كتقنية جديدة في مجال الاتصالات اللاسلكية ، يجذب راديو البرمجيات (SDR) المزيد والمزيد من الاهتمام في الداخل والخارج. في مجال الاتصالات ، إنه نظام اتصالات لاسلكي جديد بعد التكنولوجيا التناظرية إلى التكنولوجيا الرقمية ، والاتصالات الثابتة للاتصالات المتنقلة. مع تطور تكنولوجيا الاتصالات ، أظهرت المعدات المتوافقة مع مختلف الأنواع القياسية طلبها بشكل متزايد. بالمقارنة مع أنظمة الراديو التقليدية ، تتمتع أنظمة البرامج الراديوية بسلسلة من المزايا مثل الهيكل العام والوظائف القائمة على البرامج وقابلية التشغيل البيني. .
Ⅰ. أصل وتطوير برمجيات الراديو
يعود سبب ظهور برامج الراديو إلى حرب الخليج. في ذلك الوقت ، استخدمت القوات متعددة الجنسيات بقيادة الولايات المتحدة مجموعة متنوعة من معدات الاتصال بمعايير مختلفة ، مما تسبب في صعوبات في التواصل مع بعضها البعض. بعد ذلك ، في مايو 1992 ، اقترح Jeo Mitola لأول مرة مفهوم "راديو البرامج" في مؤتمر أنظمة الاتصالات الأمريكية. الفكرة الأساسية هي جعل جميع أجهزة الراديو التكتيكية تعتمد على نفس النظام الأساسي للأجهزة ، وتثبيت برامج مختلفة لتشكيل أنواع مختلفة من أجهزة الراديو ، ووظائف كاملة من طبائع مختلفة. لذلك لديها برمجية. جذب هذا المفهوم انتباه البلدان في جميع أنحاء العالم بسرعة ، لأن الاتصالات العسكرية لديها الآن متطلبات أعلى من حيث الموثوقية ، وقابلية التشغيل البيني ، والمرونة ، ومكافحة التشويش ، والقدرة على البقاء ، والسرية ، والأمن لأنظمة الاتصالات اللاسلكية. طور الجيش الأمريكي و Hazcltine محطة إذاعية برمجية تسمى "Speakeasy" (سهلة التحدث) ، والتي تدرك منصة راديو متعددة النطاقات والوظائف يشيع استخدامها من قبل الجيش الأمريكي. أكثر من 4 أشكال موجة تعديل مختلفة. يمكن أن يسمى هذا الراديو "كمبيوتر محمول" بهوائي يمكنه نقل الصوت والبيانات. تشمل خدمات الاتصال الصوت والبيانات وصور الفيديو.
في الوقت الحاضر ، حظيت برامج الراديو باهتمام متزايد في المجال المدني. السبب الرئيسي هو أن المعايير الفنية لنظام الاتصال الحالي متنوعة ، والمعايير التقنية المختلفة والأنظمة المقابلة يصعب التوافق مع بعضها البعض ، ويصعب تحقيقها بجهاز موحد. ولا يزال نظام الاتصالات المتنقلة من الجيل الثالث يواجه معركة قياسية ، إذا تم استخدام برامج الراديو للتكيف مع معايير مختلفة ، فهذه طريقة مجدية. من ناحية أخرى ، فإن تطور تكنولوجيا الاتصالات سريع للغاية ، والنظام القديم يتحسن باستمرار ، والنظام الجديد آخذ في الظهور بسرعة. يحتاج الناس إلى طريقة لترقية النظام تكون أكثر اقتصادا من التخلص التام من المعدات القديمة ، كما أن قابلية برمجة راديو البرنامج أفضل. تتكيف مع هذه الحاجة.
Ⅱ. هندسة راديو البرنامج
يعتمد جزء التردد اللاسلكي والتحويل لأعلى / لأسفل والتصفية ومعالجة النطاق الأساسي لنظام الراديو التناظري التقليدي جميعًا الوضع التناظري ، ويتوافق نظام الاتصال لنطاق تردد معين ووضع تعديل معين مع بنية صلبة خاصة ؛ بينما يعتمد الجزء منخفض التردد من نظام الراديو الرقمي على دوائر رقمية (على سبيل المثال ، يستخدم المذبذب المحلي مُركب تردد رقمي ، وتشفير المصدر وفك تشفيره ، ويكتمل التعديل والاستخلاص بواسطة شريحة مخصصة) ، لكن تردده الراديوي والتردد المتوسط لا تزال الأجزاء غير منفصلة عن الدوائر التناظرية. بالمقارنة مع نظام الراديو التقليدي ، يتم نقل تحويل A / D / A لنظام راديو البرنامج إلى التردد المتوسط ، وأقرب ما يمكن من نهاية التردد اللاسلكي ، يتم أخذ عينات من نطاق تردد النظام بالكامل ، أي الرقمي تتم المعالجة من التردد المتوسط (أو حتى تردد الراديو) ، وهي ميزة بارزة لراديو البرامج. يستخدم الراديو الرقمي دوائر رقمية مخصصة لتحقيق وظيفة اتصال واحدة دون إمكانية البرمجة. يستبدل راديو البرنامج الدائرة الرقمية المخصصة بجهاز DSP القابل للبرمجة ، مما يجعل بنية أجهزة النظام ووظيفتها مستقلة نسبيًا. بهذه الطريقة ، استنادًا إلى نظام أساسي للأجهزة الشائعة نسبيًا ، يمكن تحقيق وظائف اتصال مختلفة من خلال البرامج ، ويمكن برمجة تردد التشغيل وعرض النطاق الترددي للنظام ووضع التعديل وكود المصدر وما إلى ذلك والتحكم فيه ، كما يتم تحسين مرونة النظام بشكل كبير .
تتبنى منصة الأجهزة الخاصة بالراديو البرمجي تصميمًا معياريًا ، والذي يجب أن يكون منصة اتصال تتسم بالانفتاح وقابلية التوسع والتوافق ، ويتم تصنيعها في شكل ناقل بمعيار معياري. بناءً على منصة الأجهزة الشائعة نسبيًا ، نقوم بتنفيذ وظائف اتصال مختلفة عن طريق تحميل برامج مختلفة (يمكن استبدال البطاقة عند الحاجة). تعد منصة الأجهزة الخاصة ببرامج الراديو أكثر تطلبًا من الكمبيوتر الشخصي ، فهي تحتاج إلى واجهة أمامية بتردد لاسلكي واسع النطاق ومحول A / D / A واسع النطاق وأجهزة DSP عالية السرعة وما إلى ذلك. من أجل إجراء تحويل A / D / A عالي السرعة ومعالجة الإشارات الرقمية ، يجب أن تعمل أنظمة الراديو البرمجية بالتوازي مع وحدات المعالجة المركزية المتعددة. بالإضافة إلى ذلك ، لكي يتم تبادل بيانات معالجة الإشارات الرقمية بسرعة عالية ، يجب أن يتمتع ناقل النظام بمعدل إرسال T / O مرتفع للغاية. من بين حافلات النظام الحالية التي تفي بالمتطلبات ، تتمتع حافلة VME بأحدث التقنيات وأفضل تنوع في الاستخدامات والدعم الأكثر شمولاً. يوفر VME معالجة متوازية متعددة لوحدة المعالجة المركزية ، ويدعم ناقل بيانات وحافلة عنوان بت مستقل 32- ، ويصل المعدل إلى 40 ميجا بايت / ثانية (أو حتى 320 ميجا بايت / ثانية) ، وهو ما يلبي بشكل أساسي متطلبات راديو البرنامج وهو أسلوب الناقل المفضل لبرامج الراديو. الثالثة ، التكنولوجيا الرئيسية لبرامج الراديو
1. متعدد النطاق لأسفل التحويل و RF ذات النطاق العريض
بالنسبة إلى هوائي نظام الراديو البرنامجي ، يجب أن يحتوي على هوائي متعدد النطاقات ووظيفة تحويل تردد لاسلكي قابلة للبرمجة. على أساس تلبية كسب الهوائي والحجم المادي والسعر ، يجب أن يكون له عرض نطاق عمل يبلغ 2 ميجاهرتز -3 ميجاهرتز. في الهندسة الراديوية ، ليس من الضروري تغطية نطاق التردد الكامل ، ولكن تحتاج فقط إلى تغطية عدة نوافذ من نطاقات تردد مختلفة. لذلك ، يمكن استخدام هوائي مدمج متعدد النطاقات. يعد الكلام السهل للجيش الأمريكي حلاً يستخدم مجموعات متعددة من هوائيات الترددات اللاسلكية. بالنسبة للترددات اللاسلكية ذات النطاق العريض ، يعد الضبط والتحكم في الطاقة وتكوين المضخم الأولي منخفض الضوضاء (LNA) أيضًا تقنية رئيسية ، ويمكن استخدام التصميم بمساعدة الكمبيوتر (CAD) لتحسين تصميم النظام.
2. النطاق العريض A / D الجزء.
إن مفتاح تحديد أداء التحويل من تناظري إلى رقمي عريض النطاق هو أخذ العينات وعدد البتات. يتم تحديد معدل أخذ العينات من خلال عرض النطاق الترددي للإشارة ، بينما يتطلب عدد بتات التكميم نطاقًا ديناميكيًا معينًا ودقة DSP. نظرًا لأن ADC الحالية أحادية الشريحة لا يمكنها تلبية هذين المطلبين ، يمكن استخدام ADC متعددة على التوازي.
3. جزء DSP المتوازي عالي السرعة.
الأصعب في عملية المعالجة الرقمية للنظام هو التحويل الأعلى والتصفية وأخذ العينات الفرعية. يتضمن DSP المتوازي عالي السرعة معالجة النطاق الأساسي الرقمي والتشكيل وإزالة التشكيل ومعالجة تدفق البتات ووظائف فك التشفير. بالنسبة لأنظمة FM وأنظمة تمديد الطيف ، ينبغي أن يكون لهذا الجزء أيضًا وظائف نشر وإزالة التشويش. لتحقيق هذا الجزء من الوظيفة ، من الضروري استخدام DSP المتوازي عالي السرعة لتشكيل نظام حوسبة متوازية متعدد المعالجات ، بما في ذلك المزيد من مكالمات الوصول المتعددة ، ناقل برنامج أوسع وناقل بيانات ، بيانات متعددة التعليمات فردية ، تعليمات متعددة بيانات متعددة . هيكل واستخدام هيكل التعليمات الفائقة ، وما إلى ذلك ، يمكن تحقيق هذا الجزء من خلال شريحة دائرة رقمية متكاملة مخصصة ASIC (على سبيل المثال ، رقاقة DDC HS P50016 من Harris Corporation بالولايات المتحدة).
4. ترك هيكل المسار العام من الانفتاح وقابلية التوسع.
في هيكل النظام التقليدي ، يتم استخدام خط الأنابيب بشكل عام ، والذي يتميز بأن كل وحدة وظيفية متصلة بواسطة دائرة. إذا كانت وظيفة جزء معين ستتم إضافتها أو حذفها أو تعديلها ، فيجب تعديل الوحدة الوظيفية المقابلة. لذلك ، هذا الهيكل ليس مفتوحًا. من أجل تحقيق الترابط بين الوحدات الوظيفية المختلفة في النظام ، يتم تشكيل منصة أجهزة مفتوحة وقابلة للتوسيع ، وفي نفس الوقت ، لديها معدل نقل بيانات مرتفع. يجب أن يتبنى نظام الراديو البرنامجي هيكل توصيل بيني جديد يتميز بالتنفيذ البسيط نسبيًا ويمكنه تطبيق مجموعة متنوعة من معايير الناقل مباشرة (مثل VME ، ناقل ، ناقل PCI ، إلخ). ، هيكل الترابط القائم على الناقل.
5. بروتوكولات ومعايير البرمجيات.
منذ منتصف التسعينيات وحتى أواخره ، كانت الدول الأجنبية تدرس كيفية تنفيذ توصيل وتشغيل البرامج (Plug & Play) ، واقترحت بناءً على ذلك. بروتوكولات ومعايير برامج جافا / كوربا. الفكرة القائمة على "ناقل البرامج" هي إنشاء بنية قائمة على المعايير ومفتوحة وسهلة الاستخدام. يشبه ما يسمى "ناقل البرامج" "ناقل الأجهزة" الذي يُقال غالبًا. يتم تحويل وحدة التطبيق إلى ناقل وفقًا للمعيار ، ويمكن تحقيق العملية المشتركة عن طريق إدخال الناقل ، وبالتالي دعم بيئة الحوسبة الموزعة. تتوافق فكرة التصميم هذه مع إمكانية إعادة استخدام البرامج في أنظمة البرامج.
6. استهلاك الطاقة وحجم وتكلفة النظام.
هذا هو مفتاح تسويق برامج الراديو ، ويعتمد حلها إلى حد كبير على تطوير تكنولوجيا الأجهزة. رابعاً: تطوير وإمكانية تطوير برمجيات الراديو
منذ التسعينيات ، مع التطور السريع لأنظمة الاتصالات اللاسلكية المختلفة ، والاختلافات في معايير الاتصالات الراديوية ، وتقدم تكنولوجيا معالجة الإشارات الرقمية ، جذبت تكنولوجيا البرامج الراديوية المزيد والمزيد من الاهتمام ، ومن المتوقع أن تصبح اتصالًا عالميًا في المستقبل شبكة الاتصال. نظام جديد.
وفقًا للهيكل المثالي ، يتم تنفيذ جميع مهام معالجة الإشارات لمحطة الراديو البرمجية من التردد اللاسلكي إلى النطاق الأساسي في شكل رقمي كامل ، لذا فهي قابلة للبرمجة تمامًا ، كما أن هيكلها قابل لإعادة التكوين والتكرار. ومع ذلك ، نظرًا لعدم وجود محول A / D يمكن تطبيقه على نطاق التردد اللاسلكي ، فإن الموضوع الآخر الذي يتم البحث عنه الآن هو الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي الرقمي لمحطة راديو البرنامج ، وهو المفتاح لرقمنة التردد بالكامل حافظة مسافة.
تم استخدام أجهزة معالجة الإشارات الرقمية الحالية (DSPs) على نطاق واسع لمعالجة الإشارات في أجزاء مثل IF أو النطاق الأساسي أو المحطة الطرفية ، مما أدى إلى رفع الأداء الفني لمعدات الراديو إلى مستوى جديد وحديث ، ولكن الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي (RF) لا تزال ضيقة النطاق . بالنسبة لمحطة راديو البرامج ، يجب أن يكون محول A / D في الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي قادرًا على التعامل مع نطاق تردد الاتصال بالكامل ، بشكل عام من 2 ميجا هرتز إلى 3 جيجا هرتز. بالإضافة إلى ذلك ، فإن الخصائص النموذجية لإشارات الاتصالات المتنقلة تتمثل في الخبو والحجب ، وقد يكون هناك حجب قوي وتداخل. ونتيجة لذلك ، فإن النطاق الديناميكي لإشارات الاتصالات المتنقلة التي تظهر عند الطرف المستقبل للتردد اللاسلكي يصل إلى 100 ديسيبل أو أكثر. إذا كنت تفكر في معايير مختلفة لإشارات الاتصالات المتنقلة ، فسيكون نطاقها الديناميكي أكبر. بالنسبة إلى نظام بعرض نطاق يبلغ 10 ميجاهرتز ، يكون تردد أخذ العينات أكبر من 25 ميجاهرتز ، الأمر الذي يتطلب 2500MIPS من قدرة معالجة الحوسبة ، وهو بعيد عن تلبية متطلبات بيئة الإشارة لتتم معالجتها بواسطة الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي. حتى مع محولات A / D القادرة على تلبية متطلبات النطاق الترددي والنطاق الديناميكي ، لا يزال من الممكن أن تعيق متطلبات الطاقة الخاصة بهم استخدام المحطات الطرفية المتنقلة. لا يمكن لمحطة الراديو البرمجية التي تم تطويرها في المرحلة الحالية أن تتبنى الهيكل المثالي لرقمنة نطاق التردد الكامل ، ولكنها تتبنى الهيكل العملي لرقمنة النطاق الترددي الجزئي للواجهة الأمامية للترددات الراديوية.
باختصار ، يحتوي راديو البرنامج على معنيين: أحدهما هو الواجهة الأمامية للتردد اللاسلكي (RF) ، والآخر هو معالجة الإشارات الرقمية ؛ مكوناته الأساسية هي محولات النطاق العريض A / D / A ورقائق DSP عالية السرعة. تتمثل أكبر ميزة لراديو البرامج في أنه يمكنه إكمال مهام معالجة الإشارات المختلفة على النظام الأساسي للأجهزة من خلال تحديد معلمات العمل المختلفة وإعادة تنظيم بنية القناة وفقًا للنطاق اللاسلكي وطريقة الوصول إلى القناة. لذلك ، يمكن تصميم واجهة أمامية رقمية مخصصة لكل معيار عمل على منصة أجهزة مشتركة ، أو يمكن استخدام القواسم المشتركة لمعايير العمل المختلفة. لا يحقق التصميم السابق أكبر قدر من الحرية فحسب ، بل يقلل أيضًا من عدد البوابات المستخدمة ، بينما يتطلب التصميم الأخير تطوير خوارزميات مخصصة لوظائف الواجهة الأمامية الرقمية ، ولكن يمكن تنفيذه باستخدام ASICs ، مما يتيح لنا الاستفادة لمفهوم برامج الراديو.
بشكل عام ، على الرغم من أن أجهزة الراديو البرمجية قد تم تطويرها في الأصل للاتصالات العسكرية عبر الموجة القصيرة عبر الأفق ، نظرًا لأنها توفر مستوى عالٍ من الدقة غير موجود في أجهزة الاستقبال التناظرية ، إلا أنها توفر أيضًا مرونة ممتازة. مع القليل من التعديل ، يمكن أن يتكيف مع متطلبات المستخدمين المختلفين ويلبيها ، كما أن تكلفته منخفضة للغاية. إلى جانب التطور السريع لتكنولوجيا معالجة الإشارات الرقمية ، فقد تم استخدامها بشكل متزايد في مجال الاتصالات المدنية ، وخاصة في الاتصالات المتنقلة. التطبيق في النظام أكثر شمولاً.
