Com a nova tecnologia en el camp de la comunicació sense fils, la ràdio de programari (SDR) atrau cada cop més l'atenció tant dins com fora. En el camp de la comunicació, és un nou sistema de comunicació per ràdio després de la tecnologia analògica a la tecnologia digital, la comunicació fixa a la comunicació mòbil. Amb el desenvolupament de la tecnologia de la comunicació, els equips compatibles amb diversos tipus estàndards han mostrat cada cop més la seva demanda. En comparació amb els sistemes de ràdio tradicionals, els sistemes de ràdio de programari tenen una sèrie d'avantatges com ara l'estructura general, les funcions basades en programari i la interoperabilitat. .
Ⅰ. Origen i desenvolupament del programari de ràdio
El motiu de l'aparició del programari de ràdio està relacionat amb la Guerra del Golf. En aquell moment, les forces multinacionals liderades pels Estats Units utilitzaven una varietat d'equips de comunicació de diferents estàndards, cosa que causava dificultats per comunicar-se entre ells. Després d'això, el maig de 1992, Jeo Mitola va proposar per primera vegada el concepte de "ràdio programari" a la Conferència Americana de Sistemes de Comunicació. La idea bàsica és fer que totes les ràdios tàctiques es basen en la mateixa plataforma de maquinari, instal·lar programari diferent per formar diferents tipus de ràdios i completar funcions de diferent naturalesa. Per tant, té programabilitat de programari. Aquest concepte va atreure ràpidament l'atenció de països d'arreu del món, ja que les comunicacions militars ara tenen requisits més alts per a la fiabilitat, interoperabilitat, flexibilitat, anti-jamming, supervivència, confidencialitat i seguretat dels sistemes de comunicacions de ràdio. L'exèrcit nord-americà i Hazcltine han desenvolupat una estació de ràdio de programari anomenada "speakeasy" (fàcil de parlar), que realitza una plataforma de ràdio multibanda i multifuncional que utilitza habitualment l'exèrcit nord-americà. Més de 4 formes d'ona de modulació diferents. Aquesta ràdio es pot anomenar "ordinador de mà" amb una antena que pot transmetre veu i dades. Els serveis de comunicació inclouen imatges de veu, dades i vídeo.
En l'actualitat, la ràdio de programari ha rebut cada cop més atenció en l'àmbit civil. El motiu principal és que els estàndards tècnics del sistema de comunicació actual són diversos, i els diferents estàndards tècnics i els sistemes corresponents són difícils de ser compatibles entre si, i és difícil realitzar-ho amb un dispositiu unificat. I el sistema de comunicació mòbil de tercera generació encara té una batalla estàndard, si s'utilitza la ràdio de programari per adaptar-se a diferents estàndards, és una manera factible. D'altra banda, el desenvolupament de la tecnologia de comunicació és molt ràpid, l'antic sistema es millora contínuament i el nou sistema està sorgint ràpidament. La gent necessita un mètode d'actualització del sistema que sigui més econòmic que eliminar completament l'equip antic, i la programabilitat de la ràdio del programari és millor. adaptat a aquesta necessitat.
Ⅱ. l'arquitectura de ràdio del programari
La part de radiofreqüència, la conversió amunt/baix, el filtratge i el processament de banda base del sistema de ràdio analògic tradicional adopten el mode analògic, i el sistema de comunicació d'una determinada banda de freqüència i un determinat mode de modulació correspon a una estructura dura especial; mentre que la part de baixa freqüència del sistema de ràdio digital adopta circuits digitals (per exemple, l'oscil·lador local utilitza un sintetitzador de freqüència digital, la codificació i descodificació font, i la modulació i la demodulació es completen amb un xip dedicat), però la seva freqüència de ràdio i freqüència intermèdia les peces encara són inseparables dels circuits analògics. En comparació amb el sistema de ràdio tradicional, la conversió A/D/A del sistema de ràdio de programari es trasllada a la freqüència intermèdia, i tan a prop com sigui possible de l'extrem de radiofreqüència, es mostra tota la banda de freqüència del sistema, és a dir, el digital. el processament es realitza des de la freqüència intermèdia (o fins i tot la radiofreqüència), que és una característica destacada de la ràdio de programari. La ràdio digital utilitza circuits digitals dedicats per aconseguir una única funció de comunicació sense programabilitat. El programari de ràdio substitueix el circuit digital dedicat amb el dispositiu DSP programable, cosa que fa que l'estructura i la funció del maquinari del sistema siguin relativament independents. D'aquesta manera, basant-se en una plataforma de maquinari relativament comuna, es poden realitzar diferents funcions de comunicació mitjançant el programari, i es poden programar i controlar la freqüència operativa, l'amplada de banda del sistema, el mode de modulació, el codi font, etc., i la flexibilitat del sistema es millora molt. .
La plataforma de maquinari de la ràdio programari adopta un disseny modular, que ha de ser una plataforma de comunicació amb obertura, escalabilitat i compatibilitat, i es fa en forma de bus amb un estàndard modular. A partir d'aquesta plataforma de maquinari relativament comuna, implementem diferents funcions de comunicació carregant programari diferent (la targeta es pot substituir quan calgui). La plataforma de maquinari de la ràdio de programari és molt més exigent que la PC, necessita un front-end de radiofreqüència de banda ampla, un convertidor A/D/A de banda ampla, dispositius DSP d'alta velocitat, etc. Per tal de realitzar una conversió A/D/A d'alta velocitat i processament de senyal digital, els sistemes de ràdio de programari han de funcionar en paral·lel amb múltiples CPU. A més, perquè les dades de processament del senyal digital s'intercanviïn a gran velocitat, el bus del sistema ha de tenir una velocitat de transmissió T/O molt alta. Entre els busos de sistema actuals que compleixen els requisits, el bus VME compta amb la tecnologia més madura, la millor versatilitat i el suport més ampli. VME proporciona processaments en paral·lel de CPU múltiples, admet el bus de dades i el bus d'adreces de 32-bits independents, i la velocitat arriba als 40 Mb/s (o fins i tot 320 Mb/s), que bàsicament compleix els requisits de la ràdio de programari i és el mètode de bus preferit. per a la ràdio de programari. Tres, la tecnologia clau del programari de ràdio
1. Conversió baixa multibanda i RF de banda ampla
Per a l'antena del sistema de ràdio de programari, hauria de tenir una antena multibanda i una funció de conversió de radiofreqüència programable. Sobre la base de satisfer el guany de l'antena, la mida física i el preu, hauria de tenir una amplada de banda de treball de 2 MHz-3MHz. En enginyeria de ràdio, no és necessari cobrir tota la banda de freqüència, sinó que només cal cobrir diverses finestres de diferents bandes de freqüència. Per tant, es pot utilitzar una antena multibanda combinada. El speakeasy de l'exèrcit nord-americà és una solució que utilitza diversos conjunts d'antenes de RF. Per a RF de banda ampla, la sintonització, el control d'energia i la configuració del preamplificador de baix soroll (LNA) també és una tecnologia clau, i el disseny assistit per ordinador (CAD) es pot utilitzar per optimitzar el disseny del sistema.
2. Part A/D de banda ampla.
La clau per determinar el rendiment de la conversió analògica a digital de banda ampla és el mostreig i el nombre de bits. La freqüència de mostreig està determinada per l'amplada de banda del senyal, mentre que el nombre de bits de quantificació requereix un cert rang dinàmic i precisió DSP. Com que l'ADC d'un sol xip existent no pot complir aquests dos requisits, es poden utilitzar diversos ADC en paral·lel.
3. Part DSP paral·lel d'alta velocitat.
En l'operació de processament digital del sistema, el més difícil és la conversió, el filtratge i el submostreig. El DSP paral·lel d'alta velocitat inclou processament de banda base digital, modulació i demodulació, processament de flux de bits i funcions de descodificació. Per als sistemes de FM i d'espectre estes, aquesta part també hauria de tenir funcions d'extensió i descompte. Per aconseguir aquesta part de la funció, cal utilitzar DSP paral·lel d'alta velocitat per formar un sistema informàtic paral·lel multiprocessador, que inclogui més trucades d'accés múltiple, bus de programa i bus de dades més amplis, dades múltiples d'instrucció única, dades múltiples d'instruccions múltiples. . L'estructura i l'ús de l'estructura de superinstrucció, etc., aquesta part es pot realitzar mitjançant un xip de circuit integrat digital dedicat ASIC (per exemple, el xip DDC HS P50016 de Harris Corporation dels Estats Units).
4. Sortir de l'estructura general de ruta d'obertura i escalabilitat.
En l'estructura del sistema tradicional, generalment s'utilitza la canonada, que es caracteritza perquè cada unitat funcional està connectada per un circuit. Si s'ha d'afegir, eliminar o modificar la funció d'una determinada peça, s'ha d'ajustar el mòdul funcional corresponent. Per tant, aquesta estructura no està oberta. Per tal d'aconseguir la interconnexió de diverses unitats funcionals del sistema, es forma una plataforma de maquinari oberta i extensible i, al mateix temps, té una alta taxa de rendiment de dades. El sistema de ràdio de programari ha d'adoptar una nova estructura d'interconnexió, que es caracteritza per una implementació relativament senzilla i pot aplicar directament una varietat d'estàndards de bus (com ara VME, bus, bus PCI, etc.). , estructura d'interconnexió basada en bus.
5. Protocols i estàndards de programari.
Des de mitjans i finals de la dècada de 1990, països estrangers han estat estudiant com implementar programari plug and play (Plug & Play) i han proposat basant-s'hi. Protocols i estàndards de programari JAVA/CORBA. La idea basada en el "bus de programari" és establir una arquitectura basada en estàndards, oberta i fàcil d'utilitzar. L'anomenat "bus de programari" és semblant al "bus de maquinari" que es diu sovint. El mòdul d'aplicació es converteix en un bus segons l'estàndard i l'operació combinada es pot realitzar inserint el bus, donant suport a un entorn informàtic distribuït. Aquesta idea de disseny és coherent amb la reutilització del programari en sistemes de programari.
6. Consum d'energia, volum i cost del sistema.
Aquesta és la clau per a la comercialització del programari de ràdio, i la seva solució depèn en gran mesura del desenvolupament de la tecnologia de maquinari. En quart lloc, el desenvolupament i la perspectiva del programari de ràdio
Des de la dècada de 1990, amb el ràpid desenvolupament de diversos sistemes de comunicació sense fil, les diferències en els estàndards de comunicació de ràdio i l'avenç de la tecnologia de processament de senyal digital, la tecnologia de ràdio del programari ha cridat cada cop més l'atenció i s'espera que es converteixi en una futura comunicació global. xarxa. nou sistema.
D'acord amb l'estructura ideal, totes les tasques de processament de senyal de l'estació de ràdio de programari des de RF fins a la banda base es duen a terme en forma digital completa, de manera que és completament programable i la seva estructura també és reconfigurable i reproduïble. No obstant això, com que no hi ha un convertidor A/D que es pugui aplicar a la banda de radiofreqüència, un altre tema que s'està investigant ara és la part frontal digital de RF de l'estació de ràdio de programari, que és la clau per a la digitalització de tota la freqüència. banda.
Els dispositius de processament de senyals digitals (DSP) existents s'han utilitzat àmpliament per al processament del senyal en parts com IF, banda base o terminal, la qual cosa ha portat el rendiment tècnic dels equips de ràdio a un nivell nou i modern, però la seva part frontal de RF encara és de banda estreta. . Per a l'estació de ràdio de programari, el convertidor A/D de la seva part frontal de RF ha de ser capaç de gestionar tota la banda de freqüència de comunicació, generalment de 2MHz a 3GHz. A més, les característiques típiques dels senyals de comunicació mòbil són l'esvaïment i el blindatge, i pot haver-hi forts bloqueigs i interferències. Com a resultat, el rang dinàmic dels senyals de comunicació mòbil que apareixen a l'extrem de RF receptor és de fins a 100 dB o més. Si es consideren diferents estàndards de senyals de comunicació mòbil, el seu rang dinàmic serà més gran. Per a un sistema amb una amplada de banda de 10 MHz, la freqüència de mostreig és superior a 25 MHz, la qual cosa requereix una capacitat de processament informàtic de 2500 MIPS, que dista molt de complir els requisits de l'entorn del senyal per ser processats pel front-end de RF. Fins i tot amb convertidors A/D capaços de satisfer els requisits d'amplada de banda i rang dinàmic, els seus requisits d'alimentació encara poden dificultar l'ús de terminals mòbils. L'estació de ràdio de programari desenvolupada en l'etapa actual no pot adoptar l'estructura ideal de digitalització de banda de freqüència completa, però adopta l'estructura pràctica de digitalització de banda de freqüència parcial de la part frontal de Rf.
En resum, el programari de ràdio té dos significats: un és el front-end de radiofreqüència (RF) i l'altre és el processament de senyal digital; els seus components bàsics són convertidors A/D/A de banda ampla i xips DSP d'alta velocitat. El major avantatge del programari de ràdio és que pot completar diverses tasques de processament de senyal a la plataforma de maquinari definint diversos paràmetres de treball i reorganitzant l'estructura del canal segons la banda sense fil i el mètode d'accés al canal. Per tant, es pot dissenyar una interfície digital dedicada per a cada estàndard de treball en una plataforma de maquinari comuna, o es pot utilitzar la comuna de diferents estàndards de treball. El primer disseny no només aconsegueix el major grau de llibertat, sinó que també minimitza el nombre de portes utilitzades, mentre que el segon disseny requereix el desenvolupament d'algorismes dedicats per a les funcions digitals de front-end, però es pot implementar amb ASIC, la qual cosa ens permet aprofitar. del concepte de ràdio programari.
En general, tot i que les ràdios de programari es van desenvolupar originalment per a comunicacions militars d'ona curta sobre l'horitzó, perquè ofereixen un alt nivell de fidelitat que no es troba en receptors analògics, també ofereixen una excel·lent flexibilitat. Amb una petita modificació, es pot adaptar i satisfer els requisits dels diferents usuaris, i el seu cost és molt baix. Juntament amb el ràpid desenvolupament de la tecnologia de processament de senyal digital, s'ha utilitzat cada cop més en el camp de la comunicació civil, especialment en la comunicació mòbil. L'aplicació al sistema és més extensa.
