Повышение чувствительности SDR-приемника с помощью внешнего малошумящего усилителя и программной обработки сигнала в широком диапазоне частот

На данный момент широкое распространения получило использование SDR (Software-Defined Radio) – приемников для различных целей применения [1–4]. SDR – это технология, в которой традиционные аппаратные компоненты радиоприемника (такие как смесители, фильтры, усилители, модуляторы/демодуляторы и детекторы) заменяются программным обеспечением на компьютере или встроенном процессоре. В SDR-приемниках большую часть обработки сигнала выносят в цифровую область, что обеспечивает гибкость данной архитектуры, которая определила множество сфер их применений:

• 1)    Любительская радиосвязь: один SDR-приемник может принимать и излучать сигналы в определенной полосе частот с любым типом модуляции, изменив программный алгоритм обработки сигнала.

• 2)    Научные исследования и образование. SDR – идеальный инструмент для разработки и тестирования новых алгоритмов модуляции и методов обработки сигналов. Например, возможно

использование SDR для регистрации электромагнитного излучения, возникающего при высокоскоростном соударении тел [5].

• 3)    Тестирование и измерения. Недорогие SDR (например, RTL-SDR) можно использовать как простой анализатор спектра для диагностики помех или проверки работы передатчиков.

• 4)    Безопасность и радиомониторинг. Мониторинг радиопереговоров (в рамках закона). Использование нескольких SDR для определения местоположения источника сигнала.

• 5)    «Гражданская» разведка и хобби. С помощью дешевого SDR-приемника и программы (например, Virtual Radar) можно следить за воздушным движением самолетов в реальном времени.

• 6)    Космическая связь. Радиолюбители по всему миру имеют возможность принимать данные с научных спутников, космических зондов и МКС.

1.    Описание оборудования

В данной работе проведено исследование чувствительности распространенного приемника Pluto SDR plus в зависимости от внешних пред- ^^Ш © Калаев М.П., Телегин А.М., Николаев Л.В., 2026

Таблица 1. Характеристики SDR-приемника Pluto SDR plus

Table 1. Characteristics of the SDR receiver Pluto SDR plus

Параметр / Характеристика	Значение / Описание AD9361	Значение / Описание AD9363
Архитектура	2x2 MIMO (2 приемника, 2 передатчика)
Диапазон частот (Прием – RX)	70 МГц – 6,0 ГГц	325 МГц – 3,8 ГГц (официально)
		70 МГц – 6,0 ГГц (фактически)
Пропускная способность канала	Программируемая: < 200 кГц – 56 МГц	200 кГц – 20 МГц
Разрешение АЦП/ЦАП	12 бит
Коэффициент шума (NF) приемника	2,0 дБ (на 800 МГц, макс, усиление) 3,0 дБ (на 2,4 ГГц, макс, усиление) 3,8 дБ (на 5,5 ГГц, макс, усиление)	2,5 дБ (на 800 МГц, макс, усиление) 3,0 дБ (на 2,4 ГГц, макс, усиление) 3,2 дБ (на 3,8 ГГц, макс, усиление)
Динамический диапазон управления усилением (RX)	74 дБ с шагом 1 дБ

варительных усилителей и программной обработки (табл. 1). Данный приемник имеет высокие характеристики при относительно невысокой цене и реализован на базе радиочастотного модуля AD9363, который является разновидностью (с несколько ограниченным функционалом) распространенного модуля AD9361, используемого в большинстве SDR-приемников среднего ценового сегмента (USRP B210 и т. д.).

Как видно из табл. 1, распространенные радиомодули AD9361/AD9363 имеют сопоставимые характеристики, однако для AD9361 нормируется более низкий коэффициент шума, а также официально поддерживается более широкий диапазон полосы частот (на практике AD9363 может работать с такими же значениями частот, однако шумовые характеристики будут выше).

Радиомодуль AD9361/AD9363 (рис. 1) – это высокопроизводительный, высокоинтегрированный RF-трансивер, предназначенный для применения в базовых станциях стандартов 3G и 4G. Устройство сочетает в себе ВЧ-тракт, сектор смешанных сигналов базовой полосы и встроенные синтезаторы частот, что упрощает встраивание в систему благодаря наличию настраиваемого цифрового интерфейса для подключения к процессору.

Гетеродин (LO) приемника AD9361 работает в диапазоне от 70 МГц до 6,0 ГГц что покрывает большинство используемых частотных диапазонов. Поддерживаемая полоса пропускания канала – от 200 кГц до 56 МГц.

2.    Расчет предельной чувствительности приемника

Низкий уровень собственных шумов в программно определяемом радиоприемнике является фундаментальным параметром, непосредственно определяющим его предельную чувствительность и способность к детектированию слабых сигналов. В условиях, когда мощность полезного сигнала может быть сравнима с мощностью теплового шума или превышать ее лишь на доли децибела, коэффициент шума приемника становится ключевым фактором, ограничивающим динамический диапазон и достоверность приема сигнала. Таким образом, минимизация шумовой составляющей представляет собой критически важную задачу при проектировании измерительных комплексов, систем радиомониторинга и средств связи, работающих в условиях значительного ослабления сигнала в тракте распространения.

Первая причина, ограничивающая предельную чувствительность приемника, определяется формулой Найквиста [6]:

Pn = 4 kTRAf, где Pn – мощность теплового шума (Вт); k – постоянная Больцмана; T – абсолютная температура (К); Af - полоса пропускания (Гц); R - сопротивление нагрузки (Ом).

Формула определяет теоретический минимальный уровень собственных шумов, вносимых резистивными элементами приемного тракта.

NOTES

1. SPI, CTRL, P0_[D11:D0]/TX_[D5:D0], P1_[D11:D0]/RX_[D5:D0], AND RADIO SWITCHING CONTAIN MULTIPLE PINS.

Рис. 1 . Структурная схема радиомодуля AD9361

Fig. 1. Structural diagram of the AD9361 radio module

Второй причиной, влияющей на чувствительность, является коэффициент шума каждого усилительного каскада схемы. Для расчета суммарного коэффициента шума последовательно соединенных модулей, каждый из которых имеет свой собственный коэффициент шума и коэффициент усиления по мощности, воспользуемся формулой Фрииса [6; 7]:

F - 1 F - 1

F  = F + —— + 3—, total 1

G ₁     G ₁ G ₂

где F ₁ – коэффициент шума внешнего усилителя; F ₂ – коэффициент шума встроенного усилителя на входе SDR (0–70 дБ); F ₃ – АЦП.

Наглядно формула для многокаскадной системы поясняется рис. 2 [7].

С учетом суммарного коэффициента шума системы минимальный детектируемый сигнал определяется согласно выражению [8]:

Рис. 2. Для расчета коэффициент шума многокаскадной системы

Fig. 2. To calculate the noise figure of a multi-stage system

MDS = -174 + 104og_w( A f ) + Ftotal+SNR _ min - PG, где –174 дБм/Гц – спектральная плотность теплового шума при T = 290 К; SNR_min – минимальное требуемое отношение сигнал/шум для детектирования; PG – выигрыш за счет постобработки (Processing Gain).

Коэффициент усиления усилителя, дБ

Рис. 3. Пиковые значения шума на выходе АЦП в зависимости от усиления PGA для центральной частоты приемника: 1 – 100 МГц, 2 – 400 МГц, 3 – 1 ГГц, 4 – 6 ГГц

Fig. 3. Peak values at the ADC output depending on the PGA gain for the receiver’s center frequency: 1 – 100 MHz, 2 – 400 MHz, 3 – 1 GHz, 4 – 6 GHz

Для задач обнаружения сигналов при обработке используется быстрое преобразование Фурье (FFT), которое при большом количестве точек является эффективным методом повышения значения сигнал/шум системы. С учетом практических ограничений и неидеальностей системы итоговое отношение сигнал/шум определяется следующим выражением [8; 9]:

SNR _ fft = P _ in + 174 - 10 log₁₀ ( Bw ) - NF _ total + + 10 log io ( N / 2 ) — G _ total-L _ window — L _ quant ,

где SNR _ fft – итоговое отношение сигнал/шум после БПФ, дБ; P_in – мощность входного сиг- нала, дБм; B – полоса пропускания системы, Гц; NF _ total – общий коэффициент шума системы, дБ; N – количество точек БПФ; G _ total – общее усиление системы (G_ amp + G_ sdr), дБ.

Потери от использования оконной функции определяются выражением:

L_window = 10log1o (ENBW), где ENBW – эквивалентная шумовая полоса оконной функции (для прямоугольного окна: ENBW = 1,0 -ЭL_window=0 дБ, для окна Хэнна: ENBW = 1,5 -э L _ window = 1,76 дБ).

Реальное соотношение сигнал/шум в SDR-приемнике также ограничено характеристиками АЦП, используемого в системе. Минимальный детектируемый сигнал с помощью АЦП составляет: ADC limit=P max ADC - DRadc + SNRmin, где P _max _ADC – максимальная мощность сигнала на входе АЦП для AD9361/AD9363, определяемая согласно выражению:

P _ max _ ADC = 10 log_w ( ( V _ ref / ( 2 A 2 ) ) ² / R _ in ) +

+ 30=7,7 дБм, где V _ ref – опорное напряжение (1,3 В); R_in (100 Ом) – входное сопротивление АЦП; число 30 в формуле соответствует переводу ватт в милливатты.

DR_ADC – теоретический динамический диапазон 12-битного АЦП, определяется выражением [8–10]:

DR ADC = 6,02 ^x N + 1,76 = 6,02 ^x 12 + 1.76 = 74 ДБ . (2)

С учетом минимального соотношения сиг-нал/шум, необходимого для приема сигнала SNRmin = 10 дБм, и коэффициента усиления встроенного усилителя ( Gain = 60 дБ ) без применения программной обработки получим: ADC _ limit = -119,3 дБм.

Расчет по формуле (1) без программной обработки дает значение шума –100,6 дБм для исследуемой системы. Таким образом, ограничение чувствительности приемника шумами усилителей является определяющим относительно ограничений, вызванных разрядностью АЦП. В следующей части показано, что использование FFT позволяет улучшить эти показатели в задачах обнаружения слабых сигналов на 20–30 дБ.

3.    Экспериментальные исследования шумовых характеристик

В ходе экспериментальной проверки полученной зависимости SNR от параметров системы, произведено несколько серий измерений как собственных шумов приемника, без подключения внешних источников сигнала, так и с подключением внешних цепей и усилителей.

3.1.    Измерение динамического диапазона системы

Формула (2) позволяет определить теоретический динамический диапазон АЦП, однако на практике параметр ENOB (effective number of bits) – эффективное число битов, параметр, который служит для измерения качества АЦП, всегда меньше его разрядности.

Для проверки реального динамического диапазона системы, состоящей из встроенного усилителя G _ sdr и АЦП, проведена серия замеров с отключенным входом приемника при значениях PGA 0–70 дБ, значениях центральной частоты 100–6000 МГц и ширине полосы пропускания 2 МГц. На рис. 3 приведены пиковые значения шумов d отсчетах на выходе АЦП без обработки (RAW Data), а на рис. 4 – рассчитанный с учетом

Рис. 4. Реальный динамический диапазон SDR-приемника в зависимости от коэффициента усиления встроенного усилителя G _ sdr для центральной частоты приемника: 1 – 100 МГц, 2 – 400 МГц, 3 – 1 ГГц, 4 – 6 ГГц

Fig. 4. Actual dynamic range of the SDR receiver depending on the gain of the built-in amplifier G_sdr for the central frequency of the receiver: 1 – 100 MHz, 2 – 400 MHz, 3 – 1 GHz, 4 – 6 GHz данных, показанных на рис. 3, динамический диапазон SDR-приемника в зависимости от коэффициента усиления встроенного усилителя.

Согласно рис. 3, в диапазоне значений усиления PGA от 0 до 40 дБ пиковое значение шума составляет 2–5 ед. АЦП для всех значений центральной частоты приемника. При значениях PGA выше 40 дБ наблюдается рост уровня шума. На максимальной для приемника частоте 6 ГГц (ряд 4) пиковое значение амплитуды шума при высоких коэффициентах усиления (50–60 дБ) увеличивается в 2 раза относительно частоты 1 ГГц. Из рис. 4 видно, что реальный динамический диапазон системы меньше, чем теоретически возможный для системы с 12-разрядным АЦП (74 дБ в соответствии с формулой (2)), и составляет в различных условиях от 45 до 66 дБ.

3.2.    Измерение SNR в зависимости от уровня входного сигнала

Для измерения соотношения SNR в зависимости от уровня входного сигнала собрана автоматизированная измерительная система, включающая в себя генератор с дистанционным управлением и персональный компьютер (рис. 5). В схеме использовался генератор сигналов Rigol DSG3136B-IQ (как источник калиброванного сигнала с минимальным уровнем –130 дБм), испытуемые усилители: TQP3M9037 (широкополосный, 50–6000 МГц) и SBB5089Z (низкочастотный, 10–6000 МГц, но с лучшим коэффициентом шума на низких частотах).

Рис. 5. Структурная схема проведения эксперимента

Fig. 5. Structural diagram of the experiment

Для связи ПК с генератором и SDR-приемником используется интерфейс Ethernet 1Gbit, посколь ку он обеспечивает гальваническую развязку между отдельными устройствами, а также высокую скорость передачи данных, что является критичным параметром для SDR-приемника. Для проведения эксперимента было написано специализированное программное обеспечение SNRtest на Python, которое позволяет выполнить измерения в автоматизированном режиме (рис. 6).

Программа автоматически производит поиск полезного сигнала в частотной области, измеряет его амплитудное значение, затем идет определение среднего значения шума в заданной полосе, за исключением центральной частоты приемника, на которой возможно появление паразитных спектральных линий, вызванных работой гетеродина SDR-приемника (частота 1000 МГц на рис. 6). После вычисления SNR начинается автоматизированная перестройка частот генератора и приемника и следующее измерение.

Поскольку шум является случайной величиной, для повышения статистической значимости данных на каждой частоте осуществляется перезапуск измерения 20 раз, в результате вычисленное значение SNR имеет некоторое поле распределения на каждой частоте (рис. 7).

В ходе экспериментов сначала было произведено измерение зависимости SNR от цифровой обработки (FFT). Измерение происходило при частоте генератора 1 ГГц и уровне сигнала –110 дБ, количество точек FFT менялось от 1024 до 65536.

Согласно рис. 7, увеличение количества N точек FFT является эффективным средством повышения SNR-системы, однако при высоких N растет использование вычислительных ресурсов процессора, что приводит к снижению быстродействия системы.

Рис. 6. Пример визуализации спектра с помощью программы SNRtest

Fig. 6. Example of spectrum visualization using the SNRtest program

Рис. 7. Относительное изменение SNR в зависимости от количества точек FFT: 1 – эксперимент, 2 – теоретический результат (аппроксимация функцией вида

- y = 22 + 10 log ₁₀ ( x / 2 ) ( y = k + 10 log ( N / 2 ) )

Fig. 7. Relative change in SNR depending on the number of FFT points: 1 - experiment, 2 - theoretical result (approximation by a function of the form - y = 22 + 10 log ₁₀ ( x / 2 ) ( y = k + 10 log ( N / 2 ) )

Рис. 8. Относительное изменение SNR от полосы: 1 – результаты эксперимента; 2 - аппроксимация y = 4 ln ( x ) + 19,3

Fig. 8. Relative change in SNR from band: 1 – experimental results;

2 - approximation y = 4 In ( x ) + 19,3

• 3.3.    Оценка влияния внешнего предусилителя на SNR и мощность минимального обнаруживаемого сигнала (MDR)

Согласно рис. 8, уменьшение полосы пропускания приемника и увеличение количества точек FFT позволяют эффективно повысить соотношение сигнал/шум (SNR) SDR-приемника в задачах, связанных с поиском и анализом сигналов в частотной области. Эти методы не повышают сто- имость системы, а увеличение чувствительности происходит лишь за счет снижения быстродействия системы.

На практике может потребоваться более высокая чувствительность либо высокое быстродействие системы (например, при радиомониторинге в широком диапазоне частот). В этом случае дальнейшее повышение соотношения сигнал/шум системы возможно за счет использования внешнего малошумящего усилителя (МШУ) на входе приемника.

Рис. 9. Схема экспериментальной установки для исследования влияния внешнего усилителя на соотношение сигнал – шум приемной системы

Fig. 9. Schematic diagram of the experimental setup for studying the influence of an external amplifier on the signal-to-noise ratio of the receiving system

а

Для работы совместно с SDR-приемниками внешний усилитель должен обладать низким коэффициентом шума (NF) и высоким коэффициентом усиления (обычно около 20 дБ) в широкой полосе частот (70–6000 МГц). Коэффициент шума ( Noise Figure, NF) – фундаментальный параметр, количественно характеризующий деградацию отношения сигнал – шум (Signal-to-Noise Ratio, SNR) при прохождении сигнала через усилительное устройство. В случае использования внешнего усилителя с собственным уровнем шума выше, чем шум входных цепей SDR-приемника (для Pluto SDR от 2 до 3,8 дБ в зависимости от диапазона входных частот), общий выигрыш при регистрации сигналов будет незначителен, а динамический диапазон системы будет даже снижен за счет насыщения АЦП-приемника при наличии мощных сигналов.

Для проведения экспериментальных исследований SNR-системы, содержащей SDR и МШУ на входе, собрана схема экспериментальной установки, показанная на рис. 9.

Произведено исследование значения SNR в диапазоне частот 70–6000 МГц при уровне входного сигнала –130 дБ:

• 1.    Без предусилителя.

• 2.    Один усилитель типа SBB5089Z (20 дБ) (рис. 10).

• 3.    Два усилителя типа SBB5089Z, последовательно (40 дБ).

• 4.    Один усилитель типа TQP3M9037 (20 дБ) (рис. 11).

Во всех сериях экспериментов ширина полосы приемника была выбрана равной 2 МГц, а количество точек FFT N = 65536. Было произведено измерение уровня шума и уровня сигнала

б

Рис. 10. Фотография усилителя SBB5089Z с экранирующей крышкой ( а ) и без нее ( б )

Fig. 10. Photograph of the SBB5089Z amplifier with ( a ) and without ( b ) shielding cover

Рис. 11. Фотография усилителя TQP3M9037

Fig. 11. Photograph of the TQP3M9037 amplifier

Рис. 12. SDR-приемник с двумя усилителями типа SBB5089Z на входе

Fig. 12. SDR receiver with two amplifiers of the SBB5089Z type at the input

Рис. 13. Измеренные значения сигнал/шум с разными усилителями: 1 – без усилителя; 2 – с одним усилителем SBB5089Z; 3 – с двумя усилителем SBB5089Z; 4 – с одним усилителем TQP3M9037

Fig. 13. Measured signal-to-noise values with different amplifiers: 1 – without amplifier; 2 – with one SBB5089Z amplifier; 3 – with two SBB5089Z amplifiers; 4 – with one TQP3M9037 amplifier в зависимости от частоты, без усилителя на входе и с использованием внешнего усилителя SBB5089Z (рис. 12). Во всех экспериментах уровень сигнала на выходе генератора составлял –130 дБм, а коэффициент усиления встроенного в SDR усилителя 60 дБ.

На рис. 13 показаны измеренные значения сиг-нал/шум для перечисленных вариантов.

Как видно из рис. 13, если принять SNR = 10 дБ как минимальное значение, необходимое для приема сигнала, для входного сигнала мощностью –130 дБ, прием без внешнего усилителя невозможен. В диапазоне частот от 70 до 3800 МГц наилучший результат показывает усилитель на основе чипа TQP3M9037 с заявленным уровнем шума NF = 0,4 дБ. На более высоких частотах коэффициент усиления TQP3M9037 начинает снижаться. Это соответствует заявленному в документации рабочему диапазону частот (ко- эффициент усиления 20 дБ гарантирован только до 2,7 ГГц, несмотря на маркировку на печатной плате 6 ГГц). В диапазоне частот от 3,8 до 6 ГГц лучшие показатели у усилителей на основе чипа SBB5089Z, причем последовательное включение двух каскадов из SBB5089Z не дает выигрыша в значении SNR, поскольку данные усилители имеют относительно высокий собственный уровень шума (NF=4дБ). Таким образом, для практических применений рациональным может быть использование системы двух усилителей (например, TQP3M9037 до 3,8 ГГц и SBB5089Z на более высоких частотах), а также антенного переключателя перед входом SDR-приемника

Заключение

В результате проведенного исследования была разработана и апробирована автоматизированная измерительная система, позволяющая проводить комплексный анализ шумовых характеристик приемных трактов. Ключевой особенностью данной системы является программно управляемый комплекс на базе ноутбука, обеспечивающий синхронное управление SDR-приемником ADALM-PLUTO и генератором сигналов Rigol DSG3136B-IQ, что позволило существенно повысить точность, воспроизводимость и эффективность измерений в широком частотном диапазоне.

Экспериментально подтверждена высокая эффективность применения внешних малошумящих усилителей для оптимизации чувствительности бюджетного SDR-приемника. Полученные данные позволили сделать следующие выводы:

• 1.    Использование внешних усилителей TQP3M9037 и SBB5089Z приводит к кардинальному улучшению чувствительности SDR-приемника. Улучшение отношения сигнал/шум на выходе

• 2.    Выявлена четкая частотная зависимость эффективности исследуемых усилителей. Усилитель TQP3M9037 демонстрирует хорошие результаты на частотах ниже 2 ГГц благодаря своему низкому коэффициенту шума (менее 0,6 дБ). В свою очередь, усилитель SBB5089Z имеет более высокий шум, однако проявляет себя как более универсальное решение, обеспечивая стабильно высокое усиление и улучшение чувствительности во всей полосе 70–6000 МГц.

• 3.    Результаты измерений показали хорошую корреляцию с теоретической моделью каскадного усилителя. Незначительные расхождения могут быть объяснены влиянием потерь в соединитель-

• ных элементах и неидеальностью согласования по входу.

системы достигает 10–15 дБ в большей части исследуемого диапазона, что полностью согласуется с теоретическими расчетами, выполненными на основе формулы Фрииса.

Практическая значимость работы заключается в том, что разработанная автоматизированная система и полученные экспериментальные данные предоставляют готовую базу для инженерной практики. Она позволяет проводить быстрый и точный сравнительный анализ активных компонентов при проектировании высокочувствительных приемных систем на базе SDR.

Перспективы дальнейших исследований связаны с усовершенствованием созданной системы путем интеграции в измерительный тракт программируемых аттенюаторов и средств анализа КСВН, что позволит более детально изучать влияние согласования на шумовые параметры. Кроме того, методика может быть расширена для тестирования других типов усилителей и фильтров в различных частотных диапазонах.