Programmatūras radio (SDR) kā jauna tehnoloģija bezvadu sakaru jomā piesaista arvien lielāku uzmanību gan iekšpusē, gan ārpusē. Sakaru jomā tā ir jauna radiosakaru sistēma pēc analogās tehnoloģijas uz digitālajām tehnoloģijām, fiksēto sakaru līdz mobilajiem sakariem. Attīstoties sakaru tehnoloģijām, ar dažādiem standarta tipiem savietojams aprīkojums arvien vairāk izrādījis savu pieprasījumu. Salīdzinot ar tradicionālajām radio sistēmām, programmatūras radiosistēmām ir vairākas priekšrocības, piemēram, vispārējā struktūra, uz programmatūru balstītas funkcijas un savietojamība. .
Ⅰ. Programmatūras radio izcelsme un attīstība
Programmatūras radio rašanās iemesls ir saistīts ar Persijas līča karu. Tolaik ASV vadītie daudznacionālie spēki izmantoja dažādu un dažādu standartu sakaru aprīkojumu, kas radīja grūtības sazināties vienam ar otru. Pēc tam, 1992. gada maijā, Džeo Mitola pirmo reizi ierosināja "programmatūras radio" jēdzienu Amerikas sakaru sistēmu konferencē. Pamatideja ir izveidot visus taktiskos radioaparātus, pamatojoties uz vienu un to pašu aparatūras platformu, instalēt dažādu programmatūru, lai veidotu dažāda veida radioaparātus, un pabeigt dažāda rakstura funkcijas. Tātad tam ir programmatūras programmējamība. Šī koncepcija ātri piesaistīja pasaules valstu uzmanību, jo militārajiem sakariem tagad ir augstākas prasības attiecībā uz radiosakaru sistēmu uzticamību, savietojamību, elastību, prettraucēšanu, izdzīvošanu, konfidencialitāti un drošību. ASV militārpersonas un Hazcltine ir izstrādājušas programmatūras radiostaciju ar nosaukumu "speakeasy" (viegli runāt), kas realizē daudzjoslu un daudzfunkcionālu radio platformu, ko parasti izmanto ASV militārpersonas. Vairāk nekā 4 dažādas modulācijas viļņu formas. Šo radio var saukt par "rokas datoru" ar antenu, kas spēj pārraidīt balsi un datus. Sakaru pakalpojumi ietver balss, datu un video attēlus.
Šobrīd programmatūras radio arvien lielāka uzmanība tiek pievērsta civilajā jomā. Galvenais iemesls ir tas, ka pašreizējās sakaru sistēmas tehniskie standarti ir daudzveidīgi, un dažādi tehniskie standarti un atbilstošās sistēmas ir grūti savstarpēji savienojami, un to ir grūti realizēt ar vienotu ierīci. Un trešās paaudzes mobilo sakaru sistēmai joprojām ir standarta cīņa, ja programmatūras radio tiek izmantots, lai pielāgotos dažādiem standartiem, tas ir iespējams. No otras puses, komunikācijas tehnoloģiju attīstība ir ļoti strauja, vecā sistēma tiek nepārtraukti pilnveidota, un jaunā sistēma strauji parādās. Cilvēkiem ir nepieciešama sistēmas jaunināšanas metode, kas ir ekonomiskāka nekā pilnīga vecā aprīkojuma likvidēšana, un programmatūras radio programmējamība ir labāka. pielāgota šai vajadzībai.
Ⅱ. programmatūras radio arhitektūra
Tradicionālās analogās radio sistēmas radiofrekvences daļa, augšup/lejup pārveidošana, filtrēšana un bāzes joslas apstrāde izmanto analogo režīmu, un noteiktas frekvenču joslas un noteikta modulācijas režīma sakaru sistēma atbilst īpašai cietai struktūrai; savukārt digitālās radio sistēmas zemfrekvences daļa izmanto digitālās shēmas (piemēram, lokālais oscilators izmanto digitālo frekvenču sintezatoru, avota kodēšanu un dekodēšanu, kā arī modulāciju un demodulāciju pabeidz speciāla mikroshēma), bet tā radiofrekvences un starpfrekvences daļas joprojām nav atdalāmas no analogajām shēmām. Salīdzinot ar tradicionālo radiosistēmu, programmatūras radiosistēmas A/D/A pārveidošana tiek pārvietota uz starpfrekvenci, un pēc iespējas tuvāk radiofrekvences galam tiek parauga visa sistēmas frekvenču josla, tas ir, digitālā. apstrāde tiek veikta no starpfrekvences (vai pat radio frekvences), kas ir programmatūras radio ievērojama iezīme. Digitālais radio izmanto speciālas digitālās shēmas, lai nodrošinātu vienu sakaru funkciju bez programmējamības. Programmatūras radio aizvieto speciālo digitālo shēmu ar programmējamo DSP ierīci, kas padara sistēmas aparatūras struktūru un darbību salīdzinoši neatkarīgu. Tādā veidā, pamatojoties uz salīdzinoši izplatītu aparatūras platformu, ar programmatūru var realizēt dažādas saziņas funkcijas, kā arī programmēt un kontrolēt darbības frekvenci, sistēmas joslas platumu, modulācijas režīmu, pirmkodu utt., kā arī ievērojami uzlabota sistēmas elastība. .
Programmatūras radio aparatūras platforma izmanto modulāru dizainu, kurai jābūt komunikācijas platformai ar atvērtību, mērogojamību un savietojamību, un tā ir veidota kā kopne ar modulāru standartu. Pamatojoties uz šo salīdzinoši izplatīto aparatūras platformu, mēs ieviešam dažādas komunikācijas funkcijas, ielādējot dažādu programmatūru (karti var nomainīt pēc vajadzības). Programmatūras radio aparatūras platforma ir daudz prasīgāka nekā personālajam datoram, tai ir nepieciešams platjoslas radiofrekvences priekšgals, platjoslas A/D/A pārveidotājs, ātrgaitas DSP ierīces un tā tālāk. Lai veiktu ātrdarbīgu A/D/A konvertēšanu un digitālo signālu apstrādi, programmatūras radiosistēmām jādarbojas paralēli ar vairākiem CPU. Turklāt, lai ciparu signālu apstrādes dati tiktu apmainīti ar lielu ātrumu, sistēmas kopnei jābūt ļoti augstam T/O pārraides ātrumam. No pašreizējām sistēmas kopnēm, kas atbilst prasībām, VME kopnei ir visnobriedušākā tehnoloģija, vislabākā daudzpusība un visplašākais atbalsts. VME nodrošina vairāku CPU paralēlo apstrādi, atbalsta neatkarīgu 32-bitu datu kopni un adrešu kopni, un ātrums sasniedz 40Mb/s (vai pat 320Mb/s), kas būtībā atbilst programmatūras radio prasībām un ir vēlamā kopnes metode. programmatūras radio. Treškārt, programmatūras radio galvenā tehnoloģija
1. Multi-band down-conversion un platjoslas RF
Programmatūras radiosistēmas antenai tai vajadzētu būt vairāku joslu antenai un programmējamai radiofrekvenču pārveidošanas funkcijai. Pamatojoties uz apmierinošu antenas pastiprinājumu, fizisko izmēru un cenu, tās darba joslas platumam vajadzētu būt 2MHz-3MHz. Radiotehnikā nav nepieciešams aptvert visu frekvenču joslu, bet tikai vairākus dažādu frekvenču joslu logus. Tāpēc var izmantot kombinētu daudzjoslu antenu. ASV armijas Speakeasy ir risinājums, kas izmanto vairākus RF antenu komplektus. Attiecībā uz platjoslas RF skaņošana, enerģijas kontrole un zema trokšņa priekšpastiprinātāja (LNA) konfigurācija arī ir galvenā tehnoloģija, un sistēmas dizaina optimizēšanai var izmantot datorizētu dizainu (CAD).
2. Platjoslas A/D daļa.
Galvenais, lai noteiktu platjoslas analogās-digitālās pārveides veiktspēju, ir paraugu ņemšana un bitu skaits. Iztveršanas ātrumu nosaka signāla joslas platums, savukārt kvantēšanas bitu skaitam ir nepieciešams noteikts dinamiskais diapazons un DSP precizitāte. Tā kā esošais vienas mikroshēmas ADC nevar izpildīt šīs divas prasības, paralēli var izmantot vairākus ADC.
3. Ātrgaitas paralēlā DSP daļa.
Sistēmas digitālās apstrādes darbībā vissarežģītākā ir pārveidošana, filtrēšana un apakšiztveršana. Ātrgaitas paralēlais DSP ietver digitālās bāzes joslas apstrādi, modulāciju un demodulāciju, bitu straumes apstrādi un dekodēšanas funkcijas. FM un izkliedētā spektra sistēmām šai daļai vajadzētu būt arī izkliedēšanas un dehopping funkcijām. Lai sasniegtu šo funkcijas daļu, ir nepieciešams izmantot ātrdarbīgu paralēlo DSP, lai izveidotu vairāku procesoru paralēlo skaitļošanas sistēmu, kas ietver vairāk daudzpiekļuves zvanu, plašāku programmas kopni un datu kopni, vienas instrukcijas vairākus datus, vairāku instrukciju vairākus datus. . Struktūra un superinstrukciju struktūras izmantošana utt., Šo daļu var realizēt ar īpašu digitālās integrālās shēmas mikroshēmu ASIC (piemēram, ASV Harris Corporation DDC mikroshēmu HS P50016).
4. Izejot no vispārējās maršruta atvērtības un mērogojamības struktūras.
Tradicionālajā sistēmas struktūrā parasti tiek izmantots cauruļvads, kas raksturojas ar to, ka katra funkcionālā vienība ir savienota ar ķēdi. Ja noteiktas daļas funkcija ir jāpievieno, jādzēš vai jāmaina, attiecīgais funkcionālais modulis ir jāpielāgo. Tāpēc šī struktūra nav atvērta. Lai realizētu dažādu funkcionālo vienību savstarpējo savienojumu sistēmā, tiek veidota atvērta un paplašināma aparatūras platforma, tai pat laikā tai ir augsts datu caurlaidspējas ātrums. Programmatūras radiosistēmai ir jāpieņem jauna starpsavienojumu struktūra, kas raksturojas ar salīdzinoši vienkāršu ieviešanu un var tieši piemērot dažādus kopnes standartus (piemēram, VME, kopne, PCI kopne utt.). , uz kopnes balstīta starpsavienojumu struktūra.
5. Programmatūras protokoli un standarti.
Kopš 90. gadu vidus līdz beigām ārvalstis ir pētījušas, kā ieviest programmatūru plug and play (Plug & Play), un, pamatojoties uz to, ir ierosinājušas. JAVA/CORBA programmatūras protokoli un standarti. Ideja, kuras pamatā ir "programmatūras kopne", ir izveidot uz standartiem balstītu, atvērtu un viegli lietojamu arhitektūru. Tā sauktā "programmatūras kopne" ir līdzīga "aparatūras kopnei", par kuru bieži runā. Lietojumprogrammas modulis ir izveidots par kopni atbilstoši standartam, un kombinēto darbību var realizēt, ievietojot kopni, tādējādi atbalstot izkliedētu skaitļošanas vidi. Šī dizaina ideja atbilst programmatūras atkārtotai izmantošanai programmatūras sistēmās.
6. Sistēmas elektroenerģijas patēriņš, apjoms un izmaksas.
Tā ir programmatūras radio komercializācijas atslēga, un tās risinājums lielā mērā ir atkarīgs no aparatūras tehnoloģiju attīstības. Ceturtkārt, programmatūras radio attīstība un izredzes
Kopš deviņdesmitajiem gadiem, strauji attīstoties dažādām bezvadu sakaru sistēmām, atšķiroties radiosakaru standartiem un attīstoties digitālo signālu apstrādes tehnoloģijai, programmatūras radio tehnoloģija ir piesaistījusi arvien lielāku uzmanību, un ir sagaidāms, ka tā kļūs par nākotnes globālo komunikāciju. tīkls. jauna sistēma.
Saskaņā ar ideālo struktūru visi programmatūras radiostacijas signālu apstrādes uzdevumi no RF līdz bāzes joslai tiek veikti pilnā digitālā formā, tāpēc tā ir pilnībā programmējama, un arī tās struktūra ir pārkonfigurējama un reproducējama. Tomēr, tā kā nav A/D pārveidotāja, ko varētu izmantot radiofrekvenču joslā, vēl viena tēma, kas šobrīd tiek pētīta, ir programmatūras radiostacijas digitālā RF priekšpuse, kas ir visas frekvences digitalizācijas atslēga. josla.
Esošās digitālās signālu apstrādes ierīces (DSP) ir plaši izmantotas signālu apstrādei tādās daļās kā IF, bāzes josla vai terminālis, kas ir pacēlis radioiekārtu tehnisko veiktspēju jaunā un modernā līmenī, taču to RF priekšgals joprojām ir šaurjoslas. . Programmatūras radiostacijas A/D pārveidotājam tās RF priekšgalā jāspēj apstrādāt visu sakaru frekvenču joslu, parasti no 2MHz līdz 3GHz. Turklāt mobilo sakaru signālu tipiskās īpašības ir izbalēšana un ekranēšana, kā arī var būt spēcīga bloķēšana un traucējumi. Tā rezultātā mobilo sakaru signālu dinamiskais diapazons, kas parādās uztverošajā RF galā, ir 100 dB vai vairāk. Ja ņem vērā dažādus mobilo sakaru signālu standartus, tā dinamiskais diapazons būs lielāks. Sistēmai ar joslas platumu 10MHz iztveršanas frekvence ir lielāka par 25MHz, kas prasa 2500MIPS skaitļošanas apstrādes iespējas, kas ir tālu no signāla vides prasībām, kas jāapstrādā RF priekšgalam. Pat ar A/D pārveidotājiem, kas spēj apmierināt joslas platuma un dinamiskā diapazona prasības, to jaudas prasības joprojām var kavēt mobilo termināļu izmantošanu. Programmatūras radiostacija, kas izstrādāta pašreizējā posmā, nevar pieņemt ideālu pilnas frekvenču joslas digitalizācijas struktūru, bet tā pieņem Rf priekšgala daļējas frekvenču joslas digitalizācijas praktisko struktūru.
Rezumējot, programmatūras radio ir divas nozīmes: viena ir radiofrekvences (RF) priekšpuse, bet otra ir digitālā signāla apstrāde; tā galvenie komponenti ir platjoslas A/D/A pārveidotāji un ātrgaitas DSP mikroshēmas. Programmatūras radio lielākā priekšrocība ir tā, ka tas var veikt dažādus signālu apstrādes uzdevumus aparatūras platformā, definējot dažādus darba parametrus un reorganizējot kanālu struktūru atbilstoši bezvadu joslai un kanāla piekļuves metodei. Tāpēc katram darba standartam var izveidot īpašu digitālo priekšējo daļu, izmantojot kopēju aparatūras platformu, vai arī var izmantot dažādu darba standartu kopīgumu. Pirmais dizains ne tikai nodrošina vislielāko brīvības pakāpi, bet arī samazina izmantoto vārtu skaitu, savukārt otrajam dizainam ir jāizstrādā īpaši algoritmi digitālajām priekšgala funkcijām, bet to var ieviest ar ASIC, ļaujot mums izmantot priekšrocības programmatūras radio koncepciju.
Kopumā, lai gan programmatūras radio sākotnēji tika izstrādāti militāriem īsviļņu sakariem ārpus horizonta, jo tie piedāvā augstu precizitātes līmeni, kas nav atrodams analogajos uztvērējos, tie piedāvā arī lielisku elastību. Ar nelielām izmaiņām tas var pielāgoties un atbilst dažādu lietotāju prasībām, un tā izmaksas ir ļoti zemas. Kopā ar digitālo signālu apstrādes tehnoloģiju straujo attīstību tā arvien vairāk tiek izmantota civilās komunikācijas jomā, īpaši mobilajos sakaros. Pielietojums sistēmā ir plašāks.
