Softwareradio. Software Defined Radio (SDR) Andreas Romeyke. Leipzig, 12. Juni Zusammenfassung

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1 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Softwareradio Software Defined Radio (SDR) Andreas Romeyke Leipzig, 12. Juni 2002 Zusammenfassung Der Vortrag richtet sich an Studierende der Fachrichtungen Informatik und Nachrichtentechnik und gibt einen Überblick über das Konzept von SDR. Es werden Grundkenntnisse in der Signalverarbeitung und in Mobilfunktechniken vorausgesetzt. Der Vortrag wurde eigenständig erarbeitet. c 2002 by Andreas Romeyke 1

2 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Inhaltsverzeichnis 1 Einführung Komponenten analoges Radio Was ist SDR? Vereinfachter Aufbau SDR Digitale Funktionen Quellencodierung Sprach/Audio-CODECs Sonstige CODECs Kanalkodierung Filter Mischer, ZF, Bitratenanpassung Modulation Demodulation, nichtlineare Kennlinie Fehlerschutzverfahren.. 13 c 2002 by Andreas Romeyke 2

3 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni Zugriffskodierung Interferenzunterdrückung Updatemöglichkeit Fehlermonitoring, Netzmanagment 17 3 Architektur Software-Komponenten Hardware Kosten-, Aufwandsschätzung Konkretes Standards/Arbeitsgruppen fertige Produkte lieferbare Komponenten Open Core Projekt? Zukünftiges 27 6 Vor- und Nachteile 28 c 2002 by Andreas Romeyke 3

4 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni Nachteile Vorteile Was im Vortrag c 2002 by Andreas Romeyke 4

5 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Einführung analoges... 1 Einführung 1.1 Komponenten analoges Radio HF f E f Z1 ZF 2 NF f 01 f 02 G G c 2002 by Andreas Romeyke 5

6 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Einführung SDR? 1.2 Was ist SDR? SDR ist ein Konzept: welches die analoge Signalverarbeitung durch digitale ersetzt welches die Komponenten und Funktionalität eines Funkgerätes in Software definiert indem die Wellenform über Software geformt wird daß Digitaltechnik so nahe wie möglich an die Antenne bringt SDR ist nicht: digitales Radio eine Utopie c 2002 by Andreas Romeyke 6

7 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Einführung SDR? 1.3 Vereinfachter Aufbau SDR c 2002 by Andreas Romeyke 7

8 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Quellen... 2 Digitale Funktionen 2.1 Quellencodierung Sprach/Audio-CODECs Aufwand: CELP RPE-LTP MPEG Layer 3, AAC Ogg Vorbis c 2002 by Andreas Romeyke 8

9 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Quellen Sonstige CODECs Fax, basiert auf RLE Video, CODECs sind H.xxx, MPEG 1/2/4/7, MJPG. Techniken: Wavelet, FFT, DCT, Differenzbilder, Bewegungsabschätzung Daten, komprimiert mit LZW, PPM, BWT c 2002 by Andreas Romeyke 9

10 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Kanal Kanalkodierung Filter IIR (kaum Bedeutung) FIR linearer Phasengang stabil Xn T T T Xn m Yn c 2002 by Andreas Romeyke 10

11 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Kanal Mischer, ZF, Bitratenanpassung Mischung an nichtlinearer Kennlinie:! #"%$'&!()$+*,.-0/1()23!4"%$5& 67$8*,0-./ Bei Multiplikation gilt Verschiebungssatz: 9: ; < BDCFE - G9: ; < =?> H >JIK Herunterziehen der Trägerfrequenz auf Zwischenfrequenz Hochschieben der Zwischenfrequenz auf Trägerfrequenz Mischung auf ZF L< Amplitudenmodulation + Filter c 2002 by Andreas Romeyke 11

12 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Kanal... Bitratenanpassung: Nyquist-Theorem muß erfüllt bleiben: - > Bandbreite muß gewährleistet bleiben: -, - - Einfügen/Löschen von Bits in Datenstrom Abtastrate nicht mehr von Verarbeitungskette abhängig c 2002 by Andreas Romeyke 12

13 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Kanal Modulation, : AM ( K ) FM ( 9 + ) PM ( 9 +, - - ) QAM BPSK QPSK DQPSK OQPSK GMSK MFSK c 2002 by Andreas Romeyke 13

14 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Kanal Demodulation, nichtlineare Kennlinie Fehlerschutzverfahren Blockcodes (CRC) Faltungscodes (Turbocoder Viterbi,Reed Solomon ) Interleaving Spreiztechniken c 2002 by Andreas Romeyke 14

15 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Zugriff 2.3 Zugriffskodierung TDMA FDMA CDMA c 2002 by Andreas Romeyke 15

16 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Interferenz 2.4 Interferenzunterdrückung Echokompensation adaptive Antennen CDMA c 2002 by Andreas Romeyke 16

17 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Digitale Fkt. Update Updatemöglichkeit Datenbank Flash, ROM, SIM Luftschnittstelle 2.6 Fehlermonitoring, Netzmanagment Kanalgüte QoS-Dienste c 2002 by Andreas Romeyke 17

18 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Architektur Software 3 Architektur 3.1 Software-Komponenten Communication Services Robustness, Isochronism, Multiple Services (Bands, Modes), Bridging Applets/Scripts, Low-Cost Upgrades (Over-the-Air Downloads) Radio Applications Objects Source- Coding & Decoding Service & Network Support INFO- SEC MODEM IF Processing RF Access JOINT CONTROL Specific Waveform Radio Infrastructure Soft Radio Interface Layer CORBA/IDL for Digital Filter Hardware Platform Host Processors Operating System Level Tunneling to Soft FPGA Functions Filter FPGA Hardware Instruction Set Architecture (ISA) Level CORBA [12] Bibliothek [4] FORTH c 2002 by Andreas Romeyke 18

19 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Architektur Hardware 3.2 Hardware Breitbandantenne Antialias-Filter Breitband ADC/DAC Mischer (PLL, DCO) DSP/FPGA (PACT, SIMD) c 2002 by Andreas Romeyke 19

20 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Architektur Kosten 3.3 Kosten-, Aufwandsschätzung Kosten pro Algorithmus (geschätzt) Kosten Hardware Kosten Software c 2002 by Andreas Romeyke 20

21 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Architektur Kosten Basisfkt. Zeilen Bytes allg. FIR allg. IIR Dezimation Interpolation Mischer Reed-Solomon c 2002 by Andreas Romeyke 21

22 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Architektur Kosten Komplexfkt. Zeilen Bytes GSM-Vocoder AM-Modulator AM-Demod FM-Demod FSK-Modulator FSK-Demod QAM-Demod TV-Demod c 2002 by Andreas Romeyke 22

23 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Konkretes Standards Beispiele Zeilen Bytes AM/FM-Receiver CB-Funk TV-Receiver Konkretes 4.1 Standards/Arbeitsgruppen J. Mitola III [1]: SDR forum EURECOM [10] IBMS-2 SORBAS der DLR [11] ITU-R Taskgroup 8/1 SDR Forum [9] Software Common Architecture (SCA) [12] c 2002 by Andreas Romeyke 23

24 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Konkretes Standards 4.2 fertige Produkte Ja SDR-3000 ( Nein Mobilfunkstationen c 2002 by Andreas Romeyke 24

25 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Konkretes Lieferbar 4.3 lieferbare Komponenten Vielleicht? ADC/DAC Analog Devices National Semiconductor Texas Instruments Infineon FPGA Xilinx DSPs/CPUs Texas Instruments Infineon PACT Motorola Inc. c 2002 by Andreas Romeyke 25

26 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Konkretes Freiheit 4.4 Open Core Projekt? Ja, es gibt das GNU Radio Project[4]. Entstanden aus MIT-Projekt[8] zur Entwicklung eines SDR für Workstation. c 2002 by Andreas Romeyke 26

27 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Zukunft 5 Zukünftiges ein Gerät für alles Standardschnittstellen c 2002 by Andreas Romeyke 27

28 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Vor- und Nachteile 6 Vor- und Nachteile 6.1 Nachteile erhöhter Energiebedarf Sicherheitsprobleme durch security by obscurity ev. Instabilität durch unzureichende Qualitätssicherung in der Softwareentwicklung c 2002 by Andreas Romeyke 28

29 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Vor- und Nachteile 6.2 Vorteile erhöhte Flexibilität durch erhöhte Programmierbarkeit ein Gerät-/Chip-lösung für alle Technologien (Handy, Schnurlostelephone, Satellitennavigation; ev. gar Radio, Fernsehen etc. multiband multimode equalization adaptive Kanalqualität soft handover zwischen verschiedenen Basisstationen aber auch versch. Netzen zukunftsfähig durch Softwareupdate preiswertere Hardware (Software ist kostenfrei reproduzierbar, Hardware nicht) einfaches Test-und Entwicklungssystem realisierbar, Prototyping für neue Technologien c 2002 by Andreas Romeyke 29

30 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni Was im Vortrag nicht behandelt wurde, Details: zu Quellenkodierung zur Kanalentzerrung, Fehlererkennung, Mehrwegeausbreitung zur Leistungsregelung zu Netzmanagment zur Software Common Architecture Weiterhin wurde nicht eingegangen auf: GSM, GPRS, UMTS und Co. Buzzwords der Mobilfunk-Industrie die Programme L A TEX, TGIF, DIA, nedit c 2002 by Andreas Romeyke 30

31 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Literaturhinweise Literatur [1] Joseph Mitola III: Software Radio Architecture Object-Oriented Approaches to Wireless Systems Engineering. Wiley-Interscience, John Wiley & Sons, Inc [2] Peter Hatzold: Digitale Kommunikation über Funk. Funkschau Technik, Franzis Verlag GmbH 1999 [3] P.Gerdsen, P.Kröger: Digitale Signalverarbeitung in der Nachrichtenübertragung. Springer Verlag, 1993 [4] gnuradio/gnuradio.htm [5] J. Mark Steber: PSK-Demodulation Part 1. Watkins-Johnsons Company, The c 2002 by Andreas Romeyke 31

32 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 Communications Edge TM, Vol. 11 No. 2 March/April 1984, reprinted WJ Communications, Inc [6] J. Mark Steber: PSK-Demodulation Part 2. Watkins-Johnsons Company, The Communications Edge TM, Vol. 11 No. 2 March/April 1984, reprinted WJ Communications, Inc [7] Kurt Steudler: Übertragungstechnik Modulation. Hochschule für Technik und Architektur Bern, 2002 [8] Vanu Bose, Mike Ismert, Matt Welborn, John Guttag: Virtual Radios. Software Device and Systems Group, Laboratory for Computer Science, Massachusetts Institute of Technology, 1998 [9] SDR Forum: [10] EURECOM: c 2002 by Andreas Romeyke 32

33 Software Defined Radio (SDR) Leipzig, 12. Juni 2002 [11] MobiKom/sorbas.pdf [12] ENDE! c 2002 by Andreas Romeyke 33