Sebagai teknologi baru di bidang komunikasi nirkabel, software radio (SDR) semakin menarik perhatian baik di dalam maupun di luar. Di bidang komunikasi, ini adalah sistem komunikasi radio baru setelah teknologi analog ke teknologi digital, komunikasi tetap ke komunikasi bergerak. Dengan berkembangnya teknologi komunikasi, peralatan yang kompatibel dengan berbagai tipe standar semakin menunjukkan permintaannya. Dibandingkan dengan sistem radio tradisional, sistem radio perangkat lunak memiliki serangkaian keunggulan seperti struktur umum, fungsi berbasis perangkat lunak, dan interoperabilitas. .
Ⅰ. Asal usul dan pengembangan perangkat lunak radio
Alasan munculnya perangkat lunak radio terkait dengan Perang Teluk. Pada saat itu, pasukan multinasional yang dipimpin oleh Amerika Serikat menggunakan berbagai peralatan komunikasi dengan standar yang berbeda, yang menyebabkan kesulitan dalam berkomunikasi satu sama lain. Setelah itu, pada Mei 1992, Jeo Mitola pertama kali mengajukan konsep "radio perangkat lunak" pada Konferensi Sistem Komunikasi Amerika. Ide dasarnya adalah untuk membuat semua radio taktis berdasarkan platform perangkat keras yang sama, menginstal perangkat lunak yang berbeda untuk membentuk berbagai jenis radio, dan menyelesaikan fungsi dari sifat yang berbeda. Jadi memiliki programabilitas perangkat lunak. Konsep ini dengan cepat menarik perhatian negara-negara di seluruh dunia, karena komunikasi militer sekarang memiliki persyaratan yang lebih tinggi untuk keandalan, interoperabilitas, fleksibilitas, anti-jamming, kemampuan bertahan, kerahasiaan, dan keamanan sistem komunikasi radio. Militer AS dan Hazcltine telah mengembangkan stasiun radio perangkat lunak yang disebut "speakeasy" (easy to talk), yang mewujudkan platform radio multi-band dan multi-fungsi yang biasa digunakan oleh militer AS. Lebih dari 4 bentuk gelombang modulasi yang berbeda. Radio ini bisa disebut "komputer genggam" dengan antena yang dapat mengirimkan suara dan data. Layanan komunikasi meliputi suara, data, dan gambar video.
Saat ini, radio perangkat lunak semakin mendapat perhatian di bidang sipil. Alasan utamanya adalah bahwa standar teknis dari sistem komunikasi saat ini beragam, dan berbagai standar teknis dan sistem yang sesuai sulit untuk kompatibel satu sama lain, dan sulit untuk mewujudkannya dengan perangkat terpadu. Dan sistem komunikasi seluler generasi ketiga masih memiliki pertempuran standar, jika radio perangkat lunak digunakan untuk beradaptasi dengan standar yang berbeda, itu adalah cara yang layak. Di sisi lain, perkembangan teknologi komunikasi sangat pesat, sistem lama terus ditingkatkan, dan sistem baru bermunculan dengan cepat. Orang membutuhkan metode peningkatan sistem yang lebih ekonomis daripada menghilangkan sepenuhnya peralatan lama, dan kemampuan program radio perangkat lunak lebih baik. disesuaikan dengan kebutuhan ini.
Ⅱ. arsitektur radio perangkat lunak
Bagian frekuensi radio, konversi naik/turun, penyaringan dan pemrosesan pita dasar dari sistem radio analog tradisional semuanya mengadopsi mode analog, dan sistem komunikasi pita frekuensi tertentu dan mode modulasi tertentu sesuai dengan struktur keras khusus; sedangkan bagian frekuensi rendah dari sistem radio digital mengadopsi sirkuit digital (Misalnya, osilator lokal menggunakan synthesizer frekuensi digital, pengkodean dan decoding sumber, dan modulasi dan demodulasi diselesaikan oleh chip khusus), tetapi frekuensi radio dan frekuensi menengahnya bagian yang masih tidak terpisahkan dari rangkaian analog. Dibandingkan dengan sistem radio tradisional, konversi A/D/A dari sistem radio perangkat lunak dipindahkan ke frekuensi menengah, dan sedekat mungkin ke ujung frekuensi radio, seluruh pita frekuensi sistem diambil sampelnya, yaitu digital pemrosesan dilakukan dari frekuensi menengah (atau bahkan frekuensi radio), yang merupakan fitur menonjol dari radio perangkat lunak. Radio digital menggunakan sirkuit digital khusus untuk mencapai fungsi komunikasi tunggal tanpa kemampuan program. Radio perangkat lunak menggantikan sirkuit digital khusus dengan perangkat DSP yang dapat diprogram, yang membuat struktur dan fungsi perangkat keras sistem relatif independen. Dengan cara ini, berdasarkan platform perangkat keras yang relatif umum, fungsi komunikasi yang berbeda dapat diwujudkan melalui perangkat lunak, dan frekuensi operasi, bandwidth sistem, mode modulasi, kode sumber, dll. dapat diprogram dan dikendalikan, dan fleksibilitas sistem sangat ditingkatkan. .
Platform perangkat keras dari radio perangkat lunak mengadopsi desain modular, yang harus menjadi platform komunikasi dengan keterbukaan, skalabilitas dan kompatibilitas, dan dibuat dalam bentuk bus dengan standar modular. Berdasarkan platform perangkat keras yang relatif umum ini, kami menerapkan fungsi komunikasi yang berbeda dengan memuat perangkat lunak yang berbeda (kartu dapat diganti bila diperlukan). Platform perangkat keras radio perangkat lunak jauh lebih menuntut daripada PC, ia membutuhkan ujung depan frekuensi radio pita lebar, konverter A/D/A pita lebar, perangkat DSP berkecepatan tinggi, dan sebagainya. Untuk melakukan konversi A/D/A berkecepatan tinggi dan pemrosesan sinyal digital, sistem radio perangkat lunak harus bekerja secara paralel dengan beberapa CPU. Selain itu, agar data pemrosesan sinyal digital dipertukarkan dengan kecepatan tinggi, bus sistem harus memiliki laju transmisi T/O yang sangat tinggi. Di antara bus sistem saat ini yang memenuhi persyaratan, bus VME memiliki teknologi paling matang, keserbagunaan terbaik, dan dukungan paling luas. VME menyediakan beberapa pemrosesan paralel CPU, mendukung bus data dan bus alamat 32-bit independen, dan kecepatannya mencapai 40Mb/dtk (atau bahkan 320Mb/dtk), yang pada dasarnya memenuhi persyaratan radio perangkat lunak dan merupakan metode bus yang disukai untuk perangkat lunak radio. Tiga, teknologi utama radio perangkat lunak
1. Multi-band down-conversion dan RF broadband
Untuk antena sistem radio perangkat lunak, antena harus memiliki antena multi-band dan fungsi konversi frekuensi radio yang dapat diprogram. Atas dasar pemenuhan penguatan antena, ukuran fisik dan harga, antena tersebut harus memiliki bandwidth kerja 2MHz-3MHz. Dalam teknik radio, tidak perlu menutupi pita frekuensi penuh, tetapi hanya perlu menutupi beberapa jendela dari pita frekuensi yang berbeda. Oleh karena itu, antena multi-band gabungan dapat digunakan. Speakeasy militer AS adalah solusi yang menggunakan beberapa set antena RF. Untuk RF broadband, penyetelan, kontrol energi, dan konfigurasi low-noise preamplifier (LNA) juga merupakan teknologi utama, dan desain berbantuan komputer (CAD) dapat digunakan untuk mengoptimalkan desain sistem.
2. Bagian A/D Broadband.
Kunci untuk menentukan kinerja konversi analog-ke-digital pita lebar adalah pengambilan sampel dan jumlah bit. Sampling rate ditentukan oleh bandwidth sinyal, sedangkan jumlah bit kuantisasi membutuhkan rentang dinamis dan presisi DSP tertentu. Karena ADC chip tunggal yang ada tidak dapat memenuhi kedua persyaratan ini, beberapa ADC dapat digunakan secara paralel.
3. Bagian DSP paralel berkecepatan tinggi.
Dalam operasi pemrosesan digital sistem, yang paling sulit adalah konversi, penyaringan, dan sub-sampling. DSP paralel berkecepatan tinggi mencakup pemrosesan pita dasar digital, modulasi dan demodulasi, pemrosesan aliran bit, dan fungsi decoding. Untuk sistem FM dan spread spectrum, bagian ini juga harus memiliki fungsi despreading dan dehopping. Untuk mencapai bagian fungsi ini, perlu menggunakan DSP paralel berkecepatan tinggi untuk membentuk sistem komputasi paralel multi-prosesor, termasuk lebih banyak panggilan akses, bus program dan bus data yang lebih luas, banyak data instruksi tunggal, banyak data instruksi ganda . Struktur dan penggunaan struktur super-instruksi, dll., Bagian ini dapat diwujudkan dengan chip sirkuit terintegrasi digital khusus ASIC (misalnya, chip DDC HS P50016 dari Harris Corporation dari Amerika Serikat).
4. Meninggalkan struktur rute umum keterbukaan dan skalabilitas.
Dalam struktur sistem tradisional, pipa umumnya digunakan, yang dicirikan bahwa setiap unit fungsional dihubungkan oleh sirkuit. Jika fungsi bagian tertentu akan ditambahkan, dihapus atau diubah, modul fungsional yang sesuai harus disesuaikan. Oleh karena itu, struktur ini Tidak terbuka. Untuk mewujudkan interkoneksi berbagai unit fungsional dalam sistem, platform perangkat keras yang terbuka dan dapat diperluas dibentuk, dan pada saat yang sama, ia memiliki tingkat throughput data yang tinggi. Sistem radio perangkat lunak harus mengadopsi struktur interkoneksi baru, yang ditandai dengan implementasi yang relatif sederhana dan dapat langsung menerapkan berbagai standar bus (seperti VME, bus, bus PCI, dll.). , struktur interkoneksi berbasis bus.
5. Protokol dan standar perangkat lunak.
Sejak pertengahan hingga akhir 1990-an, negara-negara asing telah mempelajari bagaimana menerapkan perangkat lunak plug and play (Plug & Play), dan telah mengusulkan berdasarkan itu. Protokol dan standar perangkat lunak JAVA/CORBA. Ide berdasarkan "bus perangkat lunak" adalah untuk membangun arsitektur berbasis standar, terbuka dan mudah digunakan. Yang disebut "bus perangkat lunak" mirip dengan "bus perangkat keras" yang sering dikatakan. Modul aplikasi dibuat menjadi bus sesuai dengan standar, dan operasi gabungan dapat diwujudkan dengan memasukkan bus, sehingga mendukung lingkungan komputasi terdistribusi. Ide desain ini konsisten dengan penggunaan kembali perangkat lunak dalam sistem perangkat lunak.
6. Konsumsi daya, volume dan biaya sistem.
Ini adalah kunci komersialisasi radio perangkat lunak, dan solusinya sangat bergantung pada pengembangan teknologi perangkat keras. Keempat, pengembangan dan prospek perangkat lunak radio
Sejak 1990-an, dengan perkembangan pesat berbagai sistem komunikasi nirkabel, perbedaan standar komunikasi radio, dan kemajuan teknologi pemrosesan sinyal digital, teknologi perangkat lunak radio telah menarik lebih banyak perhatian, dan diharapkan menjadi komunikasi global masa depan. jaringan. sistem baru.
Menurut struktur ideal, semua tugas pemrosesan sinyal stasiun radio perangkat lunak dari RF ke baseband dilakukan dalam bentuk digital penuh, sehingga sepenuhnya dapat diprogram, dan strukturnya juga dapat dikonfigurasi ulang dan direproduksi. Namun, karena tidak ada konverter A/D yang dapat diterapkan pada pita frekuensi radio, topik lain yang sedang diteliti sekarang adalah ujung depan RF digital dari perangkat lunak stasiun radio, yang merupakan kunci digitalisasi seluruh frekuensi. pita.
Perangkat pemrosesan sinyal digital (DSP) yang ada telah banyak digunakan untuk pemrosesan sinyal di bagian-bagian seperti IF, pita dasar atau terminal, yang telah membawa kinerja teknis peralatan radio ke tingkat yang baru dan modern, tetapi ujung depan RF-nya masih pita sempit . Untuk stasiun radio perangkat lunak, konverter A/D di ujung depan RF-nya harus mampu menangani seluruh pita frekuensi komunikasi, umumnya dari 2MHz hingga 3GHz. Selain itu, karakteristik khas sinyal komunikasi seluler memudar dan melindungi, dan mungkin ada pemblokiran dan interferensi yang kuat. Akibatnya, jangkauan dinamis sinyal komunikasi seluler yang muncul di ujung RF penerima mencapai 100dB atau lebih. Jika mempertimbangkan standar sinyal komunikasi seluler yang berbeda, jangkauan dinamisnya akan lebih besar. Untuk sistem dengan bandwidth 10MHz, frekuensi pengambilan sampel lebih besar dari 25MHz, yang membutuhkan kemampuan pemrosesan komputasi 2500MIPS, yang jauh dari memenuhi persyaratan lingkungan sinyal untuk diproses oleh front-end RF. Bahkan dengan konverter A/D yang mampu memenuhi persyaratan bandwidth dan rentang dinamis, kebutuhan dayanya masih dapat menghambat penggunaan terminal seluler. Stasiun radio perangkat lunak yang dikembangkan pada tahap ini tidak dapat mengadopsi struktur ideal digitalisasi pita frekuensi penuh, tetapi mengadopsi struktur praktis digitalisasi pita frekuensi parsial ujung depan Rf.
Singkatnya, radio perangkat lunak mengandung dua arti: satu adalah ujung depan frekuensi radio (RF), dan yang lainnya adalah pemrosesan sinyal digital; komponen intinya adalah konverter A/D/A broadband dan chip DSP berkecepatan tinggi. Keuntungan terbesar dari radio perangkat lunak adalah dapat menyelesaikan berbagai tugas pemrosesan sinyal pada platform perangkat keras dengan menentukan berbagai parameter kerja dan mengatur ulang struktur saluran sesuai dengan pita nirkabel dan metode akses saluran. Oleh karena itu, ujung depan digital khusus untuk setiap standar kerja dapat dirancang pada platform perangkat keras yang sama, atau kesamaan standar kerja yang berbeda dapat digunakan. Desain pertama tidak hanya mencapai tingkat kebebasan terbesar, tetapi juga meminimalkan jumlah gerbang yang digunakan, sedangkan desain terakhir memerlukan pengembangan algoritma khusus untuk fungsi front-end digital, tetapi dapat diimplementasikan dengan ASIC, memungkinkan kita untuk mengambil keuntungan dari konsep radio perangkat lunak.
Secara umum, meskipun radio perangkat lunak pada awalnya dikembangkan untuk komunikasi militer gelombang pendek over-the-horizon, karena mereka menawarkan tingkat kesetiaan yang tinggi yang tidak ditemukan di penerima analog, mereka juga menawarkan fleksibilitas yang sangat baik. Dengan sedikit modifikasi, ia dapat beradaptasi dan memenuhi kebutuhan pengguna yang berbeda, dan biayanya sangat rendah. Ditambah dengan pesatnya perkembangan teknologi pemrosesan sinyal digital, semakin banyak digunakan di bidang komunikasi sipil, terutama dalam komunikasi seluler. Aplikasi dalam sistem lebih luas.
