Som en ny teknologi innen trådløs kommunikasjon, vekker programvareradio (SDR) mer og mer oppmerksomhet både inne og ute. Innen kommunikasjon er det et nytt radiokommunikasjonssystem etter analog teknologi til digital teknologi, fast kommunikasjon til mobilkommunikasjon. Med utviklingen av kommunikasjonsteknologi har utstyr som er kompatibelt med ulike standardtyper i økende grad vist sin etterspørsel. Sammenlignet med tradisjonelle radiosystemer har programvareradiosystemer en rekke fordeler som generell struktur, programvarebaserte funksjoner og interoperabilitet. .
Ⅰ. Opprinnelsen og utviklingen av programvareradio
Årsaken til fremveksten av programvareradio er relatert til Gulfkrigen. På den tiden brukte de multinasjonale styrkene ledet av USA en rekke kommunikasjonsutstyr av forskjellige standarder, noe som forårsaket vanskeligheter med å kommunisere med hverandre. Etter det, i mai 1992, foreslo Jeo Mitola først konseptet "programvareradio" på American Communication Systems Conference. Den grunnleggende ideen er å lage alle taktiske radioer basert på samme maskinvareplattform, installere forskjellig programvare for å danne forskjellige typer radioer, og fullføre funksjoner av forskjellig natur. Så den har programvareprogrammerbarhet. Dette konseptet vakte raskt oppmerksomheten til land rundt om i verden, fordi militær kommunikasjon nå har høyere krav til pålitelighet, interoperabilitet, fleksibilitet, anti-jamming, overlevelsesevne, konfidensialitet og sikkerhet for radiokommunikasjonssystemer. Det amerikanske militæret og Hazcltine har utviklet en programvareradiostasjon kalt "speakeasy" (lett å snakke), som realiserer en multi-band og multifunksjonell radioplattform som vanligvis brukes av det amerikanske militæret. Mer enn 4 forskjellige modulasjonsbølgeformer. Denne radioen kan kalles en "håndholdt datamaskin" med en antenne som kan overføre tale og data. Kommunikasjonstjenester inkluderer tale, data og videobilder.
For tiden har programvareradio fått mer og mer oppmerksomhet på det sivile området. Hovedårsaken er at de tekniske standardene til det nåværende kommunikasjonssystemet er forskjellige, og de forskjellige tekniske standardene og de tilsvarende systemene er vanskelige å være kompatible med hverandre, og det er vanskelig å realisere det med en enhetlig enhet. Og tredje generasjons mobilkommunikasjonssystem har fortsatt en standard kamp, hvis programvareradio brukes til å tilpasse seg forskjellige standarder, er det en gjennomførbar måte. På den annen side er utviklingen av kommunikasjonsteknologi veldig rask, det gamle systemet forbedres kontinuerlig, og det nye systemet vokser raskt. Folk trenger en systemoppgraderingsmetode som er mer økonomisk enn å fullstendig eliminere det gamle utstyret, og programmerbarheten til programvareradioen er bedre. tilpasset dette behovet.
Ⅱ. programvarens radioarkitektur
Radiofrekvensdelen, opp/ned-konvertering, filtrering og basebåndbehandling av det tradisjonelle analoge radiosystemet tar alle i bruk den analoge modusen, og kommunikasjonssystemet til et visst frekvensbånd og en viss modulasjonsmodus tilsvarer en spesiell hard struktur; mens lavfrekvensdelen av det digitale radiosystemet tar i bruk digitale kretser (for eksempel bruker den lokale oscillatoren en digital frekvenssynthesizer, kildekoding og dekoding, og modulasjon og demodulering fullføres av en dedikert brikke), men dens radiofrekvens og mellomfrekvens deler er fortsatt uatskillelige fra analoge kretser. Sammenlignet med det tradisjonelle radiosystemet flyttes A/D/A-konverteringen av programvareradiosystemet til mellomfrekvensen, og så nært som mulig til radiofrekvensenden samples hele systemets frekvensbånd, det vil si den digitale behandling utføres fra mellomfrekvensen (eller til og med radiofrekvensen), som er et fremtredende trekk ved programvareradio. Digital radio bruker dedikerte digitale kretser for å oppnå en enkelt kommunikasjonsfunksjon uten programmerbarhet. Programvareradioen erstatter den dedikerte digitale kretsen med den programmerbare DSP-enheten, som gjør systemets maskinvarestruktur og funksjon relativt uavhengig. På denne måten, basert på en relativt vanlig maskinvareplattform, kan ulike kommunikasjonsfunksjoner realiseres gjennom programvare, og driftsfrekvens, systembåndbredde, modulasjonsmodus, kildekode osv. kan programmeres og kontrolleres, og systemfleksibiliteten er kraftig forbedret. .
Maskinvareplattformen til programvareradioen har en modulær design, som må være en kommunikasjonsplattform med åpenhet, skalerbarhet og kompatibilitet, og er laget i form av en buss med modulær standard. Basert på denne relativt vanlige maskinvareplattformen implementerer vi ulike kommunikasjonsfunksjoner ved å laste forskjellig programvare (kortet kan byttes ut ved behov). Maskinvareplattformen til programvareradio er mye mer krevende enn PC, den trenger bredbåndsradiofrekvensfront, bredbånds A/D/A-omformer, høyhastighets DSP-enheter og så videre. For å utføre høyhastighets A/D/A-konvertering og digital signalbehandling, må programvareradiosystemer fungere parallelt med flere CPUer. I tillegg, for at digital signalbehandlingsdata skal utveksles med høy hastighet, må systembussen ha en meget høy T/O-overføringshastighet. Blant de nåværende systembussene som oppfyller kravene, har VME-bussen den mest modne teknologien, den beste allsidigheten og den mest omfattende støtten. VME gir flere CPU-parallell prosessering, støtter uavhengig 32-bit databuss og adressebuss, og hastigheten når 40 Mb/s (eller til og med 320 Mb/s), som i utgangspunktet oppfyller kravene til programvareradio og er den foretrukne bussmetoden for programvareradio. Tre, nøkkelteknologien til programvareradio
1. Multibånd nedkonvertering og bredbånds RF
For antennen til programvareradiosystemet bør den ha en flerbåndsantenne og en programmerbar radiofrekvenskonverteringsfunksjon. På grunnlag av å tilfredsstille antenneforsterkningen, fysisk størrelse og pris, bør den ha en arbeidsbåndbredde på 2MHz-3MHz. I radioteknikk er det ikke nødvendig å dekke hele frekvensbåndet, men trenger bare å dekke flere vinduer med forskjellige frekvensbånd. Derfor kan en kombinert flerbåndsantenne brukes. Det amerikanske militærets speakeasy er en løsning som bruker flere sett med RF-antenner. For bredbånds-RF er tuning, energikontroll og lavstøy-forforsterkerkonfigurasjon (LNA) også en nøkkelteknologi, og datastøttet design (CAD) kan brukes for å optimalisere utformingen av systemet.
2. Bredbånd A/D-del.
Nøkkelen til å bestemme ytelsen til bredbånd analog-til-digital konvertering er sampling og antall biter. Samplingshastigheten bestemmes av signalbåndbredden, mens antall kvantiseringsbiter krever et visst dynamisk område og DSP-presisjon. Fordi den eksisterende enkeltbrikke-ADC-en ikke kan oppfylle disse to kravene, kan flere ADC-er brukes parallelt.
3. Høyhastighets parallell DSP-del.
I den digitale prosesseringsoperasjonen av systemet er det vanskeligste oppkonvertering, filtrering og subsampling. Høyhastighets parallell DSP inkluderer digital basebåndbehandling, modulasjon og demodulering, bitstrømbehandling og dekodingsfunksjoner. For FM og spredt spektrum systemer bør denne delen også ha despreading og dehopping funksjoner. For å oppnå denne delen av funksjonen, er det nødvendig å bruke høyhastighets parallell DSP for å danne et multi-prosessor parallelt databehandlingssystem, inkludert flere multiple aksessanrop, bredere programbuss og databuss, enkeltinstruks flere data, multiple instruksjon multiple data . Strukturen og bruken av superinstruksjonsstruktur, etc., denne delen kan realiseres av en dedikert digital integrert kretsbrikke ASIC (for eksempel DDC-brikken HS P50016 fra Harris Corporation i USA).
4. Å forlate den generelle rutestrukturen for åpenhet og skalerbarhet.
I den tradisjonelle systemstrukturen brukes vanligvis rørledningen, som er karakterisert ved at hver funksjonsenhet er forbundet med en krets. Hvis funksjonen til en bestemt del skal legges til, slettes eller endres, må den tilsvarende funksjonsmodulen justeres. Derfor er denne strukturen Ikke åpen. For å realisere sammenkoblingen av ulike funksjonelle enheter i systemet, dannes en åpen og utvidbar maskinvareplattform, og samtidig har den høy datagjennomstrømningshastighet. Programvareradiosystemet må ta i bruk en ny sammenkoblingsstruktur, som er preget av relativt enkel implementering og direkte kan anvende en rekke bussstandarder (som VME, buss, PCI-buss, etc.). , bussbasert sammenkoblingsstruktur.
5. Programvareprotokoller og standarder.
Siden midten til slutten av 1990-tallet har utenlandske land studert hvordan man implementerer programvare plug and play (Plug & Play), og har foreslått basert på det. JAVA/CORBA programvareprotokoller og standarder. Ideen basert på «software bus» er å etablere en standardbasert, åpen og brukervennlig arkitektur. Den såkalte "programvarebussen" ligner på "maskinvarebussen" som ofte sies. Applikasjonsmodulen gjøres til en buss i henhold til standarden, og den kombinerte operasjonen kan realiseres ved å sette inn bussen, og dermed støtte et distribuert datamiljø. Denne designideen er i samsvar med gjenbrukbarheten av programvare i programvaresystemer.
6. Strømforbruk, volum og kostnad for systemet.
Dette er nøkkelen til kommersialisering av programvareradio, og løsningen avhenger i stor grad av utviklingen av maskinvareteknologi. For det fjerde, utviklingen og utsiktene til programvareradio
Siden 1990-tallet, med den raske utviklingen av ulike trådløse kommunikasjonssystemer, forskjellene i radiokommunikasjonsstandarder og fremskritt innen digital signalbehandlingsteknologi, har programvareradioteknologi tiltrukket seg mer og mer oppmerksomhet, og det forventes å bli en fremtidig global kommunikasjon Nettverk. nytt system.
I henhold til den ideelle strukturen utføres alle signalbehandlingsoppgaver til programvareradiostasjonen fra RF til basebånd i full digital form, så den er fullstendig programmerbar, og strukturen er også rekonfigurerbar og reproduserbar. Men fordi det ikke er noen A/D-omformer som kan brukes på radiofrekvensbåndet, er et annet emne som forskes på nå den digitale RF-frontenden til programvareradiostasjonen, som er nøkkelen til digitaliseringen av hele frekvensen bånd.
Eksisterende digitale signalbehandlingsenheter (DSP-er) har blitt mye brukt til signalbehandling i deler som IF, baseband eller terminal, noe som har brakt den tekniske ytelsen til radioutstyr til et nytt og moderne nivå, men RF-fronten er fortsatt smalbåndet. . For programvareradiostasjonen må A/D-omformeren i RF-frontenden være i stand til å håndtere hele kommunikasjonsfrekvensbåndet, vanligvis fra 2MHz til 3GHz. I tillegg er de typiske egenskapene til mobilkommunikasjonssignaler falming og skjerming, og det kan være sterk blokkering og interferens. Som et resultat er det dynamiske området for mobilkommunikasjonssignaler som vises ved mottaker-RF-enden så høyt som 100dB eller mer. Hvis man vurderer forskjellige standarder for mobilkommunikasjonssignaler, vil dens dynamiske rekkevidde være større. For et system med en båndbredde på 10MHz er samplingsfrekvensen større enn 25MHz, noe som krever 2500MIPS databehandlingsevne, noe som langt fra oppfyller kravene til signalmiljøet som skal behandles av RF-fronten. Selv med A/D-omformere som er i stand til å møte kravene til båndbredde og dynamisk rekkevidde, kan strømkravene deres fortsatt hindre bruken av mobile terminaler. Programvaren radiostasjon utviklet på det nåværende stadiet kan ikke ta i bruk den ideelle strukturen for fullfrekvensbåndsdigitalisering, men tar i bruk den praktiske strukturen for delvis frekvensbåndsdigitalisering av Rf-frontend.
For å oppsummere inneholder programvareradio to betydninger: den ene er radiofrekvensfronten (RF), og den andre er digital signalbehandling; kjernekomponentene er bredbånds A/D/A-omformere og høyhastighets DSP-brikker. Den største fordelen med programvareradio er at den kan fullføre ulike signalbehandlingsoppgaver på maskinvareplattformen ved å definere ulike arbeidsparametere og omorganisere kanalstrukturen i henhold til metoden for trådløs bånd og kanaltilgang. Derfor kan en dedikert digital frontend for hver arbeidsstandard utformes på en felles maskinvareplattform, eller fellesskapet til forskjellige arbeidsstandarder kan brukes. Den tidligere designen oppnår ikke bare størst grad av frihet, men minimerer også antallet porter som brukes, mens sistnevnte design krever utvikling av dedikerte algoritmer for digitale front-end-funksjoner, men kan implementeres med ASIC-er, slik at vi kan dra nytte av av konseptet med programvareradio.
Generelt, selv om programvareradioer opprinnelig ble utviklet for militær kortbølgekommunikasjon over horisonten, tilbyr de også utmerket fleksibilitet fordi de tilbyr en høy grad av troskap som ikke finnes i analoge mottakere. Med en liten modifikasjon kan den tilpasse seg og møte kravene til forskjellige brukere, og kostnadene er svært lave. Sammen med den raske utviklingen av digital signalbehandlingsteknologi, har den blitt stadig mer brukt innen sivil kommunikasjon, spesielt innen mobilkommunikasjon. Applikasjonen i systemet er mer omfattende.
