Som en ny teknik inom området trådlös kommunikation väcker mjukvaruradio (SDR) mer och mer uppmärksamhet både inom och utanför. Inom kommunikationsområdet är det ett nytt radiokommunikationssystem efter analog teknik till digital teknik, fast kommunikation till mobil kommunikation. Med utvecklingen av kommunikationsteknik har utrustning som är kompatibel med olika standardtyper alltmer visat sin efterfrågan. Jämfört med traditionella radiosystem har mjukvaruradiosystem en rad fördelar såsom allmän struktur, mjukvarubaserade funktioner och interoperabilitet. .
Ⅰ. Ursprunget och utvecklingen av mjukvaruradio
Anledningen till uppkomsten av mjukvaruradio är relaterad till Gulfkriget. På den tiden använde de multinationella styrkorna under ledning av USA en mängd olika kommunikationsutrustning av olika standarder, vilket orsakade svårigheter att kommunicera med varandra. Efter det, i maj 1992, föreslog Jeo Mitola för första gången konceptet "mjukvaruradio" vid American Communication Systems Conference. Grundidén är att göra alla taktiska radioapparater baserade på samma hårdvaruplattform, installera olika mjukvaror för att bilda olika typer av radioapparater och komplettera funktioner av olika karaktär. Så den har mjukvaruprogrammerbarhet. Detta koncept väckte snabbt uppmärksamhet från länder runt om i världen, eftersom militär kommunikation nu har högre krav på tillförlitlighet, interoperabilitet, flexibilitet, anti-jamming, överlevnadsförmåga, konfidentialitet och säkerhet för radiokommunikationssystem. Den amerikanska militären och Hazcltine har utvecklat en mjukvaruradiostation som heter "speakeasy" (lätt att prata), som realiserar en multibands och multifunktionell radioplattform som vanligtvis används av den amerikanska militären. Mer än 4 olika moduleringsvågformer. Denna radio kan kallas en "handdator" med en antenn som kan sända röst och data. Kommunikationstjänster inkluderar röst, data och videobilder.
För närvarande har mjukvaruradio fått mer och mer uppmärksamhet på det civila området. Huvudskälet är att de tekniska standarderna för det nuvarande kommunikationssystemet är olika, och de olika tekniska standarderna och motsvarande system är svåra att vara kompatibla med varandra, och det är svårt att förverkliga det med en enhetlig enhet. Och tredje generationens mobilkommunikationssystem har fortfarande en standardstrid, om mjukvaruradio används för att anpassa sig till olika standarder är det ett genomförbart sätt. Å andra sidan är utvecklingen av kommunikationsteknik mycket snabb, det gamla systemet förbättras kontinuerligt och det nya systemet växer fram snabbt. Människor behöver en systemuppgraderingsmetod som är mer ekonomisk än att helt eliminera den gamla utrustningen, och mjukvaruradions programmerbarhet är bättre. anpassas till detta behov.
Ⅱ. programvarans radioarkitektur
Radiofrekvensdelen, upp/nedkonvertering, filtrering och basbandsbehandling av det traditionella analoga radiosystemet antar alla det analoga läget, och kommunikationssystemet för ett visst frekvensband och ett visst moduleringsläge motsvarar en speciell hård struktur; medan lågfrekvensdelen av det digitala radiosystemet antar digitala kretsar (till exempel använder den lokala oscillatorn en digital frekvenssyntes, källkodning och avkodning, och modulering och demodulering fullbordas av ett dedikerat chip), men dess radiofrekvens och mellanfrekvens delar är fortfarande oskiljaktiga från analoga kretsar. Jämfört med det traditionella radiosystemet flyttas A/D/A-omvandlingen av mjukvaruradiosystemet till mellanfrekvensen, och så nära radiofrekvensänden som möjligt samplas hela systemets frekvensband, det vill säga det digitala bearbetning utförs från mellanfrekvensen (eller till och med radiofrekvensen), vilket är ett framträdande inslag i mjukvaruradio. Digital radio använder dedikerade digitala kretsar för att uppnå en enda kommunikationsfunktion utan programmerbarhet. Mjukvaruradion ersätter den dedikerade digitala kretsen med den programmerbara DSP-enheten, vilket gör systemets hårdvarustruktur och funktion relativt oberoende. På detta sätt, baserat på en relativt vanlig hårdvaruplattform, kan olika kommunikationsfunktioner realiseras genom mjukvara, och driftsfrekvens, systembandbredd, moduleringsläge, källkod etc. kan programmeras och styras och systemets flexibilitet förbättras avsevärt. .
Hårdvaruplattformen för mjukvaruradion antar en modulär design, som måste vara en kommunikationsplattform med öppenhet, skalbarhet och kompatibilitet, och görs i form av en buss med en modulär standard. Baserat på denna relativt vanliga hårdvaruplattform implementerar vi olika kommunikationsfunktioner genom att ladda olika mjukvara (kortet kan bytas ut vid behov). Hårdvaruplattformen för mjukvaruradio är mycket mer krävande än PC, den behöver bredbandsradiofrekvensfront, bredbands A/D/A-omvandlare, höghastighets DSP-enheter och så vidare. För att kunna utföra höghastighets A/D/A-omvandling och digital signalbearbetning måste mjukvaruradiosystem fungera parallellt med flera processorer. Dessutom, för att digital signalbehandlingsdata ska kunna utbytas med hög hastighet, måste systembussen ha en mycket hög T/O-överföringshastighet. Bland de nuvarande systembussarna som uppfyller kraven har VME-bussen den mest mogna tekniken, den bästa mångsidigheten och det mest omfattande stödet. VME tillhandahåller multipel CPU-parallellbehandling, stöder oberoende 32-bitdatabuss och adressbuss, och hastigheten når 40 Mb/s (eller till och med 320 Mb/s), vilket i princip uppfyller kraven för mjukvaruradio och är den föredragna bussmetoden för mjukvaruradio. Tre, nyckeltekniken för mjukvaruradio
1. Flerbands nedkonvertering och bredbands-RF
För antennen för mjukvaruradiosystemet bör den ha en flerbandsantenn och en programmerbar radiofrekvensomvandlingsfunktion. Baserat på att den uppfyller antennförstärkningen, den fysiska storleken och priset bör den ha en arbetsbandbredd på 2MHz-3MHz. Inom radioteknik är det inte nödvändigt att täcka hela frekvensbandet, utan behöver bara täcka flera fönster med olika frekvensband. Därför kan en kombinerad flerbandsantenn användas. Den amerikanska militärens speakeasy är en lösning som använder flera uppsättningar RF-antenner. För bredbands-RF är inställning, energikontroll och lågbrusförförstärkare (LNA) också en nyckelteknologi, och datorstödd design (CAD) kan användas för att optimera systemets design.
2. Bredband A/D-del.
Nyckeln till att bestämma prestandan för bredband analog-till-digital-omvandling är sampling och antalet bitar. Samplingshastigheten bestäms av signalens bandbredd, medan antalet kvantiseringsbitar kräver ett visst dynamiskt omfång och DSP-precision. Eftersom den befintliga ADC:n med ett chip inte kan uppfylla dessa två krav, kan flera ADC:er användas parallellt.
3. Höghastighets parallell DSP-del.
I den digitala bearbetningsoperationen av systemet är det svåraste uppkonvertering, filtrering och subsampling. Den parallella höghastighets-DSP:n inkluderar digital basbandsbehandling, modulering och demodulering, bitströmsbehandling och avkodningsfunktioner. För FM- och spridningsspektrumsystem bör denna del även ha avspridnings- och avhoppningsfunktioner. För att uppnå denna del av funktionen är det nödvändigt att använda höghastighets parallell DSP för att bilda ett parallellt beräkningssystem med flera processorer, inklusive fler multipelaccessanrop, bredare programbuss och databuss, enkelinstruktionsmultipeldata, multipelinstruktionsmultipeldata . Strukturen och användningen av superinstruktionsstruktur, etc., denna del kan realiseras av ett dedikerat digitalt integrerat kretschip ASIC (till exempel DDC-chippet HS P50016 från Harris Corporation i USA).
4. Lämna den allmänna ruttstrukturen för öppenhet och skalbarhet.
I den traditionella systemstrukturen används vanligtvis rörledningen, vilket kännetecknas av att varje funktionell enhet är sammankopplad med en krets. Om funktionen för en viss del ska läggas till, raderas eller ändras måste motsvarande funktionsmodul justeras. Därför är denna struktur inte öppen. För att förverkliga sammankopplingen av olika funktionella enheter i systemet bildas en öppen och utbyggbar hårdvaruplattform, samtidigt som den har en hög datagenomströmningshastighet. Mjukvaruradiosystemet måste anta en ny sammankopplingsstruktur, som kännetecknas av relativt enkel implementering och direkt kan tillämpa en mängd olika bussstandarder (såsom VME, buss, PCI-buss, etc.). , bussbaserad sammankopplingsstruktur.
5. Programvaruprotokoll och standarder.
Sedan mitten till slutet av 1990-talet har främmande länder studerat hur man implementerar programvara plug and play (Plug & Play), och har föreslagit utifrån det. JAVA/CORBA mjukvaruprotokoll och standarder. Tanken baserad på "mjukvarubuss" är att etablera en standardbaserad, öppen och lättanvänd arkitektur. Den så kallade "mjukvarubussen" liknar den "hårdvarubussen" som ofta sägs. Applikationsmodulen görs till en buss enligt standarden, och den kombinerade driften kan realiseras genom att sätta in bussen och därigenom stödja en distribuerad datormiljö. Denna designidé överensstämmer med återanvändbarheten av programvara i mjukvarusystem.
6. Strömförbrukning, volym och kostnad för systemet.
Detta är nyckeln till kommersialisering av mjukvaruradio, och dess lösning beror till stor del på utvecklingen av hårdvaruteknik. För det fjärde, utvecklingen och utsikterna för mjukvaruradio
Sedan 1990-talet, med den snabba utvecklingen av olika trådlösa kommunikationssystem, skillnaderna i radiokommunikationsstandarder och framstegen inom digital signalbehandlingsteknik, har radioteknik för programvara väckt mer och mer uppmärksamhet, och det förväntas bli en framtida global kommunikation nätverk. nytt system.
Enligt den ideala strukturen utförs alla signalbehandlingsuppgifter för mjukvaruradiostationen från RF till basband i full digital form, så den är helt programmerbar, och dess struktur är också omkonfigurerbar och reproducerbar. Men eftersom det inte finns någon A/D-omvandlare som kan appliceras på radiofrekvensbandet, är ett annat ämne som undersöks nu den digitala RF-fronten av mjukvaruradiostationen, som är nyckeln till digitaliseringen av hela frekvensen band.
Befintliga digitala signalbehandlingsenheter (DSP) har använts i stor utsträckning för signalbehandling i delar som IF, basband eller terminal, vilket har fört radioutrustningens tekniska prestanda till en ny och modern nivå, men dess RF-frontend är fortfarande smalbandig . För mjukvaruradiostationen måste A/D-omvandlaren i dess RF-frontände kunna hantera hela kommunikationsfrekvensbandet, vanligtvis från 2MHz till 3GHz. Dessutom är de typiska egenskaperna hos mobilkommunikationssignaler blekning och avskärmning, och det kan finnas kraftig blockering och störningar. Som ett resultat är det dynamiska området för mobilkommunikationssignaler som uppträder vid den mottagande RF-änden så högt som 100 dB eller mer. Om man överväger olika standarder för mobilkommunikationssignaler kommer dess dynamiska omfång att vara större. För ett system med en bandbredd på 10MHz är samplingsfrekvensen större än 25MHz, vilket kräver 2500MIPS bearbetningskapacitet, vilket är långt ifrån att uppfylla signalmiljökraven som ska behandlas av RF-fronten. Även med A/D-omvandlare som kan möta kraven på bandbredd och dynamiskt omfång, kan deras effektkrav fortfarande hindra användningen av mobila terminaler. Mjukvaruradiostationen som utvecklats i detta skede kan inte anta den ideala strukturen för digitalisering av fullt frekvensband, utan antar den praktiska strukturen för partiell frekvensbandsdigitalisering av Rf-frontend.
För att sammanfatta, innehåller mjukvaruradio två betydelser: den ena är frontänden för radiofrekvens (RF), och den andra är digital signalbehandling; dess kärnkomponenter är bredbands A/D/A-omvandlare och höghastighets DSP-chips. Den största fördelen med mjukvaruradio är att den kan utföra olika signalbehandlingsuppgifter på hårdvaruplattformen genom att definiera olika arbetsparametrar och omorganisera kanalstrukturen enligt metoden för trådlöst band och kanalåtkomst. Därför kan en dedikerad digital frontend för varje arbetsstandard utformas på en gemensam hårdvaruplattform, eller så kan gemensamma arbetsstandarder användas. Den förra designen uppnår inte bara den största graden av frihet, utan minimerar också antalet använda grindar, medan den senare designen kräver utveckling av dedikerade algoritmer för digitala front-end-funktioner, men kan implementeras med ASIC, vilket gör att vi kan dra fördel av av konceptet mjukvaruradio.
I allmänhet, även om mjukvaruradioapparater ursprungligen utvecklades för militär kortvågskommunikation över horisonten, eftersom de erbjuder en hög grad av trohet som inte finns i analoga mottagare, erbjuder de också utmärkt flexibilitet. Med lite modifiering kan den anpassa sig till och uppfylla kraven från olika användare, och dess kostnad är mycket låg. Tillsammans med den snabba utvecklingen av digital signalbehandlingsteknik har den använts alltmer inom området civil kommunikation, särskilt inom mobil kommunikation. Applikationen i systemet är mer omfattande.
