Основы программно-конфигурируемого радио

Москва
Горячая линия - Телеком
2013

УДК 654.19:621.396.97 
ББК 32.884 
     Г16 

 

Галкин В. А. 
   Г16      Основы программно-конфигурируемого радио. – М.: Горячая 
линия–Телеком, 2013. – 372 с., ил. 

ISBN 978-5-9912-0305-0. 
Книга посвящена основам построения радиоканала для программно-конфигурируемого радио. Рассмотрены варианты функциональных 
схем трансивера, которые потенциально обеспечивают выполнение основных требований программно-конфигурируемого радио – работа 
в сверхширокой полосе частот вне зависимости от ширины канала, типа модулированного сигнала и скорости передачи информации при условии выполнения требований стандартов электромагнитной совместимости. Изложены основы работы компонентов аппаратной части трансивера для программно-конфигурируемого радио, таких как 
широкополосный линеаризованный усилитель мощности, модулятор/демодулятор, фильтры, элементы антенно-фидерного тракта. Приведены базовые алгоритмы программной поддержки основных функциональных элементов радиоканала. В заключительной главе показаны 
результаты аналитических расчетов и цифрового моделирования приемника с однократным преобразованием частоты и нулевой промежуточной частотой, который в наибольшей степени удовлетворяет требованиям программно-конфигурируемого радио.  
Для инженеров-разработчиков радиоаппаратуры, может быть полезна магистрам радиотехнических факультетов и аспирантам соответствующих специальностей. 
ББК 32.884 
 
Адрес издательства в Интернет  WWW.TECHBOOK.RU 
 

Научное издание 
Галкин  Вячеслав Александрович 
Основы программно-конфигурируемого радио 
Монография 
 
Обложка художника  О. Г. Карповой 
 
Подписано в печать  25.04.2013  Печать офсетная. Формат 60×88/16. Изд. № 130305.   
Уч. изд. л. 23,25.  Тираж 500 экз. (1-й завод 100 экз.) 
 
ISBN  978-5-9912-0305-0                                                        © В. А. Галкин, 2013 
    © Издательство «Горячая линия–Телеком», 2013  

Предисловие 

Наиболее полное и системное описание назначения, структуры и 
реализации радиооборудования различных поколений приведено на 
некоммерческом форуме sdrforum.org.  
В соответствии с принятой форумом классификацией, существующие на сегодняшний день радиостанции и соответствующее им программное обеспечение определяются как программно-управляемое радио (Software Controlled Radio – SCR). В радиостанциях SCR функции 
физического уровня модели открытых систем связи OSI-7 по фильтрации, модуляции/демодуляции, преобразованию спектра, усилению сигналов и т.д. выполняются аппаратными методами под программным 
контролем. Процессор управления трансивером устанавливает коэффициент усиления приемника в соответствии с уровнем принимаемого 
сигнала, параметры передатчика в соответствии с требуемой выходной 
мощностью, параметры антенны в соответствии с КСВ антеннофидерного тракта и т.д. 
Программно-конфигурируемое радио (Software Defined Radio – 
SDR) есть радиооборудование, в котором все или большинство функции 
физического уровня выполняются в программном виде, а функции, выполняемые аппаратно, должны оперативно модифицироваться по требованиям рабочего стандарта связи. Программная реализация большинства функций по обработке высокочастотных сигналов и оперативное 
программное управление аппаратурой обеспечивают кардинальное повышение функциональных возможностей радиостанции путем поддержки работы в различных сервисах, широкой полосе частот и в различных стандартах связи. Технология SDR является ключевой в 
предполагаемом последующем развитии радиооборудования: адаптивное радио (Adaptive Radio – AR), когнитивное «умное» радио (Cognitive 
Radio – CR) и интеллектуальное радио (Intelligent Radio – IR). 
Adaptive Radio – следующая за SDR ступень развития радиооборудования, в котором имеется возможность контролировать работу и изменять параметры радиооборудования в замкнутой петле автоматического регулирования в сети связи. В результате улучшаются экономические, технические и пользовательские показатели работы радиостанций. Технология AR является естественным развитием программноконфигурируемого радио, исключая вмешательство пользователя в 
управление радиооборудованием в стандартных или прогнозируемых 
ситуациях.  
Cognitive Radio – радиооборудование, в котором система связи определяет текущие условия работы и состояние оборудования и может 
принимать решения о методах радиосвязи. В частности, контролируются 

Предисловие 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

условия прохождения радиоволн, географическое расположение абонента, загрузка рабочего участка спектра, анализ текущего трафика. По результатам анализа ситуации возможно изменение несущей частоты, мощности, типа модуляции и т.д. вплоть до перехода в иной стандарт связи. 
Технология CR может быть реальной базой для совместимости различных стандартов связи, которые в силу условий применения и требований 
пользователей не могут использовать общие для всех методы модуляции, 
единые методы разделения каналов, скорость передачи данных и т.д. 
На интуитивном уровне программно-конфигурируемое радио определяют как направление развития радиосвязи, призванное объединить 
на единой аппаратной платформе работу радиостанций различных типов и различных стандартов. Предполагается, что программноконфигурируемое радио реализует функций радиоприемника и радиопередатчика в программном виде или с помощью программно управляемых аппаратных компонентов, которые в силу своей физической 
природы не могут быть реализованы программно, как, например, 
усилитель мощности или антенна. 
В терминах концептуальной модели открытых систем связи OSI-7 
программно-конфигурируемое радио определяется как радиостанция,                  
в которой все или большинство функций физического уровня выполняются в программном виде и могут быть программно реконфигурированы в соответствии с требованиями стандарта связи и/или изменяться 
иным программно-управляемым оборудованием.  
Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) определяет 
программно-конфигурируемое 
радио 
как 
программноконфигурируемое оборудование, в котором радиочастотные параметры 
могут быть установлены или изменены при помощи программного обеспечения и/или оборудования, с помощью которого это достигается. 
Программное изменение касается диапазона частот, типа модуляции, 
выходной мощности, но не ограничивается этими параметрами.  
Федеральная комиссия связи США определяет программноконфигурируемое радио как радиооборудование (приемопередатчик),                   
в котором такие параметры режима работы, как диапазон частот, тип 
модуляции и выходная мощность могут быть изменены при помощи 
программного обеспечения без изменений в аппаратных компонентах, 
используемых для излучения и приема радиочастот. 
В настоящее время существует значительное количество типов и 
модификаций систем связи и соответствующего им оборудования (радиостанций). Каждая радиостанция включает аналоговую и цифровую 
часть, отдельные электрические компоненты и микросхемы высокой 
степени интеграции, механические компоненты, антенну. В целом радиостанция является высокотехнологичным продуктом, достаточно эффективно выполняющим функции связи посредством электромагнитных 
волн. Однако взаимодействие типовых радиостанций различных стан

Предисловие                                                                                                                   5 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

дартов на сегодняшний день если и не исключено, то является редким 
случаем, да и то в ограниченной функциональности. Одна из основных 
задач программно-конфигурируемого радио как раз и заключается в 
обеспечении предельной гибкости изменения параметров оборудования 
с целью обеспечить максимальную совместимость радиостанций различных стандартов вне зависимости от метода модуляции, рабочего 
диапазона частот, метода доступа к каналам и т.п. при сохранении всех 
функциональных возможностей сети связи. Многомодовый (мультистандартный) режим работы радиостанции является одним из основных 
требований, предъявляемых к оборудованию радиосетей третьего поколения. Согласно определению программы IMT-2000 Международного 
союза электросвязи, сети связи третьего поколения должны формировать 
единое информационное пространство, обеспечивающее абоненту доступ 
ко всем информационным ресурсам и базам данных независимо от их 
географического расположения, сетевого и аппаратного обеспечения. 
К основным функциям физического уровня, которые обычно реализуются в аппаратном виде, относятся: усиление, модуляция/демодуляция, 
канальная селекция в приемнике и подавление побочного излучения                    
в передатчике, преобразование частоты при модуляции/демодуляции на 
промежуточной частоте. В программно-конфигурируемом радио эти 
функции, которые сегодня выполняются в аппаратном виде смесителями, фильтрами, усилителями, модуляторами/демодуляторами, детекторами частично реализуются программно, а частично программноуправляемыми аппаратными средствами в соответствии с параметрами 
модулированных сигналов и методом разделения каналов в различных 
стандартах связи. В результате программное радио является экономически более выгодным продуктом по сравнению со специализированными 
устройствами, так как производятся для более широкого круга пользователей, а модернизация радиооборудования заключается только в изменении программного обеспечения. 
Работа радиостанции, особенно в городе, происходит в условиях 
быстро изменяющихся параметров радиоканала – чередовании теневых 
и освещенных зон, периодически возникающих помех и т.д. Высокое 
качество передачи информации и надежность поддержки радиоканала              
в таких условиях требуют оперативного управления основными параметрами радиостанции, такими как излучаемой мощностью передатчика, рабочей частотой, величиной усиления принятого сигнала. Оперативное управление параметрами радиоканала необходимо и при 
передаче различных типов данных. Передача речи, изображения или 
текста в режиме реального времени или в режиме электронного письма 
требуют, в общем случае, различной скорости передачи информации                
и различных параметров оборудования радиоканала. Оптимизация режима работы передатчика и приемника для конкретного вида связи по

Предисловие 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

зволит в среднем уменьшить энергопотребление и увеличить срок работы батарей питания.  
Программно-конфигурируемое радио предполагает существенное 
изменение аппаратной части трансивера и требований, предъявляемых                    
к аппаратной части. Аппаратура программно-конфигурируемого приемника должна, прежде всего, обеспечивать преобразование принятого 
высокочастотного модулированного сигнала с целью его максимально 
точного (без потери достоверности приема) представления в цифровом 
виде с помощью аналого-цифрового преобразователя. Аппаратура передатчика должна обеспечивать прямое формирование модулированного 
сигнала и усиление мощности. Функции высокочастотной аппаратной 
части приемопередатчика программно-конфигурируемого радио сводятся к обеспечению энергетического потенциала радиоканала – усилению мощности в передатчике и малошумящему усилению принятого 
сигнала в приемнике. Для пользователя программно-конфигурируемое 
радио позволяет реализовать следующие функции: 
• 
оперативное изменение текущей конфигурации радиостанции 
с минимальными затратами времени и средств; 
• 
оперативное добавление новых функций и возможностей без 
дорогостоящего изменения аппаратной части; 
• 
удешевление текущего обслуживания аппаратной части, общей для значительного количества радиосредств;  
• 
использование одной и той же радиостанции в различных сетях и для различных применений. 
 
 
 

Глава 1  

Архитектура программноконфигурируемого радио 

Функциональная схема программно-конфигурируемого радио (ПКР) 
включает программную часть, выполняющую большинство функции по 
обработке сигналов и управлению аппаратной частью, и аппаратную 
часть, выполняющую функции, недоступные для программной реализации на существующей элементной базе.  
Программное выполнение таких радиотехнических функций, как 
фильтрация, модуляция/демодуляция, формирование модулированного 
сигнала, детектирование модулированного сигнала, реализовано и в существующих радиостанциях. Программно-конфигурируемое радио требует реализации этих функций для сигналов различных стандартов связи, т.е. с различной несущей частотой, шириной канала, типом 
модуляции и скоростью передачи информации. Кроме модификации 
алгоритма выполнения стандартных радиотехнических функций, в программной части реализуется и ряд новых функций. В частности, необходима поддержка аппаратной части в широком диапазоне несущих частот, температурах, технологического разброса параметров и прочих 
дестабилизирующих факторов. В идеале программное обеспечение 
должно автоматически распознавать стандарт связи, определять условия 
приема (передачи) и оперативно реконфигурировать аппаратную часть 
радиостанции. Соответственно, аппаратная часть должна иметь цифровой интерфейс для сообщений о текущем состоянии и приема команд на 
изменение рабочих параметров. 
Не менее глубокой модернизации, чем программное обеспечение, 
должна быть подвергнута структура и компонентный состав аппаратной 
части радиостанции с тем, чтобы обеспечить выполнение основного требования программно-конфигурируемого радио: работа с различными 
стандартами связи на единой аппаратной основе. Практически это означает, что аппаратная часть радиостанции должна быть независимой от 
основных параметров радиоканала, а именно: несущей частоты высокочастотного модулированного сигнала, типа модуляции, ширины полосы 
частот модулированного сигнала, скорости передачи информации, метода разделения каналов, структуры и длительности пакета. 
Сложность выполнения этих задач увеличивается целым рядом конструктивных и эксплуатационных требованием к аппаратуре связи. Очевидно, что радиостанция программно-конфигурируемого радио должна 
иметь габариты, мощность потребления, цену и предоставляемые услу

Глава 1 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

ги, сравнимые с существующими узкополосными специализированными 
радиостанциями. Также обязательным является выполнение в аппаратуре ПКР требований стандартов электромагнитной совместимости (ЭМС) 
для каждого класса сетей радиосвязи (сухопутных, морских, космических и т.д.). Нет и не будет отдельных диапазонов частот для радиостанций программно-конфигурируемого радио, они должны располагаться в 
участках спектра, отведенных для радиосвязи данного класса и не мешать работать прочим радиосредствам.  

1.1. Радиостанция программно-конфигурируемого 
радио 

В настоящее время не существует какого-либо стандарта, формально регламентирующего структуру, компонентный состав и функциональные возможности радиостанции, которую можно было бы определить 
как 
программно-конфигурируемого 
радио. 
Наиболее 
часто 
встречаются ссылки на нормативные материалы, опубликованные на 
SDR-форуме [1, 2]. Эти документы рекомендательного характера определяют варианты функциональной схемы трансивера, интерфейс трансивера, элементы метаязыка для управления конфигурируемой аппаратурой. Кроме специальных требований программно-конфигурируемого 
радио, трансивер ПКР должен удовлетворять общим требованиям, которые распространяются на радиостанции любого типа. Прежде всего, это 
требования стандарта электромагнитной совместимости (ЭМС) и регламент распределения допустимых несущих частот. 
Далее рассматриваются базовые варианты построения радиостанций, полностью или частично удовлетворяющих требованиям программно-конфигурируемого радио, стандарта электромагнитной совместимости для сухопутной подвижной службы и регламента рабочих 
частот в расширенном диапазоне УКВ до 1000 МГц. 

1.1.1. Архитектура радиостанции ПКР 

Общепринято определять конфигурацию и параметры радиостанции 
в терминах модели открытых систем связи OSI-7. Практически любая 
радиостанция, в том числе радиостанция программно-конфигурируемого 
радио, включает аппаратную и программную часть, функции которых 
совместно определяются на физическом уровне и подуровне МАС канального уровня в модели OSI-7. В частности, преобразование спектра 
принимаемого/передаваемого сигнала, модуляция/демодуляция, фильтрация должны в максимальной степени выполняться в цифровой области 
(программно) или аппаратно при возможности реконфигурации аппаратных средств в зависимости от рабочего стандарта радиосвязи. На 
рис.1.1 
показана 
общая 
архитектура 
радиостанции 
программно

Архитектура                                                                                                              9 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

конфигурируемого радио согласно [1]. Эта функциональная схема определяет построение приемника радиостанции (слева направо) и передатчик (справа налево). Каждому функциональному блоку соответствует 
(присутствует в радиостанции) аппаратная или программная реализация.  

Антенна (Antenna) может быть любого типа, от простейшей дипольной конструкции до фазированной решетки, включая и иные элементы антенно-фидерного тракта; эта часть радиостанции реализуется 
только в аппаратном виде.  
Элемент RF/IF отражает минимально необходимую аппаратную обработку высокочастотного модулированного сигнала в приемнике и передатчике. Определенное аппаратное преобразование принимаемого/передаваемого сигнала необходимо в любой функциональной схеме радиостанции, так как реально невозможно подключить непосредственно к 
антенне 
устройства 
преобразования 
высокочастотного 
сигнала 
ЦАП/АЦП. Практически элемент RF/IF может включать полосовые 
фильтры для модулированного сигнала, смеситель, усилитель мощности 
передатчика или малошумящий усилитель приемника, опорный высокочастотный генератор, модулятор/демодулятор и т.д. Аппаратная часть 
должна предусматривать программную реконфигурацию в соответствии 
с текущим стандартом связи. 
Модем (Modem) представляет преобразователь АЦП/ЦАП и программные операции по выполнению функций физического уровня, таких 
как цифровая фильтрация, модуляция/демодуляция, радиочастотная и 
тактовая (битовая) синхронизация, сборка/разборка пакетов и т.п.  
Процессор (Optional Link PROC) выполняет функции канального 
подуровня МАС по управлению и стабилизации параметров аппаратуры 
радиоканала (RF/IF) и элементов антенно-фидерного тракта. Аппаратура 
процессорной части может включать специализированные высокоскоро
Рис.1.1. Архитектура радиостанции программно-конфигурируемого радио 

Глава 1 
–––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––– 

стные программируемые матрицы FPGA, DSP-процессоры, GPPпроцессоры общего назначения.  
Радиочастотная аналоговая часть идеальной радиостанции ПКР определяется как аппаратная платформа, осуществляющая преобразование 
принимаемого высокочастотного сигнала в цифровую форму и передаваемого сигнала из цифровой формы в высокочастотную область с программно-управляемыми аппаратными функциями по фильтрации, усилению, 
преобразованию 
частоты и обработки принимаемого и 
передаваемого сигнала. Варианты построения аппаратной части приемопередатчика по классификации [1] показаны на рис.1.2…1.5.  
Основным параметром, определяющим конфигурацию приемопередатчика, является расположение АЦП/ЦАП относительно приемной/передающей антенны. Очевидно, что представление сигнала в цифровом 
виде и его последующая цифровая обработка обеспечивают максимальное качество выполняемых функций и максимальную гибкость в соответствии с основным требованием многостандартного режима работы 
радиостанции ПКР. С этой точки зрения необходимо располагать преобразователи ЦАП/АЦП максимально близко к антенне. С другой стороны, 
цифровая обработка смеси множества принимаемых/формируемых высокочастотных сигналов без предварительной фильтрации и/или преобразования частоты может предъявлять повышенные требования по скорости 
работы, 
динамическому 
диапазону 
и 
энергопотреблению 
цифровых устройств. Сечение перехода от непрерывного представления 
сигнала к дискретному представлению и определяется компромиссом 
между широкими функциональными возможностями радиостанции с 
одной стороны и разумными эксплуатационными параметрами и выполнением требований стандартов электромагнитной совместимости с другой стороны. 
Радиостанция ПКР с аппаратным фильтром основной селекции. 
На рис.1.2, 1.3 показана структура приемника и передатчика с двукратным и однократным аппаратным преобразованием частоты и аппаратным фильтром основной селекции.  
Малошумящий усилитель и входной фильтр-преселектор приемника совместно обеспечивают предварительное усиление высокочастотного сигнала, выделение рабочего диапазона частот и подавление зеркальной частоты приема. Смеситель и последующий аппаратный фильтр 
основной селекции на промежуточной частоте являются ключевыми 
элементами приемника в конфигурации рис.1.2, 1.3. Эти компоненты 
осуществляют преобразование несущей частоты принятого сигнала на 
ненулевую фиксированную промежуточную частоту и селекцию принятого полезного сигнала (рабочего канала). Тем самым для последующей 
аппаратной и программной обработки практически остается только полезный модулированный сигнал при отсутствии всех сторонних мешающих сигналов.