什么是(SDR)软件定义无线电

什么是软件定义无线电?

SDR 平台,如图 所示,是一种无线电通信系统,其中软件执行许多功能,例如混频、滤波、调制等,这些功能过去在模拟硬件中是传统的,现在使用数字组件和嵌入式系统来设计成一种芯片 (SoC) 技术。它提供了更长的设备寿命和对不断变化的 GPS/GNSS 传输加密标准、波形、协议等的适应性。

软件定义无线电技术(SDR)在GPS/GNSS中的应用场景

图 :Per Vices 的 Cyan 是软件定义无线电的一个示例。

SDR 可以被认为是建立在低成本通用处理器、各种射频微波芯片和 FPGA 上的可编程硬件。该系统包含一个用于广泛带宽覆盖的无线电前端 (RFE) 和一个用于处理功能的数字后端。图 4 显示了 SDR 平台的组件。

软件定义无线电技术(SDR)在GPS/GNSS中的应用场景

图 :SDR 平台的不同组件将帮助 GNSS 系统发挥作用。

RFE( radio front end,射频前端) 包括多输入多输出 (MIMO) 信号发射 (Tx) 和接收 (Rx) 功能板,其中包括放大器、调制器和解调器、滤波器、ADC 和 DAC 信号转换器。

数字后端包括FPGA,用于各种数字信号处理,如:GPS信号的解码、解调、纠错等。

与笨重、硬件定义且功能有限的传统 GNSS 接收器相比,SDR 平台模块化、紧凑、易于升级或重新配置,并提供更高的精度。

接收 GPS / GNSS RF 信号时遇到的挑战

捕获 RF 信号的 GNSS 接收器必须连续执行以下任务:

  • 捕获确定该范围内可见的卫星的定位信息。接收器必须估计与每颗卫星相关的无线电波传播延迟和多普勒频移。在这个过程中应用了 DFT 和 IDFT 技术。
  • 跟踪涉及改进无线电波传播延迟和多普勒频移估计并跟踪这些特征随时间的变化。使用了 DLL 和 PLL 技术。每颗卫星的跟踪都在 DSP 域中处理。每个 RF 信号源都被视为一个链路。天线处的射频信号被放大、下变频到基带频率或中频、过滤并连续数字化为采样样本,然后发送到主机系统,在那里可以通过软件进行跟踪。
  • 导航是对范围内所有可见卫星的测量,以估计接收器的位置、速度和时间。
  • 当低频信号穿过大气层时,其速度由于大气扰动而变化。 GPS指挥中心应用大气模型来评估频率误差并不时更新它们。接收器无法区分直接信号和多个多径信号。这个问题必须在跟踪回路中使用 SNR、相关方法和小波滤波器技术来解决。

由于以下因素,GPS 信号采集、跟踪和导航可能会出现不同的损伤:

  • 轨道偏心率
  • 时钟
  • 电离层
  • 对流层
  • 代码多路径
  • C/A 代码噪声
  • 载波多径
  • L1 载波噪声
  • 天线相位中心变化

GPS 信号极其微弱,容易受到干扰;例如可以使用廉价的干扰器或来自电离层的干扰来阻止它。可以使用模拟器创建虚假 GPS 信号,欺骗接收器计算错误的位置。

由于障碍或信号弱或精度降低,也会导致信号可用性不足,这会引入由于卫星在 3D 空间中的相对位置而产生的定位误差。此外,卫星在空间中的排列会影响定位的准确性。有一个理想的卫星排列来传输准确的信号。通常,它涉及直接在头顶上的卫星,其他卫星在地平线附近等距。例如,高架卫星在城市地区的高层建筑附近是有利的。

使用多频 GPS 信号采集有助于更有效地进行纠错。多星座 GNSS 信号采集提供了备份冗余,但代价是增加了更多的复杂性。

GPS/GNSS 系统在哪里使用 SDR?

SDR 平台特别适用于以下情况:

  • 增强系统,因为它是一种极其高性能的设备,提供大量的相位稳定性和组件,由于高 SNR 和 SFDR,可以检测最微弱的信号。
  • 测试 GNSS 接收器以查看:
  • SDR 如何应对干扰或欺骗攻击。这在设计新系统时至关重要。这可以通过 GPS 信号模拟来实现。
  • 模拟多星座接收器应用程序(例如:自动驾驶汽车、远程无人机)或防止欺骗/干扰攻击的方法等。
  • Track & Trace 解决方案,例如位置跟踪服务或安全关键导航系统。

运营商不断升级 GNSS 系统,以提高准确性和可靠性。增强系统会定期更新。在这种多方面、不断变化的环境中,典型的硬件接收器处于劣势,而 SDR 平台可以适应新的要求。

SDR 平台在 GPS/GNSS 应用中的优势

SDR 可以调谐到多个卫星星座,部署不同的协议并在新协议可用时快速升级。由于信号处理是在软件而不是硬件中处理的,因此可以在 FPGA 上进行数字下/上转换和滤波,从而提供稳健和准确的 GNSS 接收信号。 SDR 支持多种延迟和可靠性配置、易于使用的 Web 界面以及与 USRP 硬件驱动程序的兼容性。 SDR 提供通道可调容量。它可以使用多个 DSP 通道同时与多颗卫星通信。例如,Per Vices 的 Cyan SDR 可灵活扩展容量并支持最多 64 个通道。 SDR 支持过滤/邻道抑制。

实时运动学(RTK)定位应用于对精度要求较高的测量领域。 RTK 使用单个固定基站和流动站移动站来减少位置误差。基站向流动站发送校正数据。它依赖于基于载波的测距技术,而不是基于代码的定位。为了纠正当前卫星导航系统中的常见错误,它依赖于载波相位校正。 CORS 是 RTK 基站网络,通常通过 Internet 广播更正以改进单个基站的错误初始化。

结论

SDR 使用灵活、可编程且成本相对较低的硬件,为基于 GNSS 星座提供的 PNT 服务的应用程序构建者和用户带来好处。您可以完全控制创新和适应,因为软件的变化完全掌握在您的手中,并且单件设备中提供的 RF 硬件功能强大,足以管理任何级别的复杂性和数字信号处理能力。您可以使用 SDR 使无线电通信中的几乎一切成为可能。

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