כטכנולוגיה חדשה בתחום התקשורת האלחוטית, רדיו תוכנה (SDR) מושך יותר ויותר תשומת לב גם מבפנים וגם מבחוץ. בתחום התקשורת, מדובר במערכת תקשורת רדיו חדשה לאחר טכנולוגיה אנלוגית לטכנולוגיה דיגיטלית, תקשורת קבועה לתקשורת ניידת. עם התפתחות טכנולוגיית התקשורת, ציוד התואם לסוגי סטנדרטים שונים הראה יותר ויותר את הביקוש שלו. בהשוואה למערכות רדיו מסורתיות, למערכות רדיו תוכנה יש שורה של יתרונות כמו מבנה כללי, פונקציות מבוססות תוכנה ויכולת פעולה הדדית. .
Ⅰ. המקור והפיתוח של רדיו תוכנה
הסיבה להופעתו של רדיו תוכנה קשורה למלחמת המפרץ. באותה תקופה השתמשו הכוחות הרב לאומיים בראשות ארצות הברית במגוון ציוד תקשורת בסטנדרטים שונים, מה שגרם לקשיים בתקשורת זה עם זה. לאחר מכן, במאי 1992, הציע ג'או מיטולה לראשונה את המושג "רדיו תוכנה" בוועידת מערכות התקשורת האמריקאית. הרעיון הבסיסי הוא ליצור את כל מכשירי הרדיו הטקטיים המבוססים על אותה פלטפורמת חומרה, להתקין תוכנות שונות כדי ליצור סוגים שונים של מכשירי קשר, ולהשלים פונקציות בעלות אופי שונה. אז יש לו תכנות תוכנה. מושג זה משך במהירות את תשומת הלב של מדינות ברחבי העולם, מכיוון שלתקשורת צבאית יש כיום דרישות גבוהות יותר לאמינות, יכולת פעולה הדדית, גמישות, נגד שיבוש, שרידות, סודיות ואבטחה של מערכות תקשורת רדיו. צבא ארה"ב ו-Hazcltine פיתחו תחנת רדיו תוכנה בשם "speakeasy" (קל לדבר), המיישמת פלטפורמת רדיו מרובת רצועות ורב תפקודיות הנפוצה בשימוש הצבא האמריקאי. יותר מ-4 צורות גל אפנון שונות. אפשר לקרוא לרדיו הזה "מחשב כף יד" עם אנטנה שיכולה להעביר קול ונתונים. שירותי התקשורת כוללים קול, נתונים ותמונות וידאו.
כיום, רדיו תוכנה קיבל יותר ויותר תשומת לב בתחום האזרחי. הסיבה העיקרית היא שהתקנים הטכניים של מערכת התקשורת הנוכחית הם מגוונים, והתקנים הטכניים השונים והמערכות המתאימות מתקשים להיות תואמים זה לזה, וקשה לממש זאת במכשיר מאוחד. ולמערכת התקשורת הניידת מהדור השלישי עדיין יש קרב סטנדרטי, אם משתמשים ברדיו תוכנה כדי להסתגל לסטנדרטים שונים, זו דרך אפשרית. מצד שני, התפתחות טכנולוגיית התקשורת מהירה מאוד, המערכת הישנה משתפרת ללא הרף, והמערכת החדשה צומחת במהירות. אנשים צריכים שיטת שדרוג מערכת חסכונית יותר מביטול מוחלט של הציוד הישן, והיכולת לתכנות של רדיו התוכנה טובה יותר. מותאם לצורך זה.
Ⅱ. ארכיטקטורת הרדיו של התוכנה
חלק תדר הרדיו, המרה למעלה/מטה, סינון ועיבוד פס הבסיס של מערכת הרדיו האנלוגית המסורתית מאמצים כולם את המצב האנלוגי, ומערכת התקשורת של פס תדר מסוים ומצב אפנון מסוים תואמת מבנה קשיח מיוחד; בעוד שחלק התדרים הנמוכים של מערכת הרדיו הדיגיטלית מאמץ מעגלים דיגיטליים (לדוגמה, המתנד המקומי משתמש בסינתיסייזר תדרים דיגיטלי, קידוד ופענוח מקור, והאפנון והדמודולציה מושלמים על ידי שבב ייעודי), אבל בתדר הרדיו ובתדר הביניים שלו. חלקים עדיין בלתי נפרדים ממעגלים אנלוגיים. בהשוואה למערכת הרדיו המסורתית, המרת ה-A/D/A של מערכת הרדיו התוכנה מועברת לתדר הביניים, וקרוב ככל האפשר לקצה תדר הרדיו, נדגמים כל רצועת התדרים של המערכת, כלומר הדיגיטלית. העיבוד מתבצע מתדר הביניים (או אפילו מתדר הרדיו), שהוא מאפיין בולט של רדיו תוכנה. רדיו דיגיטלי משתמש במעגלים דיגיטליים ייעודיים כדי להשיג פונקציית תקשורת אחת ללא יכולת תיכנות. רדיו התוכנה מחליף את המעגל הדיגיטלי הייעודי בהתקן ה-DSP הניתן לתכנות, מה שהופך את מבנה החומרה והתפקוד של המערכת לבלתי תלויים יחסית. בדרך זו, בהתבסס על פלטפורמת חומרה נפוצה יחסית, ניתן לממש פונקציות תקשורת שונות באמצעות תוכנה, ולתכנת ולשלוט בתדר ההפעלה, רוחב הפס של המערכת, מצב אפנון, קוד מקור וכו', ולשפר מאוד את גמישות המערכת. .
פלטפורמת החומרה של רדיו התוכנה מאמצת עיצוב מודולרי, שחייב להיות פלטפורמת תקשורת עם פתיחות, מדרגיות ותאימות, והיא עשויה לצורת אפיק עם תקן מודולרי. בהתבסס על פלטפורמת חומרה נפוצה יחסית זו, אנו מיישמים פונקציות תקשורת שונות על ידי טעינת תוכנות שונות (ניתן להחליף את הכרטיס בעת הצורך). פלטפורמת החומרה של רדיו תוכנה תובענית הרבה יותר ממחשב, היא זקוקה לחזית תדר רדיו רחב פס, ממיר A/D/A רחב פס, התקני DSP מהירים וכן הלאה. על מנת לבצע המרה A/D/A במהירות גבוהה ועיבוד אותות דיגיטלי, מערכות רדיו תוכנה חייבות לעבוד במקביל למעבדים מרובים. בנוסף, כדי שיחליפו נתוני עיבוד אותות דיגיטליים במהירות גבוהה, על אפיק המערכת להיות בעל קצב שידור T/O גבוה מאוד. בין אוטובוסים המערכת הנוכחיים העומדים בדרישות, לאוטובוס ה-VME יש את הטכנולוגיה הבוגרת ביותר, את הרבגוניות הטובה ביותר ואת התמיכה הנרחבת ביותר. VME מספק מספר רב של עיבוד מעבד מקביל, תומך באפיק נתונים ואפיק כתובת סיביות עצמאיים של 32-, והקצב מגיע ל-40Mb/s (או אפילו 320Mb/s), מה שעומד בעצם בדרישות של רדיו תוכנה ומהווה שיטת האוטובוס המועדפת לרדיו תוכנה. שלוש, טכנולוגיית המפתח של רדיו תוכנה
1. המרת מטה מרובת פס ו-RF רחב פס
עבור האנטנה של מערכת הרדיו התוכנה, היא צריכה להיות בעלת אנטנה מרובת פסים ופונקציית המרת תדרי רדיו הניתנת לתכנות. על בסיס עמידה בהגברת האנטנה, הגודל הפיזי והמחיר, הוא צריך להיות בעל רוחב פס עבודה של 2MHz-3MHz. בהנדסת רדיו, אין צורך לכסות את רצועת התדרים המלאה, אלא רק לכסות מספר חלונות של פסי תדרים שונים. לכן, ניתן להשתמש באנטנה משולבת מרובת פסים. ה-speakeasy של צבא ארה"ב הוא פתרון המשתמש במספר סטים של אנטנות RF. עבור RF רחב בפס, כוונון, בקרת אנרגיה ותצורת קדם מגבר (LNA) עם רעש נמוך היא גם טכנולוגיית מפתח, וניתן להשתמש בתכנון בעזרת מחשב (CAD) כדי לייעל את העיצוב של המערכת.
2. חלק A/D בפס רחב.
המפתח לקביעת הביצועים של המרה אנלוגית לדיגיטלית בפס רחב הוא הדגימה ומספר הביטים. קצב הדגימה נקבע על ידי רוחב הפס של האות, בעוד שמספר סיביות הקוונטיזציה דורש טווח דינמי מסוים ודיוק DSP. מכיוון שה-ADC הקיים עם שבב יחיד אינו יכול לעמוד בשתי הדרישות הללו, ניתן להשתמש במספר ADCs במקביל.
3. חלק DSP מקביל במהירות גבוהה.
בפעולת העיבוד הדיגיטלי של המערכת, הקשה ביותר הוא המרה למעלה, סינון ותת דגימה. ה-DSP המקבילי במהירות גבוהה כולל עיבוד פס בסיס דיגיטלי, אפנון ודמודולציה, עיבוד זרם סיביות ופונקציות פענוח. עבור מערכות FM וספקטרום מפוזר, חלק זה אמור לכלול גם פונקציות של ביטול התפשטות והרחה. כדי להשיג חלק זה של הפונקציה, יש צורך להשתמש ב-DSP מקבילי במהירות גבוהה כדי ליצור מערכת מחשוב מקבילית מרובת מעבדים, הכוללת יותר שיחות גישה מרובות, אפיק תוכנית רחב יותר ואפיק נתונים, נתונים מרובים של הוראה בודדת, נתונים מרובים של הוראות. . המבנה והשימוש במבנה הוראות-על וכו', חלק זה יכול להתממש על-ידי שבב מעגל משולב דיגיטלי ייעודי ASIC (לדוגמה, שבב DDC HS P50016 של חברת Harris Corporation מארצות הברית).
4. עזיבת מבנה המסלול הכללי של פתיחות ומדרגיות.
במבנה המערכת המסורתי, נעשה שימוש בדרך כלל בצינור, המאופיין בכך שכל יחידה פונקציונלית מחוברת במעגל. אם יש להוסיף, למחוק או לשנות את הפונקציה של חלק מסוים, יש להתאים את המודול הפונקציונלי המתאים. לכן, מבנה זה לא פתוח. על מנת לממש את החיבור בין יחידות פונקציונליות שונות במערכת, נוצרת פלטפורמת חומרה פתוחה וניתנת להרחבה, ובמקביל היא בעלת קצב תפוקת נתונים גבוה. מערכת הרדיו התוכנה חייבת לאמץ מבנה חיבור חדש, המתאפיין ביישום פשוט יחסית ויכול ליישם ישירות מגוון תקני אפיק (כגון VME, אוטובוס, אפיק PCI וכו'). , מבנה קישורים מבוסס אוטובוס.
5. פרוטוקולי תוכנה ותקנים.
מאז אמצע עד סוף שנות ה-90, מדינות זרות לומדות כיצד ליישם תוכנה Plug and Play (Plug & Play), והציעו על סמך זה. פרוטוקולים ותקנים של תוכנת JAVA/CORBA. הרעיון המבוסס על "אוטובוס תוכנה" הוא להקים ארכיטקטורה מבוססת סטנדרט, פתוחה וקלה לשימוש. מה שנקרא "אוטובוס תוכנה" דומה ל"אוטובוס החומרה" שנאמר לעתים קרובות. מודול היישום נעשה לאפיק לפי התקן, וניתן לממש את הפעולה המשולבת על ידי הכנסת האוטובוס, ובכך לתמוך בסביבת מחשוב מבוזרת. רעיון עיצוב זה תואם את השימוש החוזר של תוכנה במערכות תוכנה.
6. צריכת חשמל, נפח ועלות המערכת.
זהו המפתח למסחור של רדיו תוכנה, והפתרון שלו תלוי במידה רבה בפיתוח טכנולוגיית החומרה. רביעית, הפיתוח והסיכוי של רדיו תוכנה
מאז שנות ה-90, עם ההתפתחות המהירה של מערכות תקשורת אלחוטיות שונות, ההבדלים בתקני תקשורת רדיו והתקדמות טכנולוגיית עיבוד אותות דיגיטליים, טכנולוגיית רדיו תוכנה משכה יותר ויותר תשומת לב, והיא צפויה להפוך לתקשורת גלובלית עתידית. רֶשֶׁת. מערכת חדשה.
על פי המבנה האידיאלי, כל משימות עיבוד האותות של תחנת הרדיו התוכנה מ-RF ועד פס הבסיס מתבצעות בצורה דיגיטלית מלאה, כך שהיא ניתנת לתכנות לחלוטין, וגם המבנה שלה ניתן להגדרה מחדש וניתן לשחזור. עם זאת, מכיוון שאין ממיר A/D שניתן להחיל על רצועת תדרי הרדיו, נושא נוסף שנחקר כעת הוא החזית ה-RF הדיגיטלית של תחנת הרדיו התוכנה, המהווה את המפתח לדיגיטציה של כל התדר. לְהִתְאַגֵד.
התקני עיבוד אותות דיגיטליים (DSP) קיימים נמצאים בשימוש נרחב לעיבוד אותות בחלקים כגון IF, פס בסיס או מסוף, מה שהביא את הביצועים הטכניים של ציוד רדיו לרמה חדשה ומודרנית, אך קצה ה-RF שלו עדיין צר פס. . עבור תחנת הרדיו התוכנה, ממיר ה-A/D בקצה הקדמי של ה-RF חייב להיות מסוגל להתמודד עם כל פס תדרי התקשורת, בדרך כלל מ-2MHz עד 3GHz. בנוסף, המאפיינים האופייניים של אותות תקשורת סלולרית הם דהייה ומיגון, וייתכנו חסימה והפרעות חזקות. כתוצאה מכך, הטווח הדינמי של אותות תקשורת ניידת המופיעים בקצה ה-RF המקבל גבוה עד 100dB או יותר. אם בוחנים סטנדרטים שונים של אותות תקשורת ניידת, הטווח הדינמי שלו יהיה גדול יותר. עבור מערכת עם רוחב פס של 10 מגה-הרץ, תדר הדגימה גדול מ-25 מגה-הרץ, מה שמצריך 2500MIPS של יכולת עיבוד מחשוב, אשר רחוקה מלעמוד בדרישות סביבת האותות שיעובדו על-ידי החזית ה-RF. אפילו עם ממירי A/D המסוגלים לעמוד בדרישות רוחב פס וטווח דינמי, דרישות ההספק שלהם עדיין יכולות להפריע לשימוש במסופים ניידים. תחנת הרדיו התוכנה שפותחה בשלב הנוכחי אינה יכולה לאמץ את המבנה האידיאלי של דיגיטציה של פס תדרים מלא, אלא מאמצת את המבנה המעשי של דיגיטציה חלקית של פס תדרים של קצה Rf.
לסיכום, רדיו תוכנה מכיל שתי משמעויות: האחת היא הקצה הקדמי של תדר רדיו (RF), והשנייה היא עיבוד אותות דיגיטלי; מרכיבי הליבה שלו הם ממירי A/D/A בפס רחב ושבבי DSP מהירים. היתרון הגדול ביותר של רדיו תוכנה הוא בכך שהוא יכול להשלים משימות שונות של עיבוד אותות בפלטפורמת החומרה על ידי הגדרת פרמטרי עבודה שונים וארגון מחדש של מבנה הערוץ לפי שיטת הגישה האלחוטית וגישה לערוצים. לכן, ניתן לעצב חזית דיגיטלית ייעודית לכל תקן עבודה על פלטפורמת חומרה משותפת, או לנצל את המשותף של תקני עבודה שונים. העיצוב הקודם לא רק משיג את מידת החופש הגבוהה ביותר, אלא גם ממזער את מספר השערים בשימוש, בעוד שהעיצוב האחרון דורש פיתוח של אלגוריתמים ייעודיים לפונקציות חזית דיגיטליות, אך ניתן ליישם אותו עם ASICs, מה שמאפשר לנו לנצל את היתרון של הרעיון של רדיו תוכנה.
באופן כללי, למרות שמכשירי רדיו תוכנה פותחו במקור לתקשורת צבאית בגלים קצרים מעל האופק, מכיוון שהם מציעים רמת נאמנות גבוהה שאינה מצויה במקלטים אנלוגיים, הם גם מציעים גמישות מצוינת. עם שינוי קטן, הוא יכול להסתגל ולעמוד בדרישות של משתמשים שונים, ועלותו נמוכה מאוד. יחד עם ההתפתחות המהירה של טכנולוגיית עיבוד אותות דיגיטליים, נעשה בו שימוש הולך וגובר בתחום התקשורת האזרחית, במיוחד בתקשורת ניידת. היישום במערכת נרחב יותר.
