Kao nova tehnologija u području bežične komunikacije, softverski radio (SDR) privlači sve više pažnje kako iznutra tako i izvana. U području komunikacija, to je novi radiokomunikacijski sustav nakon analogne tehnologije prema digitalnoj tehnologiji, fiksne komunikacije do mobilne komunikacije. S razvojem komunikacijske tehnologije, oprema kompatibilna s različitim tipovima standarda sve više pokazuje svoju potražnju. U usporedbi s tradicionalnim radijskim sustavima, softverski radijski sustavi imaju niz prednosti kao što su opća struktura, funkcije temeljene na softveru i interoperabilnost. .
Ⅰ. Nastanak i razvoj softverskog radija
Razlog za pojavu softverskog radija vezan je uz Zaljevski rat. U to su vrijeme multinacionalne snage predvođene Sjedinjenim Državama koristile raznovrsnu komunikacijsku opremu različitih standarda, što je izazivalo poteškoće u međusobnoj komunikaciji. Nakon toga, u svibnju 1992., Jeo Mitola prvi je predložio koncept "softverskog radija" na American Communication Systems Conference. Osnovna ideja je napraviti sve taktičke radio stanice temeljene na istoj hardverskoj platformi, instalirati različit softver za formiranje različitih vrsta radija i kompletirati funkcije različite prirode. Dakle, ima programibilnost softvera. Ovaj koncept brzo je privukao pozornost zemalja diljem svijeta, jer vojne komunikacije sada imaju veće zahtjeve za pouzdanost, interoperabilnost, fleksibilnost, zaštitu od ometanja, preživljavanje, povjerljivost i sigurnost radiokomunikacijskih sustava. Američka vojska i Hazcltine razvili su softversku radio stanicu nazvanu "speakeasy" (lako za razgovor), koja ostvaruje višepojasnu i višenamjensku radio platformu koju obično koristi američka vojska. Više od 4 različita valna oblika modulacije. Ovaj radio se može nazvati "ručnim računalom" s antenom koja može prenositi glas i podatke. Komunikacijske usluge uključuju glas, podatke i video slike.
Trenutno se softverskom radiju posvećuje sve više pažnje u civilnom području. Glavni razlog je to što su tehnički standardi postojećeg komunikacijskog sustava raznoliki, a različiti tehnički standardi i odgovarajući sustavi teško su međusobno kompatibilni, a teško ga je i realizirati jedinstvenim uređajem. I treća generacija sustava mobilne komunikacije još uvijek ima standardnu bitku, ako se softverski radio koristi za prilagođavanje različitim standardima, to je izvediv način. S druge strane, razvoj komunikacijske tehnologije je vrlo brz, stari se sustav kontinuirano unaprjeđuje, a novi sustav brzo nastaje. Ljudima je potrebna metoda nadogradnje sustava koja je ekonomičnija od potpunog uklanjanja stare opreme, a programibilnost softverskog radija je bolja. prilagođeno ovoj potrebi.
Ⅱ. softverska radijska arhitektura
Radiofrekvencijski dio, pretvorba gore/dolje, filtriranje i obrada osnovnog pojasa tradicionalnog analognog radijskog sustava prihvaćaju analogni način rada, a komunikacijski sustav određenog frekvencijskog pojasa i određenog načina modulacije odgovara posebnoj tvrdoj strukturi; dok niskofrekventni dio digitalnog radio sustava usvaja digitalne sklopove (Na primjer, lokalni oscilator koristi sintetizator digitalne frekvencije, izvorno kodiranje i dekodiranje, a modulaciju i demodulaciju dovršava namjenski čip), ali njegova radio frekvencija i međufrekvencija dijelovi su još uvijek neodvojivi od analognih sklopova. U usporedbi s tradicionalnim radijskim sustavom, A/D/A pretvorba softverskog radio sustava se pomiče na međufrekvenciju, a što je moguće bliže kraju radio frekvencije uzorkuje se cijeli frekvencijski pojas sustava, odnosno digitalni obrada se izvodi od međufrekvencije (ili čak radio frekvencije), što je istaknuta značajka softverskog radija. Digitalni radio koristi namjenske digitalne sklopove za postizanje jedne komunikacijske funkcije bez programiranja. Softverski radio zamjenjuje namjenski digitalni sklop programabilnim DSP uređajem, što čini strukturu i funkciju hardvera sustava relativno neovisnim. Na taj način, na temelju relativno uobičajene hardverske platforme, kroz softver se mogu realizirati različite komunikacijske funkcije, programirati i kontrolirati radna frekvencija, širina pojasa sustava, modulacijski način, izvorni kod itd., a fleksibilnost sustava uvelike je poboljšana. .
Hardverska platforma softverskog radija ima modularni dizajn, koji mora biti komunikacijska platforma otvorenosti, skalabilnosti i kompatibilnosti, a izrađena je u obliku sabirnice s modularnim standardom. Na temelju ove relativno uobičajene hardverske platforme implementiramo različite komunikacijske funkcije učitavanjem različitog softvera (kartica se može zamijeniti po potrebi). Hardverska platforma softverskog radija puno je zahtjevnija od PC-a, treba mu širokopojasni radio frekvencijski front-end, širokopojasni A/D/A pretvarač, brzi DSP uređaji i tako dalje. Kako bi se izvršila A/D/A konverzija velike brzine i digitalna obrada signala, softverski radijski sustavi moraju raditi paralelno s više CPU-a. Osim toga, da bi se podaci za digitalnu obradu signala razmjenjivali velikom brzinom, sabirnica sustava mora imati vrlo visoku T/O brzinu prijenosa. Među postojećim sistemskim sabirnicama koje ispunjavaju zahtjeve, VME sabirnica ima najzreliju tehnologiju, najbolju svestranost i najopsežniju podršku. VME pruža više CPU paralelnu obradu, podržava neovisnu 32-bitnu sabirnicu podataka i adresnu sabirnicu, a brzina doseže 40Mb/s (ili čak 320Mb/s), što u osnovi zadovoljava zahtjeve softverskog radija i preferirana je metoda sabirnice za softverski radio. Treće, ključna tehnologija softverskog radija
1. Multi-band down-conversion i širokopojasni RF
Za antenu softverskog radio sustava trebala bi imati višepojasnu antenu i programibilnu funkciju pretvorbe radio frekvencije. Na temelju zadovoljavanja pojačanja antene, fizičke veličine i cijene, trebao bi imati radnu širinu pojasa od 2MHz-3MHz. U radiotehnici nije potrebno pokriti cijeli frekvencijski pojas, već samo treba pokriti nekoliko prozora različitih frekvencijskih pojasa. Stoga se može koristiti kombinirana višepojasna antena. Američka vojska speakeasy je rješenje koje koristi više setova RF antena. Za širokopojasni RF, ugađanje, kontrola energije i konfiguracija pretpojačala s niskim šumom (LNA) također je ključna tehnologija, a računalno potpomognuto projektiranje (CAD) može se koristiti za optimizaciju dizajna sustava.
2. Širokopojasni A/D dio.
Ključ za određivanje izvedbe širokopojasne analogno-digitalne pretvorbe je uzorkovanje i broj bitova. Brzina uzorkovanja određena je širinom pojasa signala, dok broj bitova kvantizacije zahtijeva određeni dinamički raspon i DSP preciznost. Budući da postojeći ADC s jednim čipom ne može zadovoljiti ova dva zahtjeva, više se ADC-a može koristiti paralelno.
3. Paralelni DSP dio velike brzine.
U operaciji digitalne obrade sustava najteže je pretvorba, filtriranje i poduzorkovanje. Paralelni DSP velike brzine uključuje digitalnu obradu osnovnog pojasa, modulaciju i demodulaciju, obradu bitova i funkcije dekodiranja. Za FM i sustave proširenog spektra, ovaj dio bi također trebao imati funkcije smanjivanja širine i otskoka. Da bi se postigao ovaj dio funkcije, potrebno je koristiti brzi paralelni DSP za formiranje višeprocesorskog paralelnog računalnog sustava, uključujući više poziva s višestrukim pristupom, širu programsku sabirnicu i sabirnicu podataka, jednu instrukciju više podataka, višestruke instrukcije više podataka . Struktura i korištenje strukture super-instrukcija, itd., ovaj dio može se realizirati pomoću namjenskog digitalnog integriranog čipa ASIC (na primjer, DDC čip HS P50016 Harris Corporation iz Sjedinjenih Država).
4. Napuštanje opće strukture rute otvorenosti i skalabilnosti.
U tradicionalnoj strukturi sustava općenito se koristi cjevovod koji je karakteriziran time da je svaka funkcionalna jedinica povezana strujnim krugom. Ako se funkcija određenog dijela želi dodati, izbrisati ili izmijeniti, potrebno je prilagoditi odgovarajući funkcionalni modul. Stoga ova struktura nije otvorena. Kako bi se ostvarilo međusobno povezivanje različitih funkcionalnih jedinica u sustavu, formirana je otvorena i proširiva hardverska platforma, koja istovremeno ima visoku propusnost podataka. Softverski radio sustav mora usvojiti novu strukturu međusobnog povezivanja, koju karakterizira relativno jednostavna implementacija i može izravno primijeniti različite standarde sabirnice (kao što su VME, sabirnica, PCI sabirnica, itd.). , struktura međusobnog povezivanja temeljena na sabirnici.
5. Softverski protokoli i standardi.
Od sredine do kasnih 1990-ih, strane zemlje proučavaju kako implementirati softver plug and play (Plug & Play), te su na temelju toga predlagale. JAVA/CORBA softverski protokoli i standardi. Ideja koja se temelji na "softverskoj sabirnici" je uspostaviti standardno utemeljenu, otvorenu i laku za korištenje arhitekturu. Takozvana "softverska sabirnica" slična je "hardverskoj sabirnici" koja se često kaže. Aplikacijski modul je napravljen u sabirnicu prema standardu, a kombinirani rad može se realizirati umetanjem sabirnice, čime se podržava distribuirano računalno okruženje. Ova ideja dizajna je u skladu s ponovnom upotrebom softvera u softverskim sustavima.
6. Potrošnja energije, volumen i cijena sustava.
To je ključ komercijalizacije softverskog radija, a njegovo rješenje uvelike ovisi o razvoju hardverske tehnologije. Četvrto, razvoj i perspektiva softverskog radija
Od 1990-ih, brzim razvojem različitih bežičnih komunikacijskih sustava, razlikama u radiokomunikacijskim standardima i napretkom tehnologije digitalne obrade signala, softverska radijska tehnologija privlači sve više pažnje, a očekuje se da će postati buduća globalna komunikacija. mreža. novi sustav.
Prema idealnoj strukturi, svi zadaci obrade signala softverske radio stanice od RF do osnovnog pojasa izvode se u punom digitalnom obliku, tako da je potpuno programabilna, a njena struktura je također rekonfigurabilna i reproducibilna. Međutim, budući da ne postoji A/D pretvarač koji se može primijeniti na radiofrekvencijski pojas, druga tema koja se sada istražuje je digitalni RF prednji kraj softverske radio stanice, što je ključ za digitalizaciju cijele frekvencije. bend.
Postojeći uređaji za digitalnu obradu signala (DSP) naširoko su se koristili za obradu signala u dijelovima kao što su IF, osnovni pojas ili terminal, što je dovelo tehničke performanse radijske opreme na novu i modernu razinu, ali je njegov RF prednji kraj još uvijek uskopojasni . Za softversku radio stanicu, A/D pretvarač u svom RF prednjem dijelu mora biti u stanju podnijeti cijeli komunikacijski frekvencijski pojas, općenito od 2MHz do 3GHz. Osim toga, tipične karakteristike signala mobilne komunikacije su blijeđenje i zaštita, a može doći do jakog blokiranja i smetnji. Kao rezultat toga, dinamički raspon mobilnih komunikacijskih signala koji se pojavljuju na prijemnom RF kraju je čak 100 dB ili više. Ako uzmemo u obzir različite standarde signala mobilne komunikacije, njegov će dinamički raspon biti veći. Za sustav s propusnim opsegom od 10MHz, frekvencija uzorkovanja je veća od 25MHz, što zahtijeva 2500MIPS sposobnosti računalne obrade, što je daleko od zadovoljavanja zahtjeva signalnog okruženja koje treba obraditi RF front-end. Čak i s A/D pretvaračima koji mogu zadovoljiti zahtjeve za propusnost i dinamički raspon, njihovi zahtjevi za snagom i dalje mogu ometati upotrebu mobilnih terminala. Softverska radio postaja razvijena u sadašnjoj fazi ne može usvojiti idealnu strukturu digitalizacije punog frekvencijskog pojasa, ali usvaja praktičnu strukturu djelomične digitalizacije frekvencijskog pojasa Rf prednjeg kraja.
Ukratko, softverski radio sadrži dva značenja: jedno je radiofrekvencijski (RF) prednji kraj, a drugo je digitalna obrada signala; njegove osnovne komponente su širokopojasni A/D/A pretvarači i DSP čipovi velike brzine. Najveća prednost softverskog radija je ta što može dovršiti različite zadatke obrade signala na hardverskoj platformi definiranjem različitih radnih parametara i reorganizacijom strukture kanala prema bežičnom pojasu i načinu pristupa kanalu. Stoga se namjenski digitalni prednji kraj za svaki radni standard može dizajnirati na zajedničkoj hardverskoj platformi ili se može koristiti zajedništvo različitih radnih standarda. Prvi dizajn ne samo da postiže najveći stupanj slobode, već i minimizira broj korištenih vrata, dok drugi dizajn zahtijeva razvoj namjenskih algoritama za digitalne prednje funkcije, ali se može implementirati s ASIC-ovima, što nam omogućuje da iskoristimo prednosti koncepta softverskog radija.
Općenito, iako su softverski radio uređaji izvorno razvijeni za vojnu kratkovalnu komunikaciju iznad horizonta, jer nude visoku razinu vjernosti kakvu ne mogu naći u analognim prijemnicima, oni također nude izvrsnu fleksibilnost. Uz male izmjene, može se prilagoditi i zadovoljiti zahtjeve različitih korisnika, a cijena mu je vrlo niska. Zajedno s brzim razvojem tehnologije digitalne obrade signala, sve se više koristi u području civilne komunikacije, posebice u mobilnoj komunikaciji. Primjena u sustavu je opsežnija.
