Là một công nghệ mới trong lĩnh vực truyền thông không dây, radio phần mềm (SDR) ngày càng thu hút được nhiều sự quan tâm cả bên trong và bên ngoài. Về lĩnh vực thông tin liên lạc, là hệ thống thông tin vô tuyến mới sau công nghệ tương tự sang công nghệ số, thông tin liên lạc cố định sang thông tin di động. Với sự phát triển của công nghệ truyền thông, thiết bị tương thích với nhiều loại tiêu chuẩn khác nhau ngày càng thể hiện rõ nhu cầu của nó. So với các hệ thống vô tuyến truyền thống, hệ thống vô tuyến phần mềm có một loạt các ưu điểm như cấu trúc chung, các chức năng dựa trên phần mềm và khả năng tương tác. .
Ⅰ. Nguồn gốc và sự phát triển của radio phần mềm
Lý do cho sự xuất hiện của radio phần mềm có liên quan đến Chiến tranh vùng Vịnh. Vào thời điểm đó, các lực lượng đa quốc gia do Hoa Kỳ dẫn đầu đã sử dụng nhiều loại thiết bị liên lạc với tiêu chuẩn khác nhau, điều này gây khó khăn trong việc liên lạc với nhau. Sau đó, vào tháng 5 năm 1992, Jeo Mitola lần đầu tiên đề xuất khái niệm "radio phần mềm" tại Hội nghị Hệ thống Truyền thông Hoa Kỳ. Ý tưởng cơ bản là làm cho tất cả các bộ đàm chiến thuật dựa trên cùng một nền tảng phần cứng, cài đặt các phần mềm khác nhau để tạo thành các loại bộ đàm khác nhau và hoàn thiện các chức năng của các bản chất khác nhau. Vì vậy, nó có khả năng lập trình phần mềm. Khái niệm này nhanh chóng thu hút sự quan tâm của các nước trên thế giới, bởi vì thông tin liên lạc quân sự ngày nay có yêu cầu cao hơn về độ tin cậy, khả năng tương tác, tính linh hoạt, chống nhiễu, khả năng sống sót, tính bảo mật và an ninh của hệ thống thông tin vô tuyến. Quân đội Mỹ và Hazcltine đã phát triển một đài phát thanh phần mềm gọi là "speakeasy" (dễ nói chuyện), phát triển một nền tảng vô tuyến đa băng tần và đa chức năng thường được quân đội Mỹ sử dụng. Hơn 4 dạng sóng điều chế khác nhau. Máy bộ đàm này có thể được gọi là một "máy tính cầm tay" với một ăng-ten có thể truyền giọng nói và dữ liệu. Các dịch vụ liên lạc bao gồm thoại, dữ liệu và hình ảnh video.
Hiện nay phần mềm vô tuyến điện ngày càng được quan tâm nhiều hơn trong lĩnh vực dân sự. Nguyên nhân chính là do các tiêu chuẩn kỹ thuật của hệ thống thông tin liên lạc hiện nay rất đa dạng, các tiêu chuẩn kỹ thuật khác nhau và các hệ thống tương ứng khó tương thích với nhau và khó thực hiện nó trong một thiết bị thống nhất. Và hệ thống thông tin di động thế hệ thứ ba vẫn có một trận chiến tiêu chuẩn, nếu vô tuyến phần mềm được sử dụng để thích ứng với các tiêu chuẩn khác nhau, đó là một cách khả thi. Mặt khác, sự phát triển của công nghệ truyền thông rất nhanh chóng, hệ thống cũ liên tục được cải tiến và hệ thống mới đang hình thành nhanh chóng. Con người cần một phương pháp nâng cấp hệ thống tiết kiệm hơn là loại bỏ hoàn toàn thiết bị cũ, khả năng lập trình của đài phần mềm tốt hơn. thích ứng với nhu cầu này.
Ⅱ. kiến trúc vô tuyến phần mềm
Phần tần số vô tuyến, chuyển đổi lên / xuống, lọc và xử lý băng tần cơ sở của hệ thống vô tuyến tương tự truyền thống đều áp dụng chế độ tương tự, và hệ thống thông tin liên lạc của một băng tần nhất định và một chế độ điều chế nhất định tương ứng với một cấu trúc cứng đặc biệt; trong khi phần tần số thấp của hệ thống vô tuyến kỹ thuật số sử dụng các mạch kỹ thuật số (Ví dụ: bộ dao động cục bộ sử dụng bộ tổng hợp tần số kỹ thuật số, mã hóa và giải mã nguồn, điều chế và giải điều chế được hoàn thành bởi một chip chuyên dụng), nhưng tần số vô tuyến và tần số trung gian của nó các bộ phận vẫn không thể tách rời khỏi mạch tương tự. So với hệ thống vô tuyến truyền thống, chuyển đổi A / D / A của hệ thống vô tuyến phần mềm được chuyển sang tần số trung gian, và càng gần đầu tần số vô tuyến càng tốt, toàn bộ dải tần của hệ thống được lấy mẫu, tức là kỹ thuật số xử lý được thực hiện từ tần số trung gian (hoặc thậm chí là tần số vô tuyến), đây là Một tính năng nổi bật của vô tuyến phần mềm. Đài kỹ thuật số sử dụng các mạch kỹ thuật số chuyên dụng để đạt được một chức năng liên lạc duy nhất mà không cần lập trình. Radio phần mềm thay thế mạch kỹ thuật số chuyên dụng bằng thiết bị DSP có thể lập trình, giúp cấu trúc và chức năng phần cứng của hệ thống tương đối độc lập. Bằng cách này, dựa trên nền tảng phần cứng tương đối phổ biến, các chức năng giao tiếp khác nhau có thể được thực hiện thông qua phần mềm và tần số hoạt động, băng thông hệ thống, chế độ điều chế, mã nguồn, v.v. có thể được lập trình và điều khiển, đồng thời tính linh hoạt của hệ thống được nâng cao đáng kể. .
Nền tảng phần cứng của đài phát thanh phần mềm sử dụng thiết kế mô-đun, phải là một nền tảng truyền thông có tính mở, khả năng mở rộng và khả năng tương thích, và được làm dưới dạng một bus với tiêu chuẩn mô-đun. Dựa trên nền tảng phần cứng tương đối phổ biến này, chúng tôi thực hiện các chức năng giao tiếp khác nhau bằng cách tải phần mềm khác nhau (thẻ có thể được thay thế khi cần). Nền tảng phần cứng của đài phát thanh phần mềm đòi hỏi cao hơn nhiều so với PC, nó cần thiết bị đầu cuối tần số vô tuyến băng rộng, bộ chuyển đổi A / D / A băng thông rộng, thiết bị DSP tốc độ cao, v.v. Để thực hiện chuyển đổi A / D / A tốc độ cao và xử lý tín hiệu kỹ thuật số, hệ thống vô tuyến phần mềm phải hoạt động song song với nhiều CPU. Ngoài ra, để dữ liệu xử lý tín hiệu số được trao đổi với tốc độ cao, bus hệ thống phải có tốc độ truyền T / O rất cao. Trong số các xe buýt hệ thống hiện tại đáp ứng các yêu cầu, xe buýt VME có công nghệ hoàn thiện nhất, tính linh hoạt tốt nhất và hỗ trợ rộng rãi nhất. VME cung cấp khả năng xử lý song song nhiều CPU, hỗ trợ bus dữ liệu và bus địa chỉ 32- bit độc lập và tốc độ đạt 40Mb / s (hoặc thậm chí 320Mb / s), về cơ bản đáp ứng các yêu cầu của radio phần mềm và là phương pháp bus ưu tiên cho đài phát thanh phần mềm. Ba, công nghệ quan trọng của đài phát thanh phần mềm
1. Chuyển đổi xuống đa băng tần và RF băng thông rộng
Đối với ăng ten của hệ thống vô tuyến phần mềm, nó phải có ăng ten đa băng tần và chức năng chuyển đổi tần số vô tuyến có thể lập trình được. Trên cơ sở đáp ứng độ lợi, kích thước vật lý và giá cả, ăng-ten phải có băng thông hoạt động là 2MHz -3 MHz. Trong kỹ thuật vô tuyến, không nhất thiết phải phủ toàn bộ dải tần mà chỉ cần phủ một số cửa sổ của các dải tần khác nhau. Do đó, có thể sử dụng anten đa băng tần kết hợp. Speakeasy của quân đội Mỹ là một giải pháp sử dụng nhiều bộ ăng-ten RF. Đối với RF băng thông rộng, điều chỉnh, kiểm soát năng lượng và cấu hình bộ tiền khuếch đại tiếng ồn thấp (LNA) cũng là một công nghệ quan trọng và thiết kế có sự hỗ trợ của máy tính (CAD) có thể được sử dụng để tối ưu hóa thiết kế của hệ thống.
2. Phần A / D băng thông rộng.
Chìa khóa để xác định hiệu suất của chuyển đổi tương tự-kỹ thuật số băng rộng là lấy mẫu và số lượng bit. Tốc độ lấy mẫu được xác định bởi băng thông tín hiệu, trong khi số lượng bit lượng tử hóa yêu cầu một dải động nhất định và độ chính xác DSP. Bởi vì ADC chip đơn hiện có không thể đáp ứng hai yêu cầu này, nhiều ADC có thể được sử dụng song song.
3. Phần DSP song song tốc độ cao.
Trong hoạt động xử lý số của hệ thống, khó nhất là chuyển đổi lên, lọc và lấy mẫu con. DSP song song tốc độ cao bao gồm các chức năng xử lý băng tần cơ sở, điều chế và giải điều chế, xử lý và giải mã dòng bit. Đối với hệ thống FM và trải phổ, bộ phận này cũng cần có chức năng đọc lại và loại bỏ. Để đạt được phần chức năng này, cần sử dụng DSP song song tốc độ cao để tạo thành một hệ thống tính toán song song đa bộ xử lý, bao gồm nhiều cuộc gọi truy cập hơn, bus chương trình và bus dữ liệu rộng hơn, lệnh đơn nhiều dữ liệu, lệnh đa dữ liệu. . Cấu trúc và việc sử dụng cấu trúc siêu lệnh, v.v., phần này có thể được thực hiện bằng chip mạch tích hợp kỹ thuật số chuyên dụng ASIC (ví dụ, chip DDC HS P50016 của tập đoàn Harris của Hoa Kỳ).
4. Để lại cấu trúc lộ trình chung về độ mở và khả năng mở rộng.
Trong cấu trúc hệ thống truyền thống, đường ống thường được sử dụng, có đặc điểm là mỗi đơn vị chức năng được kết nối bằng một mạch điện. Nếu chức năng của một bộ phận nào đó phải được thêm, xóa hoặc sửa đổi thì mô-đun chức năng tương ứng phải được điều chỉnh. Do đó, cấu trúc này Không mở. Để thực hiện sự kết nối giữa các đơn vị chức năng khác nhau trong hệ thống, một nền tảng phần cứng mở và có thể mở rộng được hình thành, đồng thời, nó có tốc độ truyền dữ liệu cao. Hệ thống vô tuyến phần mềm phải áp dụng một cấu trúc kết nối mới, có đặc điểm là thực hiện tương đối đơn giản và có thể áp dụng trực tiếp nhiều chuẩn bus khác nhau (như VME, bus, PCI bus, v.v.). , cấu trúc kết nối dựa trên bus.
5. Các giao thức và tiêu chuẩn phần mềm.
Từ giữa đến cuối những năm 1990, các nước ngoài đã nghiên cứu cách triển khai phần mềm cắm và chạy (Plug & Play), và đã đề xuất dựa trên đó. Các giao thức và tiêu chuẩn phần mềm JAVA / CORBA. Ý tưởng dựa trên "bus phần mềm" là thiết lập một kiến trúc dựa trên tiêu chuẩn, mở và dễ sử dụng. Cái gọi là "bus phần mềm" tương tự như "bus phần cứng" mà người ta thường nói. Mô-đun ứng dụng được tạo thành một bus theo tiêu chuẩn và hoạt động kết hợp có thể được thực hiện bằng cách chèn bus, do đó hỗ trợ môi trường máy tính phân tán. Ý tưởng thiết kế này phù hợp với khả năng tái sử dụng của phần mềm trong hệ thống phần mềm.
6. Công suất tiêu thụ, khối lượng và chi phí của hệ thống.
Đây là chìa khóa để thương mại hóa radio phần mềm, và giải pháp của nó phần lớn phụ thuộc vào sự phát triển của công nghệ phần cứng. Thứ tư, sự phát triển và triển vọng của đài phát thanh phần mềm
Kể từ những năm 1990, với sự phát triển nhanh chóng của các hệ thống thông tin liên lạc không dây khác nhau, sự khác biệt trong các tiêu chuẩn liên lạc vô tuyến, và sự tiến bộ của công nghệ xử lý tín hiệu số, công nghệ vô tuyến phần mềm ngày càng thu hút nhiều sự chú ý và nó được kỳ vọng sẽ trở thành một phương tiện liên lạc toàn cầu trong tương lai mạng. hệ thống mới.
Theo cấu trúc lý tưởng, tất cả các nhiệm vụ xử lý tín hiệu của đài phần mềm từ RF đến băng tần cơ sở được thực hiện ở dạng kỹ thuật số hoàn toàn, do đó nó hoàn toàn có thể lập trình được, và cấu trúc của nó cũng có thể cấu hình lại và tái tạo. Tuy nhiên, do không có bộ chuyển đổi A / D nào có thể áp dụng cho băng tần vô tuyến, một chủ đề khác đang được nghiên cứu hiện nay là mặt trước RF kỹ thuật số của phần mềm đài radio, đây là chìa khóa của việc số hóa toàn bộ tần số. ban nhạc.
Các thiết bị xử lý tín hiệu kỹ thuật số (DSP) hiện tại đã được sử dụng rộng rãi để xử lý tín hiệu trong các bộ phận như IF, băng tần gốc hoặc thiết bị đầu cuối, điều này đã đưa hiệu suất kỹ thuật của thiết bị vô tuyến lên một tầm cao mới và hiện đại, nhưng mặt trước RF của nó vẫn là băng thông hẹp . Đối với đài phát thanh phần mềm, bộ chuyển đổi A / D ở mặt trước RF của nó phải có khả năng xử lý toàn bộ dải tần liên lạc, thường từ 2MHz đến 3GHz. Ngoài ra, các đặc điểm điển hình của tín hiệu thông tin di động là mờ dần và bị che chắn, đồng thời có thể bị chặn và nhiễu mạnh. Do đó, phạm vi động của tín hiệu thông tin di động xuất hiện ở đầu RF nhận cao tới 100dB hoặc hơn. Nếu xét các tiêu chuẩn khác nhau của tín hiệu thông tin di động thì dải động của nó sẽ lớn hơn. Đối với hệ thống có băng thông 10MHz, tần số lấy mẫu lớn hơn 25MHz, đòi hỏi khả năng xử lý tính toán 2500MIPS, điều này còn lâu mới đáp ứng được các yêu cầu về môi trường tín hiệu được xử lý bởi RF front-end. Ngay cả với các bộ chuyển đổi A / D có khả năng đáp ứng các yêu cầu về băng thông và dải động, các yêu cầu về công suất của chúng vẫn có thể cản trở việc sử dụng các thiết bị đầu cuối di động. Phần mềm đài phát thanh được phát triển ở giai đoạn hiện tại không thể áp dụng cấu trúc lý tưởng của số hóa toàn bộ băng tần, mà phải áp dụng cấu trúc thực tế của số hóa một phần băng tần của giao diện người dùng Rf.
Tóm lại, radio phần mềm bao gồm hai nghĩa: một là mặt trước của tần số vô tuyến (RF), và hai là xử lý tín hiệu kỹ thuật số; các thành phần cốt lõi của nó là bộ chuyển đổi A / D / A băng thông rộng và chip DSP tốc độ cao. Ưu điểm lớn nhất của radio phần mềm là nó có thể hoàn thành các nhiệm vụ xử lý tín hiệu khác nhau trên nền phần cứng bằng cách xác định các thông số làm việc khác nhau và tổ chức lại cấu trúc kênh theo băng tần không dây và phương thức truy cập kênh. Do đó, giao diện người dùng kỹ thuật số chuyên dụng cho mỗi tiêu chuẩn làm việc có thể được thiết kế trên một nền tảng phần cứng chung hoặc có thể sử dụng tính phổ biến của các tiêu chuẩn làm việc khác nhau. Thiết kế cũ không chỉ đạt được mức độ tự do lớn nhất mà còn giảm thiểu số lượng cổng được sử dụng, trong khi thiết kế sau yêu cầu phát triển các thuật toán dành riêng cho các chức năng front-end kỹ thuật số, nhưng có thể được triển khai với ASIC, cho phép chúng tôi tận dụng của khái niệm radio phần mềm.
Nói chung, mặc dù bộ đàm phần mềm ban đầu được phát triển cho liên lạc quân sự sóng ngắn qua đường chân trời, bởi vì chúng cung cấp mức độ trung thực cao không có trong bộ thu tương tự, chúng cũng mang lại tính linh hoạt tuyệt vời. Với một chút sửa đổi, nó có thể thích ứng và đáp ứng các yêu cầu của những người dùng khác nhau và giá thành của nó rất thấp. Cùng với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ xử lý tín hiệu số, nó ngày càng được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực truyền thông dân dụng, đặc biệt là thông tin di động. Ứng dụng trong hệ thống được mở rộng hơn.
