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Coherent Receiver

Zeit-, Phasen- und Frequenzsynchronisation von
Kostengünstige DVB-T-USB-Empfänger
Software Defined Radios in a Multi-Channel
Coherent Receiver

 Xuan Liu

 

Überzetzung durch: 19NL001


Motivation und Zielsetzung
▪ Theoretischer Hintergrund
▪ Kohärentes Mehrkanal-Empfängermodell
▪ Hardware- und Software-Implementierung
▪ Überprüfung und Messung
▪ Fazit und Ausblick

Motivation

Software Defined Radio (SDR)
▪ Vorteile
• Weniger Bedarf an dedizierter Hardware
• Erfüllen Sie Mehrzweck mit einem Modul
▪ Nachteile
• Die meisten SDR-Plattformen sind ziemlich teuer
• Weniger Machbarkeit für mehrere Geräte


RTL-SDR (DVB-T Receiver) ist derzeit der günstigste (ca. 10 €) und
hat überraschend gute Leistung in Bezug auf die allgemeine Benutzerfreundlichkeit

Zielsetzung:

▪ Theoretische Untersuchung von RTL-SDR
▪ Aufbau eines kohärenten Vierkanalempfängers mit RTL-SDRs
• Zeitsynchronisation
• Frequenzsynchronisation
• Phasensynchronisation
▪ Messung und Überprüfung


Theoretischer Hintergrund:

▪ Motivation und Zielsetzung
Theoretischer Hintergrund
▪ Kohärentes Mehrkanal-Empfängermodell
▪ Hardware- und Software-Implementierung
▪ Überprüfung und Messung
▪ Fazit und Ausblick

Theoretischer Hintergrund

Software Defined Radio

▪ Software Defined Radio (SDR) bietet eine Lösung zum Aufbaueines flexiblen und
 kosteneffizientes drahtloses Netzwerk durch Software, die einige oder alle der definiert       Funkfunktionen.
▪ SDR-Blockdiagramm

bild1

 

 


DVB-T-Dongle (RTL-SDR)

 

bild2

▪ MCX-Buchse
▪ USB 2.0
▪ Tuner-Chip R820T
▪ Demodulator-Chip RTL2832U

 
 DVB-T als SDR

 

 bild3


Kohärentes Mehrkanal-Empfängermodell

▪ Motivation und Zielsetzung
▪ Theoretischer Hintergrund
▪ Kohärentes Mehrkanal-Empfängermodell
▪ Hardware- und Software-Implementierung
▪ Überprüfung und Messung
▪ Fazit und Ausblick

 

Mehrkanaliges kohärentes Empfängermodell

▪ Kohärente Empfängeranforderung
• Der Abtasttakt muss zwischen den Empfängern synchronisiert werden
• Der Startzeitpunkt der Abtastung muss zwischen den Empfängern ausgerichtet sein
▪ Anwendungen, die einen phasensynchronen Empfang erfordern
• Frequenzsynchronisation
• Phase Vorkenntnisse

 

Mehrkanaliges kohärentes Empfängermodell

▪ Abtasttakt- und Frequenzsynchronisation
• Jitter und Drift der Uhr
• Der 28,8-MHz-Taktkristall ist die Einzeltaktquelle für RTL-SDR
• Lösung: Gemeinsame Nutzung einer gemeinsamen Taktquelle zwischen RTL-SDRs

 

bild4

 

 

 Mehrkanaliges kohärentes Empfängermodell

 ▪ Fractional- N PLL-Restfrequenzfehler

 

bild5

• Kontinuierliche Phasendrift zwischen zwei RTL-SDRs, auch bei gemeinsamer Nutzung
  der Clock entsteht eine Frequenzinkongruenz
• Verborges 17.th Bit des fractional- N PLL wird zufällig bei RETUNE eingestellt
• Frequenzfehlanpassung nimmt diskrete Werte an

 

Mehrkanaliges kohärentes Empfängermodell

 

▪ Zeitsynchronisation
• USB-Kommunikation einige Millisekunden
• PLL-Sperrzeit
  max. 5ms
• Lösung: In jedes RTL-SDR am wird ein Breitband-Rauschsignal eingespeist
  Beginn des Empfangs und Kreuzkorrelation wird berechnet
➢ Die Autokorrelation von weißem Rauschen ist eine Dirac-Delta-Funktion
➢ Zu Beginn des Antennenempfangs ist keine erneute Abstimmung erforderlich
• Der Zeitversatz bleibt konstant, solange keine Samples verloren gehen

 

Mehrkanaliges kohärentes Empfängermodell

 

▪ Phasensynchronisation
• Zufälliger Phasenversatz aufgrund der gebrochenen N- PLL im Tuner-Chip
  R820T tritt bei jeder Neuabstimmung auf
• Lösung: Winkeldifferenz zwischen zeitlich ausgerichtetem Rauschsignal von RTL-
  SDRs ist der Phasenversatz
• Der Phasenversatz bleibt konstant, solange keine Neuabstimmung erfolgt


Hardware- und Software-Implementierung

 

▪ Motivation und Zielsetzung
▪ Theoretischer Hintergrund
▪ Kohärentes Mehrkanal-Empfängermodell
▪ Hardware- und Software-Implementierung
▪ Überprüfung und Messung
▪ Fazit und Ausblick

 

Hardware- und Software-Implementierung

bild6

 

Hardware- und Software-Implementierung

 

 bild7

 

Hardware- und Software-Implementierung

 bild8


Überprüfung und Messung

▪ Motivation und Zielsetzung
▪ Theoretischer Hintergrund
▪ Kohärentes Mehrkanal-Empfängermodell
▪ Hardware- und Software-Implementierung
▪ Überprüfung und Messung
▪ Fazit und Ausblick

 

Überprüfung und Messung

▪ S- Parameter mit einem Zwei-Port-Vektor-Netzwerkanalysator
• Größe von S.21
➢ Überprüfung der PCB-Funktionalität
• Winkel von S.21
➢ PCB-Phasenkorrektur                                     bild9

Überprüfung und Messung

 

▪ HF-Schalter auf Rauschempfang eingestellt

 bild10

 

 Überprüfung und Messung

▪ HF-Schalter auf Antennensignalempfang eingestellt

 

 bild11

 

 Überprüfung und Messung

 ▪ Phasenversatz durch Leiterplatte hinzugefügt

 

 bild12

 Überprüfung und Messung

▪ Messeinrichtung
• PC
• 12V Stromversorgung
• Signalgenerator
• 28,8-MHz-Taktquelle
Ausgangssignal mit der gleichen Phase


bild13

 Überprüfung und Messung

▪ Messergebnisse
• Ohne Phasendriftkompensation

bild14
• Mit Phasendriftkompensation

 

 bild15

 Überprüfung und Messung

▪ Messergebnisse


  Vor Zeit, Phase und Frequenz Synchronisation

bild16

 
Nach Zeit, Phase und Frequenz Synchronisation

 bild17

 Überprüfung und Messung

 ▪ Messergebnisse

 

 bild18


Fazit:

▪ Ein vierkanaliger kohärenter Empfänger basierend auf der Synchronisation von RTL-
  SDRs wurden realisiert
▪ Der Restfrequenzfehler aufgrund der gebrochenen N- PLL war
  erfolgreich von 250 auf 1350MHz kompensiert
▪ Die Synchronisation zeigt eine recht robuste Leistung bei 433 MHz, solange
  die Phasendrift kontinuierlich ist



Weitere Arbeiten
▪ Kühlung und Abschirmung
▪ Messung bei höheren Frequenzen
▪ AGC für das Referenzrauschensignal
▪ Anwendungsdemonstration

▪ Timer
▪ HF-Schalter
▪ Taktverteilung
▪ Rauschquellen-Netzschalter

 bild19


Hardware- und Software-Implementierung
HF-Schalter

▪ ADG918
• Saugfähiger SPDT-HF-Schalter
▪ SCA-4-132 +
• 4-Wege-Leistungsteiler
• Phasenunwucht                       muss kompensiert werden!
▪ Pad mit minimalem Verlust
• Bereitstellung einer Breitband-Impedanzanpassung von 50 Ω bis 75 Ω

bild20

Hardware- und Software-Implementierung
Triggersignal

▪ SDAT als Triggersignal
• I2C-Kommunikation zwischen Tuner-Chip R820T / EEPROM und
  Demodulator-Chip RTL2832U tritt nur am Anfang der RTL-SDR-Konfiguration auf.
• Die I2C-Kommunikation beginnt mit einer fallenden Flanke bei SDAT während SCLK
  hoch bleibt und endet mit einer steigenden Flanke bei SDAT, während SCLK
  hoch bleibt.

 bild21

Hardware- und Software-Implementierung
Timer

▪ TLC555
• Zeitschaltkreis für geringen Stromverbrauch
• Fallende Flanke ausgelöst
▪ LSF0102
• Spannungspegelübersetzer
• Öffnen Sie den Abfluss und drücken Sie Pull-kompatibel

 bild22

 

 

Hardware- und Software-Implementierung
Synchronisationsalgorithmus

▪ Latenzzeitunterschied zwischen Kanälen
  innerhalb der ersten Verarbeitungsschleife
▪ Die Latenz nimmt innerhalb einer Sekunde ab
  Verarbeitungsschleife, bis keine Latenz mehr vorliegt.


  Unterschied zwischen RTL-SDRs

 bild23

bild24

 

Hardware- und Software-Implementierung
Synchronisationsalgorithmus

▪ Bestimmung wann das Antennensignal
  bzw. wann der Empfang beginnt.

 bild25

 

bild26

 

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