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Vortrag zum Hauptseminar
Software Defined Radio Eine Anwendung der schnellen digitalen Signalverarbeitung
Michael Freitag, [email protected]
Dresden, 03.02.2010
Dresden, 03.02.2010 Software Defined Radio - Ein Überblick 2/13
Gliederung
1. Einführung2. Konzept / Architektur
1. Analoge Hochfrequenzhardware2. Digitale Signalverarbeitung
3. Aktuelle Implementierungen4. Zusammenfassung
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Motivation – Evolution des Mobilfunks● 1G (1. Generation) 1958-84 Analoges A-, B-, C-Netz● 2G 1992 Digitaler GSM-Standard im D- und E-Netz● 2.5G 1999 GPRS zur paketorientierten Datenübertragung● 3G 2004 UMTS ● 4G ab 2010 LTE (Long Term Evolution)
● jeder Generationswechsel erfordert(e) nahezu kompletten Austausch der Netzinfrastruktur sowie aller Mobilfunkendgeräte
→ immense Kosten und mehrfache Entwicklungsarbeit
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Die Lösung – Software Radio?
● Hardwareanteil << Softwareanteil
● Große Flexibilität, effiziente Kanalausnutzung
● Kostengünstige Softwareupdates
● Unterstützung aller Standards
● Schnellere Marktreife neuer Produkte
● Energieeinsparungen
A/DD/A
Digitale Signalverarbeitung Nutzer
Hardwareanalog
SoftwareHardwaredigital
● Erweiterung zum Cognitive Radio
● Intelligent, komplett software-gesteuert, volles Bewusstsein über Funkkanal (z.B. andere Sender)
● Möglichkeiten der adaptiven Selbstkonfiguration zur Laufzeit (Frequenzband, Modulation, Kanalkodierung, Fehlerkorrektur, Verschlüsselungsstärke)
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Analoges HF-Frontend● Weiter Fequenzbereich: 0 bis 6 Ghz
für Kommunikation und Positionierung, Radaranwendungen über 100 Ghz erfordert:
→ sehr breitbandige Antenne, nicht realisierbar
→ Abtastraten für ADC im GSamples/s - Bereich● Hohe ADC-Auflösung (hoher Signal-Rauschabstand)
● Stand der Technik: 14 Bit bei 400 MSamples/s, SNR ca. 60dB● Keine Frequenzselektivität
→ Sättigung der Eingangsstufen durch Störung/Interferenz möglich● Freiraumdämpfung, Hindernisse, Störungen
→ Einfügen breitbandiger Vorverstärker bzw. Leistungsstufen (aufwändig!)
A/DD/A
Digitale Signalverarbeitung Nutzer
Hardwareanalog
SoftwareHardwaredigital
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A/D Digitale Signalverarbeitung Nutzer
HF-BandpassHF-Bandpass
HF-Bandpass
LNABandpass
Lokaler Oszillator
Aktuelle Umsetzung (Empfangsteil)
Zukünftig möglich (schnellere Hardware!)
A/D Digitale Signalverarbeitung NutzerHF-Bandpass,
digital einstellbar
LNA
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cos(fc*t)
-sin(fc*t)
Bandpass
Bandpass
Demodulation,Kanaldekodierung,
Fehlerkorrektur,Verschlüsselung,
...
I
Q
14 Bit
400 MS/s
Dezimation
Dezimation
z.B. 20 MS/s 3.84 MS/s(WLAN) (UMTS)
1-Kanal-Empfangsteil
Digitale Signalverarbeitung
A/D Digitale Signalverarbeitung Nutzer
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cos(fc*t)
-sin(fc*t)
Bandpass
Bandpass
Digitale Filter
Direct Digital Synthesis
cos(fc*t)
-sin(fc*t)
Bandpass
Bandpass
Dezimation
Dezimation
400 MS/s z.B. 20 MS/s (WLAN)
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Anforderungen an die Signalverarbeitung● Extrem hohe Datenraten● Sehr schnelle parallele Ausführung arithmetischer Operationen
● schnelle Multiply-Accumulate-Units (MAC)● Stabile und sehr variable Takterzeugung● Möglichkeit zur Ausführung komplexer und einfach zu programmierender
Algorithmen zur Modulation, Kodierung, Ratenkonvertierung, Verschlüsselung, Seriell-Parallel-Wandlung, Paketierung, TCP/IP-Stacks, ...
● Schnelle Speicherinterfaces● Flexibler interner Speicher für z.B. FIFOs, Schieberegister, Speicherblöcke, ...● Geringer Stromverbrauch
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FPGA-Umsetzung Pentek 7142● 4x 125 MSPS ADC
● 1x 500 MSPS DAC
● 768 MB DDR2-RAM
● Xilinx Virtex 4
● 2s Speichermöglichkeit bei 125MSPS
● 13.500$
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Universal Software Radio Peripheral & GNU Radio
● Ettus Research Ltd.
● Altera Cyclone FPGA (Dezimation)
● 4x ADC 64 MS/s, 12 Bit(16 Mhz Eingangsbandbreite)
● 4x DAC 128 MS/s, 14 Bit
● Transceiver als Zusatzboards für bis zu 5.9 Ghz
● Open-Source (Schaltpläne + Layout)
● USB 2.0 - Interface
● Treiber für GNU Radio (Open Source Signalverarbeitungs-Software)
● 800$
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Zusammenfassung● SDR ist Technologie der Zukunft für die drahtlose Datenübertragung● Vorteile im Vergleich zu dedizierten Lösungen:
● Flexibilität, ● Re-/Selbstkonfigurierend, ● Einfache Hardware
● Nachteile:● Hoher Bedarf an Rechenleistung,
→ Hoher Energieverbrauch in derzeitiger Halbleitertechnologie,● Hohe Anschaffungskosten
● Anwendungen im Moment: Militär, Weltraum, Kfz-Technik● Aber auch spezielle Anwendungsfelder, für die es sich nicht lohnt, z.B. RFID
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Literatur● Tuttlebee, Walter H.W.: Software Defined Radio: Enabling Technologies. Wiley, 2002
● Rouphael, Tony J.: RF and Digital Signal Processing for Software-Defined Radio, 2009
● Naghmash, Majid S. et al.: FPGA Implementation of Software Defined Radio Model based 16QAM. In European Journal of Scientific Research 2009 (10 MBit/s – Virtex 4)
● Ramoin, Eloi et al.: Using FPGAs for Software-Defined Radio Systems: a PHY layer for an 802.15.4 transceiver (WPAN, Altera Stratix)
● Surineni, Shravan K.: SDR based implementation of IEEE 802.11 WLAN baseband protocols. Master Thesis, 2004 (54 MBit/s, Virtex 2)
● Delahaye, J.P et al.: SDR and dynamic reconfiguration on a DSP/FPGA platform
Danke für Ihre Aufmerksamkeit!