Software Defined Radio
Lösungen für analoge und digitale Funksysteme
Mit der Evolution drahtloser Kommunikationsstandards sind analoge Radiosysteme, die mehr als ein halbes Jahrhundert die Grundlage der Funktechnologie gebildet haben, zum Auslaufmodell geworden. Digitale Funksysteme befinden sich seit den frühen 90ern in Produktion. Angesichts dieses neuen Trends, der Entwicklung von digitalen Technologien und der allgemeinen Begeisterung dafür, entsteht das Bedürfnis, digitales Radio nicht nur zu verstehen, sondern auch anpassbare Lösungen bereitzustellen, die der wachsenden Nachfrage nach einer gemeinsamen Integration analoger und digitaler Domänen gerecht werden.
Um die Ansprüche von Anwendern an Infotainmentsysteme zu erfüllen, benötigt besonders die Automobilindustrie eine Lösung für die Kombination digitaler und traditioneller analoger Radiosysteme. Da aber die Fahrzeuge in alle Welt ausgeliefert werden, gibt es keine konkrete Anwendbarkeit eines einzigen Radioformats; denn unterschiedliche Länder nutzen unterschiedliche Standards. Länder oder Regionen haben sich aus ganz unterschiedlichen Gründen für einen bestimmten Standard entschieden. Daher besteht die Forderung nach einer anpassbaren Lösung, die sich per Software konfigurieren und auf einfache Weise über Nationen und Regionen hinweg portieren lässt. Dies erreicht man mit Hilfe einer Technologie die auch als Software Defined Radio (SDR) bekannt ist. Das SDR zugrunde liegende Prinzip besteht darin, dass auf einem Universalprozessor laufende Software die bisher normalerweise in Hardware realisierten Funktionen des Empfangspfades abarbeitet, bspw. die Demodulation und die Decodierung des Audiosignals. Per Software wird definiert, wie genau das von der Antenne kommende Signal verarbeitet wird. Sowohl der analoge als auch der digitale Rundfunkempfang im Auto können so mit einem Minimum an Komponenten realisiert werden.
Format verstehen, dechiffrieren, Details extrahieren
Abbildung 1 zeigt ein Blockschaltbild zur Realisierung einer SDR-Lösung auf abstrakter Ebene. Das Diagramm demonstriert externe, sich nicht auf dem Chip befindende Radiotuner, die sich entweder im Integrated Inter-chip Sound-Format (I2S) oder in einem Hochgeschwindigkeitsformat wie JESD204B anbinden lassen. Das letztere wird typischerweise für Applikationen verwendet, die eine hohe Konvertergeschwindigkeit (~1Gbit/s) und hohe Auflösung voraussetzen. Solche Tuner geben die Daten in einem seriellen Bitstrom aus, der innerhalb des SoC über LVDS- oder GPIO-Pins weitergeleitet wird, je nachdem, welches der zwei Formate zur Anwendung kommt. Für eine Hochgeschwindigkeitsübertragung nach JESD204B werden LVDS-Pads eingesetzt. Der serielle Bitstrom im I2S-Protokoll ist ein Pulse-Code- Modulated-Strom (PCM ), der von einem I2S-Controller im Chip erfasst wird. Der Controller ist für die Deserialisierung dieses Bitstroms und die Erzeugung der I-Sample (In-Phase) und Q-Sample-Ausgangswerte (Quadratur-Phase) mit variabler Länge (32Bit/16Bit/8Bit) verantwortlich. Im JESD204B-Format wird ein 10b-codierter (8b/10b-Format) Bitstrom geliefert, der in das Chip eingespeist wird. Der zugehörige JESD204B-Controller decodiert diesen Strom zurück auf gültige 8b-Daten, sammelt alle solchen 8b-Werte und generiert dann ähnliche I-Sample- und Q-Sample-Ausgangswerte mit variabler Länge. Die zugehörigen Abtastwerte, I-Sample und Q-Sample, werden dann in unterschiedlichen FIFO-Bänken gespeichert, die innerhalb des Chips zur Verfügung stehen. Im FIFO werden die von den Controllern für die weitere Verarbeitung erzeugten Detaildaten gespeichert. Wurden genügend Daten im FIFO abgelegt, dann kann die Signal Demodulating (Unit SDU) diese Daten abholen und deren Demodulation bearbeiten. Die Demodulation wird ausgeführt, um das Basisbandsignal vom Trägersignal zu separieren. Die so verarbeiteten Daten können dann im RAM abgelegt werden. Dann werden diese demodulierten Daten an die Harmonics Filtering Unit (HFU) übergeben, wo die während des Demodulationsverfahrens angefallenen hochfrequenten Oberwellen ausgefiltert werden. Die gefilterten Daten werden dann ins RAM zurückgespeichert. Anschließend werden die gefilterten Daten von einem Audio-Prozessor verarbeitet. Dies kann ein beliebiger Applikationsprozessor sein. Der Prozessor ist für die Extraktion der Audiodaten, der Sender- und Audioinformationen und vieler anderer Details verantwortlich. Die Extraktion basiert auf Software, die vorab hereingeladen wurde. Diese Software sagt dem Prozessor, wie er das Radioformat (DAB, DAB+ usw.) verstehen, die Radiodaten dechiffrieren und die anderen relevanten Details extrahieren kann. Dadurch wird das ganze System Software-konfigurierbar, und das gleiche Design kann jetzt durch eine einfache Änderung der Software die unterschiedlichen Radioformate in unterschiedlichen Ländern bedienen. Dies ist im Wesentlichen die Funktion der Lösung. Weitere Details zu den wichtigen Komponenten des Designs folgen nachstehend.
Kommaberechnung und 8b/10b-Decodierung
Rx Controller sind dafür gedacht, Daten von externen Tunern im spezifizierten Protokoll zu empfangen. In der Anwendung können I2S- oder JESD204B Rx-Controller eingesetzt werden, wobei die letzteren für eine High-Speed-Übertragung (~800MHz) genutzt werden. Beim I2S-Verfahren steuert ein externer Tuner den I2S-Controller über GPIO-Pads mit einem seriellen Bitstrom mit einem Bittakt von ~60-70MHz an. Der Controller deserialisiert diesen Strom in längenkonfigurierbare Ausgangswerte für die I- und Q-Samples. Abbildung 2 verdeutlicht diese Arbeitsweise. Der externe JESD204B-Tuner liefert ebenfalls einen seriellen Bitstrom und einen Bausteintakt über die LVDS-Pads an den internen JESD204B-Controller, wobei die Bitraten bis zu 800MHz betragen. Die seriellen Daten der Tuner auf der jeweiligen Schiene durchlaufen einen JESD204B-konformen PHY. Der PHY erledigt die Clock- und Daten-Recovery (CDR) und liefert den zurückgewonnenen Takt und die ebenfalls zurückgewonnenen 10-Bit Daten, die dann einem JESD204B-konformen Controller zugeführt werden. Die Hauptfunktion des Controllers besteht in Kommaberechnung, 8b/10b-Decodierung, De-Scrambling und De-Mapping der Tunerdaten. Die neu sortierten Daten werden dann zu den I- und Q-Sample-Ausgangswerten verarbeitet. Abbildung 3 soll helfen, den Ablauf des Verfahrens zu verstehen.
