Когда Алиса отошла от каменной плиты, голос пророка, доносившийся из глубины коридора, уже стал очень тихим:
«Запомни этот чертёж. Между идеалом и реальностью лежит путь через радиочастотный передатчик-приёмник (RF front-end).»
Алиса не обернулась. Светлый коридор впереди начал раздваиваться — вместо чистого белого потока кода он превратился в коридор, стены которого были усеяны схемами. Каждый участок стены изображал один этап диаграммы потока сигналов, словно раскрытый учебник, разложенный прямо на стене.
Она остановилась у первого участка стены.
На стене была изображена полная диаграмма потока сигналов — от антенны слева до антенны справа, причём каждый функциональный модуль соединён светящейся стрелкой:
Антенна① → RF-передатчик-приёмник → ADC → DDC → Обработка базовой полосы → DUC → DAC → RF-передатчик-приёмник → Антенна②
Под изображением шла строка мелким шрифтом:
«Это тело Software-Defined Radio (SDR): слева направо — приём, справа налево — передача.»
Алиса прочитала диаграмму слева направо, затем справа налево. Она увидела, как сигнал поступает с антенны, проходит через RF-передатчик-приёмник, преобразуется в цифровую форму с помощью ADC, замедляется с помощью DDC, «думает» в блоке обработки базовой полосы, а затем в обратном порядке проходит через DUC (ускорение), DAC (преобразование в аналоговую форму), RF-передатчик-приёмник (усиление) и излучается через антенну.
«RF-передатчик-приёмник — первый и последний этап на этом пути: первым принимает входящий сигнал и последним прощается с исходящим.»
«Что же именно здесь происходит?» — пробормотала Алиса себе под нос.
Она сделала несколько шагов вперёд, и второй участок стены дал ответ.
I. Три задачи RF-передатчика-приёмника
На втором участке стены был изображён увеличенный модуль «RF-передатчик-приёмник», разбитый на три последовательных подмодуля, каждый выделен светом другого цвета:
① Усилитель с низким уровнем шума (LNA) → ② Фильтр → ③ Преобразователь частоты (смеситель)
«RF-передатчик-приёмник решает три задачи, — гласил текст на стене, — и только три.»
Алиса остановилась и внимательно прочитала:
Первая задача: усиление.Сигнал, поступающий с антенны, чрезвычайно слаб — возможно, всего миллионная доля вольта. При прямой обработке он будет полностью затоплен шумом. Поэтому RF-передатчик-приёмник сначала усиливает его с помощьюусилителя с низким уровнем шума (LNA).Ключевой момент — «низкий уровень шума»: сам усилитель не должен вносить значительного дополнительного шума, иначе при усилении сигнала будет усиливаться и собственная «неисправность» усилителя.
Вторая задача: фильтрация.Сигнал, принятый антенной, содержит не только нужную частоту — он захватывает все электромагнитные волны во всём диапазоне. RF-передатчик-приёмник используетполосовой фильтрдля отсечения ненужных частот и оставляет лишь интересующий вас участок спектра. Как если бы вы хотели слышать только скрипку и поэтому заглушили барабаны и аплодисменты.
Третья задача: преобразование частоты.Это самый важный этап. Сигнал, принятый антенной, — этовысокочастотный сигнал— десятки, сотни или даже тысячи мегагерц. Высокочастотные сигналы характеризуются высокой скоростью, короткой длиной волны и большой плотностью информации. Однако их невозможно напрямую подавать на АЦП для аналого-цифрового преобразования: АЦП недостаточно быстр, а даже если и достаточно быстр — точности всё равно не хватит. Поэтому высокочастотный сигнал необходимо «преобразовать» в более низкую, удобную для обработки частоту.
«Существует два способа такого „преобразования“, — продолжал текст на стене, — как и два способа перевода.»
II. Два способа преобразования частоты: сверхгетеродинная и нулевой промежуточной частоты (zero-IF) архитектуры
На стене появились две параллельные схемы.
Левая схема: сверхгетеродинная архитектура
Сигнал поступает с антенны → усилитель → фильтр →смеситель① (смешивание с локальным генератором, преобразование в промежуточную частоту)→ фильтр промежуточной частоты →смеситель② (смешивание с другим локальным генератором, преобразование в базовую полосу) → ADC
“Сверхгетеродинная архитектура: двухступенчатое понижение.Сначала высокочастотный сигнал понижается до «промежуточной частоты» (Intermediate Frequency), а затем — с промежуточной частоты до базовой полосы. Промежуточная частота — фиксированная средняя частота: будь то сигнал на 2 ГГц или на 900 МГц, сверхгетеродинная архитектура сначала приводит его к одной и той же промежуточной частоте (например, 70 МГц), а затем — ещё раз понижает до базовой полосы.
“Преимущества сверхгетеродинной архитектуры:Обработка на промежуточной частоте хорошо отработана, стабильна, фильтры обладают отличными характеристиками.Недостатки:Требуется многоступенчатое смешение, схема сложна, необходимы внешние поверхностно-акустические фильтры, интеграция затруднена. ”
Алиса вспомнила «запаянные комнаты», которые она видела в своём первом приключении — старые радиоприёмники с катушками индуктивности и конденсаторами, настраиваемыми на промежуточную частоту, — продукт именно сверхгетеродинной архитектуры.
Правая схема: архитектура нулевой промежуточной частоты (zero-IF)
Сигнал поступает с антенны → усилитель → фильтр →смеситель (смешивание с локальным генератором, одношаговое преобразование в базовую полосу) → ADC
“Архитектура нулевой промежуточной частоты: одношаговое преобразование.С помощью одного локального генератора высокочастотный сигнал напрямую преобразуется в базовую полосу — промежуточная частота пропускается. Поскольку промежуточная частота отсутствует, архитектура и называется «нулевой промежуточной частоты».
«Преимущества архитектуры нулевой промежуточной частоты:Требуется только одно смешение, схема проста и может быть интегрирована в одну микросхему.Недостатки:Необходимо тщательно компенсировать постоянную составляющую (DC offset), утечку локального генератора и гармонические помехи.Алиса несколько раз переключалась взглядом между двумя схемами. Сверхгетеродинная архитектура напоминала длинную лестницу — сначала спуск на промежуточную площадку, затем ещё один спуск на землю. Архитектура нулевой промежуточной частоты — как прямая горка: с верхнего этажа сразу вниз.。”
III. Интегральные RF-микросхемы — «сердце» архитектуры нулевой промежуточной частоты
Следующий фрагмент текста на стене сопровождался увеличенной схемой микросхемы:
«Современные платформы Software-Defined Radio (SDR), особенно компактные USB-ключи и платы, почти всегда используют
архитектуру нулевой промежуточной частоты. Причина проста: весь RF-передатчик-приёмник можно реализовать в одной микросхеме. Усиление, фильтрация, смешение и даже АЦП — всё интегрировано в одном кристалле.»На стене перечислены типичные RF-трансиверные микросхемы:
AD9361 (Analog Devices): самая известная микросхема в области SDR. Диапазон частот — от 70 МГц до 6 ГГц, регулируемая полоса пропускания — от 200 кГц до 56 МГц. Поддержка 2×2 MIMO
(два передатчика и два приёмника). Именно эта микросхема используется в USRP B200/B210.（AD9371: усовершенствованная версия AD9361. Диапазон частот — от 300 МГц до 6 ГГц, более высокая полоса пропускания, внутри интегрированы дополнительные функции цифровой обработки сигналов. Используется в более производительных SDR-платформах.
LMS7002M (Lime Microsystems): покрывает диапазон от 100 кГц до 3,8 ГГц, максимальная полоса пропускания — 120 МГц
— ключевая микросхема в серии LimeSDR. Яркий пример проектов открытого аппаратного обеспечения.。GC080X (GeXin Technology): китайская широкополосная RF-трансиверная микросхема, диапазон — от 30 МГц до 6 ГГц, полоса пропускания — 100 МГц. Поддержка двух передатчиков и двух приёмников. Часто используется совместно с китайскими FPGA.
CX9261H (ChengXin Technology): высокопроизводительный китайский RF-трансивер, диапазон — от 70 МГц до 2700 МГц, три приёмника и два передатчика, применяется главным образом в военных и высокотехнологичных системах связи.
«Эти микросхемы — „сердце“ архитектуры нулевой промежуточной частоты, — резюмировал текст на стене. — Они сжимают задачу, для которой раньше требовалась целая печатная плата, до размеров ногтя. RF-передатчик-приёмник больше не является «запаянной комнатой», а превращается в программируемую, многократно перенастраиваемую микросхему: различные частоты, полосы пропускания и коэффициенты усиления задаются исключительно программно.»
Алиса смотрела на схемы этих микросхем — они различались по размеру и форме, но выполняли одну и ту же задачу: преобразование сигнала с антенны в сигнал базовой полосы и наоборот.
«Значит…» — медленно произнесла она, — «RF-передатчик-приёмник тоже перешёл от „запаянного железа“ к „программно настраиваемому“?»
Текст на стене мигнул, как бы выражая согласие:
Да. RF-передатчик-приёмник более не представляет собой фиксированную схему. Полоса пропускания фильтров, частота смешения, коэффициент усиления — всё это изменяется программно путём записи в регистры. Граница «железа» RF-передатчика-приёмника отступает, и всё больше функций переходит под управление программного обеспечения.
“IV. АЦП — «порт ввода» в цифровой мир ”
Она продолжила движение по коридору. Следующий участок стены содержал схему АЦП — круглый «порт ввода», мерцающий голубым светом: сигнал входит слева (из аналогового мира) и выходит справа (в цифровой мир) в виде аккуратной последовательности нулей и единиц.
Текст на стене был лаконичен:
«АЦП — аналого-цифровой преобразователь. Это место, где аналоговый сигнал превращается в цифровой.
На этом этапе сигнал перестаёт быть непрерывно изменяющимся напряжением и становится последовательностью отсчётов — каждый отсчёт представлен числом.»Частота дискретизации
“: сколько раз в секунду производится отсчёт. Чем выше частота, тем выше частота обрабатываемого сигнала. Для аудио CD — 44,1 кГц, для человеческой речи — 8 кГц, для сигнала Wi-Fi требуется десятки МГц.Разрешение
“: сколько бит используется для представления каждого отсчёта. Чем больше бит, тем выше точность. Для аудио CD используется 16 бит, для профессиональных SDR — 12, 14 или даже 16 бит.«АЦП — это горло SDR
— он определяет, какие по частоте и точности сигналы способна обрабатывать данная система SDR. Чем выше частота дискретизации и разрешение АЦП, тем шире «поле зрения» и выше «разрешение» SDR — однако растут и энергопотребление, и стоимость.Алиса вспомнила слова пророка: «АЦП пока недостаточно быстр и недостаточно точен. Идеал — прямое АЦП сразу после антенны, но реальность — цифровизация на промежуточной частоте». Сейчас она видела именно эту «реальность» — сигнал прошёл три этапа обработки в RF-передатчике-приёмнике, прежде чем достиг порога АЦП.
А выход АЦП — это начало путешествия цифрового сигнала — следующее место, которое предстоит исследовать.
V. Направление передачи — обратное прохождение
Она дошла до развилки в коридоре, где указатель гласил:
«Направление приёма пройдено. Направление передачи — зеркальное отражение.»
Алиса обернулась.
Если направление приёма выглядит так:
Антенна → RF-передатчик-приёмник (усиление/фильтрация/понижение частоты) → АЦП → DDC → Обработка базовой полосыто направление передачи — его зеркальное отражение:
Обработка базовой полосы → DUC → ЦАП → RF-передатчик-приёмник (повышение частоты/фильтрация/усиление) → Антенна«Приём — это понижение высокой частоты до низкой, передача — повышение низкой частоты до высокой», — говорил текст на стене. — «Действия RF-передатчика-приёмника при передаче противоположны действиям при приёме: он должен повысить сигнал базовой полосы до радиочастоты, затем усилить и излучить его через антенну.»
Она продолжила движение и обнаружила, что прошла полный круг и снова оказалась у первого участка стены с полной диаграммой потока сигналов.
Под изображением появилась новая строка мелким шрифтом, которой ранее не было:
«Каждый этап потока сигналов будет подробно раскрыт в специализированном помещении. RF-передатчик-приёмник вы только что прошли. АЦП вы уже узнали.»
«Следующая станция — участок между АЦП и обработкой базовой полосы: цифровой цех преобразования частоты.»
«А до этого, — свет на стене внезапно разделился в стороны, открыв новый коридор, — вам нужно познакомиться с тремя главными действующими лицами, которые обеспечивают работу этого пути. Они уже готовы.»
Алиса повернулась к новому коридору. В его конце сквозь стены пробивался переплетённый красный, синий и зелёный свет — красный — страстный, синий — глубокий, зелёный — устойчивый. Три луча света, исходящие из одного направления, сходились в единый путь, ведущий в неизвестность.
Она направилась к трёхцветному свету.
(Продолжение следует. Глава четвёртая: «Сцена трёх братьев» — Алиса войдёт в огромный театр, где FPGA, DSP и CPU исполнят совместное представление, каждый выполняя свою роль. Перед входом в цифровой цех преобразования частоты ей предстоит понять: кто осуществляет преобразование частоты, кто выполняет вычисления, а кто управляет всем процессом.)
【Краткий обзор ключевых понятий третьей главы】
Концепция SDR
| Сказочное воплощение | Полный поток сигналов SDR |
| Антенна → RF-передатчик-приёмник → АЦП → DDC → Обработка базовой полосы → DUC → ЦАП → RF-передатчик-приёмник → Антенна — «карта» всей книги | Три задачи RF-передатчика-приёмника |
| Усиление с низким уровнем шума (LNA), полосовая фильтрация, преобразование частоты — подготовка сигнала к цифровизации | Усилитель с низким уровнем шума (LNA) |
| Усиливает слабый сигнал, не внося при этом существенного шума | Полосовой фильтр |
| Отсекает ненужные частотные диапазоны, оставляя только требуемый участок | Сверхгетеродинная архитектура |
| Двухступенчатое понижение частоты: РЧ → промежуточная частота → базовая полоса; сложная схема, но стабильные характеристики | Архитектура нулевой промежуточной частоты |
| Одношаговое преобразование: РЧ → базовая полоса; простая схема, легко интегрируется — доминирующая архитектура современных SDR | Интегральные RF-микросхемы |
| AD9361 (USRP), LMS7002M (LimeSDR), GC080X, CX9261H — вся RF-часть сведена в одну микросхему | АЦП (аналого-цифровой преобразователь) |
| «Порт ввода» между аналоговым и цифровым мирами — частота дискретизации и разрешение определяют предельные возможности SDR | Направление передачи — зеркальное отражение приёма |
| Приём — понижение частоты, передача — повышение частоты — RF-передатчик-приёмник проходится в обратном направлении | Анонс следующей главы |
: «Сцена трёх братьев» — Алиса войдёт в огромный театр, где FPGA, DSP и CPU исполнят совместное представление, каждый выполняя свою роль. Она поймёт распределение обязанностей в цифровой части SDR: тяжёлую работу берёт на себя FPGA, точные вычисления — DSP, а общее управление — CPU.Оригинальный материал. При цитировании указывайте автора, название официального канала WeChat и официальный веб-сайт (
)https://www.dyaotech.comЗапрещается без разрешения вносить изменения или использовать в коммерческих целях. Нарушители будут привлечены к ответственности!