In quanto nuova tecnologia nel campo della comunicazione wireless, la software radio (SDR) sta attirando sempre più attenzione sia all'interno che all'esterno. Nel campo della comunicazione, è un nuovo sistema di comunicazione radio dopo la tecnologia analogica alla tecnologia digitale, la comunicazione fissa alla comunicazione mobile. Con lo sviluppo della tecnologia della comunicazione, le apparecchiature compatibili con vari tipi di standard hanno mostrato sempre più la sua richiesta. Rispetto ai sistemi radio tradizionali, i sistemi radio software presentano una serie di vantaggi come la struttura generale, le funzioni basate su software e l'interoperabilità. .
Ⅰ. L'origine e lo sviluppo del software radio
Il motivo dell'emergere della radio software è legato alla Guerra del Golfo. A quel tempo, le forze multinazionali guidate dagli Stati Uniti utilizzavano una varietà di apparecchiature di comunicazione di standard diversi, che causavano difficoltà a comunicare tra loro. Successivamente, nel maggio 1992, Jeo Mitola ha proposto per la prima volta il concetto di "radio software" all'American Communication Systems Conference. L'idea di base è quella di realizzare tutte le radio tattiche basate sulla stessa piattaforma hardware, installare software diversi per formare diversi tipi di radio e completare funzioni di natura diversa. Quindi ha la programmabilità del software. Questo concetto ha rapidamente attirato l'attenzione dei paesi di tutto il mondo, perché le comunicazioni militari ora hanno requisiti più elevati per l'affidabilità, l'interoperabilità, la flessibilità, l'anti-jamming, la sopravvivenza, la riservatezza e la sicurezza dei sistemi di comunicazione radio. L'esercito americano e Hazcltine hanno sviluppato una stazione radio software chiamata "speakeasy" (easy to talk), che realizza una piattaforma radio multibanda e multifunzionale comunemente usata dall'esercito americano. Più di 4 diverse forme d'onda di modulazione. Questa radio può essere definita un "computer palmare" con un'antenna in grado di trasmettere voce e dati. I servizi di comunicazione includono voce, dati e immagini video.
Attualmente, la radio software ha ricevuto sempre più attenzione in campo civile. Il motivo principale è che gli standard tecnici dell'attuale sistema di comunicazione sono diversi e le varie norme tecniche e i sistemi corrispondenti sono difficili da compatibili tra loro ed è difficile realizzarlo con un dispositivo unificato. E il sistema di comunicazione mobile di terza generazione ha ancora una battaglia standard, se la radio software viene utilizzata per adattarsi a standard diversi, è un modo fattibile. D'altra parte, lo sviluppo della tecnologia della comunicazione è molto rapido, il vecchio sistema viene continuamente migliorato e il nuovo sistema sta emergendo rapidamente. Le persone hanno bisogno di un metodo di aggiornamento del sistema che sia più economico dell'eliminazione completa delle vecchie apparecchiature e la programmabilità della radio software è migliore. adattato a questa esigenza.
Ⅱ. l'architettura della radio software
La parte a radiofrequenza, la conversione up/down, il filtraggio e l'elaborazione in banda base del tradizionale sistema radio analogico adottano tutti la modalità analogica e il sistema di comunicazione di una certa banda di frequenza e di una certa modalità di modulazione corrisponde a una speciale struttura rigida; mentre la parte a bassa frequenza del sistema radio digitale adotta circuiti digitali (ad esempio, l'oscillatore locale utilizza un sintetizzatore di frequenza digitale, la codifica e la decodifica della sorgente e la modulazione e la demodulazione sono completate da un chip dedicato), ma la sua frequenza radio e frequenza intermedia le parti sono ancora inseparabili dai circuiti analogici. Rispetto al sistema radio tradizionale, la conversione A/D/A del sistema radio software viene spostata sulla frequenza intermedia, e il più vicino possibile alla fine della radiofrequenza, viene campionata l'intera banda di frequenza del sistema, ovvero il digitale l'elaborazione viene eseguita dalla frequenza intermedia (o anche dalla frequenza radio), che è una caratteristica importante della radio software. La radio digitale utilizza circuiti digitali dedicati per ottenere un'unica funzione di comunicazione senza programmabilità. La radio software sostituisce il circuito digitale dedicato con il dispositivo DSP programmabile, il che rende la struttura e il funzionamento dell'hardware del sistema relativamente indipendenti. In questo modo, sulla base di una piattaforma hardware relativamente comune, è possibile realizzare diverse funzioni di comunicazione tramite software e programmare e controllare la frequenza operativa, la larghezza di banda del sistema, la modalità di modulazione, il codice sorgente, ecc. e la flessibilità del sistema è notevolmente migliorata .
La piattaforma hardware della radio software adotta un design modulare, che deve essere una piattaforma di comunicazione con apertura, scalabilità e compatibilità, ed è realizzata sotto forma di bus con uno standard modulare. Sulla base di questa piattaforma hardware relativamente comune, implementiamo diverse funzioni di comunicazione caricando diversi software (la scheda può essere sostituita quando necessario). La piattaforma hardware della radio software è molto più impegnativa del PC, necessita di front-end di radiofrequenza a banda larga, convertitore A/D/A a banda larga, dispositivi DSP ad alta velocità e così via. Per eseguire la conversione A/D/A ad alta velocità e l'elaborazione del segnale digitale, i sistemi radio software devono funzionare in parallelo con più CPU. Inoltre, affinché i dati di elaborazione del segnale digitale vengano scambiati ad alta velocità, il bus di sistema deve avere una velocità di trasmissione T/O molto elevata. Tra gli attuali bus di sistema che soddisfano i requisiti, il bus VME ha la tecnologia più matura, la migliore versatilità e il supporto più ampio. VME fornisce l'elaborazione parallela di più CPU, supporta 32-bus di dati bit e bus di indirizzi indipendenti e la velocità raggiunge 40 Mb/s (o anche 320 Mb/s), che sostanzialmente soddisfa i requisiti della radio software ed è il metodo bus preferito per software radio. Tre, la tecnologia chiave della radio software
1. Conversione verso il basso multi-banda e RF a banda larga
Per l'antenna del sistema radio software, dovrebbe avere un'antenna multibanda e una funzione di conversione della frequenza radio programmabile. Sulla base della soddisfazione del guadagno dell'antenna, delle dimensioni fisiche e del prezzo, dovrebbe avere una larghezza di banda di lavoro di 2 MHz-3MHz. In ingegneria radio, non è necessario coprire l'intera banda di frequenza, ma è sufficiente coprire diverse finestre di diverse bande di frequenza. Pertanto, è possibile utilizzare un'antenna multibanda combinata. Lo speakeasy dell'esercito americano è una soluzione che utilizza più set di antenne RF. Per la RF a banda larga, anche la configurazione di sintonizzazione, controllo energetico e preamplificatore a basso rumore (LNA) è una tecnologia chiave e la progettazione assistita da computer (CAD) può essere utilizzata per ottimizzare la progettazione del sistema.
2. Parte A/D a banda larga.
La chiave per determinare le prestazioni della conversione analogico-digitale a banda larga è il campionamento e il numero di bit. La frequenza di campionamento è determinata dalla larghezza di banda del segnale, mentre il numero di bit di quantizzazione richiede una certa gamma dinamica e precisione DSP. Poiché l'ADC a chip singolo esistente non può soddisfare questi due requisiti, è possibile utilizzare più ADC in parallelo.
3. Parte DSP parallela ad alta velocità.
Nell'operazione di elaborazione digitale del sistema, la più difficile è l'up-conversione, il filtraggio e il sottocampionamento. Il DSP parallelo ad alta velocità include elaborazione digitale in banda base, modulazione e demodulazione, elaborazione del flusso di bit e funzioni di decodifica. Per i sistemi FM e ad ampio spettro, questa parte dovrebbe avere anche funzioni di despreading e dehopping. Per ottenere questa parte della funzione, è necessario utilizzare un DSP parallelo ad alta velocità per formare un sistema di calcolo parallelo multiprocessore, che includa più chiamate ad accesso multiplo, bus di programma e bus dati più ampio, dati multipli di istruzioni singole, dati multipli di istruzioni multiple . La struttura e l'uso della struttura di super-istruzioni, ecc., Questa parte può essere realizzata da un chip ASIC di circuito integrato digitale dedicato (ad esempio, il chip DDC HS P50016 della Harris Corporation degli Stati Uniti).
4. Lasciare la struttura generale del percorso di apertura e scalabilità.
Nella struttura di sistema tradizionale viene generalmente utilizzata la pipeline, caratterizzata dal fatto che ogni unità funzionale è collegata da un circuito. Se la funzione di una determinata parte deve essere aggiunta, eliminata o modificata, è necessario adattare il modulo funzionale corrispondente. Pertanto, questa struttura non è aperta. Per realizzare l'interconnessione di varie unità funzionali nel sistema, viene formata una piattaforma hardware aperta ed estensibile e, allo stesso tempo, ha un'elevata velocità di trasmissione dei dati. Il sistema radio software deve adottare una nuova struttura di interconnessione, caratterizzata da un'implementazione relativamente semplice e in grado di applicare direttamente una varietà di standard di bus (come VME, bus, bus PCI, ecc.). , struttura di interconnessione basata su bus.
5. Protocolli e standard software.
Dalla metà alla fine degli anni '90, i paesi stranieri hanno studiato come implementare il software plug and play (Plug & Play) e hanno proposto sulla base di esso. Protocolli e standard software JAVA/CORBA. L'idea basata sul "bus software" è quella di stabilire un'architettura basata su standard, aperta e facile da usare. Il cosiddetto "bus software" è simile al "bus hardware" che si dice spesso. Il modulo applicativo è trasformato in un bus secondo lo standard e l'operazione combinata può essere realizzata inserendo il bus, supportando così un ambiente di calcolo distribuito. Questa idea progettuale è coerente con la riutilizzabilità del software nei sistemi software.
6. Consumo energetico, volume e costo del sistema.
Questa è la chiave per la commercializzazione di software radio e la sua soluzione dipende in gran parte dallo sviluppo della tecnologia hardware. In quarto luogo, lo sviluppo e la prospettiva di software radio
Dagli anni '90, con il rapido sviluppo di vari sistemi di comunicazione wireless, le differenze negli standard di comunicazione radio e il progresso della tecnologia di elaborazione del segnale digitale, la tecnologia radio software ha attirato sempre più attenzione e si prevede che diventi una futura comunicazione globale Rete. nuovo sistema.
Secondo la struttura ideale, tutte le attività di elaborazione del segnale della stazione radio software da RF a banda base vengono eseguite in forma completamente digitale, quindi è completamente programmabile e anche la sua struttura è riconfigurabile e riproducibile. Tuttavia, poiché non esiste un convertitore A/D che possa essere applicato alla banda di radiofrequenza, un altro argomento attualmente oggetto di ricerca è il front end RF digitale della stazione radio software, che è la chiave per la digitalizzazione dell'intera frequenza gruppo musicale.
I dispositivi di elaborazione del segnale digitale (DSP) esistenti sono stati ampiamente utilizzati per l'elaborazione del segnale in parti come IF, banda base o terminale, il che ha portato le prestazioni tecniche delle apparecchiature radio a un livello nuovo e moderno, ma il suo front-end RF è ancora a banda stretta . Per la stazione radio software, il convertitore A/D nel suo front-end RF deve essere in grado di gestire l'intera banda di frequenza di comunicazione, generalmente da 2MHz a 3GHz. Inoltre, le caratteristiche tipiche dei segnali di comunicazione mobile sono lo sbiadimento e la schermatura e potrebbero esserci forti blocchi e interferenze. Di conseguenza, la gamma dinamica dei segnali di comunicazione mobile che appaiono all'estremità ricevente RF è di 100 dB o più. Se si considerano diversi standard di segnali di comunicazione mobile, la sua gamma dinamica sarà maggiore. Per un sistema con una larghezza di banda di 10 MHz, la frequenza di campionamento è maggiore di 25 MHz, il che richiede 2500 MIPS di capacità di elaborazione, che è ben lungi dal soddisfare i requisiti dell'ambiente del segnale che devono essere elaborati dal front-end RF. Anche con convertitori A/D in grado di soddisfare i requisiti di larghezza di banda e gamma dinamica, i loro requisiti di alimentazione possono comunque ostacolare l'uso di terminali mobili. La stazione radio software sviluppata allo stato attuale non può adottare la struttura ideale della digitalizzazione della banda di frequenza completa, ma adotta la struttura pratica della digitalizzazione della banda di frequenza parziale del front-end Rf.
Per riassumere, software radio contiene due significati: uno è il front-end a radiofrequenza (RF) e l'altro è l'elaborazione del segnale digitale; i suoi componenti principali sono convertitori A/D/A a banda larga e chip DSP ad alta velocità. Il più grande vantaggio della radio software è che può completare varie attività di elaborazione del segnale sulla piattaforma hardware definendo vari parametri di lavoro e riorganizzando la struttura del canale in base alla banda wireless e al metodo di accesso al canale. Pertanto, è possibile progettare un front-end digitale dedicato per ogni standard di lavoro su una piattaforma hardware comune, oppure è possibile utilizzare la comunanza di diversi standard di lavoro. Il primo design non solo raggiunge il massimo grado di libertà, ma riduce anche al minimo il numero di porte utilizzate, mentre il secondo design richiede lo sviluppo di algoritmi dedicati per le funzioni di front-end digitale, ma può essere implementato con ASIC, permettendoci di trarre vantaggio del concetto di software radio.
In generale, sebbene le radio software siano state originariamente sviluppate per le comunicazioni militari a onde corte oltre l'orizzonte, poiché offrono un alto livello di fedeltà che non si trova nei ricevitori analogici, offrono anche un'eccellente flessibilità. Con una piccola modifica, può adattarsi e soddisfare le esigenze di diversi utenti e il suo costo è molto basso. Insieme al rapido sviluppo della tecnologia di elaborazione del segnale digitale, è stata sempre più utilizzata nel campo della comunicazione civile, in particolare nella comunicazione mobile. L'applicazione nel sistema è più ampia.
