Als nieuwe technologie op het gebied van draadloze communicatie krijgt software radio (SDR) zowel binnen als buiten steeds meer aandacht. Op het gebied van communicatie is het een nieuw radiocommunicatiesysteem na analoge technologie naar digitale technologie, vaste communicatie naar mobiele communicatie. Met de ontwikkeling van communicatietechnologie is er steeds meer vraag naar apparatuur die compatibel is met verschillende standaardtypen. Vergeleken met traditionele radiosystemen hebben softwareradiosystemen een aantal voordelen, zoals een algemene structuur, op software gebaseerde functies en interoperabiliteit. .
Ⅰ. De oorsprong en ontwikkeling van softwareradio
De reden voor de opkomst van softwareradio houdt verband met de Golfoorlog. In die tijd gebruikten de multinationale troepen onder leiding van de Verenigde Staten een verscheidenheid aan communicatieapparatuur met verschillende standaarden, wat problemen veroorzaakte bij de communicatie met elkaar. Daarna, in mei 1992, stelde Jeo Mitola voor het eerst het concept van "softwareradio" voor op de American Communication Systems Conference. Het basisidee is om alle tactische radio's te maken op basis van hetzelfde hardwareplatform, verschillende software te installeren om verschillende soorten radio's te vormen en functies van verschillende aard te voltooien. Het heeft dus softwareprogrammeerbaarheid. Dit concept trok al snel de aandacht van landen over de hele wereld, omdat militaire communicatie nu hogere eisen stelt aan de betrouwbaarheid, interoperabiliteit, flexibiliteit, anti-jamming, overlevingsvermogen, vertrouwelijkheid en veiligheid van radiocommunicatiesystemen. Het Amerikaanse leger en Hazcltine hebben een softwareradiostation ontwikkeld met de naam "speakeasy" (easy to talk), dat een multiband en multifunctioneel radioplatform realiseert dat veel wordt gebruikt door het Amerikaanse leger. Meer dan 4 verschillende modulatie golfvormen. Deze radio kan een "handcomputer" worden genoemd met een antenne die spraak en data kan verzenden. Communicatiediensten omvatten spraak, data en videobeelden.
Op dit moment krijgt softwareradio steeds meer aandacht op civiel gebied. De belangrijkste reden is dat de technische standaarden van het huidige communicatiesysteem divers zijn en dat de verschillende technische standaarden en de bijbehorende systemen moeilijk met elkaar compatibel zijn, en dat het moeilijk is om dit te realiseren met een uniform apparaat. En het mobiele communicatiesysteem van de derde generatie heeft nog steeds een standaardstrijd, als softwareradio wordt gebruikt om zich aan te passen aan verschillende standaarden, is het een haalbare manier. Aan de andere kant gaat de ontwikkeling van communicatietechnologie erg snel, het oude systeem wordt voortdurend verbeterd en het nieuwe systeem komt snel op. Mensen hebben een systeemupgrademethode nodig die zuiniger is dan het volledig elimineren van de oude apparatuur, en de programmeerbaarheid van de softwareradio is beter. aangepast aan deze behoefte.
Ⅱ. de software radio-architectuur
Het radiofrequentiegedeelte, omhoog/omlaag-conversie, filtering en basisbandverwerking van het traditionele analoge radiosysteem nemen allemaal de analoge modus aan, en het communicatiesysteem van een bepaalde frequentieband en een bepaalde modulatiemodus komt overeen met een speciale harde structuur; terwijl het laagfrequente deel van het digitale radiosysteem digitale circuits gebruikt (de lokale oscillator gebruikt bijvoorbeeld een digitale frequentiesynthesizer, broncodering en -decodering, en modulatie en demodulatie worden voltooid door een speciale chip), maar de radiofrequentie en middenfrequentie onderdelen zijn nog steeds onlosmakelijk verbonden met analoge circuits. In vergelijking met het traditionele radiosysteem wordt de A/D/A-conversie van het softwareradiosysteem verplaatst naar de middenfrequentie en zo dicht mogelijk bij het radiofrequentie-uiteinde wordt de hele systeemfrequentieband bemonsterd, dat wil zeggen de digitale verwerking wordt uitgevoerd vanaf de middenfrequentie (of zelfs de radiofrequentie), wat een prominent kenmerk is van softwareradio. Digitale radio maakt gebruik van speciale digitale circuits om een enkele communicatiefunctie te bereiken zonder programmeerbaarheid. De softwareradio vervangt het speciale digitale circuit door het programmeerbare DSP-apparaat, waardoor de systeemhardwarestructuur en -functie relatief onafhankelijk is. Op deze manier kunnen, op basis van een relatief algemeen hardwareplatform, verschillende communicatiefuncties worden gerealiseerd via software, en kunnen de werkfrequentie, systeembandbreedte, modulatiemodus, broncode, enz. worden geprogrammeerd en gecontroleerd, en wordt de systeemflexibiliteit aanzienlijk verbeterd .
Het hardwareplatform van de softwareradio heeft een modulair ontwerp, dat een communicatieplatform moet zijn met openheid, schaalbaarheid en compatibiliteit, en is gemaakt in de vorm van een bus met een modulaire standaard. Op basis van dit relatief veel voorkomende hardwareplatform implementeren we verschillende communicatiefuncties door verschillende software te laden (de kaart kan indien nodig worden vervangen). Het hardwareplatform van softwareradio is veel veeleisender dan pc, het heeft breedbandradiofrequentie-front-end, breedband A/D/A-converter, snelle DSP-apparaten enzovoort nodig. Om snelle A/D/A-conversie en digitale signaalverwerking uit te voeren, moeten softwareradiosystemen parallel werken met meerdere CPU's. Om digitale signaalverwerkingsgegevens met hoge snelheid uit te wisselen, moet de systeembus bovendien een zeer hoge T/O-transmissiesnelheid hebben. Van de huidige systeembussen die aan de eisen voldoen, heeft de VME-bus de meest volwassen technologie, de beste veelzijdigheid en de meest uitgebreide ondersteuning. VME biedt meerdere CPU parallelle verwerking, ondersteunt onafhankelijke 32-bit databus en adresbus, en de snelheid bereikt 40Mb/s (of zelfs 320Mb/s), wat in feite voldoet aan de vereisten van softwareradio en de voorkeursbusmethode is voor softwareradio. Drie, de belangrijkste technologie van softwareradio:
1. Multi-band down-conversie en breedband RF
Voor de antenne van het softwareradiosysteem moet het een multibandantenne en een programmeerbare radiofrequentieconversiefunctie hebben. Op basis van het voldoen aan de antenneversterking, fysieke grootte en prijs, zou het een werkbandbreedte van 2 MHz-3 MHz moeten hebben. Bij radiotechniek is het niet nodig om de volledige frequentieband te bestrijken, maar hoeft u slechts meerdere vensters van verschillende frequentiebanden te bestrijken. Daarom kan een gecombineerde multibandantenne worden gebruikt. De speakeasy van het Amerikaanse leger is een oplossing die meerdere sets RF-antennes gebruikt. Voor breedband RF zijn afstemming, energieregeling en configuratie van de voorversterker met laag geluidsniveau (LNA) ook een sleuteltechnologie, en computerondersteund ontwerp (CAD) kan worden gebruikt om het ontwerp van het systeem te optimaliseren.
2. Breedband A/D-gedeelte.
De sleutel tot het bepalen van de prestaties van breedband analoog-naar-digitaal conversie is bemonstering en het aantal bits. De bemonsteringssnelheid wordt bepaald door de signaalbandbreedte, terwijl het aantal kwantiseringsbits een bepaald dynamisch bereik en DSP-precisie vereist. Omdat de bestaande single-chip ADC niet aan deze twee vereisten kan voldoen, kunnen meerdere ADC's parallel worden gebruikt.
3. High-speed parallel DSP-gedeelte.
Bij de digitale verwerking van het systeem is up-conversie, filtering en sub-sampling het moeilijkst. De snelle parallelle DSP omvat digitale basisbandverwerking, modulatie en demodulatie, bitstroomverwerking en decoderingsfuncties. Voor FM- en spread-spectrumsystemen moet dit deel ook despreading- en dehopping-functies hebben. Om dit deel van de functie te bereiken, is het noodzakelijk om snelle parallelle DSP te gebruiken om een parallel computersysteem met meerdere processors te vormen, inclusief meer meervoudige toegangsaanroepen, bredere programmabus en databus, enkele instructie meerdere gegevens, meerdere instructie meerdere gegevens . De structuur en het gebruik van een super-instructiestructuur, enz. Dit deel kan worden gerealiseerd door een speciale ASIC-chip met digitale geïntegreerde schakeling (bijvoorbeeld de DDC-chip HS P50016 van Harris Corporation uit de Verenigde Staten).
4. Het verlaten van de algemene routestructuur van openheid en schaalbaarheid.
In de traditionele systeemstructuur wordt meestal de pijpleiding gebruikt, die wordt gekenmerkt doordat elke functionele eenheid is verbonden door een circuit. Als de functie van een bepaald onderdeel moet worden toegevoegd, verwijderd of gewijzigd, moet de bijbehorende functionele module worden aangepast. Daarom is deze structuur niet open. Om de onderlinge verbinding van verschillende functionele eenheden in het systeem te realiseren, wordt een open en uitbreidbaar hardwareplatform gevormd en heeft het tegelijkertijd een hoge gegevensdoorvoersnelheid. Het softwareradiosysteem moet een nieuwe interconnectiestructuur aannemen, die wordt gekenmerkt door een relatief eenvoudige implementatie en direct een verscheidenheid aan busstandaarden kan toepassen (zoals VME, bus, PCI-bus, enz.). , busgebaseerde verbindingsstructuur.
5. Softwareprotocollen en standaarden.
Sinds het midden van de late jaren negentig hebben andere landen onderzocht hoe software plug-and-play (Plug & Play) kan worden geïmplementeerd en hebben op basis daarvan voorstellen gedaan. JAVA/CORBA-softwareprotocollen en -standaarden. Het op "softwarebus" gebaseerde idee is om een op standaarden gebaseerde, open en gebruiksvriendelijke architectuur op te zetten. De zogenaamde "softwarebus" is vergelijkbaar met de "hardwarebus" die vaak wordt gezegd. Van de applicatiemodule wordt een bus gemaakt volgens de standaard, en de gecombineerde operatie kan worden gerealiseerd door de bus in te voegen, waardoor een gedistribueerde computeromgeving wordt ondersteund. Dit ontwerpidee sluit aan bij de herbruikbaarheid van software in softwaresystemen.
6. Stroomverbruik, volume en kosten van het systeem.
Dit is de sleutel tot commercialisering van softwareradio en de oplossing ervan hangt grotendeels af van de ontwikkeling van hardwaretechnologie. Ten vierde, de ontwikkeling en het vooruitzicht van softwareradio
Sinds de jaren negentig, met de snelle ontwikkeling van verschillende draadloze communicatiesystemen, de verschillen in radiocommunicatiestandaarden en de vooruitgang van digitale signaalverwerkingstechnologie, heeft softwareradiotechnologie steeds meer aandacht getrokken en zal naar verwachting een toekomstige wereldwijde communicatietechnologie worden. netwerk. nieuw systeem.
Volgens de ideale structuur worden alle signaalverwerkingstaken van het softwareradiostation van RF tot basisband uitgevoerd in volledig digitale vorm, dus het is volledig programmeerbaar en de structuur is ook herconfigureerbaar en reproduceerbaar. Omdat er echter geen A/D-converter is die op de radiofrequentieband kan worden toegepast, is een ander onderwerp dat nu wordt onderzocht de digitale RF-front-end van het softwareradiostation, dat de sleutel is tot de digitalisering van de hele frequentie band.
Bestaande digitale signaalverwerkingsapparaten (DSP's) zijn op grote schaal gebruikt voor signaalverwerking in onderdelen zoals IF, basisband of terminal, wat de technische prestaties van radioapparatuur naar een nieuw en modern niveau heeft gebracht, maar de RF-front-end is nog steeds smalband . Voor het softwareradiostation moet de A/D-converter in zijn RF-frontend in staat zijn om de volledige communicatiefrequentieband aan te kunnen, over het algemeen van 2 MHz tot 3 GHz. Bovendien zijn de typische kenmerken van mobiele communicatiesignalen vervaging en afscherming, en kan er sprake zijn van sterke blokkering en interferentie. Als resultaat is het dynamische bereik van mobiele communicatiesignalen die verschijnen aan het ontvangende RF-uiteinde wel 100 dB of meer. Als verschillende normen voor mobiele communicatiesignalen worden overwogen, zal het dynamische bereik groter zijn. Voor een systeem met een bandbreedte van 10 MHz is de bemonsteringsfrequentie groter dan 25 MHz, wat 2500 MIPS aan rekenverwerkingscapaciteit vereist, wat verre van voldoet aan de signaalomgevingsvereisten die door de RF-front-end moeten worden verwerkt. Zelfs met A/D-converters die in staat zijn te voldoen aan de vereisten voor bandbreedte en dynamisch bereik, kunnen hun stroomvereisten nog steeds een belemmering vormen voor het gebruik van mobiele terminals. Het in het huidige stadium ontwikkelde softwareradiostation kan niet de ideale structuur van digitalisering van de volledige frequentieband aannemen, maar neemt de praktische structuur van digitalisering van de gedeeltelijke frequentieband van het Rf-frontend over.
Samenvattend heeft softwareradio twee betekenissen: de ene is de radiofrequentie (RF) frontend en de andere is de digitale signaalverwerking; de kerncomponenten zijn breedband A/D/A-converters en snelle DSP-chips. Het grootste voordeel van softwareradio is dat het verschillende signaalverwerkingstaken op het hardwareplatform kan voltooien door verschillende werkparameters te definiëren en de kanaalstructuur te reorganiseren volgens de draadloze band en kanaaltoegangsmethode. Daarom kan een speciale digitale front-end voor elke werkstandaard worden ontworpen op een gemeenschappelijk hardwareplatform, of kan de gemeenschappelijkheid van verschillende werkstandaarden worden gebruikt. Het eerste ontwerp bereikt niet alleen de grootste mate van vrijheid, maar minimaliseert ook het aantal gebruikte poorten, terwijl het laatste ontwerp de ontwikkeling van speciale algoritmen voor digitale front-end-functies vereist, maar kan worden geïmplementeerd met ASIC's, waardoor we kunnen profiteren van het concept van softwareradio.
Over het algemeen, hoewel softwareradio's oorspronkelijk zijn ontwikkeld voor militaire kortegolfcommunicatie over de horizon, omdat ze een hoge mate van betrouwbaarheid bieden die niet wordt gevonden in analoge ontvangers, bieden ze ook uitstekende flexibiliteit. Met een kleine aanpassing kan het zich aanpassen aan en voldoen aan de eisen van verschillende gebruikers, en de kosten zijn erg laag. In combinatie met de snelle ontwikkeling van digitale signaalverwerkingstechnologie wordt deze steeds vaker gebruikt op het gebied van civiele communicatie, vooral in mobiele communicatie. De toepassing in het systeem is uitgebreider.
