1. Einführung - Fritz Dellsperger
1. Einführung - Fritz Dellsperger
1. Einführung - Fritz Dellsperger
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Rx-TX-IC<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
VCO<br />
90o Software Radio<br />
VCO<br />
Rx-PLL<br />
ZF-PLL<br />
Tx-PLL<br />
<strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Power Amplifier-IC<br />
PLL-IC<br />
D Q<br />
A<br />
Baseband-IC<br />
Discrete, Off Chip<br />
<strong>Fritz</strong> <strong>Dellsperger</strong> 28.10.2004<br />
90 o<br />
VCO<br />
Reference<br />
A<br />
A<br />
A<br />
D<br />
D<br />
D<br />
I<br />
Q<br />
I<br />
DSP<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 1
Agenda:<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI<br />
<strong>Einführung</strong> 08.30-10.00 DGF<br />
Pause 10.00-10.30<br />
<strong>Einführung</strong> in die<br />
Digitale Signalverarbeitung 10.30-12.00 VGD<br />
Mittagessen 12.00-13.00<br />
Repetition Modulation analog und digital 13.00-14.30 DGF<br />
Pause 14.30-15.00<br />
Repetition Modulation analog und digital 15.00-15.30 DGF<br />
Repetition Rauschen, Nichtlinearitäten,<br />
<strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Dynamikbereich 15.30-16.30 KAA<br />
<strong>1.</strong> 2
Inhalt:<br />
<strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI<br />
<strong>1.</strong>1 Was ist Software Radio (SR)? 4<br />
<strong>1.</strong>2 Welche Vorteile hat SR 7<br />
<strong>1.</strong>3 SR heute (2004) 9<br />
<strong>1.</strong>4 SR Architekturen 10<br />
<strong>1.</strong>5 Analog Digital Converter ADC 35<br />
<strong>1.</strong>6 Digital Signal Processor 40<br />
<strong>1.</strong>7 Anwendungen im militärischen Bereich 46<br />
<strong>1.</strong>8 Smart Antennas 52<br />
<strong>1.</strong>9 Literatur 53<br />
<strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong> 3
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong>1 Was ist Software Radio (SR)?<br />
The term "software radio" was coined in 1991 to signal the shift from the<br />
hardware-intensive digital radios of the 1980's to the multi-band multimode<br />
software-based radios planned for the year 2000 and beyond.<br />
Software programmable radio technology offers numerous advantages<br />
over the inflexible implementation of previous radio designs. It allows for<br />
improvements or enhancements without altering the radio hardware. It<br />
also allows users to acquire relatively generic hardware and tailor its<br />
capabilities to their individual needs by choosing software that fits their<br />
specific application; this is analogous to the flexibility inherent in today's<br />
personal computers.<br />
(IEEE)<br />
<strong>1.</strong> 4
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
This shift to software-based radios results from the advent and improvement<br />
of a variety of technologies, including:<br />
– Increased speed and power of embedded processors, enabling modem<br />
functions to be performed by Digital Signal Processors (DSPs);<br />
– Improved Analog-to-Digital Converters (ADCs), with higher conversion rates<br />
and increased dynamic operating ranges;<br />
– The development of object-oriented programming technologies, such as<br />
CORBA middleware, that permit software functionality to be independent of<br />
the underlying hardware.<br />
These and other technologies have allowed high-performance softwarebased<br />
radios to become a reality.<br />
Im englischen Sprachgebiet wird es auch „Software Defined Radio“<br />
(SDR) genannt.<br />
• SR ist ein Radio, dessen Eigenschaften hauptsächlich durch<br />
Software definiert werden<br />
• SR besteht aus Hardware- und Softwarekomponenten<br />
<strong>1.</strong> 5
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Mobile and wireless communications<br />
Current generation wireless<br />
technology requires:<br />
•the use of different terminals<br />
•dedicated applications for each<br />
standard<br />
UMTS<br />
802.11/Hiperlan<br />
GPRS<br />
Bluetooth<br />
Next generation software radio<br />
technology will provide:<br />
•the use of a single terminal<br />
•integrated applications for the<br />
different standards<br />
Bluetooth<br />
GPRS<br />
UMTS<br />
802.11/Hiperlan<br />
<strong>1.</strong> 6
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong>2 Welche Vorteile hat SR?<br />
• Standard HW-Architektur für einen breiten Bereich von<br />
Anwendungen<br />
• Einfache Änderung der Eigenschaften durch<br />
Softwaremodifikationen<br />
• „Over the air“downloads der Software für neue Eigenschaften,<br />
Services, SW-Patches, etc.<br />
• Demodulation sämtlicher Modulationsarten<br />
(AM, FM, PM, PSK, DPSK, QPSK, DQPSK, �/4-QPSK, GMSK, QAM)<br />
• Verarbeitung sämtlicher Access-Methoden (FDMA, TDMA, CDMA)<br />
<strong>1.</strong> 7
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
• Multistandards (GSM, GPRS, UMTS, Blue Tooth, IEEE802.11x, DAB,<br />
analog FM, etc.)<br />
• Hohe Wiederverwendbarkeit der Hardware<br />
• Erweiterte Funktionen wie Smart-Antennen, GUI, etc.<br />
• Multifunktional, Platformübergreifend (zivil, öffentlich, militärisch)<br />
• Uneingeschränktes Roaming<br />
• Einfache Realisierung von „proprietären Standards“<br />
• . . . . . . . . . . . .<br />
<strong>1.</strong> 8
Berner Fachhochschule<br />
<strong>1.</strong>3 SR heute (2004)<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
• Anwendung in einigen UMTS-Basisstationen<br />
• Digital Radio Mondial (DRM)<br />
• CIAO-Radio (Computer Interface Audio Out Radio) , Softwarelösung auf<br />
dem PC<br />
• Kommerzielle Tranceiver<br />
• Amateur Tranceiver<br />
• Joint Tactical Radio System JTRS (US-Army)<br />
• Viele Versuchsplattformen<br />
• R&D läuft auf Hochtouren<br />
<strong>1.</strong> 9
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong>4 SR Architekturen<br />
Traditionelle Hardware Lösungen<br />
fo �f<br />
e<br />
fo �f<br />
e<br />
A<br />
A<br />
BP<br />
...<br />
fo �f<br />
e<br />
A<br />
Spiegelfrequenz<br />
Nutzkanal<br />
Nachbar-<br />
BP<br />
kanäle<br />
...<br />
f<br />
fZF f<br />
fZF f s o e<br />
...<br />
Vorverstärker Mischer<br />
Zwischenfrequenz Verstärker<br />
Demodulator<br />
BP Amp BP Mix Amp BP Amp<br />
Demod.<br />
Nutzkanal<br />
Nachbarkanäle<br />
...<br />
fo �f<br />
e<br />
A<br />
BP<br />
Spiegelfrequenz<br />
f<br />
f ZF<br />
e f<br />
fZF o fs Spiegel-<br />
Nutzkanal<br />
frequenzNachbarkanäle ...<br />
f<br />
f ZF<br />
s f<br />
fZF o fe ...<br />
...<br />
Nutzkanal<br />
Nachbarkanäle<br />
f<br />
f<br />
...<br />
Spiegelfrequenz<br />
f<br />
fZF e f<br />
fZF o fs LO<br />
Lokal Oszillator<br />
f<br />
f<br />
A<br />
A<br />
...<br />
f ZF<br />
Nutzkanal<br />
f ZF<br />
...<br />
f �f �f<br />
f o<br />
ZF o e<br />
�f �f<br />
s o<br />
f �f �f<br />
ZF e o<br />
�f �f<br />
o s<br />
f<br />
f<br />
A<br />
...<br />
f ZF<br />
Nutzkanal<br />
f ZF<br />
BP ZF<br />
...<br />
f<br />
A<br />
Basisband<br />
Einfachsuperhet<br />
f<br />
<strong>1.</strong> 10
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Traditionelle Hardware Lösungen<br />
Vorverstärker <strong>1.</strong> Mischer <strong>1.</strong> Zwischenfrequenz Verstärker<br />
2. Mischer 2. Zwischenfrequenz Verstärker<br />
Demodulator<br />
BP Amp BP Mix Amp BP Amp<br />
Mix Amp BP Amp<br />
Demod.<br />
LO<br />
<strong>1.</strong> Lokal Oszillator<br />
Doppelsuperhet<br />
LO<br />
2. Lokal Oszillator<br />
<strong>1.</strong> 11
SR Lösungen<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
LNA<br />
ADC<br />
Diplexer DSP<br />
PA<br />
DAC<br />
Idealer SR-Tranceiver<br />
<strong>1.</strong> 12
SR Lösungen<br />
User/Network Interface<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Digital<br />
BaseBand<br />
Rx<br />
Controller<br />
Clock<br />
Generation<br />
Digital<br />
BaseBand<br />
Tx<br />
BB stage Digital IF stage RF stage<br />
I<br />
Q<br />
Clock<br />
Selection<br />
I<br />
Q<br />
Digital Base-<br />
Band Downconversion<br />
Digital IF Upconversion<br />
ADC<br />
DAC<br />
Programmable<br />
Downconversion<br />
Idealer SR-Tranceiver mit Bandbegrenzung für einzelne Frequenzbänder<br />
Programmable<br />
Up-conversion<br />
LNA<br />
HPA<br />
LNA<br />
HPA<br />
LNA<br />
HPA<br />
LNA<br />
HPA<br />
BPF<br />
BPF<br />
BPF<br />
BPF<br />
<strong>1.</strong> 13
SR Lösungen<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
BP LNA Mix Amp BP<br />
LO<br />
ZF<br />
Digitalisierung ab ZF<br />
ADC DSP<br />
<strong>1.</strong> 14
SR Lösungen<br />
DSP<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
AGC<br />
Data I out<br />
Data Q out<br />
Digital clock out<br />
Takt<br />
oscillator<br />
ADC<br />
ADC<br />
Zero-IF Empfänger<br />
frequency<br />
selection<br />
~~<br />
~~<br />
90deg 0deg<br />
Frequency<br />
Synthesizer<br />
RF In<br />
<strong>1.</strong> 15
SR Lösungen<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
BP LNA Mix Amp BP<br />
LO<br />
ZF<br />
Digitalisierung ab IQ-Demod<br />
90 o<br />
TP<br />
TP<br />
ADC<br />
ADC<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 16
136-174MHz<br />
(Racal)<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI<br />
Digitalisierung mit Oversampling: 2 ZF<br />
Image<br />
Reject<br />
181-<br />
219MHz<br />
45MHz<br />
Reference<br />
LO<br />
<strong>1.</strong>4MHz<br />
<strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
1<strong>1.</strong>2MHz<br />
8 bit<br />
20MSPS<br />
Decimation<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 17
136-174MHz<br />
(Racal)<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Digitalisierung mit Oversampling: 2 ZF<br />
Image<br />
Reject<br />
181-<br />
219MHz<br />
45MHz<br />
Reference<br />
LO<br />
30kHz 125kHz<br />
12 bit<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 18
From<br />
Front<br />
End<br />
(Racal)<br />
45MHz<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Digitalisierung mit Oversampling: 3 ZF<br />
<strong>1.</strong>4MHz<br />
LO<br />
30kHz 125kHz<br />
12 bit<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 19
136-174MHz<br />
(Racal)<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Digitalisierung mit Undersampling: 2 ZF<br />
Image<br />
Reject<br />
181-<br />
219MHz<br />
45MHz<br />
Reference<br />
LO<br />
455kHz<br />
147kHz<br />
12 bit<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 20
136-174MHz<br />
(Racal)<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Digitalisierung: 45 MHz ZF, IQ-Demod<br />
Image<br />
Reject<br />
181-<br />
219MHz<br />
45MHz<br />
Reference<br />
LO<br />
100kHz DSP<br />
2* 12 bit<br />
<strong>1.</strong> 21
136-174MHz<br />
(Racal)<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Digitalisierung: Bandpass, 2.5 MHz ZF<br />
Image<br />
Reject<br />
181-<br />
219MHz<br />
45MHz<br />
Reference<br />
LO<br />
2.5 MHz<br />
10 MHz<br />
16 bit<br />
bandpass<br />
ADC<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 22
PA<br />
TDD switch<br />
LNA<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
TD-CDMA/DCS1800 Transceiver<br />
90 o<br />
DAC<br />
DAC<br />
Sample Clock<br />
f s =6.71…MHz<br />
ADC<br />
f IF =5.036 MHz<br />
Power ramping<br />
Power control<br />
Digital Front-End<br />
Quadrature Down-Conversion<br />
Channel selection<br />
Sample-Rate conversion<br />
Phase/ Frequency correction<br />
Digital transmitter<br />
Digital wave synthesizer<br />
Data modulation<br />
Pulse shaping / Spreading<br />
Sample-rate conversion<br />
Symbol timing<br />
Frequency correction<br />
IQ - Predistortion<br />
Burst assembly<br />
Digital receiver<br />
Channel<br />
Estimation<br />
Equalizer<br />
FEC<br />
FEC<br />
encoding<br />
FEC<br />
decoding<br />
Data<br />
in<br />
Data<br />
out<br />
<strong>1.</strong> 23
�DSP hardware:<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
TD-CDMA/DCS1800 Transceiver<br />
ALEX Parallel Computers SHARC 3000 PCI development board<br />
7 Analog Devices SHARC Floating-Point Processors<br />
40 MHz clock<br />
280 MIPS total processing power<br />
5 SHARC’sutilised<br />
� 1 for receiver digital front-end<br />
� 1 for modulator<br />
� 1 for channel estimation and equalisation<br />
� 1 for FEC encode<br />
� 1 for FEC decode<br />
<strong>1.</strong> 24
�Service data rates:<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
TD-CDMA/DCS1800 Transceiver<br />
Service Details User bit rate Gross bit rate<br />
DCS<br />
[kbits/s] [kbits/s]<br />
1 Speech<br />
TD-CDMA<br />
13 22.8<br />
1 K=1 4-QAM 9.6 27.2<br />
2 K=2 4-QAM 19.2 54.4<br />
3 K=3 4-QAM 28.8 8<strong>1.</strong>6<br />
4 K=4 4-QAM 57.6 108.8<br />
5 K=1 16-QAM 28.8 54.4<br />
6 K=2 16-QAM 57.6 108.8<br />
7 K=3 16-QAM 86.4 163.2<br />
8 K=4 16-QAM 115.2 217.6<br />
<strong>1.</strong> 25
Berner Fachhochschule<br />
DSP software design process<br />
A MATLAB simulation<br />
environment was used to<br />
design and test all DSP<br />
algorithms and functions.<br />
Test vectors were generated<br />
with MATLAB to verify the<br />
DSP modules.<br />
MATLAB code was translated<br />
directly to combined C /<br />
Assembler<br />
code for the SHARC<br />
processors.<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
TD-CDMA/DCS1800 Transceiver<br />
Data source<br />
Data sink<br />
Parameters<br />
general<br />
Modulator<br />
general<br />
Demodul.<br />
Synchronization<br />
Rate<br />
conversion<br />
“Multimode Simulation Software”<br />
Channel<br />
estimation<br />
Parameters<br />
Rate<br />
conversion<br />
multimode part<br />
Transmitter<br />
Receiver<br />
Digital lowpass<br />
filter<br />
fixed part<br />
DAC<br />
f s<br />
Channel<br />
Receiverfilter<br />
ADC<br />
f s<br />
<strong>1.</strong> 26
BPSK QPSK<br />
16-QAM<br />
64-QAM<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
IEEE 802.11x Software Architecture<br />
Pilot carrier<br />
Insertion<br />
FFT<br />
Channel<br />
Equalization<br />
DSP 2<br />
DSP 2<br />
Bit Bit<br />
Interleaving<br />
Demapping<br />
DSP 1<br />
DSP 1<br />
Puncturing<br />
De-<br />
Interleaving<br />
Viterbi<br />
Decoder<br />
Convolutional<br />
Encoder<br />
IFFT Base Band Output<br />
Symbol<br />
Timing Sync.<br />
Base Band Input<br />
De-<br />
Puncturing<br />
Data Input<br />
Tx Side<br />
Rx Side<br />
Data Output<br />
<strong>1.</strong> 27
Berner Fachhochschule<br />
Experimentiersystem UMTS<br />
Pentium PC<br />
mother board<br />
& interfaces<br />
PCI bus<br />
(32 bits x 33 MHz)<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Inside the PC<br />
Two TI<br />
C6201 DSP<br />
Local PCI bus<br />
DSP board<br />
PMC interface<br />
+ ACQ card<br />
IF analog signal<br />
70 MHz<br />
AD/DA<br />
card<br />
Signal Generator for<br />
A/D clock<br />
14.7456 MHz<br />
~<br />
Antenna<br />
Radio card<br />
Signal Generator<br />
LO = 2.0625 GHz<br />
~<br />
<strong>1.</strong> 28
Rx-TX-IC<br />
Power Amplifier-IC<br />
Baseband-IC<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Blockschaltbild eines GSM Transceivers (2003)<br />
PLL-IC<br />
Discrete, Off Chip<br />
VCO<br />
Rx-PLL<br />
90 o<br />
ZF-PLL<br />
Tx-PLL<br />
90 o<br />
VCO<br />
VCO<br />
Reference<br />
A<br />
A<br />
A<br />
A<br />
D<br />
D<br />
D<br />
D<br />
I<br />
Q<br />
I<br />
Q<br />
DSP<br />
DSP<br />
<strong>1.</strong> 29
Antenna Switch<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Multiband Tranceiver using SR Technology<br />
<strong>1.</strong> 30
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
GSM Handheld (2003)<br />
<strong>1.</strong> 31
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
GSM (2004)<br />
<strong>1.</strong> 32
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
GSM 3-Band (2003)<br />
<strong>1.</strong> 33
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
GSM GRPS-EDGE (2004)<br />
<strong>1.</strong> 34
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong>5 Analog Digital Converter ADC<br />
<strong>Einführung</strong><br />
Nach „Moore‘s Law“verdoppelt sich die Komplexität (Anzahl Transistoren auf<br />
gleicher Fläche) von IC‘s alle 18 Monate.<br />
Für ADC‘s hat B. Walden (IEEE Journal on Selected Areas in Communications,<br />
Apr 99) aufgezeigt, dass die Komplexität nur <strong>1.</strong>5 Bit in neun Jahren zunimmt.<br />
Heute sind bereits 24 Bit ADC‘s auf dem Markt. Allerdings sind die Samplingraten<br />
nicht immer für SR brauchbar.<br />
<strong>1.</strong> 35
Berner Fachhochschule<br />
Key Parameter ADC für SR<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
• Sampling Rates<br />
• Die Sampling Rates für die Digitalisierung von Signalen sollten nach Nyquist<br />
mindestens 2 mal die höchste Signalfrequenz betragen<br />
• Für Oversampling: > 2 mal die höchste Signalfrequenz<br />
• Für Undersampling: < die höchste Signalfrequenz<br />
• Signal to Noise Ratio SNR<br />
• Das maximale SNR beträgt SNR max = 6.02 n + <strong>1.</strong>76 dB n = Anzahl Bit<br />
• Bsp. MAX1448: SNR max = 6.02x10 + <strong>1.</strong>76 dB = 6<strong>1.</strong>96 dB<br />
nach Datenblatt: SNR typ = 59 dB<br />
• Spurous-free Dynamic Range SFDR<br />
• Der maximale SFDR beträgt SFDRmax = 9n –6 dBc<br />
• Bsp. MAX1448: SFDR max = 9x10 –9 dB = 84 dBc<br />
nach Datenblatt: SFDR typ = 74 dBc<br />
• Leistungsaufnahme<br />
MAX1448: 10 Bit, 80 Msps, 120 mW<br />
<strong>1.</strong> 36
<strong>1.</strong> 37<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Marktübersicht<br />
73<br />
1970<br />
80<br />
15<br />
MAX1428<br />
71<br />
360<br />
65<br />
14<br />
MAX12553<br />
64<br />
170<br />
12<br />
MAX19542<br />
66<br />
370<br />
80<br />
12<br />
MAX1208<br />
66<br />
188<br />
40<br />
12<br />
MAX1421<br />
56<br />
480<br />
250<br />
10<br />
MAX1124<br />
58<br />
120<br />
80<br />
10<br />
MAX1448<br />
59<br />
120<br />
40<br />
10<br />
MAX1183<br />
47<br />
5250<br />
1500<br />
8<br />
MAX108<br />
47<br />
5250<br />
1000<br />
8<br />
MAX104<br />
44<br />
6500<br />
500<br />
8<br />
MAX101A<br />
48<br />
480<br />
250<br />
8<br />
MAX1121<br />
48<br />
264<br />
100<br />
8<br />
MAX1198<br />
mW<br />
SNR<br />
Power<br />
Msps<br />
Bit<br />
Typ<br />
80<br />
8000<br />
80<br />
16<br />
AD10678<br />
80<br />
7500<br />
65<br />
16<br />
AD10677<br />
75<br />
1750<br />
105<br />
14<br />
AD6645-105<br />
73<br />
420<br />
80<br />
14<br />
AD9245<br />
75<br />
370<br />
40<br />
14<br />
AD9244-40<br />
64<br />
8500<br />
400<br />
12<br />
AD12400<br />
65<br />
1430<br />
170<br />
12<br />
AD9430-170<br />
63<br />
1660<br />
80<br />
12<br />
AD9866<br />
69<br />
450<br />
40<br />
12<br />
AD9224<br />
54<br />
2900<br />
210<br />
10<br />
AD9410<br />
59<br />
475<br />
80<br />
10<br />
AD9865<br />
59<br />
340<br />
40<br />
10<br />
AD9218-40<br />
47<br />
700<br />
250<br />
8<br />
AD9480<br />
47<br />
190<br />
100<br />
8<br />
AD9288-100<br />
47<br />
190<br />
40<br />
8<br />
AD9288-40<br />
mW<br />
SNR<br />
Power<br />
Msps<br />
Bit<br />
Typ<br />
Analog Devices<br />
Maxim
Marktübersicht<br />
Msps<br />
10000<br />
1000<br />
100<br />
10<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
High Speed ADC<br />
Maxim und Analog Devices<br />
6 8 10 12 14 16<br />
Nbr. Bit<br />
<strong>1.</strong> 38
Leistungsaufnahme<br />
m W<br />
m W<br />
800<br />
700<br />
600<br />
500<br />
400<br />
300<br />
200<br />
100<br />
Leistungsaufnahme<br />
ADC 8 Bit Analog Devices<br />
Berner Fachhochschule<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250 300<br />
3500<br />
3000<br />
2500<br />
2000<br />
1500<br />
1000<br />
500<br />
Msps<br />
Leistungsaufnahme<br />
ADC 10 Bit Analog Devices<br />
0<br />
0 50 100 150 200 250<br />
Msps<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
m W<br />
m W<br />
9000<br />
8000<br />
7000<br />
6000<br />
5000<br />
4000<br />
3000<br />
2000<br />
1000<br />
2000<br />
1800<br />
1600<br />
1400<br />
1200<br />
1000<br />
Leistungsaufnahme<br />
ADC 12 Bit Analog Devices<br />
0<br />
0 100 200 300 400 500<br />
800<br />
600<br />
400<br />
200<br />
Msps<br />
Leistungsaufnahme<br />
ADC 14 Bit Analog Devices<br />
0<br />
0 20 40 60 80 100 120<br />
Msps<br />
Die<br />
Leistungsaufnahme<br />
verläuft exponentiell<br />
zur Frequenz<br />
<strong>1.</strong> 39
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong>6 Digital Signal Processor<br />
Terminologie<br />
MACS Multipy and accumulate per Second<br />
MIPS Millions of Instructions per Second<br />
MOPS Millions of Operations per Second<br />
MFLOPS Millions of Floating Point Operations per Second<br />
Whetstone Supercomputing MFLOPS Benchmark<br />
Dhrystone Supercomputing MIPS Benchmark<br />
SPECmark SpecINT, SpecFP Instruction Mix Benchmarks (92 and 95)<br />
Hauptaufgaben<br />
• Filter<br />
• Modulation, Demodulation<br />
• Codierung, Decodierung<br />
• Mapping, Demapping<br />
• Fehlerkorrektur<br />
• Datenhandling<br />
<strong>1.</strong> 40
Anforderungen<br />
Quelle: Lit. 3<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong> 41
Technologien:<br />
DSP<br />
Berner Fachhochschule<br />
Sequentielle Abarbeitung von<br />
Instruktionen<br />
Sehr geeignet für<br />
interruptgesteuerte Prozesse<br />
Einfach rekonfigurierbar<br />
durch Software<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
FPGA<br />
Parallele Ausführung von<br />
Operationen<br />
Sehr geeignet für<br />
Algorithmen wie FFT,<br />
Convolution, Filter, FEC<br />
Schwierig rekonfigurierbar,<br />
nicht bei allen FPGA‘s<br />
möglich<br />
ASIC<br />
Beides möglich<br />
Beides möglich<br />
Nicht rekonfigurierbar<br />
<strong>1.</strong> 42
Device<br />
DSP56800<br />
DSP56600<br />
DSP56367<br />
MSC8102<br />
ADSP-2191<br />
SHARC<br />
TigerSHARC<br />
TMS320C24x<br />
TMS320C54x<br />
TMS320C55x<br />
TMS320C62x<br />
TMS320C64x<br />
TMS320C67x<br />
TMS320C8x<br />
Manufacturer<br />
Motorola<br />
Motorola<br />
Motorola<br />
Motorola<br />
Analog Device<br />
Analog Device<br />
Analog Device<br />
TI<br />
TI<br />
TI<br />
TI<br />
TI<br />
TI<br />
TI<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Clock<br />
(MHz)<br />
80<br />
60<br />
150<br />
300<br />
160<br />
100<br />
150<br />
40<br />
133<br />
200<br />
150-300<br />
400-600<br />
100-167<br />
50<br />
Digital Signal Processor<br />
Performance<br />
40 MIPS<br />
60 MIPS<br />
150 MIPS<br />
4800 MMAC<br />
160 MIPS<br />
600 MFLOPS<br />
<strong>1.</strong>2 Billion MACS<br />
20-40 MIPS<br />
30-532 MIPS<br />
400 MIPS<br />
1200-2400 MIPS<br />
3200-4800 MIPS<br />
600-1000 MFLOPS<br />
100 MFLOPS<br />
Precision<br />
16 bit fixed<br />
16 bit fixed<br />
24 bit fixed<br />
16 bit fixed<br />
16 bit fixed<br />
32/40 float<br />
40 bit fixed<br />
16 bit fixed<br />
40 bit fixed<br />
16 bit fixed<br />
Fixed<br />
Fixed<br />
Floating<br />
32 bit Fixed<br />
Optimization for<br />
Control application<br />
Cell phone and 2-way radio<br />
Audio processing<br />
High processing performance<br />
Audio processing<br />
High performance precision<br />
Very high processing performance<br />
Control application<br />
Low power<br />
Low power<br />
Fixed point processing power<br />
Fixed point processing power<br />
Floating point processing power<br />
Telecomm. and image parallel processing<br />
<strong>1.</strong> 43
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
��FPGA FPGA devices consists of an array of configurable logic blocks(CLBs) blocks(CLBs surrounded by<br />
configurable routing<br />
��CLB CLB consists of resources which can be configured to define discrete discrete<br />
logic,<br />
registers, mathematical functions, and RAM<br />
��Partial Partial reconfiguration is possible in FPGA<br />
��CLBs CLBs are termed as either ‘fine fine-’or or ‘coarse coarse-grained grained’architecture architecture<br />
��Coarse Coarse-grained grained<br />
�� - Large CLBs which are optimized with particular features such as<br />
dedicated RAM<br />
�� - Higher processing speed, minimal routing<br />
�� Fine-grained<br />
Fine grained<br />
Field Programmable Gate Arrays<br />
�� - Small simple logic functioanlity, functioanlity,<br />
more flexibility<br />
<strong>1.</strong> 44
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Field Programmable Gate Arrays<br />
<strong>1.</strong> 45
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong>7 Anwendungen im militärischen Bereich<br />
Am weitesten fortgeschritten sind die Anwendungen in den USA:<br />
1998: In an effort to reduce proliferation of many different software-based<br />
radio architectures, the DOD established the JTRS Joint Program Office<br />
to develop a single architecture for future radio systems.<br />
1999: Three industrial consortia presented their concept for the JTRS<br />
architecture to the DOD.<br />
1999: The DOD selected the concept proposed by Raytheon’s consortium<br />
as the basis for the JTRS software architecture, and awarded this<br />
consortium a contract for continued development.<br />
Major members of the consortium:<br />
– Raytheon<br />
– Rockwell - Collins<br />
– BAE Systems<br />
– ITT Industries<br />
<strong>1.</strong> 46
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Raytheon Led Consortium<br />
Modular Software Radio Consortium<br />
<strong>1.</strong> 47
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Vision is to develop a family of affordable, high-capacity tactical radios to provide both<br />
line-of-sight and beyond-line-of-sight Command, Control, Communications,<br />
Computers and Intelligence (C4I) capabilities to the warfighters. This family of<br />
radios will cover an operating spectrum from 2 to 2000 MHz initially, and will be<br />
capable of transmitting voice, video and data. However, JTRS is not a one-sizefits-all<br />
system. Rather, it is a family of radios that are interoperable, affordable and<br />
scaleable. By building upon a common open architecture, JTRS will improve<br />
interoperability by providing the ability to share waveform software between<br />
radios, even radios in different physical domains.<br />
– use of proprietary standards complicates interoperability.<br />
<strong>1.</strong> 48
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
The Raytheon Consortium has released version 2.0 of the Software Communications<br />
Architecture -- the defining document for JTRS software radios.<br />
– See http://www.jtrs.sarda.army.mil<br />
The Consortium has continued to:<br />
– Validate the architecture by actual implementation of the architecture on four<br />
prototype systems independently developed by each of the members of the<br />
Consortium.<br />
The JPO has contracted with “third party”contractorsto develop independent<br />
implementations of the architecture’s core framework running on various platforms<br />
– Motorola - Vanu, Inc.<br />
– Harris - Racal<br />
– Vanu, Inc. - Assurance Technology, Inc.<br />
– Boeing - plus Rockwell-Collins & BAE Systems<br />
<strong>1.</strong> 49
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
Joint Tactical Radio System (JTRS)<br />
Homeland Security<br />
Subsurface Space<br />
Cluster 4 (Airborne)<br />
Cluster 3 (Maritime/Fixed site)<br />
Cluster 2/5 (Handheld, Manpack, Embed)<br />
Cluster 1 (Ground Vehicle, Helicopters)<br />
< 2 MHz 2 MHz –2 Ghz 2 - 6 GHz<br />
6–15/55 GHz<br />
and beyond<br />
Object Management Group (OMG) (approx. 800 Int’l members)<br />
Software Defined Radio Forum (SDRF) (Approx. 130 members)<br />
SCA Foundation<br />
Definition SCA <strong>1.</strong>0 SCA 2.0 SCA 2.1 SCA 2.2 SCA X…n<br />
<strong>1.</strong> 50
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
SDR Space Requirements Study Group<br />
Establishment of Space Requirements Study<br />
Group<br />
– First face-to-face meeting: November<br />
2003, Orlando<br />
– Coordination between meetings by<br />
email to draft charter, nominate and<br />
select co-chairs<br />
Participation planned by:<br />
– NASA (Glenn Research Center)<br />
– US JTRS JPO, US Air Force<br />
Participation sought:<br />
– International agencies and companies<br />
– Operators<br />
Applications<br />
– On-orbit (satcom, space station,<br />
shuttle, etc)<br />
– Deep space<br />
– Ground stations<br />
<strong>1.</strong> 51
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
<strong>1.</strong>8 Smart Antennas<br />
Im militärischen und cellularen Segment haben Smart Antennas zunehmend<br />
grössere Bedeutung. Der Aufwand (HW + SW) ist allerdings bedeutend.<br />
Gemäss Lit. 1 fällt bei einer UMTS Basisstation mit Smart Antenne mehr<br />
als 50% der Gesamtkosten in das Segment Antenne.<br />
180<br />
150<br />
210<br />
� 2 �<br />
120<br />
240<br />
90<br />
0.8<br />
0.6<br />
0.4<br />
0.2<br />
270<br />
User 2<br />
60<br />
300<br />
30<br />
330<br />
0<br />
Störer<br />
User 1<br />
<strong>1.</strong> 52
<strong>1.</strong>9 Literatur<br />
Web:<br />
Berner Fachhochschule<br />
Hochschule für<br />
Technik und Informatik HTI <strong>1.</strong> <strong>Einführung</strong><br />
http://www.antennex.com/Sshack/ciaoradio/ciaoradio.html<br />
http://www.sdrforum.org<br />
http://www.jtrs.sarda.army.mil<br />
Bücher:<br />
Lit. 1: Tuttlebee, W.H.W.: „Software Defined Radios: Enabling<br />
Technologies“, John Wiley 2002<br />
Lit. 2: Tuttlebee, W.H.W.: „Software Defined Radios: Baseband<br />
Technology for Cellular Systems“, John Wiley 2004<br />
Lit. 3: Burns, P.: „Software defined radio for 3G“, Artech House 2003<br />
Lit. 4: Mitola, J.: „Software Radio Architecture“, Wiley-Intersience 2000<br />
Lit. 5: Jondral, F. u.a.: „Software Radio“, Schlembach Fachverlag 2002<br />
Lit. 6: Harada, H.; Prasad, R.: „Simulation and Software Radio for Mobile<br />
Communications“, Artech House 2002<br />
<strong>1.</strong> 53
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