Softwarové rádio (SDR) jako nová technologie v oblasti bezdrátové komunikace přitahuje stále více pozornosti uvnitř i venku. V oblasti komunikace se jedná o nový radiokomunikační systém po analogové technologii po digitální technologii, pevné komunikaci po mobilní komunikaci. S rozvojem komunikačních technologií se stále více vyžaduje zařízení kompatibilní s různými standardními typy. Ve srovnání s tradičními rádiovými systémy mají softwarové rádiové systémy řadu výhod, jako je obecná struktura, softwarové funkce a interoperabilita. .
Ⅰ. Vznik a vývoj softwarového rádia
Důvod vzniku softwarového rádia souvisí s válkou v Zálivu. V té době mnohonárodní síly vedené Spojenými státy používaly nejrůznější komunikační zařízení různých standardů, což způsobovalo potíže ve vzájemné komunikaci. Poté, v květnu 1992, Jeo Mitola poprvé navrhl koncept „softwarového rádia“ na American Communication Systems Conference. Základní myšlenkou je vytvořit všechna taktická rádia založená na stejné hardwarové platformě, nainstalovat různý software pro vytvoření různých typů rádií a dokončit funkce různé povahy. Má tedy softwarovou programovatelnost. Tento koncept rychle upoutal pozornost zemí po celém světě, protože vojenská komunikace má nyní vyšší požadavky na spolehlivost, interoperabilitu, flexibilitu, ochranu proti rušení, schopnost přežití, důvěrnost a bezpečnost radiokomunikačních systémů. Americká armáda a Hazcltine vyvinuly softwarovou rádiovou stanici nazvanou „speakeasy“ (snadno mluvit), která realizuje vícepásmovou a multifunkční rádiovou platformu běžně používanou americkou armádou. Více než 4 různé modulační průběhy. Toto rádio lze nazvat „kapesní počítač“ s anténou, která dokáže přenášet hlas a data. Komunikační služby zahrnují hlasové, datové a videoobrazy.
V současnosti je softwarovému rádiu věnována stále větší pozornost v civilní oblasti. Hlavním důvodem je, že technické standardy současného komunikačního systému jsou různorodé a různé technické standardy a odpovídající systémy jsou obtížně vzájemně kompatibilní a je obtížné je realizovat pomocí jednotného zařízení. A třetí generace mobilního komunikačního systému má stále standardní bitvu, pokud se softwarové rádio používá k přizpůsobení různým standardům, je to proveditelná cesta. Na druhé straně je vývoj komunikačních technologií velmi rychlý, starý systém se neustále zdokonaluje a rychle se objevuje nový systém. Lidé potřebují metodu upgradu systému, která je ekonomičtější než úplné odstranění starého zařízení, a programovatelnost softwarového rádia je lepší. přizpůsobené této potřebě.
Ⅱ. architektura softwarového rádia
Radiofrekvenční část, konverze nahoru/dolů, filtrování a zpracování základního pásma tradičního analogového rádiového systému všechny přebírají analogový režim a komunikační systém určitého frekvenčního pásma a určitého modulačního režimu odpovídá speciální tvrdé struktuře; zatímco nízkofrekvenční část digitálního rádiového systému přijímá digitální obvody (například lokální oscilátor používá digitální frekvenční syntezátor, zdrojové kódování a dekódování a modulace a demodulace jsou doplněny vyhrazeným čipem), ale jeho rádiová frekvence a mezifrekvence části jsou stále neoddělitelné od analogových obvodů. Ve srovnání s tradičním rádiovým systémem se A/D/A převod softwarového rádiového systému přesune na střední frekvenci a co nejblíže ke konci rádiové frekvence se vzorkuje celé frekvenční pásmo systému, tedy digitální zpracování se provádí ze střední frekvence (nebo dokonce rádiové frekvence), což je výrazná vlastnost softwarového rádia. Digitální rádio používá vyhrazené digitální obvody k dosažení jediné komunikační funkce bez programování. Softwarové rádio nahrazuje vyhrazený digitální obvod programovatelným DSP zařízením, díky kterému je hardwarová struktura a funkce systému relativně nezávislé. Tímto způsobem, založeným na relativně běžné hardwarové platformě, mohou být realizovány různé komunikační funkce prostřednictvím softwaru a může být naprogramována a řízena provozní frekvence, šířka pásma systému, modulační režim, zdrojový kód atd. a flexibilita systému je výrazně zvýšena. .
Hardwarová platforma softwarového rádia přijímá modulární design, což musí být komunikační platforma s otevřeností, škálovatelností a kompatibilitou, a je vytvořena do podoby sběrnice s modulárním standardem. Na základě této poměrně běžné hardwarové platformy implementujeme různé komunikační funkce nahráním různého softwaru (kartu lze v případě potřeby vyměnit). Hardwarová platforma softwarového rádia je mnohem náročnější než PC, potřebuje širokopásmový radiofrekvenční front-end, širokopásmový A/D/A převodník, vysokorychlostní DSP zařízení a tak dále. Aby bylo možné provádět vysokorychlostní A/D/A konverzi a digitální zpracování signálu, musí softwarové rádiové systémy pracovat paralelně s více CPU. Kromě toho, aby byla data zpracování digitálního signálu vyměňována vysokou rychlostí, musí mít systémová sběrnice velmi vysokou přenosovou rychlost T/O. Mezi současnými systémovými sběrnicemi, které splňují požadavky, má sběrnice VME nejvyspělejší technologii, nejlepší všestrannost a nejrozsáhlejší podporu. VME poskytuje paralelní zpracování více CPU, podporuje nezávislou 32-bitovou datovou sběrnici a adresovou sběrnici a rychlost dosahuje 40 Mb/s (nebo dokonce 320 Mb/s), což v zásadě splňuje požadavky softwarového rádia a je preferovanou sběrnicovou metodou pro softwarové rádio. Za třetí, klíčová technologie softwarového rádia
1. Vícepásmová down-konverze a širokopásmové RF
Anténa softwarového rádiového systému by měla mít vícepásmovou anténu a programovatelnou funkci konverze rádiové frekvence. Na základě uspokojení zisku antény, fyzické velikosti a ceny by měla mít pracovní šířku pásma 2MHz-3MHz. V radiotechnice není nutné pokrýt celé frekvenční pásmo, ale stačí pokrýt několik oken různých frekvenčních pásem. Proto lze použít kombinovanou vícepásmovou anténu. Americké vojenské speakeasy je řešení, které využívá více sad RF antén. Pro širokopásmové RF je klíčovou technologií také konfigurace ladění, regulace energie a nízkošumového předzesilovače (LNA) ak optimalizaci návrhu systému lze použít počítačově podporovaný návrh (CAD).
2. Širokopásmová A/D část.
Klíčem k určení výkonu širokopásmové analogově-digitální konverze je vzorkování a počet bitů. Vzorkovací frekvence je určena šířkou pásma signálu, zatímco počet kvantizačních bitů vyžaduje určitý dynamický rozsah a přesnost DSP. Protože stávající jednočipový ADC nemůže splnit tyto dva požadavky, lze paralelně používat více ADC.
3. Vysokorychlostní paralelní DSP část.
V operaci digitálního zpracování systému je nejobtížnější up-konverze, filtrování a dílčí vzorkování. Vysokorychlostní paralelní DSP zahrnuje digitální zpracování v základním pásmu, modulaci a demodulaci, zpracování bitového toku a funkce dekódování. U systémů FM a rozprostřeného spektra by tato část měla mít také funkce rozprostření a odstranění skoků. K dosažení této části funkce je nutné použít vysokorychlostní paralelní DSP k vytvoření víceprocesorového paralelního výpočetního systému, včetně více vícenásobných přístupových volání, širší programové sběrnice a datové sběrnice, jedna instrukce více dat, vícenásobná instrukce více dat . Struktura a použití superinstrukční struktury atd., tato část může být realizována vyhrazeným digitálním integrovaným obvodem čipu ASIC (například DDC čip HS P50016 Harris Corporation ze Spojených států).
4. Opuštění obecné struktury cesty otevřenosti a škálovatelnosti.
V tradiční struktuře systému se obecně používá potrubí, které se vyznačuje tím, že každý funkční celek je propojen okruhem. Pokud má být funkce určité části přidána, odstraněna nebo upravena, je nutné upravit odpovídající funkční modul. Proto tato struktura není otevřená. Aby bylo možné realizovat propojení různých funkčních celků v systému, vzniká otevřená a rozšiřitelná hardwarová platforma, která má zároveň vysokou datovou propustnost. Softwarový rádiový systém musí přijmout novou strukturu propojení, která se vyznačuje relativně jednoduchou implementací a může přímo aplikovat různé standardy sběrnic (jako VME, sběrnice, PCI sběrnice atd.). , sběrnicová propojovací struktura.
5. Softwarové protokoly a standardy.
Od poloviny do konce 90. let 20. století zahraniční země zkoumaly, jak implementovat software plug and play (Plug & Play), a na jeho základě navrhovaly. Softwarové protokoly a standardy JAVA/CORBA. Myšlenka založená na "softwarové sběrnici" je vytvořit na standardech založenou, otevřenou a snadno použitelnou architekturu. Takzvaná "softwarová sběrnice" je podobná "hardwarové sběrnici", která se často říká. Aplikační modul je vyroben do sběrnice podle standardu a kombinovaný provoz lze realizovat vložením sběrnice, čímž je podporováno distribuované výpočetní prostředí. Tato myšlenka návrhu je v souladu s opětovnou použitelností softwaru v softwarových systémech.
6. Spotřeba energie, objem a cena systému.
To je klíčem ke komercializaci softwarového rádia a jeho řešení do značné míry závisí na vývoji hardwarové technologie. Za čtvrté, vývoj a perspektiva softwarového rádia
Od roku 1990, s rychlým rozvojem různých bezdrátových komunikačních systémů, rozdíly ve standardech rádiové komunikace a pokrokem v technologii digitálního zpracování signálu, softwarová rádiová technologie přitahuje stále více pozornosti a očekává se, že se stane budoucí globální komunikací. síť. nový systém.
Podle ideální struktury jsou všechny úlohy zpracování signálu softwarové radiostanice od RF po základní pásmo prováděny v plně digitální formě, takže je zcela programovatelná a její struktura je také rekonfigurovatelná a reprodukovatelná. Protože však neexistuje A/D převodník, který by bylo možné aplikovat na radiofrekvenční pásmo, dalším tématem, které se nyní zkoumá, je digitální RF frontend softwarové rozhlasové stanice, která je klíčem k digitalizaci celého kmitočtu. kapela.
Stávající zařízení pro digitální zpracování signálu (DSP) byla široce používána pro zpracování signálu v částech, jako je IF, základní pásmo nebo terminál, což posunulo technický výkon rádiových zařízení na novou a moderní úroveň, ale jeho RF front-end je stále úzkopásmový. . U softwarové radiostanice musí být A/D převodník ve svém RF frontendu schopen zvládnout celé komunikační frekvenční pásmo, obecně od 2 MHz do 3 GHz. Kromě toho jsou typické vlastnosti signálů mobilní komunikace slábnutí a stínění a může docházet k silnému blokování a rušení. V důsledku toho je dynamický rozsah signálů mobilní komunikace objevujících se na přijímacím RF konci až 100 dB nebo více. Pokud vezmeme v úvahu různé standardy signálů mobilní komunikace, bude jeho dynamický rozsah větší. U systému se šířkou pásma 10 MHz je vzorkovací frekvence větší než 25 MHz, což vyžaduje výpočetní kapacitu 2 500 MIPS, což zdaleka nesplňuje požadavky na signálové prostředí, které má být zpracováno RF front-endem. I když jsou A/D převodníky schopné splnit požadavky na šířku pásma a dynamický rozsah, mohou jejich požadavky na napájení stále bránit používání mobilních terminálů. Softwarová rozhlasová stanice vyvinutá v současné fázi nemůže přijmout ideální strukturu digitalizace plného frekvenčního pásma, ale osvojí si praktickou strukturu digitalizace částečného frekvenčního pásma frontendu Rf.
Abych to shrnul, softwarové rádio obsahuje dva významy: jeden je radiofrekvenční (RF) frontend a druhý je digitální zpracování signálu; jeho hlavními součástmi jsou širokopásmové A/D/A převodníky a vysokorychlostní DSP čipy. Největší výhodou softwarového rádia je, že může dokončit různé úlohy zpracování signálu na hardwarové platformě definováním různých pracovních parametrů a reorganizací struktury kanálu podle bezdrátového pásma a metody přístupu ke kanálu. Proto lze pro každý pracovní standard navrhnout vyhrazený digitální frontend na společné hardwarové platformě nebo lze využít shodnost různých pracovních standardů. První návrh nejen dosahuje nejvyšší míry volnosti, ale také minimalizuje počet použitých hradel, zatímco druhý návrh vyžaduje vývoj vyhrazených algoritmů pro digitální front-end funkce, ale lze jej implementovat pomocí ASIC, což nám umožňuje využívat konceptu softwarového rádia.
Obecně, ačkoli softwarová rádia byla původně vyvinuta pro vojenskou krátkovlnnou komunikaci přes horizont, protože nabízejí vysokou úroveň věrnosti, která se u analogových přijímačů nenachází, nabízejí také vynikající flexibilitu. S malou úpravou se dokáže přizpůsobit a splnit požadavky různých uživatelů a jeho cena je velmi nízká. Ve spojení s rychlým rozvojem technologie digitálního zpracování signálů se stále více používá v oblasti civilní komunikace, zejména v mobilní komunikaci. Aplikace v systému je rozsáhlejší.
