Алиса вышла из театра, всё ещё сжимая в руке схему потока сигналов — антенна → РЧ-передний конец → АЦП → ЦПС (цифровое понижение частоты) → базовая обработка → ЦПВ (цифровое повышение частоты) → ЦАП → РЧ-передний конец → антенна. Она шла и одновременно рассматривала схему, задержав взгляд на двух метках — «ЦПС» и «ЦПВ».
«Это моя родная стихия — ПЛИС», — пробормотала она себе под нос. «Завод цифрового преобразования частоты».
Она подняла голову. Перед ней возник огромный завод, из труб которого вместо чёрного дыма вырывались постоянно меняющиеся спектральные линии — одни высокие, другие низкие, одни медленно скользили, другие резко прыгали. Стены завода были выполнены из полупрозрачного стекла: снаружи можно было увидеть множество движущихся конвейерных лент, но на них не перевозились детали — а сигналы. При поступлении на один конец ленты сигналы имели вид плотных, быстро колеблющихся тонких иглообразных волн; при выходе с другого конца они превращались в плавные, медленно изменяющиеся базовые волновые формы.
На воротах завода висела табличка:
«Завод цифрового преобразования частоты — место, где переводят разные „языки“».
Алиса открыла дверь и вошла внутрь. Внутри завод оказался тише, чем она ожидала: конвейерные ленты двигались бесшумно, тысячи сигналов текли беззвучно по прозрачным трубам. Единственный звук доносился из громкоговорителя, установленного высоко над головой:
«Направление приёма — ЦПС (цифровое понижение частоты), выполняется перевод: язык высокой частоты → язык низкой частоты».
«Направление передачи — ЦПВ (цифровое повышение частоты), выполняется обратный перевод: язык низкой частоты → язык высокой частоты».
Алиса пошла вперёд по главному проходу. Завод был разделён на две зоны — слева написано «ЦПС — направление приёма», справа — «ЦПВ — направление передачи». В каждой зоне тянулась длинная конвейерная лента. У начала каждой ленты стоял человек — крепкого телосложения, в красной рабочей одежде, украшенной узорами логических элементов, с руками, скрещёнными на груди, будто он ждал её.
«Ты пришла», — сказал ПЛИС. «Я знал, что ты первой придёшь сюда».
«Разве ты не выступал в театре?»
ПЛИС рассмеялся — его голос напоминал щелчок десятков тысяч переключателей, одновременно замыкающихся: «В театре — это лишь представление. Здесь же — настоящая работа. Пойдём, я покажу тебе, как работают ЦПС и ЦПВ».
1. Направление приёма — ЦПС: понижение высокой частоты
ПЛИС привёл Алису к началу конвейерной ленты. По ленте двигался сигнал — высокочастотный, колеблющийся в виде плотного потока тонких игл, контуры отдельных колебаний едва различимы невооружённым глазом.
«Это высокочастотный сигнал с антенны», — пояснил ПЛИС. «Он уже прошёл усиление, фильтрацию и преобразование частоты в РЧ-переднем конце и был преобразован АЦП в цифровой сигнал. Сейчас он непрерывно поступает из выхода АЦП прямо ко мне. Его скорость очень высока — от десятков до сотен мегасэмплов в секунду — настолько велика, что DSP просто потеряет сознание при взгляде на него, а CPU немедленно «зависнет»».
«Поэтому первое, что нужно сделать — снизить скорость».
Он указал на три последовательно расположенных рабочих места на конвейерной ленте:
Рабочее место №1: смеситель. Высокочастотный цифровой сигнал на ленте здесь «встречается» с локально генерируемой цифровой частотой: их разность даёт сигнал более низкой частоты.
«Смешивание — вычитание локальной частоты из высокочастотного сигнала для получения промежуточной частоты. Как если бы два языка произносились одновременно, а я слушаю только разницу между ними».
Рабочее место №2: фильтр. После смешивания сигнал проходит через точную «сетку», пропускающую только заданный частотный диапазон, а все остальные частоты блокируются.
«Фильтрация — удаление паразитных частот, возникающих при смешивании, с сохранением только нужного участка спектра».
Рабочее место №3: дециматор. При прохождении этого участка конвейерная лента внезапно замедляется: из каждых 100 отсчётов сохраняется лишь 10, объём данных снижается в 10 раз.
«Децимация — поскольку частота сигнала понизилась, нам больше не нужны столь многочисленные отсчёты. Мы сохраняем лишь достаточное количество выборок, чтобы полностью сохранить информацию сигнала и обеспечить возможность его обработки DSP и CPU».
Пройдя три рабочих места, Алиса увидела сигнал на выходе конвейерной ленты — он уже не был высокочастотным иглообразным, а превратился в плавную, медленно колеблющуюся базовую волновую форму.
«Язык высокой частоты» → «Язык промежуточной частоты» → «Язык базовой полосы». Он был «переведён» дважды, а скорость снизилась в десятки раз, став удобной для понимания и обработки.
«Это и есть цифровое понижение частоты — ЦПС», — сказал ПЛИС. «Перевод высокочастотного сигнала, слишком быстрого для обработки, в низкочастотный сигнал, который легко обрабатывается. Цифровой сигнал с выхода АЦП проходит первую и самую важную стадию замедления именно в моих руках».
2. Направление передачи — ЦПВ: повышение низкой частоты
«Теперь посмотрим на другую сторону», — сказал ПЛИС и подошёл к началу конвейерной ленты в правой части завода.
Сигнал у начала этой ленты совершенно отличался от того, что она видела ранее: это был медленно текущий базовый сигнал с широким расстоянием между пиками — базовый сигнал, подготовленный к передаче после обработки в DSP и CPU.
«Это базовый сигнал, полученный от DSP — возможно, ваш голос или данные для передачи. Его скорость мала, частота низка, и он попросту не может быть передан через антенну. Чем ниже частота, тем длиннее должна быть антенна — для передачи базового сигнала потребовалась бы антенна длиной в десятки метров».
«Поэтому требуется обратное действие: перевод „медленного языка“ в „быстрый язык“».
Три рабочих места на правой конвейерной ленте очень похожи на те, что слева, но расположены в обратном порядке:
Рабочее место №1: интерполятор. Медленный базовый сигнал проходит через «ускоритель», в котором между двумя исходными отсчётами вставляются дополнительные значения, увеличивая объём данных в несколько раз.
«Интерполяция — увеличение плотности отсчётов, чтобы сигнал содержал достаточно выборок для повышения частоты».
Рабочее место №2: фильтр. Сигнал проходит через другую «сетку», удаляющую «зеркальные частоты», возникающие при интерполяции, и оставляющую только плавный, чистый сигнал.
«После интерполяции необходимо „подрезать края“, иначе в сигнале останутся лишние паразитные составляющие».
Рабочее место №3: смеситель. Сигнал «встречается» с локально генерируемым высокочастотным цифровым несущим колебанием: их сумма даёт высокочастотный сигнал.
«Смешивание — подъём низкочастотного сигнала вверх. Теперь он „сидит“ на несущей частоте, и его частота достигла РЧ-диапазона, позволяя передавать его через антенну».
Пройдя три рабочих места, сигнал на выходе конвейерной ленты снова превращается в высокочастотный, плотный волновой процесс — почти идентичный тому, что Алиса видела в начале ленты ЦПС.
«Язык базовой полосы (низкая частота)» → «Язык промежуточной частоты» → «Язык РЧ (высокая частота)». Он был «обратно переведён» дважды, его скорость возросла в десятки раз, и теперь он готов поступить в ЦАП для преобразования в аналоговый сигнал и дальнейшей передачи через РЧ-передний конец.
«Это и есть цифровое повышение частоты — ЦПВ», — сказал ПЛИС. «Перевод низкочастотного базового сигнала в высокочастотный РЧ-сигнал, способный покинуть антенну».
3. Обратный процесс
Алиса стояла между двумя конвейерными лентами — слева линия ЦПС (приём), справа — линия ЦПВ (передача). Она сравнила обе схемы потоков рядом:
• ЦПС (приём) : смешивание → фильтрация → децимация
• ЦПВ (передача) : интерполяция → фильтрация → смешивание
«Они практически противоположны?» — спросила Алиса.
«Совершенно верно!» — в голосе ПЛИС звучало явное удовлетворение. «ЦПС выполняет вычитание — частота понижается, данные уменьшаются. ЦПВ выполняет сложение — частота повышается, данные становятся плотнее. Децимация и интерполяция — взаимно обратные операции. Смешивание в обоих направлениях называется „смешиванием“, но в приёме это вычитание, а в передаче — сложение».
Он указал на параллельные схемы потоков, отображаемые на панели управления:
«Обратный ход ЦПС — это ЦПВ». В мире SDR возможность приёма означает и возможность передачи — при условии, что весь процесс выполняется в обратном порядке».
«И всё это», — он постучал себя по груди, — «происходит в моих руках. Смешивание, фильтрация, децимация, интерполяция — эти операции требуют одновременной обработки миллиардов потоков данных со скоростью в десятки миллиардов операций в секунду. Ни ожидания, ни очередей, ни „по одному“ — только я могу выполнять миллионы операций одновременно».
«Брат-второй DSP считает точно, но не справляется с таким количеством параллельных потоков; брат-третий CPU управляет широко, но не успевает по скорости. Цифровое преобразование частоты — это по определению моя родная стихия».
4. Расположение преобразования частоты в потоке сигналов
ПЛИС провёл Алису в центр управления завода. На стене висела огромная «Карта перевода частот» — совпадающая с той схемой потока сигналов, которую она видела в коридоре, но с выделенными красным областями ЦПС и ЦПВ.
«Смотри», — указал ПЛИС на карту, — «во всём потоке сигналов значительная часть цифровой обработки между АЦП и ЦАП связана именно с операциями над частотой — понижением и повышением скорости, смешиванием и фильтрацией».
«Моё место находится здесь — от выхода АЦП до входа в базовую обработку и от выхода из базовой обработки до входа ЦАП. Все операции цифрового преобразования частоты выполняю я. Затем я передаю обработанный базовый сигнал DSP, а принимаемый базовый сигнал беру от него».
«А что делает DSP?» — спросила Алиса.
«Он находится в зоне базовой обработки и занимается модуляцией/демодуляцией, кодированием/декодированием, эквализацией — задачами, требующими высокой точности вычислений. Но он не работает с преобразованием частоты: это слишком «тяжёлая» операция, ему не под силу».
«А CPU?»
«Он находится в самом верху всей карты. Не стоит ни на одной конвейерной ленте, но управляет всеми лентами — задаёт параметры частот, конфигурации фильтров, частоты дискретизации. Всё это он командует сверху».
Алиса, глядя на цветовое распределение ролей на карте, наконец поняла принцип работы всего потока сигналов.
«Таким образом, полный путь сигнала таков — антенна → РЧ-передний конец → АЦП → ПЛИС (ЦПС) → DSP (базовая обработка) → ПЛИС (ЦПВ) → ЦАП → РЧ-передний конец → антенна (передача)».
«ПЛИС выполняет работу дважды — один раз при приёме (понижение частоты), другой — при передаче (повышение частоты). DSP выполняет одну точную вычислительную операцию посередине. CPU находится над всеми и управляет всеми процессами».
«Совершенно верно», — ПЛИС засунул руки в карманы красной рабочей одежды. «Вот и вся история цифровой области SDR — тяжёлая работа — мне, точная работа — DSP, управленческая работа — CPU».
Он указал в сторону выхода завода: «Следующая остановка — вы увидите меня и братьев-второго и -третьего в разных исполнениях на различных платформах. На одних платах я занимаю лишь небольшую комнату, на других — целый этаж, а на одной из платформ мы с братом-третьим даже живём в одной комнате».
«Следующая остановка?»
«Выставка оборудования», — сказал ПЛИС. «Там вы увидите трёх братьев в конкретных реализациях на разных платформах».
5. Выход из завода
Когда Алиса вышла из завода, уже почти наступил вечер. В полупрозрачных стенах завода конвейерные ленты продолжали работать, сигналы — течь, смесители, фильтры, дециматоры и интерполяторы — по-прежнему выполняли свои функции перевода.
Под табличкой на воротах завода появилась новая строка — словно кто-то добавил её в момент её ухода:
«Это не завод по производству сигналов, а завод по переводу сигналов».
«— Переводчик: старший брат ПЛИС».
Алиса обернулась и увидела, что крепкий красный силуэт всё ещё стоит у входа в завод. Его десять тысяч рук были сложены, но за спиной конвейерные ленты продолжали работать безостановочно: переводя высокие частоты в низкие и низкие — в высокие. День за днём, частота за частотой — вот почему завод цифрового преобразования частоты никогда не останавливается.
Она повернулась и пошла к следующей остановке.
Вдали проступал силуэт огромного выставочного павильона. Под прозрачным стеклянным куполом свет освещал бесчисленные стенды и печатные платы. Она начала представлять, в каких формах трое братьев предстанут на этих стендах.
(Продолжение следует. Следующая глава: «Выставка оборудования» — Алиса посетит выставку оборудования SDR, от RTL-SDR стоимостью в десятки юаней до USRP стоимостью в десятки тысяч юаней, от ярко-жёлтого HackRF до автономной платформы Zynq. На каждой плате она будет искать старшего брата ПЛИС — от «небольшой комнаты» до «целого этажа»).
【Краткий обзор ключевых понятий пятой главы】
| Понятия SDR | Сказочные воплощения |
| Цифровое понижение частоты (ЦПС) — направление приёма | Высокая частота → промежуточная частота → базовая полоса, сигнал становится всё медленнее |
| Цифровое повышение частоты (ЦПВ) — направление передачи | Базовая полоса → промежуточная частота → РЧ, сигнал становится всё быстрее |
| Смешивание (приём) | Вычитание локальной частоты из высокочастотного сигнала — получение промежуточной частоты |
| Смешивание (передача) | Сложение базовой частоты с локальной частотой — получение РЧ-частоты |
| Фильтрация | Удаление ненужных частотных диапазонов, оставление только требуемой части спектра |
| Децимация | Направление приёма: уменьшение числа отсчётов, снижение скорости передачи данных |
| Интерполяция | Направление передачи: увеличение числа отсчётов, повышение скорости передачи данных |
| Зеркальное соотношение ЦПС и ЦПВ | Обратный порядок шагов в потоке приёма даёт поток передачи — одна и та же операция, но в противоположном направлении |
| Связь ЦПС/ЦПВ и ПЛИС | Цифровое преобразование частоты требует высокоскоростной параллельной обработки огромных потоков данных и поэтому обычно реализуется в ПЛИС. ПЛИС — «родная стихия» завода преобразования частоты. |
| Распределение обязанностей трёх братьев в потоке сигналов | ПЛИС выполняет ЦПС/ЦПВ (тяжёлая работа), DSP — базовую обработку (точная работа), CPU — управление и контроль (управленческая работа) |
Анонс следующей главы
Выставка оборудования — Алиса посетит выставку оборудования SDR, от RTL-SDR стоимостью в десятки юаней до USRP стоимостью в десятки тысяч юаней, от ярко-жёлтого HackRF до автономной платформы Zynq. Она будет искать трёх братьев на каждой плате: в RTL-SDR ПЛИС отсутствует, в HackRF используется упрощённая CPLD, в USRP установлен полноценный ПЛИС, а в Zynq ПЛИС и CPU уже живут в одной комнате.
Данный материал является оригинальным. При использовании необходимо указывать автора, название официального канала WeChat и официальный сайт (https://www.dyaotech.com). Любое изменение текста или коммерческое использование без разрешения строго запрещено!