A vezeték nélküli kommunikáció új technológiájaként a szoftverrádió (SDR) egyre nagyobb figyelmet kelt belül és kívül egyaránt. A kommunikáció területén ez egy új rádiókommunikációs rendszer az analóg technológiától a digitális technológiáig, a vezetékes kommunikációtól a mobilkommunikációig. A kommunikációs technológia fejlődésével a különféle szabványtípusokkal kompatibilis berendezések egyre inkább megmutatták igényüket. A hagyományos rádiórendszerekhez képest a szoftveres rádiórendszerek számos előnnyel rendelkeznek, mint például az általános felépítés, a szoftver alapú funkciók és az interoperabilitás. .
Ⅰ. A szoftverrádió eredete és fejlődése
A szoftverrádió megjelenésének oka az Öböl-háborúhoz köthető. Abban az időben az Egyesült Államok vezette multinacionális erők sokféle, eltérő színvonalú kommunikációs berendezést használtak, ami nehézségeket okozott az egymással való kommunikációban. Ezt követően, 1992 májusában Jeo Mitola először javasolta a "szoftverrádió" fogalmát az amerikai kommunikációs rendszerek konferencián. Az alapötlet az, hogy minden taktikai rádiót ugyanarra a hardverplatformra építsenek, különböző szoftvereket telepítsenek különböző típusú rádiók kialakításához, és különböző jellegű funkciókat töltsenek be. Tehát szoftveresen programozható. Ez a koncepció gyorsan felkeltette a világ országainak figyelmét, mert a katonai kommunikációnak ma már magasabb követelményeket támasztanak a rádiókommunikációs rendszerek megbízhatóságával, interoperabilitásával, rugalmasságával, zavarásgátlásával, túlélésével, bizalmasságával és biztonságával szemben. Az amerikai hadsereg és a Hazcltine kifejlesztett egy "speakeasy" (könnyű beszélni) nevű szoftveres rádióállomást, amely az amerikai hadsereg által általánosan használt többsávos és többfunkciós rádióplatformot valósít meg. Több mint 4 különböző modulációs hullámforma. Ezt a rádiót nevezhetjük „kézi számítógépnek”, amelynek antennája hang- és adatátvitelre képes. A kommunikációs szolgáltatások közé tartoznak a hang-, adat- és videoképek.
Jelenleg a szoftverrádió egyre nagyobb figyelmet kap civil területen. Ennek fő oka, hogy a jelenlegi kommunikációs rendszer műszaki színvonala szerteágazó, illetve a különböző műszaki szabványok és a hozzájuk tartozó rendszerek nehezen kompatibilisek egymással, és nehéz ezt egységes eszközzel megvalósítani. És a harmadik generációs mobilkommunikációs rendszer még mindig szabványos harcot folytat, ha szoftveres rádiót alkalmaznak a különböző szabványokhoz való alkalmazkodásra, akkor ez egy járható út. Másrészt a kommunikációs technológia fejlődése nagyon gyors, a régi rendszert folyamatosan fejlesztik, és az új rendszer gyorsan kialakul. Az embereknek olyan rendszerfrissítési módszerre van szükségük, amely gazdaságosabb, mint a régi berendezések teljes kiiktatása, és a szoftverrádió programozhatósága is jobb. ehhez az igényhez igazítva.
Ⅱ. a szoftver rádió architektúrája
A hagyományos analóg rádiórendszer rádiófrekvenciás része, fel/le konverziója, szűrése és alapsávi feldolgozása mind az analóg módot alkalmazza, és egy bizonyos frekvenciasáv és egy bizonyos modulációs mód kommunikációs rendszere egy speciális kemény struktúrának felel meg; míg a digitális rádiórendszer alacsony frekvenciájú része digitális áramköröket alkalmaz (például a helyi oszcillátor digitális frekvenciaszintetizátort használ, a forráskódolást és dekódolást, valamint a modulációt és a demodulációt egy dedikált chip egészíti ki), de rádiófrekvenciáját és köztes frekvenciáját részei továbbra is elválaszthatatlanok az analóg áramköröktől. A hagyományos rádiórendszerhez képest a szoftveres rádiórendszer A/D/A konverziója a köztes frekvenciára kerül, és a rádiófrekvencia végéhez a lehető legközelebb a teljes rendszer frekvenciasávot mintavételezi, azaz a digitális A feldolgozás a köztes frekvenciáról (vagy akár a rádiófrekvenciáról) történik, ami a szoftveres rádió egyik kiemelkedő jellemzője. A digitális rádió dedikált digitális áramköröket használ egyetlen kommunikációs funkció eléréséhez, programozhatóság nélkül. A szoftverrádió a dedikált digitális áramkört a programozható DSP eszközre cseréli, ami a rendszer hardverszerkezetét és működését viszonylag függetlenné teszi. Ily módon egy viszonylag elterjedt hardverplatformra alapozva szoftveresen különböző kommunikációs funkciók valósíthatók meg, valamint programozható és vezérelhető a működési frekvencia, a rendszer sávszélessége, a modulációs mód, a forráskód stb., és jelentősen megnő a rendszer rugalmassága. .
A szoftverrádió hardverplatformja moduláris felépítést alkalmaz, amelynek nyílt, skálázható és kompatibilis kommunikációs platformnak kell lennie, és moduláris szabványú busz formájúnak kell lennie. Erre a viszonylag elterjedt hardverplatformra alapozva különböző kommunikációs funkciókat valósítunk meg különböző szoftverek betöltésével (a kártya szükség esetén cserélhető). A szoftverrádió hardveres platformja sokkal igényesebb, mint a PC, szélessávú rádiófrekvenciás front-end, szélessávú A/D/A konverter, nagy sebességű DSP eszközök és így tovább. A nagysebességű A/D/A konverzió és a digitális jelfeldolgozás érdekében a szoftveres rádiórendszereknek párhuzamosan kell működniük több CPU-val. Ezenkívül a nagy sebességű digitális jelfeldolgozási adatok cseréjéhez a rendszerbusznak nagyon magas T/O átviteli sebességgel kell rendelkeznie. A jelenlegi követelményeknek megfelelő rendszerbuszok közül a VME busz rendelkezik a legfejlettebb technológiával, a legjobb sokoldalúsággal és a legszélesebb körű támogatással. A VME több CPU párhuzamos feldolgozást biztosít, támogatja a független 32-bites adatbuszt és címbuszt, a sebesség pedig eléri a 40 Mb/s-ot (vagy akár a 320 Mb/s-ot is), ami alapvetően megfelel a szoftveres rádiózás követelményeinek, és a preferált buszmódszer. szoftveres rádióhoz. Három, a szoftverrádió kulcstechnológiája
1. Többsávos lefelé átalakítás és szélessávú RF
A szoftveres rádiórendszer antennájához többsávos antennával és programozható rádiófrekvenciás átalakító funkcióval kell rendelkeznie. Az antenna erősítésének, fizikai méretének és árának kielégítése alapján 2MHz-3MHz üzemi sávszélességgel kell rendelkeznie. A rádiótechnikában nem szükséges a teljes frekvenciasávot lefedni, csak több, különböző frekvenciasávú ablakot kell lefedni. Ezért kombinált többsávos antenna használható. Az amerikai hadsereg speakeasy-je több RF antennakészletet használó megoldás. A szélessávú RF-nél a hangolás, az energiaszabályozás és az alacsony zajszintű előerősítő (LNA) konfiguráció szintén kulcsfontosságú technológia, és a számítógépes tervezés (CAD) segítségével optimalizálható a rendszer kialakítása.
2. Szélessávú A/D rész.
A szélessávú analóg-digitális átalakítás teljesítményének meghatározásának kulcsa a mintavételezés és a bitek száma. A mintavételezési sebességet a jel sávszélessége határozza meg, míg a kvantálási bitek száma bizonyos dinamikatartományt és DSP pontosságot igényel. Mivel a meglévő egychipes ADC nem képes megfelelni ennek a két követelménynek, több ADC párhuzamosan is használható.
3. Nagy sebességű párhuzamos DSP rész.
A rendszer digitális feldolgozási működésében a legnehezebb a felkonverzió, a szűrés és az al-mintavételezés. A nagy sebességű párhuzamos DSP digitális alapsávi feldolgozást, modulációt és demodulációt, bitfolyam-feldolgozást és dekódolási funkciókat tartalmaz. FM és szórt spektrumú rendszerek esetén ennek a résznek a szórás- és dehopping funkcióval is rendelkeznie kell. A funkció ezen részének eléréséhez nagy sebességű párhuzamos DSP-t kell használni egy többprocesszoros párhuzamos számítási rendszer kialakításához, amely több többszörös hozzáférésű hívást, szélesebb programbuszt és adatbuszt, egyetlen utasításos több adatot, több utasításos több adatot tartalmaz. . A szuper-utasítási struktúra felépítése és használata stb., ez a rész egy dedikált digitális integrált áramköri lapkával ASIC valósítható meg (például az Egyesült Államok Harris Corporation HS P50016 DDC chipje).
4. Kilépve a nyitottság és a skálázhatóság általános útvonalszerkezetéből.
A hagyományos rendszerfelépítésben általában a csővezetéket használják, melynek jellemzője, hogy minden funkcionális egység egy áramkörrel van összekötve. Ha egy bizonyos alkatrész funkcióját hozzá kell adni, törölni vagy módosítani kell, akkor a megfelelő funkcionális modult be kell állítani. Ezért ez a szerkezet Nem nyitott. A rendszerben a különböző funkcionális egységek összekapcsolásának megvalósítása érdekében nyitott és bővíthető hardverplatformot alakítanak ki, ugyanakkor nagy adatátviteli sebességgel rendelkezik. A szoftveres rádiórendszernek új összekapcsolási struktúrát kell felvennie, amelyet viszonylag egyszerű megvalósítás jellemez, és közvetlenül alkalmazhat különféle buszszabványokat (például VME, busz, PCI busz stb.). , busz alapú összekapcsolási struktúra.
5. Szoftverprotokollok és szabványok.
Az 1990-es évek közepe-vége óta a külföldi országok tanulmányozzák a szoftver plug and play (Plug & Play) megvalósítását, és ennek alapján javasoltak. JAVA/CORBA szoftverprotokollok és szabványok. A "szoftverbuszon" alapuló ötlet egy szabvány alapú, nyílt és könnyen használható architektúra létrehozása. Az úgynevezett „szoftverbusz” hasonló a gyakran emlegetett „hardverbuszhoz”. Az alkalmazásmodul a szabvány szerint busszal készül, és a kombinált működés a busz beillesztésével valósítható meg, ezzel is támogatva az elosztott számítási környezetet. Ez a tervezési ötlet összhangban van a szoftverek szoftverrendszerekben való újrafelhasználhatóságával.
6. A rendszer energiafogyasztása, térfogata és költsége.
Ez a kulcsa a szoftverrádió kereskedelmi forgalomba hozatalának, és megoldása nagyban függ a hardvertechnológia fejlődésétől. Negyedszer, a szoftverrádió fejlesztése és kilátásai
Az 1990-es évek óta, a különféle vezeték nélküli kommunikációs rendszerek rohamos fejlődésével, a rádiókommunikációs szabványok különbségeivel és a digitális jelfeldolgozási technológia fejlődésével a szoftveres rádiótechnológia egyre nagyobb figyelmet kelt, és várhatóan a jövő globális kommunikációjává válik. hálózat. új rendszer.
Az ideális felépítésnek megfelelően a szoftveres rádióállomás minden jelfeldolgozási feladata az RF-től az alapsávig teljesen digitális formában valósul meg, így teljes mértékben programozható, és a felépítése is átkonfigurálható és reprodukálható. Mivel azonban nincs a rádiófrekvenciás sávra alkalmazható A/D konverter, egy másik kutatás alatt álló téma a szoftveres rádióállomás digitális RF front end-je, amely a teljes frekvencia digitalizálásának kulcsa. Zenekar.
A meglévő digitális jelfeldolgozó eszközöket (DSP-ket) széles körben alkalmazzák jelfeldolgozásra olyan részeken, mint az IF, az alapsáv vagy a terminál, ami új és modern szintre emelte a rádióberendezések műszaki teljesítményét, de az RF front-end továbbra is keskeny sávú. . A szoftveres rádióállomás esetében az RF előlapon lévő A/D konverternek képesnek kell lennie a teljes kommunikációs frekvenciasáv kezelésére, általában 2 MHz-től 3 GHz-ig. Ezen túlmenően a mobil kommunikációs jelek jellemző jellemzői az elhalványulás és az árnyékolás, valamint erős blokkolások és interferenciák léphetnek fel. Ennek eredményeként a vevő RF végén megjelenő mobilkommunikációs jelek dinamikus tartománya eléri a 100 dB-t vagy azt is. Ha figyelembe vesszük a mobilkommunikációs jelek különböző szabványait, dinamikus tartománya nagyobb lesz. Egy 10 MHz-es sávszélességű rendszernél a mintavételezési frekvencia nagyobb, mint 25 MHz, ami 2500 MIPS számítási feldolgozási képességet igényel, ami messze nem felel meg az RF előtér által feldolgozandó jelkörnyezet követelményeinek. Még a sávszélesség- és dinamikatartomány-követelményeket teljesíteni képes A/D konvertereknél is a teljesítményigényük akadályozhatja a mobil terminálok használatát. A jelenlegi fázisban kifejlesztett szoftveres rádióállomás nem tudja átvenni a teljes frekvenciasávos digitalizálás ideális struktúráját, de átveszi az Rf front end részleges frekvenciasávos digitalizálásának gyakorlati struktúráját.
Összefoglalva, a szoftverrádió két jelentést tartalmaz: az egyik a rádiófrekvenciás (RF) előtér, a másik a digitális jelfeldolgozás; fő összetevői a szélessávú A/D/A konverterek és a nagy sebességű DSP chipek. A szoftverrádió legnagyobb előnye, hogy a hardveres platformon különféle jelfeldolgozási feladatokat tud végrehajtani különféle működési paraméterek meghatározásával és a csatornastruktúra átszervezésével a vezeték nélküli sáv és csatornaelérési mód szerint. Ezért minden egyes működési szabványhoz dedikált digitális front-end tervezhető egy közös hardverplatformon, vagy felhasználható a különböző működési szabványok közössége. Az előbbi kialakítás nemcsak a legnagyobb szabadságfokot éri el, hanem minimalizálja a felhasznált kapuk számát is, míg az utóbbi kialakítás dedikált algoritmusok kidolgozását igényli a digitális front-end funkciókhoz, de ASIC-ekkel is megvalósítható, ami lehetővé teszi számunkra, hogy a szoftverrádió fogalmának.
Általánosságban elmondható, hogy bár a szoftverrádiókat eredetileg katonai rövidhullámú, horizonton túli kommunikációra fejlesztették ki, mivel olyan magas szintű hűséget kínálnak, amely nem található meg az analóg vevőkészülékekben, ugyanakkor kiváló rugalmasságot is kínálnak. Kis módosítással a különböző felhasználók igényeihez tud alkalmazkodni és megfelelni, költsége pedig nagyon alacsony. A digitális jelfeldolgozó technológia rohamos fejlődésével párosulva egyre gyakrabban alkalmazzák a civil kommunikáció területén, különösen a mobilkommunikációban. Az alkalmazás a rendszerben kiterjedtebb.
