Como uma nova tecnologia no campo da comunicação sem fio, o rádio de software (SDR) está atraindo cada vez mais atenção tanto dentro como fora. No campo da comunicação, é um novo sistema de comunicação de rádio após a tecnologia analógica para a tecnologia digital, comunicação fixa para comunicação móvel. Com o desenvolvimento da tecnologia de comunicação, equipamentos compatíveis com diversos tipos de padrões tem mostrado cada vez mais sua demanda. Em comparação com os sistemas de rádio tradicionais, os sistemas de rádio de software têm uma série de vantagens, como estrutura geral, funções baseadas em software e interoperabilidade. .
Ⅰ. A origem e o desenvolvimento do software de rádio
O motivo do surgimento do software de rádio está relacionado à Guerra do Golfo. Naquela época, as forças multinacionais lideradas pelos Estados Unidos usavam uma variedade de equipamentos de comunicação de diferentes padrões, o que causava dificuldades na comunicação entre si. Depois disso, em maio de 1992, Jeo Mitola propôs pela primeira vez o conceito de "rádio de software" na Conferência Americana de Sistemas de Comunicação. A ideia básica é fazer todos os rádios táticos baseados na mesma plataforma de hardware, instalar softwares diferentes para formar diferentes tipos de rádios e completar funções de naturezas diferentes. Portanto, tem programabilidade de software. Esse conceito atraiu rapidamente a atenção de países ao redor do mundo, porque as comunicações militares agora têm requisitos mais altos de confiabilidade, interoperabilidade, flexibilidade, anti-interferência, capacidade de sobrevivência, confidencialidade e segurança dos sistemas de comunicação por rádio. Os militares dos EUA e Hazcltine desenvolveram uma estação de rádio de software chamada "speakeasy" (fácil de falar), que realiza uma plataforma de rádio multi-banda e multifuncional comumente usada pelos militares dos EUA. Mais de 4 formas de onda de modulação diferentes. Este rádio pode ser chamado de "computador de mão" com uma antena que pode transmitir voz e dados. Os serviços de comunicação incluem voz, dados e imagens de vídeo.
Atualmente, o rádio de software tem recebido cada vez mais atenção no campo civil. A principal razão é que os padrões técnicos do sistema de comunicação atual são diversos, e os vários padrões técnicos e os sistemas correspondentes são difíceis de serem compatíveis entre si, e é difícil realizá-lo com um dispositivo unificado. E o sistema de comunicação móvel de terceira geração ainda tem uma batalha de padrões, se for usado software de rádio para se adaptar a diferentes padrões, é um caminho viável. Por outro lado, o desenvolvimento da tecnologia de comunicação é muito rápido, o sistema antigo é continuamente aprimorado e o novo sistema está surgindo rapidamente. As pessoas precisam de um método de atualização do sistema que seja mais econômico do que eliminar completamente o equipamento antigo, e a programabilidade do rádio de software é melhor. adaptado a esta necessidade.
Ⅱ. a arquitetura de rádio do software
A parte de radiofrequência, conversão up/down, filtragem e processamento de banda base do sistema de rádio analógico tradicional adotam o modo analógico, e o sistema de comunicação de uma determinada banda de frequência e um determinado modo de modulação corresponde a uma estrutura rígida especial; enquanto a parte de baixa frequência do sistema de rádio digital adota circuitos digitais (por exemplo, o oscilador local usa um sintetizador de frequência digital, codificação e decodificação de fonte e modulação e demodulação são completadas por um chip dedicado), mas sua frequência de rádio e frequência intermediária partes ainda são inseparáveis dos circuitos analógicos. Comparado com o sistema de rádio tradicional, a conversão A/D/A do sistema de rádio do software é movida para a frequência intermediária e, o mais próximo possível do final da frequência de rádio, toda a banda de frequência do sistema é amostrada, ou seja, a frequência digital o processamento é realizado a partir da frequência intermediária (ou mesmo da radiofrequência), que é uma característica proeminente do software de rádio. O rádio digital usa circuitos digitais dedicados para obter uma única função de comunicação sem programação. O rádio de software substitui o circuito digital dedicado pelo dispositivo DSP programável, o que torna a estrutura e a função do hardware do sistema relativamente independentes. Desta forma, com base em uma plataforma de hardware relativamente comum, diferentes funções de comunicação podem ser realizadas através de software, e a frequência de operação, largura de banda do sistema, modo de modulação, código-fonte, etc. .
A plataforma de hardware do rádio software adota um design modular, que deve ser uma plataforma de comunicação com abertura, escalabilidade e compatibilidade, e é feita na forma de um barramento com padrão modular. Com base nesta plataforma de hardware relativamente comum, implementamos diferentes funções de comunicação carregando diferentes softwares (o cartão pode ser substituído quando necessário). A plataforma de hardware do rádio de software é muito mais exigente do que o PC, ele precisa de front-end de frequência de rádio de banda larga, conversor A/D/A de banda larga, dispositivos DSP de alta velocidade e assim por diante. Para realizar conversão A/D/A de alta velocidade e processamento de sinal digital, os sistemas de rádio de software devem funcionar em paralelo com várias CPUs. Além disso, para que os dados de processamento de sinal digital sejam trocados em alta velocidade, o barramento do sistema deve ter uma taxa de transmissão T/O muito alta. Entre os barramentos do sistema atuais que atendem aos requisitos, o barramento VME possui a tecnologia mais madura, a melhor versatilidade e o suporte mais amplo. O VME fornece processamento paralelo de várias CPUs, suporta barramento de dados de 32-bit independente e barramento de endereço, e a taxa chega a 40Mb/s (ou mesmo 320Mb/s), o que basicamente atende aos requisitos de rádio de software e é o método de barramento preferido para software de rádio. Três, a tecnologia chave de rádio de software
1. Conversão descendente multibanda e RF de banda larga
Para a antena do sistema de rádio do software, ele deve ter uma antena multibanda e uma função de conversão de frequência de rádio programável. Com base na satisfação do ganho, tamanho físico e preço da antena, ela deve ter uma largura de banda de trabalho de 2 MHz-3MHz. Na engenharia de rádio, não é necessário cobrir toda a banda de frequência, mas apenas várias janelas de diferentes bandas de frequência. Portanto, uma antena multibanda combinada pode ser usada. O speakeasy dos militares dos EUA é uma solução que usa vários conjuntos de antenas de RF. Para RF de banda larga, ajuste, controle de energia e configuração de pré-amplificador de baixo ruído (LNA) também é uma tecnologia chave, e o projeto auxiliado por computador (CAD) pode ser usado para otimizar o projeto do sistema.
2. Parte A/D de banda larga.
A chave para determinar o desempenho da conversão analógico-digital de banda larga é a amostragem e o número de bits. A taxa de amostragem é determinada pela largura de banda do sinal, enquanto o número de bits de quantização requer uma certa faixa dinâmica e precisão de DSP. Como o ADC de chip único existente não pode atender a esses dois requisitos, vários ADCs podem ser usados em paralelo.
3. Peça DSP paralela de alta velocidade.
Na operação de processamento digital do sistema, o mais difícil é up-conversion, filtragem e sub-amostragem. O DSP paralelo de alta velocidade inclui processamento digital de banda base, modulação e demodulação, processamento de fluxo de bits e funções de decodificação. Para sistemas FM e de espectro espalhado, esta parte também deve ter funções de despreading e dehopping. Para alcançar esta parte da função, é necessário usar DSP paralelo de alta velocidade para formar um sistema de computação paralela multiprocessador, incluindo mais chamadas de acesso múltiplo, barramento de programa e barramento de dados mais amplos, dados múltiplos de instrução única, dados múltiplos de instrução múltipla . A estrutura e o uso de estrutura de super-instrução, etc., esta parte pode ser realizada por um chip de circuito integrado digital dedicado ASIC (por exemplo, o chip DDC HS P50016 da Harris Corporation dos Estados Unidos).
4. Saindo da estrutura geral de rotas de abertura e escalabilidade.
Na estrutura tradicional do sistema, geralmente é utilizado o pipeline, que se caracteriza por cada unidade funcional ser conectada por um circuito. Se a função de uma determinada parte deve ser adicionada, excluída ou modificada, o módulo funcional correspondente deve ser ajustado. Portanto, esta estrutura não é aberta. Para realizar a interconexão de várias unidades funcionais no sistema, é formada uma plataforma de hardware aberta e extensível e, ao mesmo tempo, possui uma alta taxa de transferência de dados. O sistema de rádio de software deve adotar uma nova estrutura de interconexão, que é caracterizada por uma implementação relativamente simples e pode aplicar diretamente uma variedade de padrões de barramento (como VME, barramento, barramento PCI, etc.). , estrutura de interconexão baseada em barramento.
5. Protocolos e padrões de software.
Desde meados da década de 1990, países estrangeiros vêm estudando como implementar software plug and play (Plug & Play), e propuseram com base nele. Protocolos e padrões de software JAVA/CORBA. A ideia baseada no "barramento de software" é estabelecer uma arquitetura baseada em padrões, aberta e fácil de usar. O chamado "barramento de software" é semelhante ao "barramento de hardware" que muitas vezes é dito. O módulo de aplicação é feito em um barramento de acordo com o padrão, e a operação combinada pode ser realizada inserindo o barramento, suportando assim um ambiente de computação distribuído. Essa ideia de design é consistente com a reutilização de software em sistemas de software.
6. Consumo de energia, volume e custo do sistema.
Esta é a chave para a comercialização do software de rádio, e sua solução depende em grande parte do desenvolvimento da tecnologia de hardware. Quarto, o desenvolvimento e a perspectiva de software de rádio
Desde a década de 1990, com o rápido desenvolvimento de vários sistemas de comunicação sem fio, as diferenças nos padrões de comunicação de rádio e o avanço da tecnologia de processamento de sinal digital, a tecnologia de rádio de software atrai cada vez mais atenção e espera-se que se torne uma comunicação global futura. rede. novo sistema.
De acordo com a estrutura ideal, todas as tarefas de processamento de sinal da estação de rádio do software de RF para banda base são realizadas em formato totalmente digital, por isso é totalmente programável, e sua estrutura também é reconfigurável e reproduzível. No entanto, como não há conversor A/D que possa ser aplicado à banda de radiofrequência, outro tópico que está sendo pesquisado agora é o front-end digital de RF da estação de rádio do software, que é a chave para a digitalização de toda a frequência banda.
Os dispositivos de processamento de sinal digital (DSPs) existentes têm sido amplamente utilizados para processamento de sinal em partes como IF, banda base ou terminal, o que trouxe o desempenho técnico dos equipamentos de rádio para um nível novo e moderno, mas seu front-end de RF ainda é de banda estreita . Para a estação de rádio de software, o conversor A/D em seu front-end de RF deve ser capaz de lidar com toda a banda de frequência de comunicação, geralmente de 2 MHz a 3 GHz. Além disso, as características típicas dos sinais de comunicação móvel são desvanecimento e blindagem, podendo haver forte bloqueio e interferência. Como resultado, a faixa dinâmica dos sinais de comunicação móvel que aparecem na extremidade receptora de RF é tão alta quanto 100 dB ou mais. Se considerarmos diferentes padrões de sinais de comunicação móvel, seu alcance dinâmico será maior. Para um sistema com largura de banda de 10MHz, a frequência de amostragem é maior que 25MHz, o que requer 2500MIPS de capacidade de processamento computacional, o que está longe de atender aos requisitos do ambiente de sinal a ser processado pelo front-end de RF. Mesmo com conversores A/D capazes de atender aos requisitos de largura de banda e faixa dinâmica, seus requisitos de energia ainda podem dificultar o uso de terminais móveis. A estação de rádio de software desenvolvida no estágio atual não pode adotar a estrutura ideal de digitalização de banda de frequência total, mas adota a estrutura prática de digitalização de banda de frequência parcial do front end de Rf.
Resumindo, rádio de software contém dois significados: um é o front-end de radiofrequência (RF) e o outro é o processamento de sinal digital; seus componentes principais são conversores A/D/A de banda larga e chips DSP de alta velocidade. A maior vantagem do rádio de software é que ele pode concluir várias tarefas de processamento de sinal na plataforma de hardware, definindo vários parâmetros de trabalho e reorganizando a estrutura do canal de acordo com a banda sem fio e o método de acesso ao canal. Portanto, um front-end digital dedicado para cada padrão de trabalho pode ser projetado em uma plataforma de hardware comum, ou a semelhança de diferentes padrões de trabalho pode ser utilizada. O primeiro projeto não apenas alcança o maior grau de liberdade, mas também minimiza o número de portas usadas, enquanto o último projeto requer o desenvolvimento de algoritmos dedicados para funções de front-end digital, mas pode ser implementado com ASICs, permitindo-nos aproveitar do conceito de rádio software.
Em geral, embora os rádios de software tenham sido originalmente desenvolvidos para comunicações militares de ondas curtas além do horizonte, por oferecerem um alto nível de fidelidade não encontrado em receptores analógicos, eles também oferecem excelente flexibilidade. Com uma pequena modificação, pode se adaptar e atender às necessidades de diferentes usuários, e seu custo é muito baixo. Aliado ao rápido desenvolvimento da tecnologia de processamento digital de sinais, ela vem sendo cada vez mais utilizada no campo da comunicação civil, principalmente na comunicação móvel. A aplicação no sistema é mais extensa.
