Als neue Technologie im Bereich der drahtlosen Kommunikation findet Software Radio (SDR) immer mehr Beachtung sowohl im Innen- als auch im Außenbereich. Auf dem Gebiet der Kommunikation ist es ein neues Funkkommunikationssystem nach analoger Technologie zu digitaler Technologie, fester Kommunikation zu mobiler Kommunikation. Mit der Entwicklung der Kommunikationstechnologie hat sich zunehmend Bedarf an Geräten ergeben, die mit verschiedenen Standardtypen kompatibel sind. Verglichen mit herkömmlichen Funksystemen weisen Software-Funksysteme eine Reihe von Vorteilen auf, wie allgemeine Struktur, softwarebasierte Funktionen und Interoperabilität. .
Ⅰ. Entstehung und Entwicklung des Softwareradios
Der Grund für das Aufkommen von Softwareradio hängt mit dem Golfkrieg zusammen. Zu dieser Zeit verwendeten die von den Vereinigten Staaten angeführten multinationalen Streitkräfte eine Vielzahl von Kommunikationsgeräten mit unterschiedlichen Standards, was zu Schwierigkeiten bei der Kommunikation untereinander führte. Danach, im Mai 1992, schlug Jeo Mitola erstmals das Konzept des "Software-Radios" auf der American Communication Systems Conference vor. Die Grundidee besteht darin, alle taktischen Funkgeräte auf der gleichen Hardwareplattform aufzubauen, unterschiedliche Software zu installieren, um unterschiedliche Arten von Funkgeräten zu bilden, und Funktionen unterschiedlicher Art zu vervollständigen. Es hat also eine Software-Programmierbarkeit. Dieses Konzept zog schnell die Aufmerksamkeit von Ländern auf der ganzen Welt auf sich, da die militärische Kommunikation jetzt höhere Anforderungen an die Zuverlässigkeit, Interoperabilität, Flexibilität, Anti-Jamming, Überlebensfähigkeit, Vertraulichkeit und Sicherheit von Funkkommunikationssystemen stellt. Das US-Militär und Hazcltine haben einen Software-Radiosender namens „speakeasy“ (leicht zu sprechen) entwickelt, der eine Multiband- und multifunktionale Funkplattform realisiert, die üblicherweise vom US-Militär verwendet wird. Mehr als 4 verschiedene Modulationswellenformen. Dieses Funkgerät kann als "Handheld-Computer" mit einer Antenne bezeichnet werden, die Sprache und Daten übertragen kann. Kommunikationsdienste umfassen Sprache, Daten und Videobilder.
Derzeit wird dem Softwarefunk im zivilen Bereich immer mehr Aufmerksamkeit geschenkt. Der Hauptgrund besteht darin, dass die technischen Standards des gegenwärtigen Kommunikationssystems vielfältig sind und die verschiedenen technischen Standards und die entsprechenden Systeme schwierig miteinander kompatibel sind und es schwierig ist, sie mit einer einheitlichen Vorrichtung zu realisieren. Und das Mobilkommunikationssystem der dritten Generation hat immer noch einen Standardkampf, wenn Softwarefunk verwendet wird, um sich an verschiedene Standards anzupassen, ist dies ein gangbarer Weg. Andererseits ist die Entwicklung der Kommunikationstechnologie sehr schnell, das alte System wird kontinuierlich verbessert und das neue System entwickelt sich schnell. Die Leute brauchen eine System-Upgrade-Methode, die wirtschaftlicher ist, als die alten Geräte vollständig zu eliminieren, und die Programmierbarkeit des Software-Radios ist besser. an diesen Bedarf angepasst.
Ⅱ. die Software-Radio-Architektur
Der Funkfrequenzteil, die Aufwärts-/Abwärtswandlung, die Filterung und die Basisbandverarbeitung des herkömmlichen analogen Funksystems übernehmen alle den analogen Modus, und das Kommunikationssystem eines bestimmten Frequenzbands und eines bestimmten Modulationsmodus entspricht einer speziellen harten Struktur; Während der Niederfrequenzteil des digitalen Funksystems digitale Schaltungen annimmt (z. B. verwendet der lokale Oszillator einen digitalen Frequenzsynthesizer, werden Quellcodierung und -decodierung sowie Modulation und Demodulation durch einen dedizierten Chip abgeschlossen), aber seine Hochfrequenz und Zwischenfrequenz Teile sind immer noch untrennbar mit analogen Schaltungen verbunden. Verglichen mit dem herkömmlichen Funksystem wird die A/D/A-Wandlung des Software-Funksystems auf die Zwischenfrequenz verschoben, und so nah wie möglich am Funkfrequenzende wird das gesamte Systemfrequenzband abgetastet, dh das digitale Die Verarbeitung wird von der Zwischenfrequenz (oder sogar der Radiofrequenz) durchgeführt, was ein hervorstechendes Merkmal von Software-Radio ist. Digitalradio verwendet dedizierte digitale Schaltungen, um eine einzelne Kommunikationsfunktion ohne Programmierbarkeit zu erreichen. Das Softwareradio ersetzt die dedizierte Digitalschaltung durch die programmierbare DSP-Vorrichtung, wodurch die Systemhardwarestruktur und -funktion relativ unabhängig werden. Auf diese Weise können basierend auf einer relativ gemeinsamen Hardwareplattform verschiedene Kommunikationsfunktionen durch Software realisiert werden, und die Betriebsfrequenz, Systembandbreite, Modulationsmodus, Quellcode usw. können programmiert und gesteuert werden, und die Systemflexibilität wird stark erhöht .
Die Hardwareplattform des Softwareradios nimmt einen modularen Aufbau an, der eine Kommunikationsplattform mit Offenheit, Skalierbarkeit und Kompatibilität sein muss, und wird in Form eines Busses mit einem modularen Standard hergestellt. Basierend auf dieser relativ weit verbreiteten Hardwareplattform implementieren wir verschiedene Kommunikationsfunktionen, indem wir unterschiedliche Software laden (die Karte kann bei Bedarf ausgetauscht werden). Die Hardware-Plattform von Software-Radio ist viel anspruchsvoller als PC, sie benötigt Breitband-Funkfrequenz-Front-End, Breitband-A/D/A-Wandler, Hochgeschwindigkeits-DSP-Geräte und so weiter. Um eine Hochgeschwindigkeits-A/D/A-Wandlung und digitale Signalverarbeitung durchzuführen, müssen Software-Funksysteme parallel mit mehreren CPUs arbeiten. Außerdem muss der Systembus für den Austausch digitaler Signalverarbeitungsdaten mit hoher Geschwindigkeit eine sehr hohe T/O-Übertragungsrate haben. Unter den aktuellen Systembussen, die die Anforderungen erfüllen, hat der VME-Bus die ausgereifteste Technologie, die beste Vielseitigkeit und den umfangreichsten Support. VME bietet parallele Verarbeitung mehrerer CPUs, unterstützt unabhängigen 32--Bit-Datenbus und Adressbus, und die Rate erreicht 40 Mbit/s (oder sogar 320 Mbit/s), was im Wesentlichen die Anforderungen von Softwareradio erfüllt und die bevorzugte Busmethode ist für Softwareradio. Drittens, die Schlüsseltechnologie des Software-Radios
1. Multiband-Abwärtskonvertierung und Breitband-HF
Für die Antenne des Softwarefunksystems sollte es eine Mehrbandantenne und eine programmierbare Funkfrequenzumwandlungsfunktion haben. Auf der Grundlage des Antennengewinns, der physischen Größe und des Preises sollte es eine Arbeitsbandbreite von 2 MHz -3 MHz haben. In der Funktechnik ist es nicht erforderlich, das gesamte Frequenzband abzudecken, sondern nur mehrere Fenster unterschiedlicher Frequenzbänder abzudecken. Daher kann eine kombinierte Mehrbandantenne verwendet werden. Das Speakeasy des US-Militärs ist eine Lösung, die mehrere Sätze von HF-Antennen verwendet. Für Breitband-HF sind Abstimmung, Energiesteuerung und rauscharme Vorverstärkerkonfiguration (LNA) ebenfalls eine Schlüsseltechnologie, und computergestütztes Design (CAD) kann verwendet werden, um das Design des Systems zu optimieren.
2. Breitband-A/D-Teil.
Der Schlüssel zur Bestimmung der Leistung einer Breitband-Analog-Digital-Wandlung ist die Abtastung und die Anzahl der Bits. Die Abtastrate wird durch die Signalbandbreite bestimmt, während die Anzahl der Quantisierungsbits eine gewisse Dynamik und DSP-Präzision erfordert. Da die bestehenden Einzelchip-ADC diese beiden Anforderungen nicht erfüllen können, können mehrere ADCs parallel verwendet werden.
3. Hochgeschwindigkeits-Parallel-DSP-Teil.
Bei der digitalen Verarbeitungsoperation des Systems ist das Aufwärtsumsetzen, Filtern und Unterabtasten am schwierigsten. Der parallele Hochgeschwindigkeits-DSP umfasst digitale Basisbandverarbeitung, Modulation und Demodulation, Bitstromverarbeitung und Decodierungsfunktionen. Für FM- und Spread-Spektrum-Systeme sollte dieser Teil auch Entspreizungs- und Dehopping-Funktionen haben. Um diesen Teil der Funktion zu erreichen, ist es notwendig, einen parallelen Hochgeschwindigkeits-DSP zu verwenden, um ein Parallel-Rechensystem mit mehreren Prozessoren zu bilden, das mehr Mehrfachzugriffsaufrufe, einen breiteren Programmbus und Datenbus, Einzelbefehls-Mehrfachdaten, Mehrfachbefehls-Mehrfachdaten enthält . Die Struktur und die Verwendung einer Superbefehlsstruktur usw., dieser Teil kann durch einen dedizierten digitalen integrierten Schaltungschip ASIC (beispielsweise den DDC-Chip HS P50016 der Harris Corporation aus den Vereinigten Staaten) realisiert werden.
4. Verlassen der allgemeinen Routenstruktur von Offenheit und Skalierbarkeit.
In der traditionellen Systemstruktur wird im Allgemeinen die Pipeline verwendet, die dadurch gekennzeichnet ist, dass jede Funktionseinheit durch einen Kreislauf verbunden ist. Wenn die Funktion eines bestimmten Teils hinzugefügt, gelöscht oder geändert werden soll, muss das entsprechende Funktionsmodul angepasst werden. Daher ist diese Struktur nicht offen. Um die Verknüpfung verschiedener Funktionseinheiten im System zu realisieren, wird eine offene und erweiterbare Hardwareplattform gebildet, die gleichzeitig eine hohe Datendurchsatzrate aufweist. Das Software-Funksystem muss eine neue Verbindungsstruktur annehmen, die sich durch eine relativ einfache Implementierung auszeichnet und eine Vielzahl von Busstandards (wie VME, Bus, PCI-Bus usw.) direkt anwenden kann. , busbasierte Verbindungsstruktur.
5. Softwareprotokolle und -standards.
Seit Mitte bis Ende der 1990er-Jahre haben ausländische Länder untersucht, wie Plug-and-Play-Software (Plug & Play) implementiert werden kann, und darauf basierend Vorschläge gemacht. JAVA/CORBA-Softwareprotokolle und -standards. Die auf „Software Bus“ basierende Idee ist es, eine standardbasierte, offene und einfach zu bedienende Architektur zu etablieren. Der sogenannte „Software-Bus“ ähnelt dem oft genannten „Hardware-Bus“. Das Anwendungsmodul wird gemäß dem Standard zu einem Bus gemacht, und der kombinierte Betrieb kann durch Einfügen des Busses realisiert werden, wodurch eine verteilte Rechenumgebung unterstützt wird. Diese Designidee steht im Einklang mit der Wiederverwendbarkeit von Software in Softwaresystemen.
6. Stromverbrauch, Volumen und Kosten des Systems.
Dies ist der Schlüssel zur Kommerzialisierung von Softwareradio, und seine Lösung hängt weitgehend von der Entwicklung der Hardwaretechnologie ab. Viertens die Entwicklung und Perspektive von Software-Radio
Seit den 1990er Jahren hat die Softwarefunktechnologie mit der schnellen Entwicklung verschiedener drahtloser Kommunikationssysteme, den Unterschieden in den Funkkommunikationsstandards und dem Fortschritt der digitalen Signalverarbeitungstechnologie immer mehr Aufmerksamkeit auf sich gezogen, und es wird erwartet, dass sie zu einer zukünftigen globalen Kommunikation wird Netzwerk. neues System.
Gemäß der idealen Struktur werden alle Signalverarbeitungsaufgaben der Software-Funkstation von HF bis zum Basisband vollständig digital ausgeführt, sie ist also vollständig programmierbar, und ihre Struktur ist auch rekonfigurierbar und reproduzierbar. Da es jedoch keinen A/D-Wandler gibt, der auf das Radiofrequenzband angewendet werden kann, ist ein weiteres Thema, das jetzt erforscht wird, das digitale HF-Frontend des Software-Radiosenders, das der Schlüssel zur Digitalisierung der gesamten Frequenz ist Band.
Vorhandene digitale Signalverarbeitungsgeräte (DSPs) wurden häufig für die Signalverarbeitung in Teilen wie ZF, Basisband oder Terminal verwendet, was die technische Leistung von Funkgeräten auf ein neues und modernes Niveau gebracht hat, aber ihr HF-Frontend ist immer noch schmalbandig . Für die Software-Radiostation muss der A/D-Wandler in seinem HF-Frontend in der Lage sein, das gesamte Kommunikationsfrequenzband zu handhaben, im Allgemeinen von 2 MHz bis 3 GHz. Darüber hinaus sind Fading und Abschirmung die typischen Eigenschaften von Mobilfunksignalen, und es kann zu starken Blockierungen und Interferenzen kommen. Als Ergebnis ist der dynamische Bereich von Mobilkommunikationssignalen, die am empfangenden HF-Ende erscheinen, so hoch wie 100 dB oder mehr. Wenn man unterschiedliche Standards von Mobilkommunikationssignalen betrachtet, wird sein dynamischer Bereich größer sein. Bei einem System mit einer Bandbreite von 10 MHz ist die Abtastfrequenz größer als 25 MHz, was eine Rechenleistung von 2500 MIPS erfordert, was weit davon entfernt ist, die Anforderungen der Signalumgebung zu erfüllen, die vom HF-Front-End verarbeitet werden müssen. Selbst bei A/D-Wandlern, die in der Lage sind, Bandbreiten- und Dynamikbereichsanforderungen zu erfüllen, können ihre Leistungsanforderungen immer noch die Verwendung mobiler Endgeräte behindern. Die im gegenwärtigen Stadium entwickelte Software-Radiostation kann nicht die ideale Struktur einer vollständigen Frequenzbanddigitalisierung übernehmen, sondern übernimmt die praktische Struktur einer partiellen Frequenzbanddigitalisierung des Rf-Frontends.
Zusammenfassend hat Software-Radio zwei Bedeutungen: Die eine ist das Hochfrequenz-Frontend (RF) und die andere die digitale Signalverarbeitung; Seine Kernkomponenten sind Breitband-A/D/A-Wandler und Hochgeschwindigkeits-DSP-Chips. Der größte Vorteil des Softwareradios besteht darin, dass es verschiedene Signalverarbeitungsaufgaben auf der Hardwareplattform erledigen kann, indem es verschiedene Arbeitsparameter definiert und die Kanalstruktur entsprechend dem drahtlosen Band und der Kanalzugriffsmethode neu organisiert. Daher kann ein dediziertes digitales Frontend für jeden Arbeitsstandard auf einer gemeinsamen Hardwareplattform entworfen werden, oder es kann die Gemeinsamkeit verschiedener Arbeitsstandards genutzt werden. Das erstere Design erreicht nicht nur den größten Freiheitsgrad, sondern minimiert auch die Anzahl der verwendeten Gatter, während das letztere Design die Entwicklung dedizierter Algorithmen für digitale Front-End-Funktionen erfordert, aber mit ASICs implementiert werden kann, was es uns ermöglicht, Vorteile zu nutzen des Konzepts des Softwareradios.
Obwohl Softwarefunkgeräte ursprünglich für militärische Kurzwellenkommunikation über den Horizont entwickelt wurden, bieten sie im Allgemeinen eine hervorragende Flexibilität, da sie ein hohes Maß an Wiedergabetreue bieten, das bei analogen Empfängern nicht zu finden ist. Mit einer kleinen Modifikation kann es an die Anforderungen verschiedener Benutzer angepasst und erfüllt werden, und seine Kosten sind sehr niedrig. Gepaart mit der rasanten Entwicklung der digitalen Signalverarbeitungstechnologie wurde sie zunehmend im Bereich der zivilen Kommunikation, insbesondere in der Mobilkommunikation, eingesetzt. Die Anwendung im System ist umfangreicher.
