Software Defined Radio Projektierung einer Universalplattform

Autor / Redakteur: Alexandr Kondratjev * / Holger Heller

Die SDR-Technologie unterscheidet sich heute in mehrfacher Hinsicht von dem, wie sie 1984 anzutreffen war, als der Fachausdruck „Software Radio“ im Labor von E-Systems erfunden wurde.

Firmen zum Thema

SDR-Plattform von Promwad: drahtlose Multistandard-Übertragungslösungen entwickeln
SDR-Plattform von Promwad: drahtlose Multistandard-Übertragungslösungen entwickeln
(Promwad)

Noch vor kurzem war SDR eine Domäne von Enthusiasten und der Verteidigungstechnik. Heute ist SDR eine der vornehmlichen Entwicklungsrichtungen drahtloser Kommunikationstechnik und wird von internationalen und nationalen Programmen unterstützt: Wireless Innovation Forum, French CONTACT Programme, Italiens Forza NEC Battlefield Command System, ESSOR, EULER, dem US Military Joint Tactical Radio System (JTRS). Fachleute sind sich sicher, dass SDR der neue Standard für den Kommunikationsmarkt wird.

SDR wurde bereits in zahlreichen Projekten erfolgreich umgesetzt, z.B. beim Kommunikationsausrüster Harris und Alcatel Lucent, dem Entwickler und Integrator von Mesh-Netzwerken Firetide, xG Technology (ein Start-up im Bereich drahtloser Netzwerke) um dem Entwickler einer SDR-Universalplattform: Promwad, ein unabhängiges, russisches Entwicklungszentrum für Elektronik.

Bildergalerie

Das Interesse seitens großer Hersteller und Anwender der Telekommunikationstechnik an SDR ist groß, da die Technik die Effizienz erhöht, Modernisierungskosten einspart und die Kosten und Fristen zur Einführung neuer Fernmeldestandards verringert. Noch ein Grund ist die Entwicklung einer modernen Grundlage: DAU/ADU, die eine hohe Geschwindigkeit und gute dynamische Eigenschaften gewährleisten; Multistandard-, Breitband-Transceiver mit programmierbaren Eigenschaften; hochleistungsfähige Prozessoren mit integrierter Programmzeitverkürzung etc.

Offene Plattform für verschiedene Standards

Der russische Markt für SDR-Basis ist in sich geschlossen. Ingenieure und andere Fachleute haben Schwierigkeiten bei der Suche nach neuen Information zu diesem Thema, deshalb stellen Daten über neue Entwicklungen besonderes Interesse dar. Promwad begann 2011 mit der Projektierung eines für den russischen Markt wohl einzigartigen Produktes: einer offenen SDR-Plattform für die Entwicklung drahtloser Multistandard-Nachrichtenlösungen.

Warum ist das Produkt einzigartig? Vor allem durch seine Offenheit für Entwickler. Anwender können aufbauend auf dieser Plattform ihre Produkte entwickeln, indem sie sowohl die Software aus dem Lieferumfang, als auch eigene Ausarbeitungen nutzen. Auf der Basis der Plattform können Sender der Standards DVB-T, DVB-T2 (470–862 MHz); die Zugangspunkte und die Basisstationen der Standards 802.22 (470–862 МHz), LTE (791–862 МHz, 1710–1880 МHz, und 2,5–2,7 GHz); Radarstationen, Test- und Laborstände in Bildungseinrichtungen etc. entwickelt werden.

Vom Standpunkt des Entwicklers stellt die SDR-Plattform ein voll konfigurierbares System dar, das aus einer Antenne, einer digitalen Verarbeitungseinheit mit einer minimalen Anzahl analoger Bauelemente mit niedrigem Energieverbrauch und, im Idealfall, unbeschränktem Frequenzbereich besteht. Eine solche Lösung ermöglicht dem Entwickler, das Gerät an die Anforderungen anzupassen, indem unnötige Elemente ausgeschlossen und nötige Elemente hinzufügt werden. Dabei konzentriert sich alles das Updaten der Software; die Hardware bleibt unverändert.

Multistandard-Support für Frequenzen und Protokolle

Vom Standpunkt des Anwenders ist die SDR-Plattform eine Multistandard-Einrichtung, die in jedem Netz mit minimalen Einstellungen ohne Einwirken arbeitet. Zwischen Entwicklerinteresse und Verbraucheranforderungen befindet sich die Multistandard-Einrichtung, die in verschiedenen Kommunikationsnetzen arbeitet und programmgemäß die Änderung der Eigenschaften zulässt:von Funkfrequenz-Parametern bis zu den von den Standards unterstützten Kommunikationsprotokollen.

Bei der Entwicklung musste Promwads eine wichtige Entscheidung treffen: eine Bilanz zwischen der Leistungsfähigkeit und dem Wert der Plattform. Es geht darum, dass die ausgewählte Funktion und die Aufgaben des Gerätes hohe Anforderungen an die Betriebsmittel stellten. In diesem Fall wurden die Betriebsmittel des Systems, ausgehend von der Umsetzung der digitalen Signalverarbeitung, bewertet: Fourier-, Direkt- und Rückwandlung, Rider- und Solomon-Codes, LDPC, Viterbi-Umwandlungen, lineare Vorbestimmung u.a. Software für die Unterstützung verschiedener Standards. Deswegen erfolgte die Analyse und die Auswahl der Basisplattform gleichzeitig mit der Konfiguration des Geräts.

Als Basismodell wurde die klassische Konfiguration des SDR-Geräts, bestehend aus einem Empfänger-Sender, der am Ausgang I/Q-Signale bildet, sowie einer digitalen Verarbeitungseinheit in Betracht gezogen. Die Anforderungen an den HF-Verstärker bildeten sich aufgrund der Analyse von vorhandenen Kommunikationsstandards, dem digitalen Fernsehen und der HF-Identifikation. Im Laufe der Arbeit wurde die Hardware-Unterstützung des Standards 802.11 bewusst nicht realisiert, weil vom kaufmännischen Standpunkt aus deren Realisierung auf der Plattform keinen Sinn hat.

A/D- und D/A-Wandler von Texas Instruments

Außerdem ist einer der wichtigen Parameter die Verschiebung des Frequenzbereiches in einen niedrigeren Bereich, die Signalverbreiterung unter den Bedingungen des Städtebebauung und der großen Reichweite. Bild 2 zeigt die Abhängigkeit der Abfallzeit des Signals von dessen Reichweite für den Frequenzbereich von 300 MHz bis 3000 MHz in 100-MHz-Schritten. Die Differenz in der Abfallzeit des Signals bei der Entfernung von 2000 m beträgt ca. 40 dB für Frequenzen von 300 – 3000 MHz.

Ausgehend vom erforderlichen Durchlässigkeitsbereich wurde der 2-Kanal ADC von Texas Instruments (14 Bit, 250 MSPS) gewählt, der sich durch gute dynamische Eigenschaften, hohe Geschwindigkeit und niedrigen Verbrauch auszeichnet. Die Rückwandlung wird im DAC DAC3283 (2 Kanäle, 16 Bits, 800 MSPS) ausgeführt. Die Funktionen der primären Signalbearbeitung sowie der Steuerung von HF-Parametern des Empfänger- und Senderverstärkers werden in einem FPGA ausgeführt.

Für die Aufgaben auf MAC-Ebene, die Laufzeitstacks der Kommunikationsprotokolle sowie für die Unterstützung der Peripherie und Transportströme kommt ein GPP-Prozessor (ARM+DSP), als auch ein hochleistungsfähiger DSP zum Einsatz. Außer den TI-Prozessoren wurden auch Freescale-Prozessoren in Betracht gezogen. Im Endeffekt fiel die Wahl auf den Quad-Core-DSP TMS320C6674 mit 1,25 GHz Taktfrequenz pro Kern. Der TMS320C6674 unterstützt die schnelle SRIO-Schnittstelle, die das Bridging und die FPGA-Anbindung gewährleistet. Auch die Secure Accelerator Engine, der zur KeyStone-Konfiguration des Prozessors gehört, zählt dazu. Sie dient zur Absicherung des Kommunikationskanals.

Die SDR-Plattform von Promwad kommt bereits in vielen Branchen zum Einsatz: Mesh, Smartgrid, Smart Antenna, MIMO, RFID, WRAN, DVB, DRM, LTE etc. Nahm die Entwicklung und die Produktion solcher Produkten früher noch zwei bis drei Jahre in Anspruch, kann jetzt die Projektierung einer neuen Lösung auf der Basis der Promwad-SDR-Plattform in sechs Monaten bis in einem Jahr abgeschlossen werden.

* * Alexandr Kondratjev ist Leiter des Zentrums für drahtlose Entwicklungen bei Promwad, Moskau.

(ID:38692780)