Uutena teknologiana langattoman viestinnän alalla ohjelmistoradio (SDR) herättää yhä enemmän huomiota sekä sisällä että ulkona. Viestinnän alalla se on uusi radioviestintäjärjestelmä analogisesta tekniikasta digitaaliseen teknologiaan, kiinteän viestinnän jälkeen matkaviestintään. Viestintätekniikan kehittyessä eri standardityyppien kanssa yhteensopivien laitteiden kysyntä on lisääntynyt. Perinteisiin radiojärjestelmiin verrattuna ohjelmistoradiojärjestelmillä on useita etuja, kuten yleinen rakenne, ohjelmistopohjaiset toiminnot ja yhteentoimivuus. .
Ⅰ. Ohjelmistoradion alkuperä ja kehitys
Syy ohjelmistoradion syntymiseen liittyy Persianlahden sotaan. Tuolloin Yhdysvaltojen johtamat monikansalliset joukot käyttivät erilaisia eritasoisia viestintälaitteita, mikä vaikeutti kommunikointia keskenään. Sen jälkeen, toukokuussa 1992, Jeo Mitola ehdotti ensimmäistä kertaa "ohjelmistoradion" käsitettä American Communication Systems Conferencessa. Perusideana on tehdä kaikki taktiset radiot samalle laitteistoalustalle, asentaa erilaisia ohjelmistoja erityyppisten radioiden muodostamiseksi ja täydentää erilaisia toimintoja. Siinä on siis ohjelmistoohjelmoitavuus. Tämä konsepti herätti nopeasti eri maiden huomion ympäri maailmaa, koska sotilasviestinnällä asetetaan nyt korkeammat vaatimukset radioviestintäjärjestelmien luotettavuudelle, yhteentoimivuudelle, joustavuudelle, häirintäestolle, selviytymiselle, luottamuksellisuudesta ja turvallisuudesta. Yhdysvaltain armeija ja Hazcltine ovat kehittäneet ohjelmistoradioaseman nimeltä "speakeasy" (helppo puhua), joka toteuttaa monikaistaisen ja monikäyttöisen radioalustan, jota Yhdysvaltain armeija käyttää yleisesti. Yli 4 erilaista modulaatioaaltomuotoa. Tätä radiota voidaan kutsua "käsitietokoneeksi", jossa on antenni, joka voi lähettää ääntä ja dataa. Viestintäpalveluihin kuuluvat ääni-, data- ja videokuvat.
Tällä hetkellä ohjelmistoradioon on kiinnitetty yhä enemmän huomiota siviilialalla. Pääsyynä on se, että nykyisen viestintäjärjestelmän tekniset standardit ovat moninaiset ja erilaisten teknisten standardien ja vastaavien järjestelmien yhteensopivuus keskenään on vaikeaa ja sitä on vaikea toteuttaa yhtenäisellä laitteella. Ja kolmannen sukupolven matkaviestinjärjestelmässä on edelleen standarditaistelua, jos ohjelmistoradiota käytetään sopeutumaan erilaisiin standardeihin, se on toteuttamiskelpoinen tapa. Toisaalta viestintätekniikan kehitys on erittäin nopeaa, vanhaa järjestelmää kehitetään jatkuvasti ja uusi järjestelmä syntyy nopeasti. Ihmiset tarvitsevat järjestelmäpäivitysmenetelmän, joka on taloudellisempaa kuin vanhan laitteiston poistaminen kokonaan, ja ohjelmistoradion ohjelmoitavuus on parempi. mukautettu tähän tarpeeseen.
Ⅱ. ohjelmiston radioarkkitehtuuri
Perinteisen analogisen radiojärjestelmän radiotaajuusosa, ylös/alas-muunnos, suodatus ja kantataajuuskäsittely ottavat kaikki analogisen tilan, ja tietyn taajuuskaistan ja tietyn modulaatiomoodin viestintäjärjestelmä vastaa erityistä kovaa rakennetta; kun taas digitaalisen radiojärjestelmän matalataajuinen osa ottaa käyttöön digitaalisia piirejä (esimerkiksi paikallinen oskillaattori käyttää digitaalista taajuussyntetisaattoria, lähdekoodaus ja dekoodaus sekä modulaatio ja demodulointi suoritetaan erillisellä sirulla), mutta sen radiotaajuus ja välitaajuus osat ovat edelleen erottamattomia analogisista piireistä. Perinteiseen radiojärjestelmään verrattuna ohjelmistoradiojärjestelmän A/D/A-muunnos siirretään välitaajuudelle ja mahdollisimman lähelle radiotaajuuspäätä näytteistetään koko järjestelmän taajuuskaista eli digitaalinen käsittely suoritetaan välitaajuudesta (tai jopa radiotaajuudesta), mikä on ohjelmistoradion näkyvä ominaisuus. Digitaalinen radio käyttää omistettuja digitaalisia piirejä yhden viestintätoiminnon saavuttamiseksi ilman ohjelmoitavuutta. Ohjelmistoradio korvaa erillisen digitaalipiirin ohjelmoitavalla DSP-laitteella, mikä tekee järjestelmän laitteistorakenteesta ja toiminnasta suhteellisen riippumattoman. Tällä tavoin suhteellisen yleiseen laitteistoalustaan perustuen voidaan toteuttaa ohjelmiston avulla erilaisia viestintätoimintoja ja ohjelmoida ja ohjata toimintataajuutta, järjestelmän kaistanleveyttä, modulaatiotilaa, lähdekoodia jne. ja järjestelmän joustavuus paranee huomattavasti. .
Ohjelmistoradion laitteistoalusta käyttää modulaarista rakennetta, jonka tulee olla avoimuuden, skaalautuvuuden ja yhteensopivuuden omaava viestintäalusta, ja se on tehty modulaarisen standardin mukaisen väylän muotoon. Tämän suhteellisen yleisen laitealustan pohjalta toteutamme erilaisia viestintätoimintoja lataamalla erilaisia ohjelmistoja (kortti voidaan vaihtaa tarvittaessa). Ohjelmistoradion laitteistoalusta on paljon vaativampi kuin PC, se tarvitsee laajakaistaisen radiotaajuisen etupään, laajakaistaisen A/D/A-muuntimen, nopeita DSP-laitteita ja niin edelleen. Suorittaakseen nopean A/D/A-muunnoksen ja digitaalisen signaalinkäsittelyn ohjelmistoradiojärjestelmien on toimittava rinnakkain useiden keskusyksiköiden kanssa. Lisäksi, jotta digitaalista signaalinkäsittelydataa voidaan vaihtaa suurella nopeudella, järjestelmäväylällä on oltava erittäin korkea T/O-siirtonopeus. Nykyisistä vaatimukset täyttävistä järjestelmäväylistä VME-väylällä on kypsin tekniikka, paras monipuolisuus ja laajin tuki. VME tarjoaa useiden prosessorien rinnakkaiskäsittelyn, tukee itsenäistä 32-bittitietoväylää ja osoiteväylää, ja nopeus saavuttaa 40 Mb/s (tai jopa 320 Mb/s), mikä periaatteessa täyttää ohjelmistoradion vaatimukset ja on suositeltu väylämenetelmä. ohjelmistoradiolle. Kolmanneksi ohjelmistoradion avaintekniikka
1. Monikaistainen alasmuunnos ja laajakaistainen RF
Ohjelmistoradiojärjestelmän antennia varten siinä tulee olla monikaistainen antenni ja ohjelmoitava radiotaajuuden muunnostoiminto. Antennin vahvistuksen, fyysisen koon ja hinnan perusteella sen toimintakaistanleveyden tulisi olla 2MHz-3MHz. Radiotekniikassa ei tarvitse kattaa koko taajuuskaistaa, vaan tarvitsee vain kattaa useita eri taajuuskaistojen ikkunoita. Siksi voidaan käyttää yhdistettyä monikaista-antennia. Yhdysvaltain armeijan speakeasy on ratkaisu, joka käyttää useita RF-antennisarjoja. Laajakaista-RF:ssä viritys, energiansäätö ja matalakohinaisen esivahvistimen (LNA) konfigurointi ovat myös avainteknologiaa, ja tietokoneavusteista suunnittelua (CAD) voidaan käyttää järjestelmän suunnittelun optimointiin.
2. Laajakaista A/D-osa.
Avain laajakaistaisen analogia-digitaalimuunnoksen suorituskyvyn määrittämiseen on näytteistys ja bittien määrä. Näytteenottotaajuus määräytyy signaalin kaistanleveyden mukaan, kun taas kvantisointibittien määrä vaatii tietyn dynaamisen alueen ja DSP-tarkkuuden. Koska olemassa oleva yksisiruinen ADC ei voi täyttää näitä kahta vaatimusta, useita ADC:itä voidaan käyttää rinnakkain.
3. Nopea rinnakkainen DSP-osa.
Järjestelmän digitaalisessa käsittelyssä vaikeinta on ylösmuunnos, suodatus ja alinäytteenotto. Nopea rinnakkais-DSP sisältää digitaalisen kantataajuuskäsittelyn, moduloinnin ja demoduloinnin, bittivirran käsittelyn ja dekoodaustoiminnot. FM- ja hajaspektrijärjestelmissä tässä osassa tulisi olla myös hajautuksen ja hypyn poistotoiminnot. Tämän toiminnon osan saavuttamiseksi on välttämätöntä käyttää nopeaa rinnakkais-DSP:tä usean prosessorin rinnakkaislaskentajärjestelmän muodostamiseksi, joka sisältää enemmän monikäyttökutsuja, laajemman ohjelmaväylän ja dataväylän, yhden käskyn useita tietoja, useiden käskyjen useita tietoja. . Rakenne ja käyttö super-käskyn rakenne, jne., tämä osa voidaan toteuttaa omistettu digitaalinen integroitu piiri siru ASIC (esimerkiksi DDC-siru HS P50016 Harris Corporation of USA).
4. Poistutaan yleisestä avoimuuden ja skaalautuvuuden reittirakenteesta.
Perinteisessä järjestelmärakenteessa käytetään yleisesti putkistoa, jolle on tunnusomaista se, että jokainen toiminnallinen yksikkö on yhdistetty piirillä. Jos jonkin osan toimintoa halutaan lisätä, poistaa tai muuttaa, vastaavaa toimintomoduulia on säädettävä. Siksi tämä rakenne ei ole auki. Järjestelmän eri toiminnallisten yksiköiden yhteenliittämisen toteuttamiseksi muodostetaan avoin ja laajennettava laitteistoalusta, jolla on samalla korkea tiedonsiirtonopeus. Ohjelmistoradiojärjestelmän tulee ottaa käyttöön uusi kytkentärakenne, jolle on ominaista suhteellisen yksinkertainen toteutus ja joka voi suoraan soveltaa erilaisia väylästandardeja (kuten VME, väylä, PCI-väylä jne.). , väyläpohjainen liitäntärakenne.
5. Ohjelmistoprotokollat ja -standardit.
Ulkomailla on 1990-luvun puolivälistä loppuun asti tutkittu ohjelmiston plug and play (Plug & Play) käyttöönottoa ja tehty ehdotuksia sen pohjalta. JAVA/CORBA-ohjelmistoprotokollat ja -standardit. "Ohjelmistoväylään" perustuva idea on luoda standardipohjainen, avoin ja helppokäyttöinen arkkitehtuuri. Niin kutsuttu "ohjelmistoväylä" on samanlainen kuin "laitteistoväylä", jota usein sanotaan. Sovellusmoduulista tehdään standardin mukainen väylä ja yhdistetty toiminta voidaan toteuttaa liittämällä väylä, mikä tukee hajautettua laskentaympäristöä. Tämä suunnitteluidea on yhdenmukainen ohjelmistojen uudelleenkäytettävyyden kanssa ohjelmistojärjestelmissä.
6. Järjestelmän virrankulutus, tilavuus ja hinta.
Tämä on ohjelmistoradion kaupallistamisen avain, ja sen ratkaisu riippuu pitkälti laitteistotekniikan kehityksestä. Neljänneksi ohjelmistoradion kehitys ja mahdollisuus
1990-luvulta lähtien, erilaisten langattomien viestintäjärjestelmien nopean kehityksen, radioviestintästandardien erojen ja digitaalisen signaalinkäsittelytekniikan kehittymisen myötä, ohjelmistoradiotekniikka on herättänyt yhä enemmän huomiota, ja siitä odotetaan tulevan maailmanlaajuista viestintää. verkkoon. uusi järjestelmä.
Ihanteellisen rakenteen mukaan ohjelmistoradioaseman kaikki signaalinkäsittelytehtävät RF:stä kantataajuuteen suoritetaan täysin digitaalisessa muodossa, joten se on täysin ohjelmoitavissa, ja sen rakenne on myös uudelleenkonfiguroitava ja toistettava. Koska radiotaajuuskaistalle sovellettavissa olevaa A/D-muunninta ei kuitenkaan ole, toinen nyt tutkittava aihe on ohjelmistoradioaseman digitaalinen RF-etuosa, joka on avain koko taajuuden digitalisointiin. bändi.
Olemassa olevia digitaalisia signaalinkäsittelylaitteita (DSP) on käytetty laajalti signaalinkäsittelyyn osissa, kuten IF, kantataajuus tai pääte, mikä on nostanut radiolaitteiden teknisen suorituskyvyn uudelle ja nykyaikaiselle tasolle, mutta sen RF-etuosa on edelleen kapeakaistainen. . Ohjelmistoradioasemassa sen RF-etupäässä olevan A/D-muuntimen on kyettävä käsittelemään koko viestintätaajuuskaistaa, yleensä 2MHz - 3GHz. Lisäksi matkaviestinsignaalien tyypillisiä ominaisuuksia ovat häipyminen ja suojaus, ja niissä voi olla voimakasta estoa ja häiriöitä. Tämän seurauksena vastaanottavassa RF-päässä esiintyvien matkaviestinsignaalien dynaaminen alue on jopa 100 dB tai enemmän. Jos otetaan huomioon matkaviestintäsignaalien erilaiset standardit, sen dynaaminen alue on suurempi. Järjestelmässä, jonka kaistanleveys on 10 MHz, näytteenottotaajuus on suurempi kuin 25 MHz, mikä vaatii 2500 MIPS:n laskentakapasiteetin, mikä on kaukana RF-etupään prosessoitavan signaaliympäristön vaatimuksista. Jopa A/D-muuntimilla, jotka pystyvät täyttämään kaistanleveyden ja dynaamisen alueen vaatimukset, niiden tehovaatimukset voivat silti haitata mobiilipäätelaitteiden käyttöä. Tässä vaiheessa kehitetty ohjelmistoradioasema ei voi omaksua täydellisen taajuuskaistan digitalisoinnin ihanteellista rakennetta, mutta omaksuu Rf-etupään osittaisen taajuuskaistan digitoinnin käytännön rakenteen.
Yhteenvetona voidaan todeta, että ohjelmistoradiolla on kaksi merkitystä: toinen on radiotaajuinen (RF) etupää ja toinen digitaalinen signaalinkäsittely; sen ydinkomponentteja ovat laajakaistaiset A/D/A-muuntimet ja nopeat DSP-sirut. Ohjelmistoradion suurin etu on, että se pystyy suorittamaan erilaisia signaalinkäsittelytehtäviä laitteistoalustalla määrittelemällä erilaisia toimintaparametreja ja järjestämällä kanavarakenteen uudelleen langattoman kaistan ja kanavan käyttötavan mukaan. Siksi kullekin työstandardille voidaan suunnitella oma digitaalinen käyttöliittymä yhteiselle laitteistoalustalle tai hyödyntää erilaisten työstandardien yhteisyyttä. Edellinen malli ei ainoastaan saavuta suurinta vapausastetta, vaan myös minimoi käytettävien porttien lukumäärän, kun taas jälkimmäinen malli vaatii omistettujen algoritmien kehittämistä digitaalisille etupään toiminnoille, mutta se voidaan toteuttaa ASIC:ien kanssa, jolloin voimme hyödyntää ohjelmistoradion käsitteestä.
Yleisesti ottaen, vaikka ohjelmistoradiot kehitettiin alun perin sotilaallista lyhytaaltoviestintää varten horisontin yli, koska ne tarjoavat korkean tarkkuuden, jota ei löydy analogisista vastaanottimista, ne tarjoavat myös erinomaisen joustavuuden. Pienellä muutoksella se voi mukautua eri käyttäjien vaatimuksiin ja täyttää ne, ja sen hinta on erittäin alhainen. Yhdessä digitaalisen signaalinkäsittelytekniikan nopean kehityksen kanssa sitä on käytetty yhä enemmän siviiliviestinnän alalla, erityisesti matkaviestinnässä. Sovellus järjestelmässä on laajempi.
