Radiowy odbiornik cyfrowy - czyli radio programowalne

Odbiornik analogowy

Rys. 1. Schemat blokowy heterodynowego odbiornika analogowego

Mieszacz przekształca pożądany sygnał wejściowy na sygnał o częstotliwości pośredniej, która jest różnicą pomiędzy częstotliwością sygnału heterodyny i pożądanego sygnału w.cz. (rys. 3). Wzmacniacz sygnału p.cz. jest zarazem filtrem pasmowoprzepustowym, przepuszczającym sygnał tylko jednej stacji radiowej. Najczęściej obecnie spotykanymi wartościami częstotliwości p.cz. są 455kHz dla modulacji AM i 10,7MHz dla modulacji FM. Następny blok, czyli demodulator odzyskuje oryginalny sygnał z sygnału p.cz., dokonując jeszcze raz konwersji częstotliwości sprowadzając sygnał w zakres częstotliwości akustycznych. W zależności od zastosowanej modulacji, demodulator zbudowany jest jako detektor obwiedni (AM) lub dyskryminator częstotliwości (FM). Mamy, więc dwie przemiany częstotliwości, pierwszą w mieszaczu, a drugą w demodulatorze. Ze względu na zachodzącą przemianę częstotliwości tak działający odbiornik nazywa się heterodynowym.

Obecnie w systemach radiokomunikacyjnych, także ruchomych, stosuje się cyfrową modulację kwadraturową, która polega mówiąc w skrócie na tym, iż do kodowania przesyłanej informacji wykorzystuje się dwa ortogonalne sygnały I oraz Q. Przesyłana informacja kodowana jest we wzajemnej, chwilowej relacji pomiędzy fazami i amplitudami tych sygnałów.

Rys. 2 Odbiornik analogowy, homodynowy, stosowany np. przy odbiorze sygnałów UMTS

W tym rodzaju odbiornika sygnał w.cz., tak samo jak poprzednio, wzmocniony selektywnym wzmacniaczem niskoszumnym trafia tym razem do dwóch mieszaczy sterowanych sygnałem z generatora lokalnego. Faza sygnału generatora lokalnego jest dla jednego z mieszaczy przesunięta o 90 stopni, dzięki czemu jeden z mieszaczy sterowany jest przebiegiem sinusoidalnym, a drugi cosinusoidalnym. Pozwala to na odzyskanie dwóch ortogonalnych składowych modulowanego sygnału.

Przyjrzyjmy się teraz działaniu mieszacza w odbiorniku analogowym. Z matematycznego punktu widzenia, dokonuje on analogowego mnożenia dwóch sygnałów wejściowych i wytwarza na swoim wyjściu sygnał o częstotliwości równej różnicy częstotliwości wejściowych (w rzeczywistości mamy dodatkowo cale spektrum częstotliwości niepożądanych). Częstotliwość generatora lokalnego jest jak wspomniano ustawiana w ten sposób, aby różnica częstotliwość sygnału, który chcemy odbierać i sygnału heterodyny była równa częstotliwości pośredniej. I tak w przypadku pokazanego odbiornika heterodynowego częstotliwość pośrednia wynosi 10,7MHz w przypadku odbioru FM lub 0Hz dla odbiornika homodynowego.

W tym przypadku mówimy o przemianie częstotliwości w dół, ponieważ sygnał w.cz. jest „przesuwany” przez mieszacz w zakres niższych częstotliwości (rys. 3). Blok częstotliwości pośredniej (filtr dolnoprzepustowy w odbiorniku homodynowym) działa tu jako wąskopasmowy filtr, który przepuszcza tylko mały wycinek przetransformowanego sygnału w.cz. Szerokość pasma bloków pośredniej częstotliwości jest równa szerokości pasma sygnału, który chcemy odebrać.

Odbiornik cyfrowy

Rys. 3. Mieszacz przesuwa pożądany sygnał wejściowy na częstotliwość pośrednią

Zauważmy, następnym blokiem po przetworniku A/C jest układ scalony cyfrowego odbiornika, oznaczony schematycznie na rys. 4 prostokątem. Blok scalonego odbiornika cyfrowego, jest z reguły umieszczony w jednym monolitycznym układzie scalonym, stanowiącym serce cyfrowego systemu odbiorczego. Układ czasami nazywany jest również cyfrowym konwerterem (digital downconverter – DDC lub digital drop receiver – DDR).

We wnętrzu scalonego odbiornika cyfrowego znajdują trzy podstawowe bloki funkcjonalne tak, jak to pokazano na rys 5: generator lokalny, mieszacz oraz (decymacyjny) filtr dolnoprzepustowy.

Zauważmy, że sygnały wejściowe scalonego odbiornika cyfrowego są próbkami z przetwornika A/C oraz sygnał zegarowy przetwornika. Próbki sygnału dochodzą do odbiornika i są przezeń przetwarzane w czasie rzeczywistym.

Próbkowanie sygnału i aliasing

Twierdzenie Nyquist’a (Shannona) mówi o tym, że każdy sygnał ciągły może zostać zastąpiony sygnałem dyskretnym, ale pod warunkiem, że częstotliwość próbkowania sygnału będzie dwa razy wyższa od maksymalnej częstotliwości widma próbkowanego sygnału. Przykładowo, jeśli częstotliwość próbkowania przetwornika wynosi 70MHz, to pasmo sygnału analogowego nie może być szersze niż 35MHz.

Co się jednak stanie, jeśli zignorujemy powyższe kryterium? Na rys. 6a pokazano widmo sygnału próbkowanego z częstotliwością fs. Dla wszystkich sygnałów wejściowych o częstotliwości niższej niż fs/2 (obszar zacieniowany na rysunku), jak np. fo, kryterium Nyquista jest spełnione, a więc będą one właściwie reprezentowane przez spróbkowany sygnał.

Rys. 4. Schemat blokowy odbiornika cyfrowego.

Najprostszą metodą uniknięcia aliasingu, jest użycie dolnoprzepustowego filtru przed przetwornikiem A/C, który usunie z sygnały o częstotliwościach wyższych od fs/2. Działanie tego filtra, nazywanego filtrem antyaliasingowym pokazano na rys. 6b. W tym przypadku sygnał o częstotliwości fa jest wycinany z widma i niewidoczny dla przetwornika A/C.

Spełnienie kryterium Nyquista można również osiągnąć ograniczając pasmo sygnału próbkowanego poprzez zastosowanie innych rodzajów filtrów. Załóżmy, że interesują nas sygnały w paśmie pomiędzy częstotliwością fs/2 i fs. Używając filtru pasmowoprzepustowego o takim właśnie paśmie przepustowym spełnimy kryterium Nyquista, ponieważ szerokość pasma próbkowanego sygnału będzie równa połowie częstotliwości próbkowania. Nie wymaga się, bowiem, by dolna częstotliwość graniczna była równa 0 Hz. W procesie próbkowania, sygnał próbkowany z pasma fs/2 do fs zostanie „zawinięty” do pasma o częstotliwości od 0 do fs/2. Technika ta („undersampling”), choć doskonale działa w teorii, w praktyce stosowana jest rzadziej, ze względu na wyższą częstotliwość sygnału wejściowego przetwornika.

Przyjrzyjmy się teraz dokładniej kolejnym blokom funkcjonalnym scalonego odbiornika cyfrowego zaczynając od cyfrowego generatora lokalnego.

Generator lokalny

Układ generatora lokalnego pokazany na rys. 5 nie jest to niczym innym jak dobrze znanym układem cyfrowej, bezpośredniej syntezy częstotliwości (DDS), który realizowany jest przy użyciu tylko i wyłącznie elementów cyfrowych. Oscylator wytwarza cyfrowe próbki dwóch sygnałów sinusoidalnych przesuniętych między sobą o 90 stopni w fazie, a więc przebieg sinusoidalny i cosinusoidalny. W tym celu, stosowany jest układ akumulatora fazy i tablice wartości funkcji sinus i cosinus. Zauważmy, że próbki sygnału generatora lokalnego generowane są z tą samą częstotliwością fs, z jaką próbkuje się sygnał dochodzący z anteny.

Ważne jest, aby zrozumieć, że częstotliwość próbkowania jest zawsze równa fs, niezależnie od częstotliwości sygnału wytwarzanego w generatorze lokalnym. Częstotliwość przebiegu wyjściowego generatora zmieniana jest poprzez ustalenie wartości zmian fazy na próbkę sygnału. Wartość zmiany fazy na próbkę, jest kodowana nawet na 32 bitach i jest wprost proporcjonalna do częstotliwości, wynoszącej od 0 do fs/2.

Przykładowo, próbkując z częstotliwością 70MHz, zakres częstotliwości pracy generatora lokalnego zawiera się w granicach od 0 do 35MHz, a rozdzielczość częstotliwościowa jest dużo mniejsza niż 1Hz. Tak realizowany generator lokalny doskonale radzie sobie z szybkimi, skokowymi zmianami częstotliwości, gdyż cyfrowy akumulator fazy precyzyjnie kontroluję fazę sygnałów wyjściowych zapewniając jej ciągłość przy skokowej zmianie częstotliwości. W systemach analogowych, generator lokalny pracuje z częstotliwością o wiele wyższą (2GHz w przypadku UMTS, 6GHz dla WLAN), ale nie może być tak szybko i precyzyjnie przestrajany.

Zmiana częstotliwości generatora cyfrowego, to zmiana tylko i wyłącznie wartości zmiany fazy na próbkę dokonywana poprzez wpis nowej 32-bitowej wartości do rejestru, co z reguły trwa krócej niż mikrosekundę. Dzięki temu łatwo można zrealizować modulację częstotliwości FSK (frequency shift keying), czy też precyzyjne przemiatanie częstotliwości. Stany przejściowe oraz długi czas potrzebny na ustalenie częstotliwości, zjawiska występujące np. w analogowej pętli fazowej, są tu wyeliminowane.

Niektóre odbiorniki cyfrowe posiadają wbudowaną funkcję generacji przebiegu zmodulowanego liniowo w dziedzinie częstotliwości (chirp). To szybkie, programowalne i precyzyjne przemiatanie częstotliwości wykorzystywane jest na przykład w radiolokacji.

Mieszacz cyfrowy

Następnym elementem odbiornika cyfrowego jest mieszacz (rys. 5). Mieszacz, złożony jest z dwóch cyfrowych układów mnożących. Cyfrowe próbki wejściowe z przetwornika A/C są w mieszaczu matematycznie mnożone przez próbki funkcji sinus i cosinus z generatora lokalnego.

Rys. 5. Scalony odbiornik cyfrowy

Każda z próbek zostaje przemnożona przez sinus i cosinus, dzięki czemu odzyskiwane są sygnały I oraz Q, tak samo jak to miało miejsce w homodynowym odbiorniku analogowym. W przeciwieństwie do mieszaczy analogowych, które wytwarzają wiele niepożądanych produktów mieszania, mieszacze cyfrowe są niemalże idealne, gdyż generują tylko dwa sygnały: sumacyjny i różnicowy (w sensie częstotliwościowym). Za pomocą mieszacza, tak samo jak w homodynowym odbiorniku analogowym, przesuwamy interesujące nas pasmo w.cz. do 0 Hz. Po tej operacji należy jedynie odfiltrować z sygnału wszystkie te częstotliwości, które są większe od częstotliwości odbieranego kanału.

Dolnoprzepustowy filtr decymacyjny

Rys. 6. Zjawisko aliasingu a) bez filtra antyalisingowego b) z filtrem antyalisingowym

Zajmijmy się teraz kontrolą szerokości pasma decymacyjnego filtra dolnoprzepustowego. Aby zmienić szerokość pasma tego filtra należy zaprogramować współczynnik decymacji. Ponieważ szerokość pasma wyjściowego i częstotliwość próbkowania sygnału wyjściowego są ze sobą powiązane, współczynnik decymacji określa również częstotliwość próbkowania sygnału wyjściowego. Przykładowo, przy wejściowej częstotliwości próbkowania równej 70MHz i pożądanej szerokości pasma wyjściowego równej 7kHz współczynnik decymacji należy ustawić na 10000.

Ze względu na zakres zmian współczynnika decymacji odbiornik cyfrowe można podzielić na wąsko i szerokopasmowe. Współczynnik decymacji dla odbiorników wąskopasmowych zawiera się w granicach od 32 do nawet 131072. W odbiornikach szerokopasmowych, wskaźnik decymacji zawiera się w przedziale od 2 do 64.

Dwustopniowe przetwarzanie w odbiorniku cyfrowym

W odbiorniku cyfrowym mamy do czynienia z dwoma procesami, kontrolowanymi przez dwa, programowalne parametry, tak jak to pokazuje rys. 7. Po pierwsze mamy do czynienia z konwersją częstotliwości w dół, w zakres 0Hz, która jest kontrolowana poprzez ustalenie częstotliwości generatora lokalnego. Druga operacja, czyli filtrowanie sygnału filtrem dolnoprzepustowym przy jednoczesnej zmianie częstotliwości próbkowania sygnału wyjściowego sterowana jest współczynnikiem decymacji.

Rys. 7. Dwa główne procesy przetwarzania sygnału w odbiorniku cyfrowym.

Wracając do naszego ogólnego schematu odbiornika cyfrowego, pokazanego na rys. 4, widzimy, że sygnał wejściowy został poddany konwersji, filtracji i ograniczeniu pasma i został tym samym przygotowany do dalszej obróbki. Zauważmy, że sygnał wyjściowy filtra dolnoprzepustowego jest ciągle próbkowanym w czasie sygnałem, który może reprezentować jakikolwiek rodzaj modulowanego bądź nie sygnału.

W wielu systemach, potrzeba dalszej, cyfrowej obróbki sygnału poprzez bloki DSP lub FPGA. Ponieważ są to bloki programowalne, demodulacja polega na odpowiednim zaprogramowaniu algorytmu. I w tym właśnie leży cała siła radia programowalnego. Od początku, aż do końca obróbki sygnału używane bloki funkcjonalne są w pełni programowalne. Umożliwia to łatwe zbudowanie odbiornika obsługującego wiele różnych standardów, nawet jednocześnie.

Kilka definicji na zakończenie

Mianem radia programowalnego (Software Radio – SR) przyjmuje się nazywać odbiorniki i nadajniki, jeśli ich funkcje komunikacyjne są realizowane jako programy działające w odpowiednich do tego celu procesorach sygnałowych. Bazując na tym samym sprzęcie, różne algorytmy odbioru lub nadawania, czyli w istocie rzeczy standardy transmisyjne, realizowane są w sposób programowy. Przetwarzanie sygnału małej częstotliwości (tzw. basebandu) przez radio cyfrowe realizowane jest w procesorze cyfrowym, a transmitowane jest analogowo. Dlatego potrzebny jest przetwornik analogowo cyfrowy, który w idealnym odbiorniku programowalnym znajduje się tuż zaraz za anteną.

Radio definiowane programowo (Software Defined Radio – SDR) to praktyczna wersja radia programowalnego. Odbierane sygnały są próbkowane po odpowiednim wybraniu i ograniczeniu odbieranego pasma. Jedna uwaga, pomocna w rozróżnieniu SR i SDR jest tu konieczna. Otóż często można usłyszeć, iż SDR jest możliwą do zrealizowania obecnie wersją SR, gdyż nie ma jak na razie przetworników A/C, które można by zastosować w SR. Choć argument ten jest prawdziwy, może doprowadzić do całkowicie mylnego wniosku, iż odbiornik SR z przetwornikiem A/C umieszczonym zaraz za anteną jest głównym celem dalszego rozwoju systemu. Faktem jest jednak, że digitalizacja bardzo szerokiego pasma wypełnionego wieloma różnymi sygnałami, z których tylko malutki wycinek przeznaczony jest do odbioru jest z powodów technicznych jak i komercyjnych jest niepożądana. Nie ma, więc powodu, dla którego należałoby zastosować przetwornik A/C zaraz za anteną. Trzeba by było po pierwsze zastosować bardzo duży oversampling i przygotować się na równocześnie na ogromną dynamikę niepożądanych sygnałów w odbieranym paśmie. Dodatkowo, zwróćmy uwagę, że największa porcja informacji cyfrowej pochodząca ze wszystkich niepożądanych sygnałów byłaby i tak odfiltrowana przez pierwszy stopień cyfrowej obróbki sygnału.

Od pewnego czasu spotyka się również radio poznawcze (Cognitive Radio – CR), które jest radiem definiowanym programowo śledzącym na dodatek zmiany w swoim środowisku i na nie odpowiednio reagującym.

Dariusz Pieńkowski