Программное радио (SDR) как новая технология в области беспроводной связи привлекает все больше внимания как внутри страны, так и за ее пределами. В области связи это новая система радиосвязи от аналоговой технологии к цифровой технологии, от фиксированной связи к мобильной связи. С развитием коммуникационных технологий все более востребованным становится оборудование, совместимое с различными типами стандартов. По сравнению с традиционными радиосистемами программные радиосистемы имеют ряд преимуществ, таких как общая структура, программные функции и совместимость. .
Ⅰ. Зарождение и развитие программного радио
Причина появления программного радио связана с войной в Персидском заливе. В то время многонациональные силы во главе с США использовали разнообразное оборудование связи разных стандартов, что вызывало трудности в общении друг с другом. После этого, в мае 1992 года, Джео Митола впервые предложил концепцию «программного радио» на Американской конференции по системам связи. Основная идея состоит в том, чтобы сделать все тактические радиостанции на основе одной и той же аппаратной платформы, установить различное программное обеспечение для формирования различных типов радиостанций и выполнить функции различного характера. Так что у него есть возможность программирования. Эта концепция быстро привлекла внимание стран всего мира, поскольку в настоящее время военные средства связи предъявляют более высокие требования к надежности, интероперабельности, гибкости, помехозащищенности, живучести, конфиденциальности и защищенности систем радиосвязи. Военные США и Hazcltine разработали программную радиостанцию под названием «speakeasy» (легко говорить), которая реализует многодиапазонную и многофункциональную радиоплатформу, обычно используемую военными США. Более 4 различных волновых форм модуляции. Это радио можно назвать «карманным компьютером» с антенной, которая может передавать голос и данные. Коммуникационные услуги включают в себя голос, данные и видеоизображения.
В настоящее время программному радио уделяется все больше внимания в гражданской сфере. Основная причина заключается в том, что технические стандарты существующей системы связи разнообразны, а различные технические стандарты и соответствующие системы трудно совместимы друг с другом, и это трудно реализовать с помощью унифицированного устройства. И система мобильной связи третьего поколения по-прежнему имеет стандартную битву, если программное радио используется для адаптации к различным стандартам, это осуществимый способ. С другой стороны, развитие коммуникационных технологий идет очень быстро, старая система постоянно совершенствуется, а новая система быстро появляется. Людям нужен метод модернизации системы, более экономичный, чем полная ликвидация старого оборудования, и программируемость программного радио лучше. приспособлены к этой потребности.
Ⅱ. архитектура программного радио
Радиочастотная часть, преобразование вверх/вниз, фильтрация и обработка основной полосы частот традиционной аналоговой радиосистемы используют аналоговый режим, а система связи определенной полосы частот и определенного режима модуляции соответствует специальной жесткой структуре; в то время как низкочастотная часть цифровой радиосистемы использует цифровые схемы (например, гетеродин использует цифровой синтезатор частоты, исходное кодирование и декодирование, а модуляция и демодуляция выполняются с помощью специального чипа), но его радиочастота и промежуточная частота части по-прежнему неотделимы от аналоговых схем. По сравнению с традиционной радиосистемой аналого-цифровое преобразование программной радиосистемы перемещается на промежуточную частоту, и как можно ближе к концу радиочастоты дискретизируется вся полоса частот системы, то есть цифровая обработка ведется от промежуточной частоты (или даже радиочастоты), что является отличительной чертой программной радиосвязи. Цифровое радио использует специальные цифровые схемы для достижения единой функции связи без возможности программирования. Программное радио заменяет выделенную цифровую схему программируемым устройством DSP, что делает аппаратную структуру и функции системы относительно независимыми. Таким образом, на основе относительно общей аппаратной платформы различные функции связи могут быть реализованы с помощью программного обеспечения, а рабочая частота, полоса пропускания системы, режим модуляции, исходный код и т. д. могут быть запрограммированы и контролироваться, а гибкость системы значительно повышается. .
Аппаратная платформа программного радио имеет модульную конструкцию, которая должна быть коммуникационной платформой с открытостью, масштабируемостью и совместимостью, и выполнена в виде шины с модульным стандартом. На основе этой относительно общей аппаратной платформы мы реализуем различные коммуникационные функции, загружая различное программное обеспечение (при необходимости карту можно заменить). Аппаратная платформа программного радио гораздо более требовательна, чем ПК, для этого требуется широкополосный радиочастотный интерфейс, широкополосный аналого-цифровой преобразователь, высокоскоростные устройства DSP и так далее. Для выполнения высокоскоростного аналого-цифрового преобразования и цифровой обработки сигналов программные радиосистемы должны работать параллельно с несколькими процессорами. Кроме того, для высокоскоростного обмена данными цифровой обработки сигналов системная шина должна иметь очень высокую скорость передачи T/O. Среди современных системных шин, отвечающих требованиям, шина VME обладает наиболее зрелой технологией, наилучшей универсальностью и самой обширной поддержкой. VME обеспечивает параллельную обработку нескольких ЦП, поддерживает независимую 32-битовую шину данных и адресную шину, а скорость достигает 40 Мбит/с (или даже 320 Мбит/с), что в основном соответствует требованиям программного радио и является предпочтительным методом шины. для программного радио. Три, ключевая технология программного радио
1. Многодиапазонное преобразование с понижением частоты и широкополосная радиочастота
Для антенны программной радиосистемы она должна иметь многодиапазонную антенну и программируемую функцию преобразования радиочастот. В зависимости от коэффициента усиления антенны, физического размера и цены ее рабочая полоса пропускания должна составлять 2 МГц-3МГц. В радиотехнике нет необходимости перекрывать всю полосу частот, а нужно лишь перекрыть несколько окон разных частотных полос. Поэтому можно использовать комбинированную многодиапазонную антенну. Speakeasy вооруженных сил США — это решение, в котором используется несколько наборов радиочастотных антенн. Для широкополосного радиочастотного диапазона настройка, регулирование мощности и настройка малошумящего предусилителя (МШУ) также являются ключевыми технологиями, и для оптимизации конструкции системы можно использовать автоматизированное проектирование (САПР).
2. Широкополосный АЦП.
Ключом к определению производительности широкополосного аналого-цифрового преобразования является выборка и количество битов. Частота дискретизации определяется шириной полосы сигнала, а количество битов квантования требует определенного динамического диапазона и точности DSP. Поскольку существующий однокристальный АЦП не может удовлетворить этим двум требованиям, можно использовать несколько АЦП параллельно.
3. Высокоскоростная параллельная часть DSP.
В операции цифровой обработки системы наиболее сложными являются преобразование с повышением частоты, фильтрация и субдискретизация. Высокоскоростной параллельный DSP включает в себя цифровую обработку основной полосы частот, модуляцию и демодуляцию, обработку битового потока и функции декодирования. Для систем с ЧМ и расширенным спектром эта часть также должна иметь функции сужения спектра и устранения скачкообразной перестройки частоты. Для достижения этой части функции необходимо использовать высокоскоростной параллельный DSP для формирования многопроцессорной параллельной вычислительной системы, включая больше вызовов множественного доступа, более широкую программную шину и шину данных, несколько данных с одной инструкцией, несколько данных с несколькими инструкциями. . Структура и использование структуры суперинструкций и т. д., эта часть может быть реализована с помощью специальной микросхемы цифровой интегральной схемы ASIC (например, микросхемы DDC HS P50016 компании Harris Corporation, США).
4. Уход от общей структуры маршрута открытости и масштабируемости.
В традиционной структуре системы обычно используется конвейер, который характеризуется тем, что каждый функциональный блок соединен цепью. Если функция определенной части должна быть добавлена, удалена или изменена, соответствующий функциональный модуль должен быть настроен. Следовательно, эта структура не открыта. Для реализации взаимосвязи различных функциональных блоков в системе сформирована открытая и расширяемая аппаратная платформа, при этом имеющая высокую скорость передачи данных. Программная радиосистема должна принять новую структуру взаимосвязи, которая характеризуется относительно простой реализацией и может напрямую применять различные стандарты шины (такие как VME, шина, шина PCI и т. д.). , шинная структура межсоединений.
5. Программные протоколы и стандарты.
С середины-конца 1990-х годов зарубежные страны изучают, как реализовать программное обеспечение plug and play (Plug & Play), и предлагают на его основе. Протоколы и стандарты программного обеспечения JAVA/CORBA. Идея, основанная на «программной шине», заключается в создании основанной на стандартах, открытой и простой в использовании архитектуры. Так называемая «программная шина» похожа на «аппаратную шину», о которой часто говорят. Модуль приложения выполнен в виде шины в соответствии со стандартом, и совместная работа может быть реализована путем вставки шины, тем самым поддерживая распределенную вычислительную среду. Эта идея дизайна согласуется с возможностью повторного использования программного обеспечения в программных системах.
6. Энергопотребление, объем и стоимость системы.
Это ключ к коммерциализации программного радио, и его решение во многом зависит от развития аппаратных технологий. В-четвертых, развитие и перспективы программного радио
С 1990-х годов, с быстрым развитием различных систем беспроводной связи, различиями в стандартах радиосвязи и развитием технологий цифровой обработки сигналов, программные радиотехнологии привлекают все больше и больше внимания, и ожидается, что в будущем они станут глобальной связью. сеть. новая система.
Согласно идеальной структуре, все задачи обработки сигналов программной радиостанции от ВЧ до основной полосы частот выполняются в полностью цифровом виде, поэтому она полностью программируема, а ее структура также реконфигурируема и воспроизводима. Однако из-за отсутствия аналого-цифрового преобразователя, который можно было бы применить к радиочастотному диапазону, другой темой, которая сейчас исследуется, является цифровой входной ВЧ-интерфейс программной радиостанции, который является ключом к оцифровке всей частоты. группа.
Существующие устройства цифровой обработки сигналов (DSP) широко используются для обработки сигналов в таких частях, как ПЧ, основной диапазон или оконечное оборудование, что вывело технические характеристики радиооборудования на новый и современный уровень, но его ВЧ-интерфейс по-прежнему остается узкополосным. . Для программной радиостанции аналого-цифровой преобразователь в ее ВЧ-интерфейсе должен быть в состоянии обрабатывать всю полосу частот связи, как правило, от 2 МГц до 3 ГГц. Кроме того, типичными характеристиками сигналов мобильной связи являются затухание и экранирование, возможны сильные блокировки и помехи. В результате динамический диапазон сигналов мобильной связи, появляющихся на приемном ВЧ-конце, достигает 100 дБ и более. Если учитывать разные стандарты сигналов мобильной связи, то его динамический диапазон будет больше. Для системы с полосой пропускания 10 МГц частота дискретизации превышает 25 МГц, что требует 2500 MIPS вычислительной мощности, что далеко не соответствует требованиям среды обработки сигналов, которые должны быть обработаны внешним радиочастотным интерфейсом. Даже с аналого-цифровыми преобразователями, способными удовлетворить требования к полосе пропускания и динамическому диапазону, их требования к питанию могут по-прежнему препятствовать использованию мобильных терминалов. Программная радиостанция, разработанная на современном этапе, не может принять идеальную структуру оцифровки полной полосы частот, но принимает практическую структуру оцифровки частичной полосы частот переднего конца Rf.
Подводя итог, программное радио имеет два значения: одно — это интерфейс радиочастоты (РЧ), а другое — цифровая обработка сигналов; его основными компонентами являются широкополосные аналого-цифровые преобразователи и высокоскоростные микросхемы DSP. Самым большим преимуществом программного радио является то, что оно может выполнять различные задачи обработки сигналов на аппаратной платформе, определяя различные рабочие параметры и реорганизуя структуру канала в соответствии с беспроводным диапазоном и методом доступа к каналу. Таким образом, для каждого рабочего стандарта может быть разработан специальный цифровой интерфейс на общей аппаратной платформе или может использоваться общность различных рабочих стандартов. Первая конструкция не только обеспечивает наибольшую степень свободы, но и сводит к минимуму количество используемых логических элементов, в то время как вторая конструкция требует разработки специальных алгоритмов для функций цифрового интерфейса, но может быть реализована с помощью ASIC, что позволяет нам получить преимущество. концепции программного радио.
В целом, хотя программные радиостанции изначально разрабатывались для военной коротковолновой загоризонтной связи, поскольку они обеспечивают высокий уровень точности, которого нет в аналоговых приемниках, они также обеспечивают превосходную гибкость. С небольшой модификацией он может адаптироваться и отвечать требованиям разных пользователей, а его стоимость очень низкая. В сочетании с бурным развитием технологии цифровой обработки сигналов он все чаще используется в сфере гражданской связи, особенно в мобильной связи. Применение в системе более обширное.
