Ως νέα τεχνολογία στον τομέα της ασύρματης επικοινωνίας, το λογισμικό ραδιόφωνο (SDR) προσελκύει όλο και μεγαλύτερη προσοχή τόσο εντός όσο και εκτός. Στον τομέα της επικοινωνίας, είναι ένα νέο σύστημα ραδιοεπικοινωνίας μετά από αναλογική τεχνολογία σε ψηφιακή τεχνολογία, σταθερή επικοινωνία σε κινητή επικοινωνία. Με την ανάπτυξη της τεχνολογίας επικοινωνίας, ο εξοπλισμός συμβατός με διάφορους τυπικούς τύπους έχει δείξει όλο και περισσότερο τη ζήτησή του. Σε σύγκριση με τα παραδοσιακά ραδιοφωνικά συστήματα, τα ραδιοφωνικά συστήματα λογισμικού έχουν μια σειρά από πλεονεκτήματα όπως η γενική δομή, οι λειτουργίες που βασίζονται σε λογισμικό και η διαλειτουργικότητα. .
Ⅰ. Η προέλευση και η ανάπτυξη του λογισμικού ραδιοφώνου
Ο λόγος για την εμφάνιση του λογισμικού ραδιοφώνου σχετίζεται με τον πόλεμο του Κόλπου. Εκείνη την εποχή, οι πολυεθνικές δυνάμεις υπό την ηγεσία των Ηνωμένων Πολιτειών χρησιμοποιούσαν ποικίλο εξοπλισμό επικοινωνίας διαφορετικών προδιαγραφών, γεγονός που προκαλούσε δυσκολίες στην επικοινωνία μεταξύ τους. Μετά από αυτό, τον Μάιο του 1992, ο Jeo Mitola πρότεινε για πρώτη φορά την έννοια του "ραδιοφώνου λογισμικού" στο Αμερικανικό Συνέδριο Συστημάτων Επικοινωνίας. Η βασική ιδέα είναι να φτιάξουμε όλα τα τακτικά ραδιόφωνα βασισμένα στην ίδια πλατφόρμα υλικού, να εγκαταστήσουμε διαφορετικό λογισμικό για να σχηματίσουμε διαφορετικούς τύπους ραδιόφωνων και να ολοκληρώσουμε λειτουργίες διαφορετικής φύσης. Άρα έχει προγραμματισμό λογισμικού. Αυτή η ιδέα τράβηξε γρήγορα την προσοχή χωρών σε όλο τον κόσμο, επειδή οι στρατιωτικές επικοινωνίες έχουν πλέον υψηλότερες απαιτήσεις για την αξιοπιστία, τη διαλειτουργικότητα, την ευελιξία, την καταπολέμηση της εμπλοκής, τη δυνατότητα επιβίωσης, την εμπιστευτικότητα και την ασφάλεια των συστημάτων ραδιοεπικοινωνίας. Ο αμερικανικός στρατός και η Hazcltine έχουν αναπτύξει έναν ραδιοφωνικό σταθμό λογισμικού που ονομάζεται "speakeasy" (εύκολος στην ομιλία), ο οποίος υλοποιεί μια πολυζωνική και πολυλειτουργική ραδιοφωνική πλατφόρμα που χρησιμοποιείται συνήθως από τον αμερικανικό στρατό. Περισσότερες από 4 διαφορετικές κυματομορφές διαμόρφωσης. Αυτό το ραδιόφωνο μπορεί να ονομαστεί «υπολογιστής χειρός» με κεραία που μπορεί να μεταδίδει φωνή και δεδομένα. Οι υπηρεσίες επικοινωνίας περιλαμβάνουν εικόνες φωνής, δεδομένων και βίντεο.
Επί του παρόντος, το λογισμικό ραδιόφωνο έχει δοθεί όλο και μεγαλύτερη προσοχή στον πολιτικό τομέα. Ο κύριος λόγος είναι ότι τα τεχνικά πρότυπα του τρέχοντος συστήματος επικοινωνίας είναι διαφορετικά, και τα διάφορα τεχνικά πρότυπα και τα αντίστοιχα συστήματα είναι δύσκολο να είναι συμβατά μεταξύ τους και είναι δύσκολο να πραγματοποιηθούν με μια ενοποιημένη συσκευή. Και το σύστημα κινητής επικοινωνίας τρίτης γενιάς εξακολουθεί να έχει μια τυπική μάχη, εάν το λογισμικό ραδιόφωνο χρησιμοποιείται για προσαρμογή σε διαφορετικά πρότυπα, είναι ένας εφικτός τρόπος. Από την άλλη πλευρά, η ανάπτυξη της τεχνολογίας επικοινωνίας είναι πολύ γρήγορη, το παλιό σύστημα βελτιώνεται συνεχώς και το νέο σύστημα αναδύεται γρήγορα. Οι άνθρωποι χρειάζονται μια μέθοδο αναβάθμισης συστήματος που είναι πιο οικονομική από την πλήρη εξάλειψη του παλιού εξοπλισμού και η δυνατότητα προγραμματισμού του ραδιοφώνου λογισμικού είναι καλύτερη. προσαρμοσμένο σε αυτή την ανάγκη.
Ⅱ. την αρχιτεκτονική του ραδιοφώνου λογισμικού
Το τμήμα ραδιοσυχνοτήτων, η μετατροπή πάνω/κάτω, το φιλτράρισμα και η επεξεργασία ζώνης βάσης του παραδοσιακού αναλογικού ραδιοφωνικού συστήματος υιοθετούν όλα τον αναλογικό τρόπο λειτουργίας και το σύστημα επικοινωνίας μιας συγκεκριμένης ζώνης συχνοτήτων και μιας συγκεκριμένης λειτουργίας διαμόρφωσης αντιστοιχεί σε μια ειδική σκληρή δομή. ενώ το τμήμα χαμηλής συχνότητας του ψηφιακού ραδιοφωνικού συστήματος υιοθετεί ψηφιακά κυκλώματα (Για παράδειγμα, ο τοπικός ταλαντωτής χρησιμοποιεί έναν ψηφιακό συνθέτη συχνοτήτων, την κωδικοποίηση και την αποκωδικοποίηση πηγής και η διαμόρφωση και η αποδιαμόρφωση ολοκληρώνονται από ένα αποκλειστικό τσιπ), αλλά η ραδιοσυχνότητα και η ενδιάμεση συχνότητά του τα μέρη εξακολουθούν να είναι αδιαχώριστα από τα αναλογικά κυκλώματα. Σε σύγκριση με το παραδοσιακό ραδιοσύστημα, η μετατροπή A/D/A του ραδιοφωνικού συστήματος λογισμικού μετακινείται στην ενδιάμεση συχνότητα και όσο το δυνατόν πιο κοντά στο άκρο ραδιοσυχνοτήτων γίνεται δειγματοληψία ολόκληρης της ζώνης συχνοτήτων του συστήματος, δηλαδή η ψηφιακή Η επεξεργασία πραγματοποιείται από την ενδιάμεση συχνότητα (ή ακόμα και τη ραδιοσυχνότητα), η οποία είναι ένα εξέχον χαρακτηριστικό του ραδιοφώνου λογισμικού. Το ψηφιακό ραδιόφωνο χρησιμοποιεί αποκλειστικά ψηφιακά κυκλώματα για την επίτευξη μιας ενιαίας λειτουργίας επικοινωνίας χωρίς προγραμματισμό. Το ραδιόφωνο λογισμικού αντικαθιστά το αποκλειστικό ψηφιακό κύκλωμα με την προγραμματιζόμενη συσκευή DSP, η οποία καθιστά τη δομή και τη λειτουργία του υλικού του συστήματος σχετικά ανεξάρτητη. Με αυτόν τον τρόπο, με βάση μια σχετικά κοινή πλατφόρμα υλικού, μπορούν να πραγματοποιηθούν διάφορες λειτουργίες επικοινωνίας μέσω λογισμικού και η συχνότητα λειτουργίας, το εύρος ζώνης συστήματος, ο τρόπος διαμόρφωσης, ο πηγαίος κώδικας κ.λπ. μπορούν να προγραμματιστούν και να ελεγχθούν και η ευελιξία του συστήματος βελτιώνεται σημαντικά .
Η πλατφόρμα υλικού του ραδιοφώνου λογισμικού υιοθετεί μια αρθρωτή σχεδίαση, η οποία πρέπει να είναι μια πλατφόρμα επικοινωνίας με ανοιχτό, επεκτασιμότητα και συμβατότητα και να έχει τη μορφή διαύλου με αρθρωτό πρότυπο. Με βάση αυτή τη σχετικά κοινή πλατφόρμα υλικού, υλοποιούμε διαφορετικές λειτουργίες επικοινωνίας φορτώνοντας διαφορετικό λογισμικό (η κάρτα μπορεί να αντικατασταθεί όταν χρειάζεται). Η πλατφόρμα υλικού του λογισμικού ραδιοφώνου είναι πολύ πιο απαιτητική από τον υπολογιστή, χρειάζεται front-end ραδιοσυχνοτήτων ευρείας ζώνης, μετατροπέα A/D/A ευρείας ζώνης, συσκευές DSP υψηλής ταχύτητας και ούτω καθεξής. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί μετατροπή A/D/A υψηλής ταχύτητας και επεξεργασία ψηφιακού σήματος, τα ραδιοφωνικά συστήματα λογισμικού πρέπει να λειτουργούν παράλληλα με πολλαπλούς CPU. Επιπλέον, για την ανταλλαγή δεδομένων επεξεργασίας ψηφιακού σήματος με υψηλή ταχύτητα, ο δίαυλος συστήματος πρέπει να έχει πολύ υψηλό ρυθμό μετάδοσης T/O. Μεταξύ των τρεχόντων λεωφορείων συστήματος που πληρούν τις απαιτήσεις, ο δίαυλος VME έχει την πιο ώριμη τεχνολογία, την καλύτερη ευελιξία και την πιο εκτεταμένη υποστήριξη. Το VME παρέχει παράλληλη επεξεργασία πολλαπλών CPU, υποστηρίζει ανεξάρτητο δίαυλο δεδομένων 32-bit και δίαυλο διευθύνσεων και ο ρυθμός φτάνει τα 40 Mb/s (ή ακόμα και τα 320 Mb/s), που ουσιαστικά ικανοποιεί τις απαιτήσεις του ραδιοφώνου λογισμικού και είναι η προτιμώμενη μέθοδος διαύλου για λογισμικό ραδιόφωνο. Τρία, η βασική τεχνολογία του ραδιοφώνου λογισμικού
1. Μετατροπή πολλαπλών ζωνών προς τα κάτω και ευρυζωνική RF
Για την κεραία του ραδιοφωνικού συστήματος λογισμικού, θα πρέπει να διαθέτει κεραία πολλαπλών ζωνών και προγραμματιζόμενη λειτουργία μετατροπής ραδιοσυχνοτήτων. Με βάση την ικανοποίηση του κέρδους, του φυσικού μεγέθους και της τιμής της κεραίας, θα πρέπει να έχει εύρος ζώνης λειτουργίας 2MHz-3MHz. Στη ραδιομηχανική, δεν είναι απαραίτητο να καλύπτεται η πλήρης ζώνη συχνοτήτων, αλλά χρειάζεται μόνο να καλύπτονται πολλά παράθυρα διαφορετικών ζωνών συχνοτήτων. Επομένως, μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια συνδυασμένη κεραία πολλαπλών ζωνών. Το speakeasy του αμερικανικού στρατού είναι μια λύση που χρησιμοποιεί πολλαπλά σετ κεραιών RF. Για την ευρυζωνική ραδιοσυχνότητα, ο συντονισμός, ο έλεγχος ενέργειας και η διαμόρφωση προενισχυτή χαμηλού θορύβου (LNA) είναι επίσης μια βασική τεχνολογία και η σχεδίαση με τη βοήθεια υπολογιστή (CAD) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού του συστήματος.
2. Broadband A/D part.
Το κλειδί για τον προσδιορισμό της απόδοσης της μετατροπής αναλογικού σε ψηφιακό ευρείας ζώνης είναι η δειγματοληψία και ο αριθμός των bit. Ο ρυθμός δειγματοληψίας καθορίζεται από το εύρος ζώνης του σήματος, ενώ ο αριθμός των bit κβαντοποίησης απαιτεί ένα ορισμένο δυναμικό εύρος και ακρίβεια DSP. Επειδή το υπάρχον ADC ενός τσιπ δεν μπορεί να καλύψει αυτές τις δύο απαιτήσεις, πολλαπλοί ADC μπορούν να χρησιμοποιηθούν παράλληλα.
3. Παράλληλο τμήμα DSP υψηλής ταχύτητας.
Στη λειτουργία ψηφιακής επεξεργασίας του συστήματος, το πιο δύσκολο είναι η up-conversion, το φιλτράρισμα και η υποδειγματοληψία. Το παράλληλο DSP υψηλής ταχύτητας περιλαμβάνει λειτουργίες επεξεργασίας ψηφιακής βασικής ζώνης, διαμόρφωσης και αποδιαμόρφωσης, επεξεργασίας ροής bit και λειτουργίες αποκωδικοποίησης. Για συστήματα FM και ευρέως φάσματος, αυτό το εξάρτημα θα πρέπει επίσης να έχει λειτουργίες διασποράς και αποχέτευσης. Για να επιτευχθεί αυτό το τμήμα της λειτουργίας, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί παράλληλο DSP υψηλής ταχύτητας για να σχηματιστεί ένα σύστημα παράλληλων υπολογιστών πολλαπλών επεξεργαστών, συμπεριλαμβανομένων περισσότερων κλήσεων πολλαπλής πρόσβασης, ευρύτερου διαύλου προγράμματος και διαύλου δεδομένων, πολλαπλών δεδομένων μίας εντολής, πολλαπλών δεδομένων πολλαπλών εντολών . Η δομή και η χρήση της δομής υπερ-εντολών, κ.λπ., αυτό το τμήμα μπορεί να πραγματοποιηθεί από ένα αποκλειστικό ψηφιακό ολοκληρωμένο κύκλωμα τσιπ ASIC (για παράδειγμα, το τσιπ DDC HS P50016 της Harris Corporation των Ηνωμένων Πολιτειών).
4. Έξοδος από τη γενική δομή διαδρομής του ανοίγματος και της επεκτασιμότητας.
Στην παραδοσιακή δομή του συστήματος, χρησιμοποιείται γενικά ο αγωγός, ο οποίος χαρακτηρίζεται από το ότι κάθε λειτουργική μονάδα συνδέεται με ένα κύκλωμα. Εάν πρόκειται να προστεθεί, να διαγραφεί ή να τροποποιηθεί η λειτουργία ενός συγκεκριμένου εξαρτήματος, πρέπει να ρυθμιστεί η αντίστοιχη λειτουργική μονάδα. Επομένως, αυτή η δομή Δεν είναι ανοιχτή. Προκειμένου να πραγματοποιηθεί η διασύνδεση διαφόρων λειτουργικών μονάδων στο σύστημα, διαμορφώνεται μια ανοιχτή και επεκτάσιμη πλατφόρμα υλικού και ταυτόχρονα έχει υψηλό ρυθμό διεκπεραίωσης δεδομένων. Το ραδιοσύστημα λογισμικού πρέπει να υιοθετήσει μια νέα δομή διασύνδεσης, η οποία χαρακτηρίζεται από σχετικά απλή υλοποίηση και μπορεί να εφαρμόσει άμεσα μια ποικιλία προτύπων διαύλου (όπως VME, bus, PCI bus, κ.λπ.). , δομή διασύνδεσης που βασίζεται σε δίαυλο.
5. Πρωτόκολλα και πρότυπα λογισμικού.
Από τα μέσα έως τα τέλη της δεκαετίας του 1990, οι ξένες χώρες μελετούν τον τρόπο εφαρμογής λογισμικού plug and play (Plug & Play) και έχουν προτείνει με βάση αυτό. Πρωτόκολλα και πρότυπα λογισμικού JAVA/CORBA. Η ιδέα που βασίζεται στον «διαύλου λογισμικού» είναι να δημιουργηθεί μια αρχιτεκτονική βασισμένη σε πρότυπα, ανοιχτή και εύχρηστη. Ο λεγόμενος «δίαυλος λογισμικού» είναι παρόμοιος με τον «δίαυλο υλικού» που λέγεται συχνά. Η μονάδα εφαρμογής μετατρέπεται σε δίαυλο σύμφωνα με το πρότυπο και η συνδυασμένη λειτουργία μπορεί να πραγματοποιηθεί με την εισαγωγή του διαύλου, υποστηρίζοντας έτσι ένα κατανεμημένο υπολογιστικό περιβάλλον. Αυτή η ιδέα σχεδιασμού είναι συνεπής με την επαναχρησιμοποίηση του λογισμικού σε συστήματα λογισμικού.
6. Κατανάλωση ενέργειας, όγκος και κόστος του συστήματος.
Αυτό είναι το κλειδί για την εμπορευματοποίηση του ραδιοφώνου λογισμικού και η λύση του εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από την ανάπτυξη της τεχνολογίας υλικού. Τέταρτον, η ανάπτυξη και η προοπτική του λογισμικού ραδιοφώνου
Από τη δεκαετία του 1990, με την ταχεία ανάπτυξη διαφόρων συστημάτων ασύρματης επικοινωνίας, τις διαφορές στα πρότυπα ραδιοεπικοινωνίας και την πρόοδο της τεχνολογίας επεξεργασίας ψηφιακών σημάτων, η ραδιοφωνική τεχνολογία λογισμικού έχει προσελκύσει όλο και περισσότερη προσοχή και αναμένεται να γίνει μια μελλοντική παγκόσμια επικοινωνία δίκτυο. νέο σύστημα.
Σύμφωνα με την ιδανική δομή, όλες οι εργασίες επεξεργασίας σήματος του ραδιοφωνικού σταθμού λογισμικού από το RF έως τη ζώνη βάσης εκτελούνται σε πλήρη ψηφιακή μορφή, επομένως είναι πλήρως προγραμματιζόμενος και η δομή του είναι επίσης επαναδιαμορφώσιμη και αναπαραγώγιμη. Ωστόσο, επειδή δεν υπάρχει μετατροπέας A/D που να μπορεί να εφαρμοστεί στη ζώνη ραδιοσυχνοτήτων, ένα άλλο θέμα που ερευνάται τώρα είναι η πρόσοψη ψηφιακών ραδιοσυχνοτήτων του ραδιοφωνικού σταθμού λογισμικού, που είναι το κλειδί για την ψηφιοποίηση ολόκληρης της συχνότητας ζώνη.
Οι υπάρχουσες συσκευές επεξεργασίας ψηφιακών σημάτων (DSP) έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως για την επεξεργασία σήματος σε μέρη όπως IF, βασική ζώνη ή τερματικό, γεγονός που έχει φέρει την τεχνική απόδοση του ραδιοεξοπλισμού σε ένα νέο και σύγχρονο επίπεδο, αλλά το μπροστινό μέρος RF του εξακολουθεί να είναι στενής ζώνης . Για τον ραδιοφωνικό σταθμό λογισμικού, ο μετατροπέας A/D στην πρόσοψη RF του πρέπει να μπορεί να χειριστεί ολόκληρη τη ζώνη συχνοτήτων επικοινωνίας, γενικά από 2 MHz έως 3 GHz. Επιπλέον, τα τυπικά χαρακτηριστικά των σημάτων κινητής επικοινωνίας είναι το ξεθώριασμα και η θωράκιση και μπορεί να υπάρχει ισχυρό μπλοκάρισμα και παρεμβολές. Ως αποτέλεσμα, το δυναμικό εύρος των σημάτων κινητής επικοινωνίας που εμφανίζονται στο άκρο ραδιοσυχνοτήτων λήψης φτάνει τα 100dB ή περισσότερο. Εάν ληφθούν υπόψη διαφορετικά πρότυπα σημάτων κινητής επικοινωνίας, το δυναμικό εύρος του θα είναι μεγαλύτερο. Για ένα σύστημα με εύρος ζώνης 10 MHz, η συχνότητα δειγματοληψίας είναι μεγαλύτερη από 25 MHz, η οποία απαιτεί 2500MIPS υπολογιστικής ικανότητας επεξεργασίας, η οποία απέχει πολύ από το να πληροί τις απαιτήσεις περιβάλλοντος σήματος που πρέπει να υποβληθεί σε επεξεργασία από το front-end RF. Ακόμη και με μετατροπείς A/D ικανούς να ανταποκρίνονται στις απαιτήσεις εύρους ζώνης και δυναμικής περιοχής, οι απαιτήσεις ισχύος τους μπορεί να παρεμποδίσουν τη χρήση κινητών τερματικών. Ο ραδιοφωνικός σταθμός λογισμικού που αναπτύχθηκε στο παρόν στάδιο δεν μπορεί να υιοθετήσει την ιδανική δομή της ψηφιοποίησης πλήρους ζώνης συχνοτήτων, αλλά υιοθετεί την πρακτική δομή της μερικής ψηφιοποίησης της ζώνης συχνοτήτων του μπροστινού άκρου Rf.
Συνοψίζοντας, το λογισμικό ραδιόφωνο περιέχει δύο έννοιες: η μία είναι η μπροστινή πλευρά ραδιοσυχνοτήτων (RF) και η άλλη είναι η επεξεργασία ψηφιακού σήματος. Τα βασικά του στοιχεία είναι οι μετατροπείς A/D/A ευρυζωνικότητας και τα τσιπ DSP υψηλής ταχύτητας. Το μεγαλύτερο πλεονέκτημα του ραδιοφώνου λογισμικού είναι ότι μπορεί να ολοκληρώσει διάφορες εργασίες επεξεργασίας σήματος στην πλατφόρμα υλικού ορίζοντας διάφορες παραμέτρους εργασίας και αναδιοργανώνοντας τη δομή του καναλιού σύμφωνα με τη μέθοδο ασύρματης ζώνης και πρόσβασης καναλιού. Επομένως, μια αποκλειστική ψηφιακή διεπαφή για κάθε πρότυπο εργασίας μπορεί να σχεδιαστεί σε μια κοινή πλατφόρμα υλικού ή να χρησιμοποιηθεί η κοινότητα διαφορετικών προτύπων εργασίας. Ο πρώτος σχεδιασμός όχι μόνο επιτυγχάνει τον μέγιστο βαθμό ελευθερίας, αλλά και ελαχιστοποιεί τον αριθμό των πυλών που χρησιμοποιούνται, ενώ ο δεύτερος απαιτεί την ανάπτυξη αποκλειστικών αλγορίθμων για ψηφιακές λειτουργίες front-end, αλλά μπορεί να εφαρμοστεί με ASIC, επιτρέποντάς μας να επωφεληθούμε της έννοιας του λογισμικού ραδιοφώνου.
Γενικά, αν και τα ραδιόφωνα λογισμικού αναπτύχθηκαν αρχικά για στρατιωτικές επικοινωνίες βραχέων κυμάτων πάνω από τον ορίζοντα, επειδή προσφέρουν υψηλό επίπεδο πιστότητας που δεν συναντάται στους αναλογικούς δέκτες, προσφέρουν επίσης εξαιρετική ευελιξία. Με μια μικρή τροποποίηση, μπορεί να προσαρμοστεί και να καλύψει τις απαιτήσεις διαφορετικών χρηστών και το κόστος του είναι πολύ χαμηλό. Σε συνδυασμό με την ταχεία ανάπτυξη της τεχνολογίας επεξεργασίας ψηφιακών σημάτων, χρησιμοποιείται όλο και περισσότερο στον τομέα της πολιτικής επικοινωνίας, ειδικά στην κινητή επικοινωνία. Η εφαρμογή στο σύστημα είναι πιο εκτεταμένη.
