Fiind o nouă tehnologie în domeniul comunicațiilor fără fir, software-ul radio (SDR) atrage din ce în ce mai multă atenție atât în interior, cât și în exterior. În domeniul comunicațiilor, este un nou sistem de comunicații radio după tehnologia analogică la tehnologia digitală, comunicare fixă la comunicația mobilă. Odată cu dezvoltarea tehnologiei comunicațiilor, echipamentele compatibile cu diferite tipuri standard și-au arătat din ce în ce mai mult cererea. În comparație cu sistemele radio tradiționale, sistemele radio software au o serie de avantaje, cum ar fi structura generală, funcțiile bazate pe software și interoperabilitatea. .
Ⅰ. Originea și dezvoltarea software-ului radio
Motivul apariției software-ului radio este legat de Războiul din Golf. La acel moment, forțele multinaționale conduse de Statele Unite au folosit o varietate de echipamente de comunicații de diferite standarde, ceea ce a cauzat dificultăți în comunicarea între ele. După aceea, în mai 1992, Jeo Mitola a propus pentru prima dată conceptul de „radio software” la Conferința American Communication Systems. Ideea de bază este să faci toate radiourile tactice bazate pe aceeași platformă hardware, să instalezi software diferit pentru a forma diferite tipuri de radiouri și să completezi funcții de diferite naturi. Deci are programabilitate software. Acest concept a atras rapid atenția țărilor din întreaga lume, deoarece comunicațiile militare au acum cerințe mai mari de fiabilitate, interoperabilitate, flexibilitate, anti-bruiaj, supraviețuire, confidențialitate și securitate a sistemelor de comunicații radio. Armata SUA și Hazcltine au dezvoltat o stație de radio software numită „speakeasy” (easy to talk), care realizează o platformă radio multi-bandă și multifuncțională folosită în mod obișnuit de armata americană. Mai mult de 4 forme de undă de modulație diferite. Acest radio poate fi numit „calculator de mână” cu o antenă care poate transmite voce și date. Serviciile de comunicare includ voce, date și imagini video.
În prezent, radioul software a fost acordat din ce în ce mai multă atenție în domeniul civil. Motivul principal este că standardele tehnice ale sistemului de comunicații actual sunt diverse, iar diferitele standarde tehnice și sistemele corespunzătoare sunt dificil de a fi compatibile între ele și este dificil de realizat cu un dispozitiv unificat. Și a treia generație a sistemului de comunicații mobile are încă o luptă standard, dacă radioul software este utilizat pentru a se adapta la diferite standarde, este o modalitate fezabilă. Pe de altă parte, dezvoltarea tehnologiei comunicațiilor este foarte rapidă, vechiul sistem este îmbunătățit continuu, iar noul sistem se dezvoltă rapid. Oamenii au nevoie de o metodă de upgrade a sistemului care să fie mai economică decât eliminarea completă a echipamentului vechi, iar programabilitatea radioului software este mai bună. adaptate acestei nevoi.
Ⅱ. arhitectura software radio
Partea de frecvență radio, conversia sus/jos, filtrarea și procesarea în bandă de bază a sistemului radio analogic tradițional adoptă toate modul analogic, iar sistemul de comunicare dintr-o anumită bandă de frecvență și un anumit mod de modulație corespunde unei structuri rigide speciale; în timp ce partea de frecvență joasă a sistemului radio digital adoptă circuite digitale (De exemplu, oscilatorul local folosește un sintetizator de frecvență digitală, codarea și decodificarea sursei, iar modularea și demodularea sunt completate de un cip dedicat), dar frecvența sa radio și frecvența intermediară. piesele sunt încă inseparabile de circuitele analogice. În comparație cu sistemul radio tradițional, conversia A/D/A a sistemului radio software este mutată la frecvența intermediară și, cât mai aproape posibil de capătul frecvenței radio, este eșantionată întreaga bandă de frecvență a sistemului, adică digitala. procesarea este efectuată de la frecvența intermediară (sau chiar de la frecvența radio), care este o caracteristică proeminentă a radioului software. Radioul digital folosește circuite digitale dedicate pentru a realiza o singură funcție de comunicare fără programabilitate. Radioul software înlocuiește circuitul digital dedicat cu dispozitivul DSP programabil, ceea ce face ca structura și funcționarea hardware a sistemului să fie relativ independente. În acest fel, pe baza unei platforme hardware relativ obișnuite, prin software pot fi realizate diferite funcții de comunicare, iar frecvența de operare, lățimea de bandă a sistemului, modul de modulare, codul sursă etc. pot fi programate și controlate, iar flexibilitatea sistemului este mult îmbunătățită. .
Platforma hardware a radioului software adoptă un design modular, care trebuie să fie o platformă de comunicație cu deschidere, scalabilitate și compatibilitate și este realizată sub forma unui bus cu un standard modular. Pe baza acestei platforme hardware relativ obișnuite, implementăm diferite funcții de comunicare prin încărcarea de software diferit (cardul poate fi înlocuit atunci când este necesar). Platforma hardware a software-ului radio este mult mai pretențioasă decât PC-ul, are nevoie de front-end de frecvență radio de bandă largă, convertor A/D/A de bandă largă, dispozitive DSP de mare viteză și așa mai departe. Pentru a efectua conversie A/D/A de mare viteză și procesare a semnalului digital, sistemele radio software trebuie să funcționeze în paralel cu mai multe procesoare. În plus, pentru ca datele de procesare a semnalului digital să fie schimbate la viteză mare, magistrala de sistem trebuie să aibă o rată de transmisie T/O foarte mare. Dintre magistralele de sistem actuale care îndeplinesc cerințele, magistrala VME are cea mai matură tehnologie, cea mai bună versatilitate și cel mai extins suport. VME oferă procesare paralelă cu mai multe procesoare, acceptă magistrală de date independentă de 32-biți și magistrală de adrese, iar viteza ajunge la 40Mb/s (sau chiar 320Mb/s), care îndeplinește practic cerințele radio software și este metoda de magistrală preferată pentru radio software. Trei, tehnologia cheie a software-ului radio
1. Conversie în jos multi-bandă și RF în bandă largă
Pentru antena sistemului radio software, ar trebui să aibă o antenă cu mai multe benzi și o funcție programabilă de conversie a frecvenței radio. Pe baza satisfacerii câștigului antenei, mărimii fizice și prețului, aceasta ar trebui să aibă o lățime de bandă de lucru de 2MHz-3MHz. În inginerie radio, nu este necesar să acoperiți întreaga bandă de frecvență, ci trebuie doar să acoperiți mai multe ferestre de benzi de frecvență diferite. Prin urmare, poate fi utilizată o antenă combinată cu mai multe benzi. Speakeasy-ul armatei americane este o soluție care utilizează mai multe seturi de antene RF. Pentru RF în bandă largă, reglarea, controlul energiei și configurația preamplificatorului cu zgomot redus (LNA) este, de asemenea, o tehnologie cheie, iar proiectarea asistată de computer (CAD) poate fi utilizată pentru a optimiza designul sistemului.
2. Partea A/D de bandă largă.
Cheia pentru determinarea performanței conversiei analog-digitale în bandă largă este eșantionarea și numărul de biți. Rata de eșantionare este determinată de lățimea de bandă a semnalului, în timp ce numărul de biți de cuantizare necesită un anumit interval dinamic și precizie DSP. Deoarece ADC-ul cu un singur cip existent nu poate îndeplini aceste două cerințe, mai multe ADC-uri pot fi utilizate în paralel.
3. Partea DSP paralelă de mare viteză.
În operația de procesare digitală a sistemului, cea mai dificilă este conversia ascendentă, filtrarea și sub-eșantionarea. DSP-ul paralel de mare viteză include procesare digitală în bandă de bază, modulare și demodulare, procesare a fluxului de biți și funcții de decodare. Pentru sistemele FM și cu spectru răspândit, această parte ar trebui să aibă, de asemenea, funcții de extindere și dehopping. Pentru a realiza această parte a funcției, este necesar să utilizați DSP paralel de mare viteză pentru a forma un sistem de calcul paralel cu mai multe procesoare, inclusiv mai multe apeluri cu acces multiplu, magistrală de program mai largă și magistrală de date, date multiple cu instrucțiuni multiple, date multiple cu instrucțiuni multiple. . Structura și utilizarea structurii super-instrucțiuni etc., această parte poate fi realizată printr-un cip de circuit integrat digital dedicat ASIC (de exemplu, cipul DDC HS P50016 al Harris Corporation din Statele Unite).
4. Părăsirea structurii generale a rutei de deschidere și scalabilitate.
În structura sistemului tradițional, se utilizează în general conducta, care se caracterizează prin aceea că fiecare unitate funcțională este conectată printr-un circuit. Dacă funcția unei anumite piese urmează să fie adăugată, ștearsă sau modificată, modulul funcțional corespunzător trebuie ajustat. Prin urmare, această structură nu este deschisă. Pentru a realiza interconectarea diferitelor unități funcționale din sistem, se formează o platformă hardware deschisă și extensibilă și, în același timp, are o rată mare de transfer de date. Sistemul radio software trebuie să adopte o nouă structură de interconectare, care se caracterizează printr-o implementare relativ simplă și poate aplica direct o varietate de standarde de magistrală (cum ar fi VME, magistrală, magistrală PCI etc.). , structură de interconectare bazată pe autobuz.
5. Protocoale și standarde software.
De la mijlocul până la sfârșitul anilor 1990, țările străine au studiat cum să implementeze software plug and play (Plug & Play) și au propus pe baza acestuia. Protocoale și standarde software JAVA/CORBA. Ideea bazată pe „software bus” este de a stabili o arhitectură bazată pe standarde, deschisă și ușor de utilizat. Așa-numitul „autobuz software” este similar cu „autobuzul hardware” despre care se spune adesea. Modulul de aplicație este transformat într-o magistrală conform standardului, iar operațiunea combinată poate fi realizată prin introducerea magistralei, susținând astfel un mediu de calcul distribuit. Această idee de design este în concordanță cu reutilizarea software-ului în sistemele software.
6. Consumul de energie, volumul și costul sistemului.
Aceasta este cheia comercializării software-ului radio, iar soluția sa depinde în mare măsură de dezvoltarea tehnologiei hardware. În al patrulea rând, dezvoltarea și perspectiva software-ului radio
Din anii 1990, odată cu dezvoltarea rapidă a diferitelor sisteme de comunicații fără fir, diferențele dintre standardele de comunicații radio și progresul tehnologiei de procesare a semnalului digital, tehnologia radio software a atras din ce în ce mai multă atenție și este de așteptat să devină o viitoare comunicare globală. reţea. sistem nou.
Conform structurii ideale, toate sarcinile de procesare a semnalului stației de radio software de la RF la banda de bază sunt efectuate în formă digitală completă, deci este complet programabilă, iar structura sa este, de asemenea, reconfigurabilă și reproductibilă. Cu toate acestea, deoarece nu există un convertor A/D care să poată fi aplicat la banda de frecvență radio, un alt subiect care este cercetat acum este front-end-ul digital RF al stației de radio software, care este cheia digitizării întregii frecvențe. grup.
Dispozitivele de procesare a semnalului digital (DSP) existente au fost utilizate pe scară largă pentru procesarea semnalului în părți precum IF, bandă de bază sau terminal, ceea ce a adus performanța tehnică a echipamentelor radio la un nivel nou și modern, dar front-end-ul său RF este încă în bandă îngustă. . Pentru stația de radio software, convertorul A/D din front-end-ul său RF trebuie să fie capabil să gestioneze întreaga bandă de frecvență de comunicație, în general de la 2MHz la 3GHz. În plus, caracteristicile tipice ale semnalelor de comunicații mobile sunt estomparea și ecranarea și pot exista blocări și interferențe puternice. Ca rezultat, intervalul dinamic al semnalelor de comunicații mobile care apar la capătul RF de recepție este de până la 100 dB sau mai mult. Dacă luăm în considerare diferite standarde de semnale de comunicații mobile, intervalul său dinamic va fi mai mare. Pentru un sistem cu o lățime de bandă de 10MHz, frecvența de eșantionare este mai mare de 25MHz, ceea ce necesită 2500MIPS de capacitate de procesare de calcul, ceea ce este departe de a îndeplini cerințele mediului de semnal pentru a fi procesat de front-end-ul RF. Chiar și cu convertoarele A/D capabile să îndeplinească cerințele privind lățimea de bandă și intervalul dinamic, cerințele lor de putere pot încă împiedica utilizarea terminalelor mobile. Stația de radio software dezvoltată în stadiul actual nu poate adopta structura ideală a digitizării benzii de frecvență completă, dar adoptă structura practică a digitizării parțiale a benzii de frecvență a front-end-ului Rf.
Pentru a rezuma, software-ul radio conține două semnificații: unul este front-end-ul de frecvență radio (RF), iar celălalt este procesarea semnalului digital; componentele sale de bază sunt convertoarele A/D/A de bandă largă și cipurile DSP de mare viteză. Cel mai mare avantaj al software-ului radio este că poate îndeplini diverse sarcini de procesare a semnalului pe platforma hardware prin definirea diferiților parametri de lucru și reorganizarea structurii canalelor în funcție de banda wireless și metoda de acces la canal. Prin urmare, un front-end digital dedicat pentru fiecare standard de lucru poate fi proiectat pe o platformă hardware comună sau poate fi utilizată comunitatea diferitelor standarde de lucru. Primul design nu numai că atinge cel mai mare grad de libertate, dar minimizează și numărul de porți utilizate, în timp ce cel de-al doilea design necesită dezvoltarea de algoritmi dedicati pentru funcțiile digitale front-end, dar poate fi implementat cu ASIC-uri, permițându-ne să profităm a conceptului de radio software.
În general, deși radiourile software au fost inițial dezvoltate pentru comunicații militare cu unde scurte peste orizont, deoarece oferă un nivel ridicat de fidelitate care nu se găsește la receptoarele analogice, ele oferă și o flexibilitate excelentă. Cu puține modificări, se poate adapta și satisface cerințele diferiților utilizatori, iar costul său este foarte scăzut. Împreună cu dezvoltarea rapidă a tehnologiei de procesare a semnalului digital, aceasta a fost din ce în ce mai utilizată în domeniul comunicațiilor civile, în special în comunicațiile mobile. Aplicația în sistem este mai extinsă.
