Softvérové rádio (SDR) ako nová technológia v oblasti bezdrôtovej komunikácie priťahuje čoraz väčšiu pozornosť vo vnútri aj vonku. V oblasti komunikácie ide o nový rádiokomunikačný systém po analógovej technológii až po digitálnu techniku, pevnú komunikáciu až po mobilnú komunikáciu. S rozvojom komunikačných technológií sa čoraz viac vyžaduje vybavenie kompatibilné s rôznymi štandardnými typmi. V porovnaní s tradičnými rádiovými systémami majú softvérové rádiové systémy rad výhod, ako je všeobecná štruktúra, softvérové funkcie a interoperabilita. .
Ⅰ. Vznik a vývoj softvérového rádia
Dôvod vzniku softvérového rádia súvisí s vojnou v Perzskom zálive. V tom čase mnohonárodné sily vedené Spojenými štátmi používali rôzne komunikačné zariadenia rôznych štandardov, čo spôsobovalo ťažkosti pri vzájomnej komunikácii. Potom, v máji 1992, Jeo Mitola prvýkrát navrhol koncept „softvérového rádia“ na Americkej konferencii komunikačných systémov. Základnou myšlienkou je vytvoriť všetky taktické rádiá založené na rovnakej hardvérovej platforme, nainštalovať rôzny softvér na vytvorenie rôznych typov rádií a dokončiť funkcie rôzneho charakteru. Má teda softvérovú programovateľnosť. Tento koncept rýchlo pritiahol pozornosť krajín po celom svete, pretože vojenské komunikácie majú teraz vyššie požiadavky na spoľahlivosť, interoperabilitu, flexibilitu, ochranu proti rušeniu, schopnosť prežitia, dôvernosť a bezpečnosť rádiokomunikačných systémov. Americká armáda a Hazcltine vyvinuli softvérovú rádiovú stanicu s názvom „speakeasy“ (easy to talk), ktorá realizuje viacpásmovú a multifunkčnú rádiovú platformu bežne používanú americkou armádou. Viac ako 4 rôzne modulačné priebehy. Toto rádio možno nazvať „ručný počítač“ s anténou, ktorá dokáže prenášať hlas a dáta. Komunikačné služby zahŕňajú hlasové, dátové a video obrazy.
V súčasnosti sa softvérovému rádiu venuje čoraz väčšia pozornosť aj v civilnej oblasti. Hlavným dôvodom je, že technické štandardy súčasného komunikačného systému sú rôznorodé a rôzne technické štandardy a zodpovedajúce systémy sú navzájom ťažko kompatibilné a je ťažké to realizovať pomocou jednotného zariadenia. A tretia generácia mobilného komunikačného systému má stále štandardný boj, ak sa softvérové rádio používa na prispôsobenie sa rôznym štandardom, je to realizovateľný spôsob. Na druhej strane je vývoj komunikačných technológií veľmi rýchly, starý systém sa neustále zdokonaľuje a rýchlo sa objavuje nový systém. Ľudia potrebujú metódu aktualizácie systému, ktorá je ekonomickejšia ako úplné odstránenie starého zariadenia a programovateľnosť softvérového rádia je lepšia. prispôsobené tejto potrebe.
Ⅱ. architektúru softvérového rádia
Rádiofrekvenčná časť, konverzia nahor/nadol, filtrovanie a spracovanie základného pásma tradičného analógového rádiového systému prijímajú analógový režim a komunikačný systém určitého frekvenčného pásma a určitého modulačného režimu zodpovedá špeciálnej tvrdej štruktúre; zatiaľ čo nízkofrekvenčná časť digitálneho rádiového systému prijíma digitálne obvody (napríklad lokálny oscilátor používa digitálny frekvenčný syntetizátor, zdrojové kódovanie a dekódovanie a moduláciu a demoduláciu dopĺňa vyhradený čip), ale jeho rádiová frekvencia a medzifrekvencia časti sú stále neoddeliteľné od analógových obvodov. V porovnaní s tradičným rádiovým systémom sa A/D/A konverzia softvérového rádiového systému presunie na strednú frekvenciu a čo najbližšie ku koncu rádiovej frekvencie sa vzorkuje celé frekvenčné pásmo systému, teda digitálne spracovanie sa vykonáva zo strednej frekvencie (alebo dokonca rádiovej frekvencie), čo je výrazná vlastnosť softvérového rádia. Digitálne rádio využíva vyhradené digitálne obvody na dosiahnutie jedinej komunikačnej funkcie bez programovateľnosti. Softvérové rádio nahrádza vyhradený digitálny obvod programovateľným DSP zariadením, vďaka čomu je hardvérová štruktúra a funkcia systému relatívne nezávislá. Týmto spôsobom, založeným na relatívne bežnej hardvérovej platforme, je možné prostredníctvom softvéru realizovať rôzne komunikačné funkcie a programovať a ovládať prevádzkovú frekvenciu, šírku pásma systému, modulačný režim, zdrojový kód atď., čím sa výrazne zvýši flexibilita systému. .
Hardvérová platforma softvérového rádia má modulárny dizajn, ktorý musí byť komunikačnou platformou s otvorenosťou, škálovateľnosťou a kompatibilitou a je prevedená do podoby zbernice s modulárnym štandardom. Na základe tejto pomerne bežnej hardvérovej platformy implementujeme rôzne komunikačné funkcie načítaním iného softvéru (kartu je možné v prípade potreby vymeniť). Hardvérová platforma softvérového rádia je oveľa náročnejšia ako PC, potrebuje širokopásmové rádiofrekvenčné front-end, širokopásmový A/D/A prevodník, vysokorýchlostné DSP zariadenia atď. Aby bolo možné vykonávať vysokorýchlostnú konverziu A/D/A a spracovanie digitálneho signálu, softvérové rádiové systémy musia pracovať paralelne s viacerými CPU. Okrem toho, aby sa dáta spracovania digitálneho signálu vymieňali vysokou rýchlosťou, systémová zbernica musí mať veľmi vysokú prenosovú rýchlosť T/O. Spomedzi súčasných systémových zberníc, ktoré spĺňajú požiadavky, má zbernica VME najvyspelejšiu technológiu, najlepšiu všestrannosť a najrozsiahlejšiu podporu. VME poskytuje paralelné spracovanie viacerých CPU, podporuje nezávislú 32-bitovú dátovú zbernicu a adresovú zbernicu a rýchlosť dosahuje 40 Mb/s (alebo dokonca 320 Mb/s), čo v podstate spĺňa požiadavky softvérového rádia a je preferovanou zbernicovou metódou pre softvérové rádio. Po tretie, kľúčová technológia softvérového rádia
1. Viacpásmová konverzia smerom nadol a širokopásmová RF
Anténa softvérového rádiového systému by mala mať viacpásmovú anténu a programovateľnú funkciu konverzie rádiovej frekvencie. Na základe vyhovujúceho zisku antény, fyzickej veľkosti a ceny by mala mať pracovnú šírku pásma 2MHz-3MHz. V rádiotechnike nie je potrebné pokryť celé frekvenčné pásmo, ale stačí pokryť niekoľko okien rôznych frekvenčných pásiem. Preto možno použiť kombinovanú viacpásmovú anténu. Speakeasy americkej armády je riešenie, ktoré využíva viacero súprav RF antén. Pre širokopásmové RF je kľúčovou technológiou aj konfigurácia ladenia, regulácie energie a nízkošumového predzosilňovača (LNA) a na optimalizáciu návrhu systému možno použiť počítačom podporovaný dizajn (CAD).
2. Širokopásmová A/D časť.
Kľúčom k určeniu výkonu širokopásmovej analógovo-digitálnej konverzie je vzorkovanie a počet bitov. Vzorkovacia frekvencia je určená šírkou pásma signálu, zatiaľ čo počet kvantizačných bitov vyžaduje určitý dynamický rozsah a presnosť DSP. Pretože existujúci jednočipový ADC nemôže splniť tieto dve požiadavky, je možné paralelne použiť viacero ADC.
3. Vysokorýchlostná paralelná časť DSP.
V rámci operácie digitálneho spracovania systému je najťažšia konverzia smerom nahor, filtrovanie a podvzorkovanie. Vysokorýchlostný paralelný DSP zahŕňa digitálne spracovanie základného pásma, moduláciu a demoduláciu, spracovanie bitového toku a funkcie dekódovania. V prípade FM systémov a systémov s rozprestretým spektrom by táto časť mala mať aj funkcie rozkladu a odskoku. Na dosiahnutie tejto časti funkcie je potrebné použiť vysokorýchlostné paralelné DSP na vytvorenie viacprocesorového paralelného výpočtového systému, vrátane viacerých viacnásobných prístupových volaní, širšej programovej zbernice a dátovej zbernice, jednej inštrukcie, viacerých dát, viacerých inštrukcií, viacerých dát. . Štruktúra a použitie superinštrukčnej štruktúry atď., táto časť môže byť realizovaná jednoúčelovým digitálnym integrovaným obvodom čipu ASIC (napríklad DDC čip HS P50016 Harris Corporation zo Spojených štátov amerických).
4. Opustenie všeobecnej štruktúry trasy otvorenosti a škálovateľnosti.
V tradičnej systémovej štruktúre sa vo všeobecnosti používa potrubie, ktoré sa vyznačuje tým, že každá funkčná jednotka je prepojená okruhom. Ak má byť funkcia určitej časti pridaná, vymazaná alebo upravená, je potrebné upraviť príslušný funkčný modul. Preto táto štruktúra nie je otvorená. Pre realizáciu prepojenia rôznych funkčných celkov v systéme vzniká otvorená a rozšíriteľná hardvérová platforma, ktorá má zároveň vysokú dátovú priepustnosť. Softvérový rádiový systém musí prijať novú štruktúru prepojenia, ktorá sa vyznačuje relatívne jednoduchou implementáciou a môže priamo aplikovať rôzne zbernicové štandardy (ako VME, zbernica, PCI zbernica atď.). , zbernicová prepojovacia štruktúra.
5. Softvérové protokoly a štandardy.
Od polovice do konca 90-tych rokov 20. storočia cudzie krajiny študujú, ako implementovať softvér plug and play (Plug & Play), a na jeho základe navrhujú. Softvérové protokoly a štandardy JAVA/CORBA. Myšlienkou založenou na "softvérovej zbernici" je vytvorenie štandardnej, otvorenej a ľahko použiteľnej architektúry. Takzvaná "softvérová zbernica" je podobná "hardvérovej zbernici", o ktorej sa často hovorí. Aplikačný modul je vyrobený do zbernice podľa normy a kombinovanú prevádzku je možné realizovať vložením zbernice, čím sa podporuje distribuované výpočtové prostredie. Táto myšlienka dizajnu je v súlade s opätovnou použiteľnosťou softvéru v softvérových systémoch.
6. Spotreba energie, objem a cena systému.
Toto je kľúčom ku komercializácii softvérového rádia a jeho riešenie do značnej miery závisí od vývoja hardvérovej technológie. Po štvrté, vývoj a perspektíva softvérového rádia
Od roku 1990, s rýchlym rozvojom rôznych bezdrôtových komunikačných systémov, rozdielmi v štandardoch rádiovej komunikácie a pokrokom v technológii digitálneho spracovania signálu, softvérová rádiová technológia priťahuje čoraz väčšiu pozornosť a očakáva sa, že sa stane budúcou globálnou komunikáciou. siete. nový systém.
Podľa ideálnej štruktúry sa všetky úlohy spracovania signálu softvérovej rádiovej stanice od RF po základné pásmo vykonávajú v úplne digitálnej forme, takže je úplne programovateľná a jej štruktúra je tiež rekonfigurovateľná a reprodukovateľná. Pretože však neexistuje žiadny A/D prevodník, ktorý by sa dal aplikovať na rádiofrekvenčné pásmo, ďalšou témou, ktorá sa teraz skúma, je digitálny RF front-end softvérovej rádiovej stanice, ktorý je kľúčom k digitalizácii celej frekvencie. kapela.
Existujúce zariadenia na digitálne spracovanie signálu (DSP) sa široko používajú na spracovanie signálu v častiach, ako sú IF, základné pásmo alebo terminál, čo prinieslo technický výkon rádiových zariadení na novú a modernú úroveň, ale jeho RF front-end je stále úzkopásmový. . V prípade softvérovej rádiovej stanice musí byť A/D prevodník vo svojom RF prednom konci schopný zvládnuť celé komunikačné frekvenčné pásmo, vo všeobecnosti od 2 MHz do 3 GHz. Okrem toho, typickými charakteristikami signálov mobilnej komunikácie sú slabnutie a tienenie a môže dochádzať k silnému blokovaniu a rušeniu. Výsledkom je, že dynamický rozsah signálov mobilnej komunikácie, ktoré sa objavujú na prijímacom RF konci, je až 100 dB alebo viac. Ak vezmeme do úvahy rôzne štandardy signálov mobilnej komunikácie, jeho dynamický rozsah bude väčší. Pre systém so šírkou pásma 10 MHz je vzorkovacia frekvencia väčšia ako 25 MHz, čo si vyžaduje výpočtovú kapacitu 2 500 MIPS, čo ani zďaleka nespĺňa požiadavky na signálové prostredie, ktoré má spracovať RF front-end. Dokonca aj s A/D prevodníkmi, ktoré sú schopné splniť požiadavky na šírku pásma a dynamický rozsah, môžu ich požiadavky na energiu stále brániť používaniu mobilných terminálov. Softvérová rádiová stanica vyvinutá v súčasnej fáze nemôže prijať ideálnu štruktúru digitalizácie celého frekvenčného pásma, ale osvojí si praktickú štruktúru digitalizácie čiastočného frekvenčného pásma predného Rf konca.
Stručne povedané, softvérové rádio obsahuje dva významy: jeden je rádiofrekvenčný (RF) frontend a druhý je digitálne spracovanie signálu; jeho hlavnými komponentmi sú širokopásmové A/D/A prevodníky a vysokorýchlostné DSP čipy. Najväčšou výhodou softvérového rádia je, že dokáže dokončiť rôzne úlohy spracovania signálu na hardvérovej platforme definovaním rôznych pracovných parametrov a reorganizáciou kanálovej štruktúry podľa bezdrôtového pásma a metódy prístupu ku kanálu. Preto je možné pre každý pracovný štandard navrhnúť vyhradený digitálny frontend na spoločnej hardvérovej platforme alebo možno využiť zhodnosť rôznych pracovných štandardov. Prvý návrh nielenže dosahuje najvyšší stupeň voľnosti, ale tiež minimalizuje počet použitých brán, zatiaľ čo druhý návrh vyžaduje vývoj špecializovaných algoritmov pre digitálne front-end funkcie, ale môže byť implementovaný pomocou ASIC, čo nám umožňuje využívať koncepcie softvérového rádia.
Vo všeobecnosti, hoci softvérové rádiá boli pôvodne vyvinuté pre vojenskú krátkovlnnú komunikáciu cez horizont, pretože ponúkajú vysokú úroveň vernosti, ktorú nenájdete v analógových prijímačoch, ponúkajú aj vynikajúcu flexibilitu. S malou úpravou sa dokáže prispôsobiť a splniť požiadavky rôznych používateľov a jeho cena je veľmi nízka. V spojení s rýchlym rozvojom technológie digitálneho spracovania signálov sa stále viac používa v oblasti civilnej komunikácie, najmä v mobilnej komunikácii. Aplikácia v systéme je rozsiahlejšia.
