Como una nueva tecnología en el campo de la comunicación inalámbrica, la radio por software (SDR) está atrayendo cada vez más la atención tanto dentro como fuera. En el campo de la comunicación, es un nuevo sistema de comunicación por radio después de la tecnología analógica a la tecnología digital, la comunicación fija a la comunicación móvil. Con el desarrollo de la tecnología de la comunicación, los equipos compatibles con varios tipos de estándares han mostrado cada vez más su demanda. En comparación con los sistemas de radio tradicionales, los sistemas de radio por software tienen una serie de ventajas, como la estructura general, las funciones basadas en software y la interoperabilidad. .
Ⅰ. El origen y desarrollo de la radio software
La razón del surgimiento de la radio por software está relacionada con la Guerra del Golfo. En ese momento, las fuerzas multinacionales dirigidas por los Estados Unidos utilizaron una variedad de equipos de comunicación de diferentes estándares, lo que provocó dificultades para comunicarse entre sí. Después de eso, en mayo de 1992, Jeo Mitola propuso por primera vez el concepto de "radio de software" en la Conferencia Americana de Sistemas de Comunicación. La idea básica es hacer que todas las radios tácticas se basen en la misma plataforma de hardware, instalar diferentes software para formar diferentes tipos de radios y completar funciones de diferente naturaleza. Así que tiene programabilidad de software. Este concepto atrajo rápidamente la atención de países de todo el mundo, porque las comunicaciones militares ahora tienen mayores requisitos de confiabilidad, interoperabilidad, flexibilidad, antiinterferencias, capacidad de supervivencia, confidencialidad y seguridad de los sistemas de comunicación por radio. El ejército de los EE. UU. y Hazcltine han desarrollado una estación de radio de software llamada "speakeasy" (fácil de hablar), que realiza una plataforma de radio multibanda y multifuncional comúnmente utilizada por el ejército de los EE. UU. Más de 4 formas de onda de modulación diferentes. Esta radio se puede llamar una "computadora de mano" con una antena que puede transmitir voz y datos. Los servicios de comunicación incluyen voz, datos e imágenes de video.
En la actualidad, la radio por software ha recibido cada vez más atención en el campo civil. La razón principal es que los estándares técnicos del sistema de comunicación actual son diversos, y es difícil que los diversos estándares técnicos y los sistemas correspondientes sean compatibles entre sí, y es difícil realizarlo con un dispositivo unificado. Y el sistema de comunicación móvil de tercera generación todavía tiene una batalla estándar, si se usa software de radio para adaptarse a diferentes estándares, es una forma factible. Por otro lado, el desarrollo de la tecnología de la comunicación es muy rápido, el antiguo sistema se mejora continuamente y el nuevo sistema está emergiendo rápidamente. La gente necesita un método de actualización del sistema que sea más económico que eliminar por completo el equipo antiguo, y la programabilidad del software de radio es mejor. adaptado a esta necesidad.
Ⅱ. la arquitectura de radio software
La parte de radiofrecuencia, la conversión ascendente/descendente, el filtrado y el procesamiento de banda base del sistema de radio analógico tradicional adoptan el modo analógico, y el sistema de comunicación de una determinada banda de frecuencia y un determinado modo de modulación corresponde a una estructura dura especial; mientras que la parte de baja frecuencia del sistema de radio digital adopta circuitos digitales (por ejemplo, el oscilador local usa un sintetizador de frecuencia digital, la codificación y decodificación de fuente, y la modulación y demodulación se completan con un chip dedicado), pero su radiofrecuencia y frecuencia intermedia las partes siguen siendo inseparables de los circuitos analógicos. En comparación con el sistema de radio tradicional, la conversión A/D/A del sistema de radio de software se mueve a la frecuencia intermedia, y lo más cerca posible del final de la frecuencia de radio, se muestrea toda la banda de frecuencia del sistema, es decir, el digital el procesamiento se realiza desde la frecuencia intermedia (o incluso la radiofrecuencia), que es una característica destacada del software de radio. La radio digital utiliza circuitos digitales dedicados para lograr una única función de comunicación sin programabilidad. El software de radio reemplaza el circuito digital dedicado con el dispositivo DSP programable, lo que hace que la estructura y el funcionamiento del hardware del sistema sean relativamente independientes. De esta manera, en base a una plataforma de hardware relativamente común, se pueden realizar diferentes funciones de comunicación a través del software, y la frecuencia operativa, el ancho de banda del sistema, el modo de modulación, el código fuente, etc. se pueden programar y controlar, y la flexibilidad del sistema se mejora considerablemente. .
La plataforma de hardware del software radio adopta un diseño modular, que debe ser una plataforma de comunicación con apertura, escalabilidad y compatibilidad, y se realiza en forma de bus con un estándar modular. Sobre la base de esta plataforma de hardware relativamente común, implementamos diferentes funciones de comunicación mediante la carga de software diferente (la tarjeta se puede reemplazar cuando sea necesario). La plataforma de hardware de software de radio es mucho más exigente que la PC, necesita un front-end de radiofrecuencia de banda ancha, un convertidor A/D/A de banda ancha, dispositivos DSP de alta velocidad, etc. Para realizar la conversión A/D/A de alta velocidad y el procesamiento de señales digitales, los sistemas de radio de software deben funcionar en paralelo con varias CPU. Además, para que los datos de procesamiento de señales digitales se intercambien a alta velocidad, el bus del sistema debe tener una tasa de transmisión T/O muy alta. Entre los buses del sistema actual que cumplen con los requisitos, el bus VME tiene la tecnología más madura, la mejor versatilidad y el soporte más amplio. VME proporciona procesamiento paralelo de CPU múltiple, admite bus de datos y bus de direcciones de 32- bits independientes, y la velocidad alcanza los 40 Mb/s (o incluso 320 Mb/s), lo que básicamente cumple con los requisitos del software de radio y es el método de bus preferido para programas de radio. Tres, la tecnología clave del software de radio.
1. Conversión descendente multibanda y RF de banda ancha
Para la antena del sistema de radio software, debe tener una antena multibanda y una función de conversión de frecuencia de radio programable. Sobre la base de satisfacer la ganancia de la antena, el tamaño físico y el precio, debería tener un ancho de banda de trabajo de 2MHz-3MHz. En ingeniería de radio, no es necesario cubrir la banda de frecuencia completa, sino que solo es necesario cubrir varias ventanas de diferentes bandas de frecuencia. Por lo tanto, se puede utilizar una antena multibanda combinada. El bar clandestino del ejército de EE. UU. es una solución que utiliza múltiples conjuntos de antenas de RF. Para RF de banda ancha, la sintonización, el control de energía y la configuración del preamplificador de bajo ruido (LNA) también son una tecnología clave, y el diseño asistido por computadora (CAD) se puede utilizar para optimizar el diseño del sistema.
2. Parte A/D de banda ancha.
La clave para determinar el rendimiento de la conversión de analógico a digital de banda ancha es el muestreo y la cantidad de bits. La tasa de muestreo está determinada por el ancho de banda de la señal, mientras que el número de bits de cuantificación requiere un cierto rango dinámico y precisión DSP. Debido a que el ADC de un solo chip existente no puede cumplir con estos dos requisitos, se pueden usar varios ADC en paralelo.
3. Parte DSP paralela de alta velocidad.
En la operación de procesamiento digital del sistema, lo más difícil es la conversión ascendente, el filtrado y el submuestreo. El DSP paralelo de alta velocidad incluye procesamiento de banda base digital, modulación y demodulación, procesamiento de flujo de bits y funciones de decodificación. Para sistemas FM y de espectro ensanchado, esta parte también debe tener funciones de desensanchamiento y reducción de saltos. Para lograr esta parte de la función, es necesario utilizar un DSP paralelo de alta velocidad para formar un sistema informático paralelo multiprocesador, que incluye más llamadas de acceso múltiple, bus de programa y bus de datos más amplio, datos múltiples de instrucción única, datos múltiples de instrucción múltiple . La estructura y el uso de la estructura de superinstrucción, etc., esta parte se puede realizar mediante un chip ASIC de circuito integrado digital dedicado (por ejemplo, el chip DDC HS P50016 de Harris Corporation de los Estados Unidos).
4. Salir de la estructura general de rutas de apertura y escalabilidad.
En la estructura del sistema tradicional se utiliza generalmente el pipeline, el cual se caracteriza porque cada unidad funcional está conectada por un circuito. Si se va a agregar, eliminar o modificar la función de una determinada parte, se debe ajustar el módulo funcional correspondiente. Por lo tanto, esta estructura No abierta. Para realizar la interconexión de varias unidades funcionales en el sistema, se forma una plataforma de hardware abierta y extensible y, al mismo tiempo, tiene una alta tasa de rendimiento de datos. El sistema de radio de software debe adoptar una nueva estructura de interconexión, que se caracteriza por una implementación relativamente simple y puede aplicar directamente una variedad de estándares de bus (como VME, bus, bus PCI, etc.). , estructura de interconexión basada en bus.
5. Protocolos y estándares de software.
Desde mediados hasta fines de la década de 1990, los países extranjeros han estado estudiando cómo implementar software plug and play (Plug & Play) y han propuesto en base a él. Protocolos y estándares de software JAVA/CORBA. La idea basada en el "bus de software" es establecer una arquitectura basada en estándares, abierta y fácil de usar. El llamado "bus de software" es similar al "bus de hardware" que se suele decir. El módulo de aplicación se convierte en un bus de acuerdo con el estándar, y la operación combinada se puede realizar insertando el bus, lo que respalda un entorno informático distribuido. Esta idea de diseño es coherente con la reutilización del software en los sistemas de software.
6. Consumo de energía, volumen y costo del sistema.
Esta es la clave para la comercialización del software de radio, y su solución depende en gran medida del desarrollo de la tecnología del hardware. En cuarto lugar, el desarrollo y la perspectiva de la radio software.
Desde la década de 1990, con el rápido desarrollo de varios sistemas de comunicación inalámbrica, las diferencias en los estándares de comunicación por radio y el avance de la tecnología de procesamiento de señales digitales, la tecnología de software de radio ha atraído cada vez más atención y se espera que se convierta en una futura comunicación global. la red. nuevo sistema.
De acuerdo con la estructura ideal, todas las tareas de procesamiento de señales de la estación de radio de software desde RF hasta banda base se llevan a cabo en forma completamente digital, por lo que es completamente programable y su estructura también es reconfigurable y reproducible. Sin embargo, debido a que no existe un convertidor A/D que se pueda aplicar a la banda de radiofrecuencia, otro tema que se está investigando ahora es el frente de RF digital de la estación de radio de software, que es la clave para la digitalización de toda la frecuencia. banda.
Los dispositivos de procesamiento de señales digitales (DSP) existentes se han utilizado ampliamente para el procesamiento de señales en partes como IF, banda base o terminal, lo que ha llevado el rendimiento técnico de los equipos de radio a un nivel nuevo y moderno, pero su interfaz de RF sigue siendo de banda estrecha. . Para la estación de radio de software, el convertidor A/D en su interfaz de RF debe poder manejar toda la banda de frecuencia de comunicación, generalmente de 2 MHz a 3 GHz. Además, las características típicas de las señales de comunicación móvil son el desvanecimiento y el blindaje, y puede haber fuertes bloqueos e interferencias. Como resultado, el rango dinámico de las señales de comunicación móvil que aparecen en el extremo receptor de RF es de 100 dB o más. Si se consideran diferentes estándares de señales de comunicación móvil, su rango dinámico será mayor. Para un sistema con un ancho de banda de 10 MHz, la frecuencia de muestreo es superior a 25 MHz, lo que requiere 2500 MIPS de capacidad de procesamiento informático, lo que está lejos de cumplir con los requisitos del entorno de señal para ser procesado por el front-end de RF. Incluso con convertidores A/D capaces de cumplir con los requisitos de ancho de banda y rango dinámico, sus requisitos de potencia aún pueden dificultar el uso de terminales móviles. La estación de radio de software desarrollada en la etapa actual no puede adoptar la estructura ideal de digitalización de banda de frecuencia completa, pero adopta la estructura práctica de digitalización de banda de frecuencia parcial del front-end Rf.
En resumen, el software de radio contiene dos significados: uno es el front-end de radiofrecuencia (RF) y el otro es el procesamiento de señales digitales; sus componentes principales son convertidores A/D/A de banda ancha y chips DSP de alta velocidad. La mayor ventaja del software de radio es que puede completar varias tareas de procesamiento de señales en la plataforma de hardware definiendo varios parámetros de trabajo y reorganizando la estructura del canal de acuerdo con la banda inalámbrica y el método de acceso al canal. Por lo tanto, se puede diseñar una interfaz digital dedicada para cada estándar de trabajo en una plataforma de hardware común, o se puede utilizar la similitud de diferentes estándares de trabajo. El primer diseño no solo logra el mayor grado de libertad, sino que también minimiza la cantidad de puertas utilizadas, mientras que el segundo diseño requiere el desarrollo de algoritmos dedicados para funciones de interfaz digital, pero se puede implementar con ASIC, lo que nos permite aprovechar del concepto de radio software.
En general, aunque las radios de software se desarrollaron originalmente para comunicaciones militares de onda corta sobre el horizonte, debido a que ofrecen un alto nivel de fidelidad que no se encuentra en los receptores analógicos, también ofrecen una excelente flexibilidad. Con una pequeña modificación, puede adaptarse y cumplir con los requisitos de diferentes usuarios, y su costo es muy bajo. Junto con el rápido desarrollo de la tecnología de procesamiento de señales digitales, se ha utilizado cada vez más en el campo de la comunicación civil, especialmente en la comunicación móvil. La aplicación en el sistema es más extensa.
