Jako nowa technologia w dziedzinie komunikacji bezprzewodowej, radio programowe (SDR) przyciąga coraz większą uwagę zarówno wewnątrz, jak i na zewnątrz. W dziedzinie komunikacji jest to nowy system komunikacji radiowej po technologii analogowej do technologii cyfrowej, komunikacja stacjonarna do komunikacji mobilnej. Wraz z rozwojem technologii komunikacyjnych coraz częściej pojawia się zapotrzebowanie na sprzęt zgodny z różnymi typami standardów. W porównaniu z tradycyjnymi systemami radiowymi, programowe systemy radiowe mają szereg zalet, takich jak ogólna struktura, funkcje oparte na oprogramowaniu i interoperacyjność. .
Ⅰ. Geneza i rozwój radia programowego
Powód pojawienia się radia programowego jest związany z wojną w Zatoce Perskiej. W tym czasie wielonarodowe siły dowodzone przez Stany Zjednoczone wykorzystywały różnorodny sprzęt komunikacyjny o różnych standardach, co powodowało trudności w porozumiewaniu się ze sobą. Następnie, w maju 1992 r., Jeo Mitola po raz pierwszy zaproponował koncepcję „radia programowego” na konferencji American Communication Systems Conference. Podstawową ideą jest stworzenie wszystkich radiotelefonów taktycznych w oparciu o tę samą platformę sprzętową, zainstalowanie innego oprogramowania w celu utworzenia różnych typów radiotelefonów i pełne funkcje o różnej naturze. Więc ma programowalność oprogramowania. Koncepcja ta szybko przyciągnęła uwagę krajów na całym świecie, ponieważ łączność wojskowa ma teraz wyższe wymagania dotyczące niezawodności, interoperacyjności, elastyczności, przeciwdziałania zakłóceniom, przeżywalności, poufności i bezpieczeństwa systemów komunikacji radiowej. Armia amerykańska i Hazcltine opracowali programową stację radiową o nazwie „speakeasy” (łatwe do rozmowy), która realizuje wielopasmową i wielofunkcyjną platformę radiową powszechnie używaną przez wojsko amerykańskie. Ponad 4 różne przebiegi modulacji. To radio można nazwać „podręcznym komputerem” z anteną, która może przesyłać głos i dane. Usługi komunikacyjne obejmują głos, dane i obrazy wideo.
Obecnie na polu cywilnym coraz więcej uwagi poświęca się oprogramowaniu radiowemu. Głównym powodem jest to, że standardy techniczne obecnego systemu komunikacji są zróżnicowane, a różne standardy techniczne i odpowiadające im systemy są trudne do wzajemnej kompatybilności i trudno jest zrealizować to za pomocą zunifikowanego urządzenia. A system komunikacji mobilnej trzeciej generacji nadal toczy standardową bitwę, jeśli radio programowe jest używane do dostosowywania się do różnych standardów, jest to wykonalny sposób. Z drugiej strony rozwój technologii komunikacyjnych jest bardzo szybki, stary system jest stale ulepszany, a nowy system szybko się pojawia. Ludzie potrzebują metody aktualizacji systemu, która jest bardziej ekonomiczna niż całkowite wyeliminowanie starego sprzętu, a programowalność oprogramowania radiowego jest lepsza. dostosowane do tej potrzeby.
Ⅱ. architektura radia oprogramowania
Część częstotliwości radiowej, konwersja w górę/w dół, filtrowanie i przetwarzanie pasma podstawowego tradycyjnego analogowego systemu radiowego, wszystkie przyjmują tryb analogowy, a system komunikacji o określonym paśmie częstotliwości i określonym trybie modulacji odpowiada specjalnej twardej strukturze; podczas gdy część cyfrowego systemu radiowego o niskiej częstotliwości przyjmuje obwody cyfrowe (na przykład lokalny oscylator wykorzystuje cyfrowy syntezator częstotliwości, kodowanie i dekodowanie źródła, a modulacja i demodulacja są uzupełniane przez dedykowany układ), ale jego częstotliwość radiowa i częstotliwość pośrednia części są nadal nierozłączne z obwodami analogowymi. W porównaniu z tradycyjnym systemem radiowym, konwersja A/D/A programowego systemu radiowego jest przesunięta na częstotliwość pośrednią, a jak najbliżej końca częstotliwości radiowej, próbkowane jest całe pasmo częstotliwości systemu, czyli przetwarzanie odbywa się z częstotliwości pośredniej (lub nawet częstotliwości radiowej), co jest istotną cechą radia programowego. Radio cyfrowe wykorzystuje dedykowane obwody cyfrowe, aby osiągnąć pojedynczą funkcję komunikacji bez możliwości programowania. Radio programowe zastępuje dedykowany obwód cyfrowy programowalnym urządzeniem DSP, co sprawia, że struktura sprzętowa i funkcja systemu są względnie niezależne. W ten sposób, w oparciu o stosunkowo wspólną platformę sprzętową, różne funkcje komunikacyjne mogą być realizowane za pomocą oprogramowania, a częstotliwość operacyjna, przepustowość systemu, tryb modulacji, kod źródłowy itp. mogą być programowane i kontrolowane, a elastyczność systemu jest znacznie zwiększona .
Platforma sprzętowa radia programowego przyjmuje konstrukcję modułową, która musi być platformą komunikacyjną o otwartości, skalowalności i kompatybilności, i jest wykonana w postaci magistrali o standardzie modułowym. W oparciu o tę stosunkowo powszechną platformę sprzętową, realizujemy różne funkcje komunikacyjne, ładując różne oprogramowanie (kartę można wymienić w razie potrzeby). Platforma sprzętowa radia programowego jest znacznie bardziej wymagająca niż komputer PC, wymaga szerokopasmowego interfejsu radiowego, szerokopasmowego konwertera A/C/A, szybkich urządzeń DSP i tak dalej. Aby wykonać szybką konwersję A/C/A i cyfrowe przetwarzanie sygnału, systemy radiowe oprogramowania muszą pracować równolegle z wieloma procesorami. Ponadto, aby dane dotyczące cyfrowego przetwarzania sygnału mogły być wymieniane z dużą prędkością, magistrala systemowa musi mieć bardzo dużą szybkość transmisji T/O. Wśród obecnych magistral systemowych, które spełniają wymagania, magistrala VME ma najbardziej dojrzałą technologię, największą wszechstronność i najszersze wsparcie. VME zapewnia przetwarzanie równoległe wielu procesorów, obsługuje niezależną 32-bitową szynę danych i szynę adresową, a szybkość osiąga 40 Mb/s (lub nawet 320 Mb/s), co w zasadzie spełnia wymagania radia programowego i jest preferowaną metodą szyny do radia programowego. Po trzecie, kluczowa technologia radia programowego
1. Wielopasmowa konwersja w dół i szerokopasmowy RF
Antena programowego systemu radiowego powinna mieć antenę wielopasmową i programowalną funkcję konwersji częstotliwości radiowej. W oparciu o zadowalający zysk anteny, wielkość fizyczną i cenę, powinna mieć roboczą przepustowość 2MHz-3MHz. W radiotechnice nie jest konieczne pokrycie całego pasma częstotliwości, a jedynie pokrycie kilku okien w różnych pasmach częstotliwości. Dlatego można zastosować kombinowaną antenę wielopasmową. Słabością amerykańskiej armii jest rozwiązanie wykorzystujące wiele zestawów anten RF. W przypadku szerokopasmowego RF, strojenie, kontrola energii i konfiguracja niskoszumowego przedwzmacniacza (LNA) są również kluczową technologią, a projektowanie wspomagane komputerowo (CAD) można wykorzystać do optymalizacji projektu systemu.
2. Szerokopasmowa część A/D.
Kluczem do określenia wydajności szerokopasmowej konwersji analogowo-cyfrowej jest próbkowanie i liczba bitów. Częstotliwość próbkowania jest określona przez szerokość pasma sygnału, podczas gdy liczba bitów kwantyzacji wymaga pewnego zakresu dynamiki i precyzji DSP. Ponieważ istniejący jednoukładowy przetwornik ADC nie może spełnić tych dwóch wymagań, wiele przetworników ADC może być używanych równolegle.
3. Szybka równoległa część DSP.
W operacji przetwarzania cyfrowego systemu najtrudniejsze jest konwersja w górę, filtrowanie i podpróbkowanie. Szybki równoległy procesor DSP obejmuje cyfrowe przetwarzanie pasma podstawowego, modulację i demodulację, przetwarzanie strumienia bitów i funkcje dekodowania. W przypadku systemów FM i widma rozproszonego ta część powinna również mieć funkcje despreadingu i dehoppingu. Aby osiągnąć tę część funkcji, konieczne jest użycie szybkiego równoległego procesora DSP w celu utworzenia wieloprocesorowego równoległego systemu obliczeniowego, obejmującego więcej wywołań wielokrotnego dostępu, szerszą magistralę programową i magistralę danych, pojedynczą instrukcję wiele danych, wiele instrukcji wiele danych . Struktura i zastosowanie struktury superinstrukcji itp. Ta część może być realizowana przez dedykowany cyfrowy układ scalony ASIC (na przykład układ DDC HS P50016 firmy Harris Corporation ze Stanów Zjednoczonych).
4. Odejście od ogólnej struktury tras otwartości i skalowalności.
W tradycyjnej strukturze systemu na ogół stosuje się rurociąg, który charakteryzuje się tym, że każda jednostka funkcjonalna jest połączona obwodem. Jeśli funkcja określonej części ma zostać dodana, usunięta lub zmodyfikowana, należy dostosować odpowiedni moduł funkcjonalny. Dlatego ta struktura nie jest otwarta. W celu realizacji połączenia różnych jednostek funkcjonalnych w systemie tworzona jest otwarta i rozszerzalna platforma sprzętowa, która jednocześnie charakteryzuje się dużą przepustowością danych. Programowy system radiowy musi przyjąć nową strukturę połączeń, która charakteryzuje się stosunkowo prostą implementacją i może bezpośrednio stosować różne standardy magistrali (takie jak VME, magistrala, magistrala PCI itp.). , struktura połączeń opartych na magistrali.
5. Protokoły i standardy oprogramowania.
Od połowy do późnych lat 90. zagraniczne kraje badały, jak wdrożyć oprogramowanie typu plug and play (Plug & Play) i proponowały na jego podstawie. Protokoły i standardy oprogramowania JAVA/CORBA. Ideą opartą na „magistrali oprogramowania” jest stworzenie architektury opartej na standardach, otwartej i łatwej w obsłudze. Tak zwana „magistrala programowa” jest podobna do często mówionej „magistrali sprzętowej”. Moduł aplikacji jest wykonany w szynie zgodnie ze standardem, a połączoną operację można zrealizować poprzez wstawienie szyny, wspierając w ten sposób rozproszone środowisko obliczeniowe. Ten pomysł projektowy jest zgodny z możliwością ponownego wykorzystania oprogramowania w systemach oprogramowania.
6. Pobór mocy, wielkość i koszt systemu.
To klucz do komercjalizacji radia programowego, a jego rozwiązanie w dużej mierze zależy od rozwoju technologii sprzętowej. Po czwarte, rozwój i perspektywa radia programowego
Od lat 90. XX wieku, wraz z szybkim rozwojem różnych systemów komunikacji bezprzewodowej, różnicami w standardach komunikacji radiowej i postępem technologii przetwarzania sygnałów cyfrowych, technologia radiowa oprogramowania przyciągała coraz więcej uwagi i oczekuje się, że stanie się w przyszłości globalną komunikacją sieć. nowy system.
Zgodnie z idealną strukturą, wszystkie zadania przetwarzania sygnału programowej stacji radiowej od RF do pasma podstawowego są realizowane w pełnej postaci cyfrowej, dzięki czemu jest całkowicie programowalna, a jej struktura jest również rekonfigurowalna i odtwarzalna. Ponieważ jednak nie ma przetwornika A/D, który można zastosować w paśmie częstotliwości radiowych, kolejnym tematem, który jest obecnie badany, jest cyfrowy front-end radiowej stacji radiowej, który jest kluczem do cyfryzacji całej częstotliwości pasmo.
Istniejące urządzenia do cyfrowego przetwarzania sygnału (DSP) są szeroko stosowane do przetwarzania sygnałów w częściach takich jak IF, pasmo podstawowe lub terminal, co podniosło wydajność techniczną sprzętu radiowego na nowy i nowoczesny poziom, ale jego front-end RF jest nadal wąskopasmowy . W przypadku programowej stacji radiowej konwerter analogowo-cyfrowy w jego przedniej części RF musi być w stanie obsłużyć całe pasmo częstotliwości komunikacji, zwykle od 2 MHz do 3 GHz. Ponadto typowymi cechami sygnałów komunikacji mobilnej są zanikanie i ekranowanie oraz mogą występować silne blokowanie i zakłócenia. W rezultacie zakres dynamiczny sygnałów komunikacji ruchomej pojawiających się na końcu odbierającym RF jest tak wysoki, jak 100 dB lub więcej. Biorąc pod uwagę różne standardy sygnałów komunikacji mobilnej, jego zakres dynamiczny będzie większy. W przypadku systemu o szerokości pasma 10 MHz częstotliwość próbkowania jest większa niż 25 MHz, co wymaga mocy obliczeniowej 2500 MIPS, co jest dalekie od spełnienia wymagań środowiska sygnałowego, które ma być przetwarzane przez front-end RF. Nawet w przypadku konwerterów A/C zdolnych do spełnienia wymagań dotyczących przepustowości i zakresu dynamiki, ich zapotrzebowanie na moc może nadal utrudniać korzystanie z terminali mobilnych. Programowa stacja radiowa opracowana na obecnym etapie nie może przyjąć idealnej struktury digitalizacji pełnego pasma częstotliwości, ale przyjmuje praktyczną strukturę digitalizacji częściowego pasma częstotliwości front endu Rf.
Podsumowując, radio programowe ma dwa znaczenia: jedno to front-end o częstotliwości radiowej (RF), a drugie to cyfrowe przetwarzanie sygnału; jego podstawowymi komponentami są szerokopasmowe konwertery A/C/A i szybkie układy DSP. Największą zaletą radia programowego jest to, że może wykonywać różne zadania przetwarzania sygnału na platformie sprzętowej, definiując różne parametry pracy i reorganizując strukturę kanałów zgodnie z metodą bezprzewodowego dostępu do pasma i kanału. W związku z tym dedykowany interfejs cyfrowy dla każdego standardu roboczego można zaprojektować na wspólnej platformie sprzętowej lub można wykorzystać wspólność różnych standardów roboczych. Pierwszy projekt nie tylko zapewnia największy stopień swobody, ale także minimalizuje liczbę wykorzystywanych bramek, podczas gdy drugi projekt wymaga opracowania dedykowanych algorytmów dla cyfrowych funkcji front-endu, ale może być zaimplementowany za pomocą układów ASIC, co pozwala nam wykorzystać koncepcji radia programowego.
Ogólnie rzecz biorąc, chociaż radia programowe zostały pierwotnie opracowane do wojskowej komunikacji na krótkich falach poza horyzontem, ponieważ oferują wysoki poziom wierności, niespotykany w odbiornikach analogowych, oferują również doskonałą elastyczność. Dzięki niewielkiej modyfikacji może dostosować się i spełnić wymagania różnych użytkowników, a jego koszt jest bardzo niski. W połączeniu z szybkim rozwojem technologii cyfrowego przetwarzania sygnałów, jest ona coraz częściej wykorzystywana w dziedzinie komunikacji cywilnej, zwłaszcza w komunikacji mobilnej. Aplikacja w systemie jest bardziej rozbudowana.
