Як нова технологія в області бездротового зв’язку, програмне радіо (SDR) привертає все більше уваги як всередині, так і зовні. У сфері зв'язку це нова система радіозв'язку після аналогової технології до цифрової технології, фіксованого зв'язку до мобільного зв'язку. З розвитком комунікаційних технологій обладнання, сумісне з різними стандартними типами, все більше демонструє свою затребуваність. У порівнянні з традиційними радіосистемами, програмні радіосистеми мають ряд переваг, таких як загальна структура, програмні функції та сумісність. .
Ⅰ. Зародження та розвиток програмного радіо
Причина появи програмного радіо пов'язана з війною в Перській затоці. У той час багатонаціональні сили на чолі зі Сполученими Штатами використовували різноманітну комунікаційну техніку різного стандарту, що викликало труднощі у спілкуванні один з одним. Після цього, у травні 1992 року, Джео Мітола вперше запропонував концепцію «програмного радіо» на Американській конференції з комунікаційних систем. Основна ідея полягає в тому, щоб зробити всі тактичні радіостанції на основі однієї апаратної платформи, встановити різне програмне забезпечення для формування різних типів радіостанцій і виконувати функції різного характеру. Таким чином, він має програмне забезпечення. Ця концепція швидко привернула увагу країн усього світу, тому що військовий зв’язок тепер має підвищені вимоги до надійності, сумісності, гнучкості, захисту від перешкод, живучості, конфіденційності та безпеки систем радіозв’язку. Американські військові та Hazcltine розробили програмну радіостанцію під назвою «speakeasy» (просто говорити), яка реалізує багатодіапазонну та багатофункціональну радіоплатформу, яку зазвичай використовують американські військові. Більше 4 різних форм сигналу модуляції. Цю радіостанцію можна назвати «кишеньковим комп’ютером» з антеною, яка може передавати голос і дані. Послуги зв’язку включають голос, дані та відеозображення.
В даний час програмному радіо приділяється все більше уваги в цивільній сфері. Основна причина полягає в тому, що технічні стандарти існуючої системи зв'язку різноманітні, а різні технічні стандарти та відповідні системи важко сумісні між собою, і важко реалізувати це за допомогою уніфікованого пристрою. А система мобільного зв’язку третього покоління все ще має стандартну боротьбу, якщо програмне радіо використовувати для адаптації до різних стандартів, то це цілком здійсненний шлях. З іншого боку, розвиток комунікаційних технологій відбувається дуже швидко, стара система постійно вдосконалюється, а нова система швидко з’являється. Людям потрібен метод оновлення системи, який є більш економічним, ніж повна ліквідація старого обладнання, а програмність програмного радіо краща. пристосований до цієї потреби.
Ⅱ. архітектура програмного радіо
Радіочастотна частина, перетворення вгору/зниження, фільтрація та обробка основної смуги традиційної аналогової радіосистеми – все це приймає аналоговий режим, а система зв’язку певного діапазону частот і певного режиму модуляції відповідає спеціальній жорсткій структурі; в той час як низькочастотна частина цифрової радіосистеми використовує цифрові схеми (наприклад, гетеродин використовує цифровий синтезатор частоти, вихідне кодування та декодування, а модуляція та демодуляція завершуються виділеним чіпом), але його радіочастота та проміжна частота частини все ще невіддільні від аналогових схем. У порівнянні з традиційною радіосистемою, аналого-цифрове перетворення програмної радіосистеми переміщується на проміжну частоту, і якомога ближче до радіочастотного кінця дискретизується вся смуга частот системи, тобто цифровий Обробка виконується з проміжної частоти (або навіть радіочастоти), що є помітною особливістю програмного радіо. Цифрове радіо використовує спеціальні цифрові схеми для досягнення єдиної функції зв’язку без програмування. Програмне радіо замінює виділену цифрову схему програмованим пристроєм DSP, що робить апаратну структуру та функції системи відносно незалежними. Таким чином, на основі відносно поширеної апаратної платформи, різні функції зв’язку можуть бути реалізовані за допомогою програмного забезпечення, а робоча частота, смуга пропускання системи, режим модуляції, вихідний код тощо можуть бути запрограмовані та керовані, а також значно підвищиться гнучкість системи. .
Апаратна платформа програмного радіо має модульну конструкцію, яка має бути комунікаційною платформою з відкритістю, масштабованістю та сумісністю, і виконана у формі шини з модульним стандартом. На основі цієї відносно поширеної апаратної платформи ми реалізуємо різні комунікаційні функції, завантажуючи різне програмне забезпечення (карту можна замінити, коли це необхідно). Апаратна платформа програмного радіо набагато більш вимоглива, ніж ПК, вона потребує широкосмугового радіочастотного інтерфейсу, широкосмугового АЦП, високошвидкісних пристроїв DSP тощо. Для виконання високошвидкісного АЦП і цифрової обробки сигналів програмні радіосистеми повинні працювати паралельно з кількома ЦП. Крім того, для високошвидкісного обміну даними обробки цифрового сигналу системна шина повинна мати дуже високу швидкість передачі T/O. Серед сучасних системних шин, які відповідають вимогам, шина VME має найзрілішу технологію, найкращу універсальність та найширшу підтримку. VME забезпечує паралельну обробку кількох ЦП, підтримує незалежну 32-бітову шину даних та адресну шину, а швидкість досягає 40 Мбіт/с (або навіть 320 Мбіт/с), що в основному відповідає вимогам програмного радіо та є кращим методом шини. для програмного радіо. По-третє, ключова технологія програмного радіо
1. Багатосмугове понижуюче перетворення і широкосмуговий РЧ
Для антени програмної радіосистеми вона повинна мати багатодіапазонну антену та програмовану функцію перетворення радіочастот. Виходячи з відповідності коефіцієнту посилення, фізичного розміру та ціни антени, вона повинна мати робочу смугу пропускання 2 МГц-3МГц. У радіотехніці не обов’язково охоплювати всю смугу частот, а потрібно лише охопити кілька вікон різних діапазонів частот. Тому можна використовувати комбіновану багатодіапазонну антену. Спіккізи американських військових – це рішення, яке використовує декілька комплектів радіочастотних антен. Для широкосмугового РЧ, налаштування, керування енергією та конфігурація попереднього підсилювача з низьким рівнем шуму (LNA) також є ключовою технологією, а для оптимізації конструкції системи можна використовувати комп’ютерне проектування (CAD).
2. Широкосмугова А/Ц частина.
Ключем до визначення продуктивності широкосмугового аналого-цифрового перетворення є вибірка та кількість бітів. Частота дискретизації визначається пропускною здатністю сигналу, тоді як кількість бітів квантування вимагає певного динамічного діапазону та точності DSP. Оскільки існуючий однокристалічний АЦП не може задовольнити цим двом вимогам, кілька АЦП можна використовувати паралельно.
3. Високошвидкісна паралельна частина DSP.
В операції цифрової обробки системи найскладнішими є перетворення, фільтрація та підвибірка. Високошвидкісний паралельний DSP включає в себе функції цифрової обробки основної смуги, модуляції та демодуляції, обробки бітового потоку та декодування. Для систем ЧМ і з розширеним спектром ця частина також повинна мати функції зниження та зняття стрибків. Щоб досягти цієї частини функції, необхідно використовувати високошвидкісний паралельний DSP для формування багатопроцесорної паралельної обчислювальної системи, що включає більше викликів множинного доступу, ширшу програмну шину та шину даних, одну команду, багато даних, кілька інструкцій, багато даних. . Структура та використання структури суперінструкцій тощо, ця частина може бути реалізована за допомогою спеціальної цифрової інтегральної мікросхеми ASIC (наприклад, мікросхеми DDC HS P50016 Harris Corporation з США).
4. Залишити загальну маршрутну структуру відкритості та масштабованості.
У традиційній структурі системи зазвичай використовується конвеєр, який характеризується тим, що кожен функціональний блок з'єднаний ланцюгом. Якщо функцію певної частини потрібно додати, видалити або змінити, відповідний функціональний модуль необхідно налаштувати. Тому ця структура не відкрита. Для реалізації взаємозв’язку різних функціональних блоків у системі формується відкрита і розширювана апаратна платформа, яка при цьому має високу швидкість передачі даних. Програмна радіосистема повинна прийняти нову структуру взаємозв'язку, яка характеризується відносно простою реалізацією і може безпосередньо застосовувати різноманітні стандарти шини (такі як VME, шина, шина PCI тощо). , структура з'єднання на основі шини.
5. Програмні протоколи та стандарти.
З середини-кінця 1990-х років зарубіжні країни вивчали, як реалізувати програмне забезпечення plug and play (Plug & Play), і на його основі запропонували. Програмні протоколи та стандарти JAVA/CORBA. Ідея, заснована на «програмній шині», полягає у створенні заснованої на стандартах, відкритої та легкої у використанні архітектури. Так звана «програмна шина» схожа на «апаратну шину», яку часто говорять. Модуль прикладної програми складається з шини відповідно до стандарту, і комбінована операція може бути реалізована шляхом вставки шини, підтримуючи тим самим розподілене обчислювальне середовище. Ця ідея дизайну узгоджується з повторним використанням програмного забезпечення в програмних системах.
6. Споживання електроенергії, обсяг і вартість системи.
Це ключ до комерціалізації програмного радіо, і його вирішення багато в чому залежить від розвитку апаратних технологій. По-четверте, розвиток і перспективи програмного радіозв'язку
Починаючи з 1990-х років, із швидким розвитком різноманітних систем бездротового зв’язку, відмінностями в стандартах радіозв’язку та розвитком технології цифрової обробки сигналів, програмна радіотехнологія привертає все більше уваги, і очікується, що вона стане майбутнім глобальним зв’язком. мережі. нова система.
Відповідно до ідеальної структури всі завдання обробки сигналів програмної радіостанції від РЧ до основної смуги виконуються в повній цифровій формі, тому вона повністю програмована, а її структура також перенастроюється і відтворюється. Однак, оскільки немає аналого-цифрового перетворювача, який можна було б застосувати до діапазону радіочастот, інша тема, яка зараз досліджується, - це цифровий радіочастотний інтерфейс програмної радіостанції, який є ключем до оцифровування всієї частоти. смуга.
Існуючі пристрої цифрової обробки сигналів (DSP) широко використовуються для обробки сигналів у таких частинах, як ПЧ, базова смуга або термінал, що вивело технічні характеристики радіообладнання на новий і сучасний рівень, але його радіочастотний інтерфейс все ще є вузькосмуговим. . Для програмної радіостанції аналого-цифровий перетворювач на його радіочастотному інтерфейсі повинен мати можливість обробляти весь діапазон частот зв’язку, як правило, від 2 МГц до 3 ГГц. Крім того, типовими характеристиками сигналів мобільного зв’язку є згасання та екранування, а також можуть виникати сильні блокування та перешкоди. В результаті динамічний діапазон сигналів мобільного зв’язку, які з’являються на приймальній радіочастотній частині, досягає 100 дБ або більше. Якщо розглядати різні стандарти сигналів мобільного зв’язку, то його динамічний діапазон буде більшим. Для системи з смугою пропускання 10 МГц частота дискретизації перевищує 25 МГц, що вимагає 2500 MIPS обчислювальної здатності обробки, що далеко не відповідає вимогам середовища сигналу, що обробляється радіочастотним інтерфейсом. Навіть з аналого-цифровими перетворювачами, здатними задовольнити вимоги до пропускної здатності та динамічного діапазону, їх вимоги до потужності все ще можуть перешкоджати використанню мобільних терміналів. Програмна радіостанція, розроблена на сучасному етапі, не може прийняти ідеальну структуру оцифровки повної смуги частот, але приймає практичну структуру оцифровки часткової смуги частот Rf-переднього кінця.
Підводячи підсумок, програмне радіо має два значення: одне - це радіочастотний (РЧ) інтерфейс, а інший - цифрова обробка сигналу; його основними компонентами є широкосмугові аналого-цифрові перетворювачі та високошвидкісні чіпи DSP. Найбільшою перевагою програмного радіо є те, що воно може виконувати різні завдання обробки сигналів на апаратній платформі, визначаючи різні робочі параметри та реорганізуючи структуру каналу відповідно до бездротового діапазону та методу доступу до каналу. Таким чином, на загальній апаратній платформі можна розробити окремий цифровий інтерфейс для кожного робочого стандарту або використовувати спільність різних робочих стандартів. Перший дизайн не тільки забезпечує найбільший ступінь свободи, але й мінімізує кількість використовуваних вентилів, тоді як другий дизайн вимагає розробки спеціальних алгоритмів для цифрових передніх функцій, але може бути реалізований за допомогою ASIC, що дозволяє нам скористатися перевагами концепції програмного радіо.
Загалом, хоча програмні радіоприймачі спочатку були розроблені для військового короткохвильового загоризонтного зв’язку, оскільки вони пропонують високий рівень точності, якого немає в аналогових приймачах, вони також пропонують чудову гнучкість. З невеликою модифікацією він може адаптуватися і відповідати вимогам різних користувачів, а його вартість дуже низька. У поєднанні зі стрімким розвитком технології цифрової обробки сигналів вона все частіше використовується в сфері цивільного зв’язку, особливо в мобільному зв’язку. Застосування в системі більш широке.
