PHILORADIO
Entwicklung eines echtzeitfähigen softwaredefinierten Rundfunkempfängers für Desktop-Computer
Kurzfassung
Ein modulares Framework für Software Defined Radio
Unter einem echtzeitfähigen softwaredefinierten Rundfunkempfänger versteht diese Arbeit einen Rundfunkempfänger, dessen Signalverarbeitung durch Software auf programmierbaren Hardwareplattformen anstatt mithilfe fest verdrahteter Hardwarekomponenten ausgeführt wird.
Die Echtzeitfähigkeit wird durch das in dieser Arbeit entwickelte Gesamtkonzept und innerhalb des neu entwickelten Programmgerüsts durch sogenannte skalierbare Module erreicht. Das Gesamtkonzept berücksichtigt, dass jeder derzeitige und zukünftige Rundfunkstandard durch eine einfache XML-Datei beschrieben und sofort ausgeführt werden kann.
Motivation
Warum Software Defined Radio?
Mit der Verfügbarkeit von immer leistungsfähigeren Universalprozessoren können früher hauptsächlich durch Hardware zu realisierende Aufgaben immer öfter durch Software realisiert werden. Die exponentielle Zunahme der Transistoranzahl (Moore’s Law) ermöglicht heute die Echtzeitverarbeitung komplexer Rundfunksignale auf Standard-Desktop-Hardware.
Entwicklung der Transistoranzahl 1971-2011 – Verdopplung alle zwei Jahre ermöglicht SDR auf Desktop-Computern
Übersicht der weltweiten Rundfunkstandards – über 47 verschiedene Systeme erfordern flexible Software-Lösungen
Ein Hersteller für Rundfunkempfangsgeräte, der auf dem weltweiten Markt vertreten sein will, müsste derzeit mehr als 47 unterschiedliche Empfänger entwickeln. Diese Typenvielfalt kann nur durch Lösungen basierend auf Software kosteneffizient realisiert werden.
Konzept
Architektur des PhiloRadio-Frameworks
Das PhiloRadio basiert auf dem Konzept des Modularen Software Defined Radio (Mod-SDR). Hier basiert ein SDR auf unterschiedlichen Modulen, die gleichzeitig die kleinsten zusammenhängenden Einheiten darstellen. Über entsprechend definierte Ein- und Ausgabepuffer werden diese in Form von gerichteten azyklischen Graphen miteinander verbunden.
Skalierbare Module
Module können ihre Qualitätsstufe dynamisch anpassen, um auf verfügbare Ressourcen zu reagieren. 30 von 62 Modulen sind skalierbar implementiert.
XML-basierte Konfiguration
Neue Rundfunkdienste können durch einfaches Erstellen einer XML-Datei integriert werden. Eine Neukompilierung ist nicht notwendig.
Multi-Core-Optimierung
Zwei Ausführungsvarianten: Thread-basierte Verarbeitung und Partitionierungsstrategie nach Rhiemeier. Beide skalieren optimal mit der Hardware.
GPU-Beschleunigung via OpenCL
Integration von Coprozessoren auf Basis von OpenCL 1.1. Bei 85% der nicht skalierbaren Module profitiert die Laufzeit von GPU-Unterstützung.
Plug-in-Architektur
Kommerzielle oder freie Module können als DLLs integriert werden. Die einheitliche Modul-Schnittstelle macht dies möglich.
Hardware
Versuchsaufbau und Komponenten
Für die Validierung der theoretischen Konzepte wurden drei Empfängertypen implementiert und auf verschiedenen Desktop-Computern getestet. Die Hardware-Seite besteht aus einem HF-Front-End (USRP2) und einem handelsüblichen Desktop-PC.
Kompletter Versuchsaufbau: Rohde & Schwarz Signalgenerator, Ettus USRP2 und MacBook mit PhiloRadio-Software zeigen das DVB-T Spektrum in Echtzeit
Ettus Research USRP2 – Universal Software Radio Peripheral als HF-Front-End
PhiloBoard mit Altera Stratix II FPGA für optionale Hardware-Beschleunigung
Realisierte Empfänger
| Empfänger | Standard | Besonderheiten |
|---|---|---|
| FM-Stereo | UKW 87.5–108 MHz | Inklusive RDS-Decoder |
| ATV PAL-B/G | Analog-TV | Zweitonträger-Verfahren |
| DVB-T | Digital-TV | OFDM, Viterbi-Decoder |
Ergebnisse
Zusammenfassung der Erkenntnisse
Der Versuch, einen softwaredefinierten Rundfunkempfänger für Desktop-Computer zu entwickeln, kann formal als gelungen bezeichnet werden. Die Flexibilität, Wiederverwendbarkeit und Weiterverwendung der entwickelten Softwaremodule ist nahezu unbegrenzt.
Modulstatistik
| Kategorie | Anzahl | IPP-geeignet | GPU-Skalierung |
|---|---|---|---|
| Nicht skalierbare Module | 32 | 85% | 74% |
| Skalierbare Module | 30 | 90% | 100% |
Fazit
Das entstandene PhiloRadio ist mit vergleichbaren Systemen konkurrenzfähig. Es ist sowohl ein einfach zu bedienendes Unterhaltungsprodukt als auch ein Schulungs-, Entwicklungs- und Simulationsprodukt. Es benötigt lediglich zwei Klicks, um Radio zu hören oder Fernsehen zu schauen.
Kontakt
Weitere Informationen
Diese Dissertation entstand im Rahmen einer vierjährigen Tätigkeit am Lehrstuhl Medientechnik der Fakultät Maschinenbau, Elektrotechnik und Wirtschaftsingenieurwesen an der Brandenburgischen Technischen Universität Cottbus.
Autor: Dr.-Ing. Piotr Szegvári
Betreuer: Prof. Dr.-Ing. Christian Hentschel
Institution: BTU Cottbus, Lehrstuhl Medientechnik