. Большинство функций, которые ранее выполнялись в аналоговых схемах, теперь осуществляются сигнальным процессором. Этот подход является успешным благодаря гибкости программной реализации и возможности компенсировать некоторые нежелательные эффекты, возникающие в аппаратной части. В итоге, SDR предоставляет гибкость, адаптивность и универсальность, которые недоступны в традиционных радиосистемах [4]. Литература 1. Проектирование, оптимизация и моделирование SDR. — Текст : электронный // russianelectronics : [сайт]. — URL: https://russianelectronics.ru/sdr/ (дата обращения: 19.11.2023). 2. Проектирование приемного устройства по технологии SDR. — Текст : электронный // : [сайт]. — URL: https://core.ac.uk/download/pdf/323217774.pdf (дата обращения: 19.11.2023). 3. Проектирование приемного устройства по технологии SDR. — Текст : URL: http://dspace.bsu.edu.ru/bitstream/123456789/30353/1/Groshev_Proektirov anie_17.pdf (дата обращения: 19.11.2023). 4. Александр, Тумачек Программно-конфигурируемое радио набирает обороты / Тумачек Александр, Кругликов Дмитрий. — Текст : непосредственный // СОВРЕМЕННАЯ ЭЛЕКТРОНИКА. — 2016. — № 8. — С. 2-7. 5.Рембовский, А.М., Токарев А.Б., Автоматизированный радиомониторинг на основе одноканальной и двухканальной обработки данных // Вестник МГТУ. 2004. №3(56). С. 42-62. Literature 1. SDR design, optimization and modeling. — Text : electronic // russianelectronics : [website]. — URL: https://russianelectronics.ru/sdr / (date of reference: 11/19/2023). 2. Design of the receiving device using SDR technology. — Text : electronic // : [website]. — URL: https://core.ac.uk/download/pdf/323217774.pdf (date of application: 11/19/2023). 3. Design of the receiving device using SDR technology. — Text : URL: http://dspace.bsu.edu.ru/bitstream/123456789/30353/1/Groshev_Proektirovanie_1 7.pdf (date of access: 11/19/2023). 4. Alexander, Tumachek The software-configurable radio is gaining momentum / Tumachek Alexander, Kruglikov Dmitry. — Text : direct // MODERN ELECTRONICS. — 2016. — No. 8. — pp. 2-7. 5.Rembovsky, A.M., Tokarev A.B., Automated radio monitoring based on single-channel and two-channel data processing // Bulletin of the Moscow State Technical University. 2004. No.3(56). pp. 42-62.
