無線通信分野の新技術として、ソフトウェア無線（SDR）が内外でますます注目を集めています。 通信分野では、アナログ技術からデジタル技術、固定通信から移動体通信に続く新しい無線通信システムです。 通信技術の発達に伴い、さまざまな規格に対応した機器の需要が高まっています。 従来の無線システムと比較して、ソフトウェア無線システムには、一般的な構造、ソフトウェアベースの機能、相互運用性などの一連の利点があります。 。
Ⅰ。 ソフトウェア無線の起源と発展
ソフトウェア無線の出現の理由は、湾岸戦争に関連しています。 当時、米国を中心とする多国籍軍は、規格の異なるさまざまな通信機器を使用していたため、相互の通信が困難でした。 その後、1992年5月、Jeo Mitolaは、米国通信システム会議で「ソフトウェア無線」の概念を最初に提案しました。 基本的な考え方は、すべての戦術無線機を同じハードウェアプラットフォームに基づいて作成し、さまざまなソフトウェアをインストールしてさまざまな種類の無線機を形成し、さまざまな性質の機能を完成させることです。 したがって、ソフトウェアでプログラム可能です。 軍事通信では、無線通信システムの信頼性、相互運用性、柔軟性、妨害防止、存続可能性、機密性、およびセキュリティに対する要件が高まっているため、この概念はすぐに世界中の国々の注目を集めました。 米軍とHazcltineは、「speakeasy」（話しやすい）と呼ばれるソフトウェア無線局を開発しました。これは、米軍で一般的に使用されているマルチバンドおよび多機能の無線プラットフォームを実現します。 4つ以上の異なる変調波形。 このラジオは、音声とデータを送信できるアンテナを備えた「ハンドヘルドコンピュータ」と呼ぶことができます。 コミュニケーションサービスには、音声、データ、およびビデオ画像が含まれます。
現在、民間分野ではソフトウェア無線がますます注目されています。 その主な理由は、現在の通信システムの技術基準は多様であり、さまざまな技術基準とそれに対応するシステムは相互に互換性がなく、統合されたデバイスでそれを実現することは困難であるためです。 そして、第3世代の移動通信システムにはまだ標準的な戦いがあります。ソフトウェア無線を使用してさまざまな標準に適応する場合、それは実行可能な方法です。 一方、通信技術の発展は非常に速く、古いシステムは継続的に改善され、新しいシステムは急速に出現しています。 人々は、古い機器を完全に排除するよりも経済的なシステムアップグレード方法を必要としており、ソフトウェア無線のプログラム可能性は優れています。 このニーズに適応しました。
Ⅱ。 ソフトウェア無線アーキテクチャ
従来のアナログ無線システムの無線周波数部分、アップ/ダウン変換、フィルタリング、ベースバンド処理はすべてアナログモードを採用しており、特定の周波数帯域と特定の変調モードの通信システムは、特別なハード構造に対応しています。 一方、デジタル無線システムの低周波数部分はデジタル回路を採用しています（たとえば、ローカル発振器はデジタル周波数シンセサイザーを使用し、ソースのコーディングとデコード、変調と復調は専用チップによって完了します）が、その無線周波数と中間周波数部品はまだアナログ回路から切り離せません。 従来の無線システムと比較して、ソフトウェア無線システムのA / D / A変換は中間周波数に移動され、無線周波数端に可能な限り近く、システム周波数帯域全体、つまりデジタルがサンプリングされます。処理は、ソフトウェアラジオの顕著な特徴である中間周波数（または無線周波数）から実行されます。 デジタルラジオは、専用のデジタル回路を使用して、プログラム可能性のない単一の通信機能を実現します。 ソフトウェア無線は、専用のデジタル回路をプログラム可能なDSPデバイスに置き換えます。これにより、システムのハードウェア構造と機能が比較的独立します。 このように、比較的一般的なハードウェアプラットフォームに基づいて、ソフトウェアを介してさまざまな通信機能を実現でき、動作周波数、システム帯域幅、変調モード、ソースコードなどをプログラムおよび制御でき、システムの柔軟性が大幅に向上します。 。
ソフトウェア無線のハードウェアプラットフォームはモジュラー設計を採用しており、これはオープン性、スケーラビリティ、互換性を備えた通信プラットフォームである必要があり、モジュラー標準を備えたバスの形式になっています。 この比較的一般的なハードウェアプラットフォームに基づいて、さまざまなソフトウェアをロードすることでさまざまな通信機能を実装しています（カードは必要に応じて交換できます）。 ソフトウェア無線のハードウェアプラットフォームはPCよりもはるかに要求が厳しく、広帯域無線周波数フロントエンド、広帯域A / D / Aコンバータ、高速DSPデバイスなどが必要です。 高速A/D / A変換とデジタル信号処理を実行するには、ソフトウェア無線システムが複数のCPUと並列に動作する必要があります。 さらに、デジタル信号処理データを高速で交換するには、システムバスのT/O伝送速度が非常に高い必要があります。 要件を満たす現在のシステムバスの中で、VMEバスは、最も成熟したテクノロジー、最高の汎用性、および最も広範なサポートを備えています。 VMEは複数のCPU並列処理を提供し、独立した32-ビットデータバスとアドレスバスをサポートし、レートは40Mb / s（または320Mb / s）に達します。これは基本的にソフトウェア無線の要件を満たし、推奨されるバス方式です。ソフトウェアラジオ用。 3、ソフトウェア無線の重要な技術
1.マルチバンドダウンコンバージョンとブロードバンドRF
ソフトウェア無線システムのアンテナには、マルチバンドアンテナとプログラム可能な無線周波数変換機能が必要です。 アンテナゲイン、物理サイズ、および価格を満たすことに基づいて、2MHz-3MHzの動作帯域幅が必要です。 無線工学では、全周波数帯域をカバーする必要はありませんが、異なる周波数帯域のいくつかのウィンドウをカバーする必要があるだけです。 したがって、複合マルチバンドアンテナを使用できます。 米軍のスピークイージーは、複数のRFアンテナセットを使用するソリューションです。 ブロードバンドRFの場合、チューニング、エネルギー制御、および低ノイズプリアンプ（LNA）構成も重要なテクノロジーであり、コンピューター支援設計（CAD）を使用してシステムの設計を最適化できます。
2.ブロードバンドA/Dパーツ。
広帯域アナログ-デジタル変換のパフォーマンスを決定するための鍵は、サンプリングとビット数です。 サンプリングレートは信号帯域幅によって決まりますが、量子化ビット数には特定のダイナミックレンジとDSP精度が必要です。 既存のシングルチップADCはこれら2つの要件を満たすことができないため、複数のADCを並行して使用できます。
3.高速パラレルDSPパーツ。
システムのデジタル処理操作で最も難しいのは、アップコンバージョン、フィルタリング、およびサブサンプリングです。 高速パラレルDSPには、デジタルベースバンド処理、変調および復調、ビットストリーム処理およびデコード機能が含まれています。 FMおよびスペクトラム拡散システムの場合、この部分には逆拡散およびデホッピング機能も必要です。 機能のこの部分を実現するには、高速並列DSPを使用して、マルチプロセッサ並列コンピューティングシステムを形成する必要があります。これには、より多くのマルチアクセスコール、より広いプログラムバスとデータバス、単一命令複数データ、複数命令複数データが含まれます。 。 この部分は、専用のデジタル集積回路チップＡＳＩＣ（例えば、米国ハリスコーポレーションのＤＤＣチップＨＳ Ｐ５００１６）によって、構造および超命令構造の使用等により実現することができる。
4.オープン性とスケーラビリティの一般的なルート構造を残します。
従来のシステム構造では、パイプラインが一般的に使用され、各機能ユニットが回路で接続されているという特徴があります。 特定の部品の機能を追加、削除、または変更する場合は、対応する機能モジュールを調整する必要があります。 したがって、この構造は開いていません。 システム内のさまざまな機能ユニットの相互接続を実現するために、オープンで拡張可能なハードウェアプラットフォームが形成されると同時に、高いデータスループット率を備えています。 ソフトウェア無線システムは、比較的単純な実装を特徴とし、さまざまなバス規格（VME、バス、PCIバスなど）を直接適用できる新しい相互接続構造を採用する必要があります。 、バスベースの相互接続構造。
5.ソフトウェアプロトコルと標準。
1990年代半ばから後半にかけて、海外はソフトウェアプラグアンドプレイ（プラグアンドプレイ）の実装方法を研究し、それに基づいて提案してきました。 JAVA/CORBAソフトウェアのプロトコルと標準。 「ソフトウェアバス」に基づく考え方は、標準ベースのオープンで使いやすいアーキテクチャを確立することです。 いわゆる「ソフトウェアバス」は、よく言われる「ハードウェアバス」に似ています。 アプリケーションモジュールは規格に準拠したバス化されており、バスを挿入することで複合動作を実現し、分散コンピューティング環境をサポートします。 この設計思想は、ソフトウェアシステムにおけるソフトウェアの再利用性と一致しています。
6.システムの消費電力、ボリューム、およびコスト。
これはソフトウェア無線の商業化の鍵であり、その解決策はハードウェア技術の開発に大きく依存しています。 第四に、ソフトウェア無線の開発と展望
1990年代以降、各種無線通信システムの急速な発展、無線通信規格の違い、デジタル信号処理技術の進歩により、ソフトウェア無線技術がますます注目を集め、将来のグローバル通信となることが期待されています。通信網。 新しいシステム。
理想的な構造によれば、RFからベースバンドまでのソフトウェア無線局のすべての信号処理タスクは完全なデジタル形式で実行されるため、完全にプログラム可能であり、その構造も再構成および再現可能です。 しかし、無線周波数帯に適用できるA / Dコンバーターがないため、現在研究されているもう1つのトピックは、全周波数のデジタル化の鍵となるソフトウェア無線局のデジタルRFフロントエンドです。バンド。
既存のデジタル信号処理装置（DSP）は、IF、ベースバンド、端末などの部品の信号処理に広く使用されており、無線機器の技術的性能を新しい最新レベルに引き上げていますが、RFフロントエンドは依然として狭帯域です。 。 ソフトウェア無線局の場合、RFフロントエンドのA / Dコンバータは、一般に2MHzから3GHzまでの通信周波数帯域全体を処理できる必要があります。 さらに、モバイル通信信号の典型的な特性はフェージングとシールドであり、強力なブロッキングと干渉が発生する可能性があります。 その結果、受信RF側に現れる移動体通信信号のダイナミックレンジは100dB以上になります。 移動体通信信号の異なる規格を考慮すると、そのダイナミックレンジはより大きくなります。 帯域幅が10MHzのシステムの場合、サンプリング周波数は25MHzを超えるため、2500MIPSのコンピューティング処理能力が必要になります。これは、RFフロントエンドで処理される信号環境の要件を満たすにはほど遠いものです。 帯域幅とダイナミックレンジの要件を満たすことができるA/Dコンバーターを使用しても、それらの電力要件はモバイル端末の使用を妨げる可能性があります。 現段階で開発されたソフトウェア無線局は、全周波数帯デジタル化の理想的な構造を採用することはできませんが、Rfフロントエンドの部分周波数帯デジタル化の実用的な構造を採用しています。
要約すると、ソフトウェア無線には2つの意味があります。1つは無線周波数（RF）フロントエンドであり、もう1つはデジタル信号処理です。 そのコアコンポーネントは、ブロードバンドA / D/Aコンバーターと高速DSPチップです。 ソフトウェア無線の最大の利点は、さまざまな動作パラメータを定義し、無線帯域とチャネルアクセス方法に従ってチャネル構造を再編成することにより、ハードウェアプラットフォームでさまざまな信号処理タスクを完了できることです。 したがって、各作業標準専用のデジタルフロントエンドを共通のハードウェアプラットフォームで設計することも、異なる作業標準の共通性を利用することもできます。 前者の設計は、最大の自由度を実現するだけでなく、使用するゲートの数を最小限に抑えます。後者の設計では、デジタルフロントエンド機能専用のアルゴリズムを開発する必要がありますが、ASICで実装できるため、ソフトウェアラジオの概念の。
一般に、ソフトウェア無線はもともと軍用短波の地平線上通信用に開発されましたが、アナログ受信機にはない高レベルの忠実度を提供するため、優れた柔軟性も提供します。 少し変更するだけで、さまざまなユーザーの要件に適応して満たすことができ、コストは非常に低くなります。 デジタル信号処理技術の急速な発展と相まって、それは民間通信の分野、特に移動体通信の分野でますます使用されています。 システム内のアプリケーションはより広範囲です。
