Programski radio (SDR) kot nova tehnologija na področju brezžične komunikacije vzbuja vedno več pozornosti tako znotraj kot zunaj. Na področju komunikacij je nov radijski komunikacijski sistem po analogni tehnologiji digitalni tehnologiji, fiksni komunikaciji mobilni komunikaciji. Z razvojem komunikacijske tehnologije je vse bolj zahtevana oprema, kompatibilna z različnimi tipi standardov. V primerjavi s tradicionalnimi radijskimi sistemi imajo programski radijski sistemi vrsto prednosti, kot so splošna struktura, funkcije, ki temeljijo na programski opremi, in interoperabilnost. .
Ⅰ. Nastanek in razvoj programske opreme radia
Razlog za nastanek programske opreme radia je povezan z zalivsko vojno. Takrat so večnacionalne sile pod vodstvom ZDA uporabljale raznovrstno komunikacijsko opremo različnih standardov, kar je povzročalo težave pri medsebojni komunikaciji. Po tem je maja 1992 Jeo Mitola prvič predlagal koncept "programskega radia" na ameriški konferenci o komunikacijskih sistemih. Osnovna ideja je izdelati vse taktične radijske postaje, ki temeljijo na isti strojni platformi, namestiti različno programsko opremo za oblikovanje različnih vrst radia in dokončati funkcije različnih narave. Torej ima programsko opremo. Ta koncept je hitro pritegnil pozornost držav po vsem svetu, saj imajo vojaške komunikacije zdaj višje zahteve glede zanesljivosti, interoperabilnosti, fleksibilnosti, preprečevanja motenj, preživetja, zaupnosti in varnosti radijskih komunikacijskih sistemov. Ameriška vojska in Hazcltine sta razvila programsko radijsko postajo, imenovano "speakeasy" (easy to talk), ki uresničuje večpasovno in večnamensko radijsko platformo, ki jo običajno uporablja ameriška vojska. Več kot 4 različne valovne oblike modulacije. Ta radio lahko imenujemo "ročni računalnik" z anteno, ki lahko prenaša glas in podatke. Komunikacijske storitve vključujejo glasovne, podatkovne in video slike.
Trenutno se programskemu radiu posveča vedno več pozornosti na civilnem področju. Glavni razlog je v tem, da so tehnični standardi sedanjega komunikacijskega sistema raznoliki, različni tehnični standardi in pripadajoči sistemi pa so med seboj težko združljivi in ga je težko uresničiti z enotno napravo. In tretja generacija mobilnega komunikacijskega sistema ima še vedno standardno bitko, če se uporablja programski radio za prilagajanje različnim standardom, je to izvedljiv način. Po drugi strani pa je razvoj komunikacijske tehnologije zelo hiter, stari sistem se nenehno izboljšuje, novi sistem pa hitro nastaja. Ljudje potrebujejo način nadgradnje sistema, ki je bolj ekonomičen kot popolna odprava stare opreme, programirljivost programskega radia pa je boljša. prilagojeni tej potrebi.
Ⅱ. radijska arhitektura programske opreme
Radiofrekvenčni del, pretvorba navzgor/navzgor, filtriranje in obdelava osnovnega pasu tradicionalnega analognega radijskega sistema sprejemajo analogni način, komunikacijski sistem določenega frekvenčnega pasu in določenega načina modulacije pa ustreza posebni trdi strukturi; medtem ko nizkofrekvenčni del digitalnega radijskega sistema uporablja digitalna vezja ( Lokalni oscilator na primer uporablja digitalni frekvenčni sintetizator, izvorno kodiranje in dekodiranje, modulacijo in demodulacijo pa dokonča namenski čip), vendar njegova radijska frekvenca in vmesna frekvenca deli so še vedno neločljivi od analognih vezij. V primerjavi s tradicionalnim radijskim sistemom se A/D/A pretvorba programskega radijskega sistema premakne na vmesno frekvenco in čim bližje koncu radijske frekvence se vzorči celoten frekvenčni pas sistema, tj. obdelava se izvaja z vmesne frekvence (ali celo radijske frekvence), kar je izrazita lastnost programskega radia. Digitalni radio uporablja namenska digitalna vezja za doseganje ene same komunikacijske funkcije brez programiranja. Programski radio nadomešča namensko digitalno vezje s programirljivo napravo DSP, kar naredi strukturo in delovanje sistemske strojne opreme relativno neodvisno. Na ta način je na podlagi relativno običajne strojne platforme mogoče s programsko opremo realizirati različne komunikacijske funkcije, programirati in nadzorovati delovno frekvenco, pasovno širino sistema, način modulacije, izvorno kodo itd. ter močno povečati prilagodljivost sistema. .
Strojna platforma programskega radia ima modularno zasnovo, ki mora biti komunikacijska platforma z odprtostjo, razširljivostjo in združljivostjo, in je izdelana v obliki vodila z modularnim standardom. Na podlagi te relativno pogoste strojne platforme izvajamo različne komunikacijske funkcije z nalaganjem različne programske opreme (kartico je mogoče zamenjati po potrebi). Strojna platforma programskega radia je veliko bolj zahtevna od osebnega računalnika, potrebuje širokopasovni radijski frekvenčni vmesnik, širokopasovni A/D/A pretvornik, hitre DSP naprave in tako naprej. Za izvedbo hitre A/D/A pretvorbe in digitalne obdelave signalov morajo programski radijski sistemi delovati vzporedno z več CPE. Poleg tega mora sistemsko vodilo imeti zelo visoko hitrost prenosa T/O, da se podatki za digitalno obdelavo signalov izmenjujejo pri visoki hitrosti. Med trenutnimi sistemskimi vodili, ki izpolnjujejo zahteve, ima vodilo VME najbolj zrelo tehnologijo, najboljšo vsestranskost in najobsežnejšo podporo. VME zagotavlja vzporedno obdelavo več procesorjev, podpira neodvisno 32-bitno podatkovno vodilo in naslovno vodilo, hitrost pa doseže 40Mb/s (ali celo 320Mb/s), kar v bistvu ustreza zahtevam programskega radia in je prednostna metoda vodila za programski radio. Tretjič, ključna tehnologija programskega radia
1. Večpasovna pretvorba navzdol in širokopasovni RF
Za anteno programskega radijskega sistema mora imeti večpasovno anteno in funkcijo pretvorbe radijske frekvence, ki jo je mogoče programirati. Glede na izpolnjevanje dobička antene, fizične velikosti in cene mora imeti delovno pasovno širino 2MHz-3MHz. V radijski tehniki ni treba pokriti celotnega frekvenčnega pasu, ampak je treba pokriti le več oken različnih frekvenčnih pasov. Zato je mogoče uporabiti kombinirano večpasovno anteno. Ameriška vojska speakeasy je rešitev, ki uporablja več sklopov RF anten. Pri širokopasovnem RF je ključna tehnologija tudi uglaševanje, nadzor energije in nizkošumni predojačevalnik (LNA), za optimizacijo zasnove sistema pa je mogoče uporabiti računalniško podprto načrtovanje (CAD).
2. Širokopasovni A/D del.
Ključ za določanje uspešnosti širokopasovne analogno-digitalne pretvorbe je vzorčenje in število bitov. Hitrost vzorčenja je določena s pasovno širino signala, medtem ko število kvantizacijskih bitov zahteva določen dinamični razpon in natančnost DSP. Ker obstoječi enočipni ADC ne more izpolniti teh dveh zahtev, se lahko vzporedno uporablja več ADC.
3. Visokohitrostni vzporedni DSP del.
Pri operaciji digitalne obdelave sistema je najtežja pretvorba navzgor, filtriranje in podvzorčenje. Visokohitrostni vzporedni DSP vključuje digitalno obdelavo osnovnega pasu, modulacijo in demodulacijo, obdelavo bitnega toka in funkcije dekodiranja. Za sisteme FM in razširjenega spektra bi moral ta del imeti tudi funkcije zmanjšanja in razskoka. Da bi dosegli ta del funkcije, je treba uporabiti visokohitrostni vzporedni DSP za oblikovanje večprocesorskog vzporednega računalniškega sistema, vključno z več klici z večkratnim dostopom, širšim programskim vodilom in podatkovnim vodilom, z enim ukazom z več podatki, z več ukazi z več podatki. . Strukturo in uporabo strukture super-indikacije itd., Ta del je mogoče realizirati z namenskim čipom za digitalno integrirano vezje ASIC (na primer DDC čip HS P50016 Harris Corporation iz Združenih držav Amerike).
4. Zapuščanje splošne strukture poti odprtosti in razširljivosti.
V tradicionalni sistemski strukturi se običajno uporablja cevovod, za katerega je značilno, da je vsaka funkcionalna enota povezana z vezjem. Če želimo dodati, izbrisati ali spremeniti funkcijo določenega dela, je treba prilagoditi ustrezen funkcionalni modul. Zato ta struktura ni odprta. Za uresničitev medsebojnega povezovanja različnih funkcionalnih enot v sistemu se oblikuje odprta in razširljiva strojna platforma, hkrati pa ima visoko prepustnost podatkov. Programski radijski sistem mora sprejeti novo strukturo medsebojnega povezovanja, za katero je značilna razmeroma enostavna izvedba in lahko neposredno uporablja različne standarde vodil (kot so VME, vodilo, vodilo PCI itd.). , struktura medsebojnega povezovanja na osnovi vodila.
5. Programski protokoli in standardi.
Od sredine do konca devetdesetih let prejšnjega stoletja so tuje države preučevale, kako implementirati programsko opremo plug and play (Plug & Play) in na podlagi tega predlagale. Programski protokoli in standardi JAVA/CORBA. Ideja, ki temelji na "programskem vodilu", je vzpostaviti standardno zasnovano, odprto in enostavno za uporabo arhitekturo. Tako imenovano "programsko vodilo" je podobno "strojnemu vodilu", ki se pogosto reče. Aplikacijski modul je izdelan v vodilo po standardu, kombinirano delovanje pa je mogoče realizirati z vstavljanjem vodila in s tem podpirati porazdeljeno računalniško okolje. Ta zasnova je skladna s ponovno uporabo programske opreme v programskih sistemih.
6. Poraba energije, prostornina in stroški sistema.
To je ključ do komercializacije programskega radia, njegova rešitev pa je v veliki meri odvisna od razvoja strojne tehnologije. Četrtič, razvoj in možnost radijske programske opreme
Od devetdesetih let prejšnjega stoletja, s hitrim razvojem različnih brezžičnih komunikacijskih sistemov, razlikami v standardih radijske komunikacije in napredkom tehnologije digitalne obdelave signalov, je programska radijska tehnologija pritegnila vse več pozornosti in pričakuje se, da bo postala prihodnja globalna komunikacija. omrežje. nov sistem.
V skladu z idealno strukturo se vse naloge obdelave signalov programske radijske postaje od RF do osnovnega pasu izvajajo v polni digitalni obliki, zato je popolnoma programabilna, njena struktura pa je tudi rekonfigurabilna in ponovljiva. Ker pa ni A/D pretvornika, ki bi ga bilo mogoče uporabiti za radiofrekvenčni pas, je druga tema, ki se zdaj raziskuje, digitalni RF sprednji del programske radijske postaje, ki je ključ do digitalizacije celotne frekvence. pasu.
Obstoječe naprave za digitalno obdelavo signalov (DSP) so se pogosto uporabljale za obdelavo signalov v delih, kot so IF, osnovni pas ali terminal, kar je prineslo tehnično zmogljivost radijske opreme na novo in sodobno raven, vendar je njen RF sprednji del še vedno ozkopasovni. . Za programsko radijsko postajo mora biti A/D pretvornik v svojem RF sprednjem delu sposoben obvladovati celoten komunikacijski frekvenčni pas, običajno od 2MHz do 3GHz. Poleg tega so značilne značilnosti mobilnih komunikacijskih signalov bledenje in zaščito, lahko pa pride do močnega blokiranja in motenj. Zaradi tega je dinamični razpon mobilnih komunikacijskih signalov, ki se pojavljajo na sprejemnem RF koncu, kar 100 dB ali več. Če upoštevamo različne standarde mobilnih komunikacijskih signalov, bo njegov dinamični razpon večji. Za sistem s pasovno širino 10MHz je frekvenca vzorčenja večja od 25MHz, kar zahteva 2500MIPS zmogljivosti računalniške obdelave, kar še zdaleč ne izpolnjuje zahtev okolja signala, ki ga mora obdelati RF front-end. Tudi z A/D pretvorniki, ki lahko izpolnjujejo zahteve glede pasovne širine in dinamičnega razpona, lahko njihove zahteve po moči še vedno ovirajo uporabo mobilnih terminalov. Programska radijska postaja, razvita v sedanji fazi, ne more sprejeti idealne strukture digitalizacije polnega frekvenčnega pasu, ampak sprejme praktično strukturo delne digitalizacije frekvenčnega pasu Rf front end.
Če povzamemo, programski radio vsebuje dva pomena: eden je radijska frekvenca (RF) sprednji del, drugi pa je digitalna obdelava signalov; njegove osnovne komponente so širokopasovni A/D/A pretvorniki in hitri DSP čipi. Največja prednost programskega radia je, da lahko opravi različne naloge obdelave signalov na strojni platformi z definiranjem različnih delovnih parametrov in reorganizacijo strukture kanala glede na brezžični pas in način dostopa do kanala. Zato je lahko namenski digitalni sprednji del za vsak delovni standard oblikovan na skupni strojni platformi ali pa se lahko uporabi skupnost različnih delovnih standardov. Prva zasnova ne dosega le največje stopnje svobode, ampak tudi minimizira število uporabljenih vrat, medtem ko slednja zasnova zahteva razvoj namenskih algoritmov za funkcije digitalnega front-enda, vendar se lahko izvaja z ASIC-i, kar nam omogoča, da izkoristimo prednosti koncepta programskega radia.
Na splošno, čeprav je bila programska oprema prvotno razvita za vojaške kratkovalovne komunikacije čez obzorje, ker ponujajo visoko stopnjo zvestobe, ki je ni pri analognih sprejemnikih, ponujajo tudi odlično prilagodljivost. Z malo modifikacije se lahko prilagodi in izpolni zahteve različnih uporabnikov, njegova cena pa je zelo nizka. Skupaj s hitrim razvojem tehnologije digitalne obdelave signalov se vse bolj uporablja na področju civilne komunikacije, zlasti v mobilnih komunikacijah. Aplikacija v sistemu je obsežnejša.
