ในฐานะที่เป็นเทคโนโลยีใหม่ในด้านการสื่อสารไร้สาย วิทยุซอฟต์แวร์ (SDR) ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ ทั้งภายในและภายนอก ในด้านการสื่อสาร มันคือระบบการสื่อสารทางวิทยุรูปแบบใหม่หลังจากเทคโนโลยีอนาล็อกเป็นเทคโนโลยีดิจิทัล การสื่อสารแบบคงที่ไปยังการสื่อสารแบบเคลื่อนที่ ด้วยการพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสาร อุปกรณ์ที่เข้ากันได้กับมาตรฐานประเภทต่างๆ ได้แสดงความต้องการเพิ่มขึ้น เมื่อเทียบกับระบบวิทยุแบบเดิม ระบบวิทยุซอฟต์แวร์มีข้อดีหลายประการ เช่น โครงสร้างทั่วไป ฟังก์ชันที่ใช้ซอฟต์แวร์ และความสามารถในการทำงานร่วมกัน .
Ⅰ. ที่มาและการพัฒนาซอฟต์แวร์วิทยุ
สาเหตุของการเกิดขึ้นของซอฟต์แวร์วิทยุนั้นเกี่ยวข้องกับสงครามอ่าว ในเวลานั้น กองกำลังข้ามชาติที่นำโดยสหรัฐอเมริกาใช้อุปกรณ์สื่อสารหลากหลายมาตรฐานที่แตกต่างกัน ซึ่งทำให้เกิดปัญหาในการสื่อสารระหว่างกัน หลังจากนั้น ในเดือนพฤษภาคม 1992 Jeo Mitola ได้เสนอแนวคิดของ "ซอฟต์แวร์วิทยุ" เป็นครั้งแรกในการประชุม American Communication Systems Conference แนวคิดพื้นฐานคือการสร้างวิทยุยุทธวิธีทั้งหมดโดยใช้แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์เดียวกัน ติดตั้งซอฟต์แวร์ต่างๆ เพื่อสร้างวิทยุประเภทต่างๆ และฟังก์ชันที่สมบูรณ์ในลักษณะที่แตกต่างกัน ดังนั้นจึงมีความสามารถในการโปรแกรมซอฟต์แวร์ แนวคิดนี้ดึงดูดความสนใจของประเทศต่างๆ ทั่วโลกอย่างรวดเร็ว เนื่องจากการสื่อสารทางทหารในปัจจุบันมีข้อกำหนดที่สูงขึ้นสำหรับความน่าเชื่อถือ ความสามารถในการทำงานร่วมกัน ความยืดหยุ่น การป้องกันการรบกวน ความอยู่รอด การรักษาความลับ และความปลอดภัยของระบบการสื่อสารทางวิทยุ กองทัพสหรัฐและ Hazcltine ได้พัฒนาสถานีวิทยุซอฟต์แวร์ที่เรียกว่า "speakeasy" (พูดง่าย) ซึ่งตระหนักถึงแพลตฟอร์มวิทยุแบบมัลติแบนด์และอเนกประสงค์ที่กองทัพสหรัฐใช้กันทั่วไป รูปแบบคลื่นมอดูเลตที่แตกต่างกันมากกว่า 4 แบบ วิทยุนี้สามารถเรียกได้ว่าเป็น "คอมพิวเตอร์พกพา" ที่มีเสาอากาศที่สามารถส่งสัญญาณเสียงและข้อมูลได้ บริการด้านการสื่อสารประกอบด้วยเสียง ข้อมูล และวิดีโอ
ปัจจุบันวิทยุซอฟต์แวร์ได้รับความสนใจในด้านพลเรือนมากขึ้นเรื่อยๆ เหตุผลหลักคือมาตรฐานทางเทคนิคของระบบการสื่อสารในปัจจุบันมีความหลากหลาย และมาตรฐานทางเทคนิคต่างๆ และระบบที่เกี่ยวข้องกันนั้นยากต่อการทำงานร่วมกัน และเป็นการยากที่จะรับรู้ด้วยอุปกรณ์ที่เป็นหนึ่งเดียว และระบบสื่อสารเคลื่อนที่รุ่นที่สามยังคงมีการต่อสู้มาตรฐาน ถ้าวิทยุซอฟต์แวร์ถูกนำมาใช้เพื่อปรับให้เข้ากับมาตรฐานที่แตกต่างกัน ก็เป็นแนวทางที่เป็นไปได้ ในทางกลับกัน การพัฒนาเทคโนโลยีการสื่อสารนั้นรวดเร็วมาก ระบบเก่าได้รับการปรับปรุงอย่างต่อเนื่อง และระบบใหม่ก็เกิดขึ้นอย่างรวดเร็ว ผู้คนต้องการวิธีการอัปเกรดระบบที่ประหยัดกว่าการกำจัดอุปกรณ์เก่าโดยสิ้นเชิง และความสามารถในการตั้งโปรแกรมของวิทยุซอฟต์แวร์นั้นดีกว่า ปรับให้เข้ากับความต้องการนี้
Ⅱ. สถาปัตยกรรมวิทยุซอฟต์แวร์
ส่วนความถี่วิทยุ การแปลงขึ้น/ลง การกรอง และการประมวลผลเบสแบนด์ของระบบวิทยุแอนะล็อกแบบดั้งเดิมทั้งหมดใช้โหมดแอนะล็อก และระบบการสื่อสารของแถบความถี่บางช่วงและโหมดมอดูเลตบางโหมดสอดคล้องกับโครงสร้างแข็งพิเศษ ในขณะที่ส่วนความถี่ต่ำของระบบวิทยุดิจิตอลใช้วงจรดิจิตอล ( ตัวอย่างเช่น ออสซิลเลเตอร์ในพื้นที่ใช้ซินธิไซเซอร์ความถี่ดิจิตอล การเข้ารหัสและถอดรหัสซอร์สโค้ด และมอดูเลตและดีมอดูเลตจะเสร็จสมบูรณ์โดยชิปเฉพาะ) แต่ความถี่วิทยุและความถี่กลาง ชิ้นส่วนยังคงแยกออกจากวงจรแอนะล็อก เมื่อเทียบกับระบบวิทยุแบบเดิม การแปลง A/D/A ของระบบวิทยุซอฟต์แวร์จะถูกย้ายไปยังความถี่กลาง และใกล้กับจุดสิ้นสุดความถี่วิทยุมากที่สุด แถบความถี่ทั้งระบบจะถูกสุ่มตัวอย่าง กล่าวคือ ดิจิตอล การประมวลผลจะดำเนินการจากความถี่กลาง (หรือแม้แต่ความถี่วิทยุ) ซึ่งเป็นคุณลักษณะเด่นของซอฟต์แวร์วิทยุ วิทยุดิจิตอลใช้วงจรดิจิตอลเฉพาะเพื่อให้เกิดฟังก์ชันการสื่อสารเดียวโดยไม่ต้องตั้งโปรแกรมได้ วิทยุซอฟต์แวร์แทนที่วงจรดิจิตอลเฉพาะด้วยอุปกรณ์ DSP ที่ตั้งโปรแกรมได้ ซึ่งทำให้โครงสร้างฮาร์ดแวร์ของระบบและฟังก์ชันค่อนข้างอิสระ ด้วยวิธีนี้ ตามแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ที่ใช้กันทั่วไป ฟังก์ชันการสื่อสารที่แตกต่างกันสามารถรับรู้ได้ผ่านซอฟต์แวร์ และความถี่ในการทำงาน แบนด์วิดท์ของระบบ โหมดการมอดูเลต ซอร์สโค้ด ฯลฯ สามารถตั้งโปรแกรมและควบคุมได้ และความยืดหยุ่นของระบบเพิ่มขึ้นอย่างมาก .
แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ของซอฟต์แวร์วิทยุใช้การออกแบบโมดูลาร์ ซึ่งจะต้องเป็นแพลตฟอร์มการสื่อสารที่มีความเปิดกว้าง ความสามารถในการขยายและความเข้ากันได้ และทำขึ้นในรูปแบบของบัสที่มีมาตรฐานโมดูลาร์ ตามแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ที่ใช้กันทั่วไปนี้ เราใช้ฟังก์ชันการสื่อสารที่แตกต่างกันโดยการโหลดซอฟต์แวร์ที่แตกต่างกัน (สามารถเปลี่ยนการ์ดได้เมื่อจำเป็น) แพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ของซอฟต์แวร์วิทยุมีความต้องการมากกว่าพีซี ต้องใช้ front-end ความถี่วิทยุแบบไวด์แบนด์ ตัวแปลง A/D/A แบบไวด์แบนด์ อุปกรณ์ DSP ความเร็วสูง และอื่นๆ ในการแปลง A/D/A ความเร็วสูงและการประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ระบบวิทยุซอฟต์แวร์ต้องทำงานควบคู่ไปกับ CPU หลายตัว นอกจากนี้ สำหรับการแลกเปลี่ยนข้อมูลการประมวลผลสัญญาณดิจิทัลด้วยความเร็วสูง บัสระบบต้องมีอัตราการส่ง T/O ที่สูงมาก ในบรรดาระบบบัสปัจจุบันที่ตรงตามข้อกำหนด บัส VME มีเทคโนโลยีที่ครบถ้วนที่สุด ความเก่งกาจที่ดีที่สุด และการสนับสนุนที่ครอบคลุมที่สุด VME ให้การประมวลผลแบบขนานของ CPU หลายตัว รองรับ 32-บัสข้อมูลบิตและแอดเดรสบัสอิสระ และอัตราถึง 40Mb/s (หรือแม้แต่ 320Mb/s) ซึ่งโดยทั่วไปแล้วจะตรงตามข้อกำหนดของซอฟต์แวร์วิทยุและเป็นวิธีบัสที่ต้องการ สำหรับซอฟต์แวร์วิทยุ สาม เทคโนโลยีหลักของวิทยุซอฟต์แวร์
1. การแปลงลงหลายแบนด์และบรอดแบนด์RF
สำหรับเสาอากาศของระบบวิทยุซอฟต์แวร์ ควรมีเสาอากาศแบบหลายย่านความถี่และฟังก์ชันการแปลงความถี่วิทยุที่ตั้งโปรแกรมได้ บนพื้นฐานของความพึงพอใจของเสาอากาศที่เพิ่มขึ้น ขนาดจริง และราคา ควรมีแบนด์วิดท์การทำงานที่ 2MHz-3MHz ในทางวิศวกรรมวิทยุ ไม่จำเป็นต้องครอบคลุมย่านความถี่เต็ม แต่จำเป็นต้องครอบคลุมช่องความถี่หลายช่องเท่านั้น ดังนั้นจึงสามารถใช้เสาอากาศแบบมัลติแบนด์รวมกันได้ เหล้าเถื่อนของกองทัพสหรัฐฯ คือโซลูชันที่ใช้เสาอากาศ RF หลายชุด สำหรับ RF บรอดแบนด์ การปรับจูน การควบคุมพลังงาน และการกำหนดค่าพรีแอมพลิฟายเออร์สัญญาณรบกวนต่ำ (LNA) ก็เป็นเทคโนโลยีหลักเช่นกัน และสามารถใช้การออกแบบโดยใช้คอมพิวเตอร์ช่วย (CAD) เพื่อปรับการออกแบบระบบให้เหมาะสมที่สุด
2. ส่วน A/D บรอดแบนด์
กุญแจสำคัญในการกำหนดประสิทธิภาพของการแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัลแบบไวด์แบนด์คือการสุ่มตัวอย่างและจำนวนบิต อัตราการสุ่มตัวอย่างถูกกำหนดโดยแบนด์วิดท์ของสัญญาณ ในขณะที่จำนวนบิตควอนไทซ์ต้องการช่วงไดนามิกและความแม่นยำของ DSP เนื่องจาก ADC แบบชิปเดียวที่มีอยู่ไม่ตรงตามข้อกำหนดทั้งสองนี้ จึงสามารถใช้ ADC หลายตัวพร้อมกันได้
3. ส่วน DSP แบบขนานความเร็วสูง
ในการดำเนินการประมวลผลแบบดิจิทัลของระบบ สิ่งที่ยากที่สุดคือการแปลงค่า การกรอง และการสุ่มตัวอย่างย่อย DSP ขนานความเร็วสูงประกอบด้วยการประมวลผลเบสแบนด์ดิจิทัล มอดูเลตและดีมอดูเลต การประมวลผลบิตสตรีมและฟังก์ชันถอดรหัส สำหรับระบบ FM และการแพร่กระจายคลื่นความถี่ ส่วนนี้ควรมีฟังก์ชัน despreading และ dehopping ด้วย เพื่อให้บรรลุส่วนนี้ของฟังก์ชัน จำเป็นต้องใช้ DSP แบบขนานความเร็วสูงเพื่อสร้างระบบประมวลผลคู่ขนานแบบหลายตัวประมวลผล รวมถึงการเรียกเข้าหลายครั้งมากขึ้น โปรแกรมบัสที่กว้างขึ้นและบัสข้อมูล ข้อมูลคำสั่งเดียวหลายข้อมูล ข้อมูลหลายคำสั่งหลายคำสั่ง . โครงสร้างและการใช้โครงสร้าง super-instruction ฯลฯ ส่วนนี้สามารถรับรู้ได้ด้วยชิปวงจรรวมดิจิทัล ASIC โดยเฉพาะ (เช่น ชิป DDC HS P50016 ของ Harris Corporation แห่งสหรัฐอเมริกา)
4. ออกจากโครงสร้างเส้นทางทั่วไปของการเปิดกว้างและ scalability
ในโครงสร้างระบบแบบดั้งเดิม โดยทั่วไปจะใช้ไปป์ไลน์ ซึ่งมีลักษณะเฉพาะตรงที่แต่ละยูนิตทำงานเชื่อมต่อกันด้วยวงจร หากมีการเพิ่ม ลบ หรือแก้ไขฟังก์ชันของส่วนใดส่วนหนึ่ง จะต้องปรับเปลี่ยนโมดูลการทำงานที่เกี่ยวข้อง โครงสร้างนี้จึงไม่เปิด เพื่อให้ทราบถึงการเชื่อมต่อระหว่างหน่วยการทำงานต่างๆ ในระบบ จึงได้มีการสร้างแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์แบบเปิดและขยายได้ และในขณะเดียวกันก็มีอัตราการรับส่งข้อมูลสูง ระบบวิทยุซอฟต์แวร์ต้องใช้โครงสร้างการเชื่อมต่อโครงข่ายใหม่ ซึ่งมีลักษณะการใช้งานที่ค่อนข้างง่าย และสามารถใช้มาตรฐานบัสต่างๆ ได้โดยตรง (เช่น VME, บัส, บัส PCI ฯลฯ) , โครงสร้างการเชื่อมต่อระหว่างกันแบบบัส
5. โปรโตคอลและมาตรฐานซอฟต์แวร์
ตั้งแต่ช่วงกลางถึงปลายทศวรรษ 1990 ต่างประเทศได้ศึกษาวิธีการใช้ซอฟต์แวร์แบบพลักแอนด์เพลย์ (Plug & Play) และได้เสนอโดยอิงจากซอฟต์แวร์ดังกล่าว โปรโตคอลและมาตรฐานซอฟต์แวร์ JAVA/CORBA แนวคิดที่อิงจาก "ซอฟต์แวร์บัส" คือการสร้างสถาปัตยกรรมแบบมาตรฐาน เปิดกว้าง และใช้งานง่าย ที่เรียกว่า "ซอฟต์แวร์บัส" นั้นคล้ายกับ "บัสฮาร์ดแวร์" ที่มักกล่าวกัน โมดูลแอปพลิเคชันถูกสร้างเป็นบัสตามมาตรฐาน และสามารถรับรู้การทำงานร่วมกันได้โดยการใส่บัส ดังนั้นจึงสนับสนุนสภาพแวดล้อมการคำนวณแบบกระจาย แนวคิดการออกแบบนี้สอดคล้องกับการนำซอฟต์แวร์กลับมาใช้ใหม่ในระบบซอฟต์แวร์
6. ปริมาณการใช้ไฟฟ้า ปริมาณ และต้นทุนของระบบ
นี่คือกุญแจสำคัญในการขายซอฟต์แวร์วิทยุ และการแก้ปัญหาส่วนใหญ่ขึ้นอยู่กับการพัฒนาเทคโนโลยีฮาร์ดแวร์ ประการที่สี่ การพัฒนาและโอกาสของซอฟต์แวร์วิทยุ
ตั้งแต่ปี 1990 ด้วยการพัฒนาอย่างรวดเร็วของระบบสื่อสารไร้สายต่างๆ ความแตกต่างในมาตรฐานการสื่อสารทางวิทยุ และความก้าวหน้าของเทคโนโลยีการประมวลผลสัญญาณดิจิตอล เทคโนโลยีวิทยุซอฟต์แวร์ได้รับความสนใจมากขึ้นเรื่อยๆ และคาดว่าจะกลายเป็นการสื่อสารระดับโลกในอนาคต เครือข่าย ระบบใหม่
ตามโครงสร้างในอุดมคติ งานประมวลผลสัญญาณทั้งหมดของสถานีวิทยุซอฟต์แวร์ตั้งแต่ RF ถึงเบสแบนด์จะดำเนินการในรูปแบบดิจิตอลเต็มรูปแบบ ดังนั้นจึงสามารถตั้งโปรแกรมได้อย่างสมบูรณ์ และโครงสร้างของมันยังกำหนดค่าซ้ำและทำซ้ำได้ อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มีตัวแปลง A/D ที่สามารถนำไปใช้กับย่านความถี่วิทยุได้ อีกหัวข้อหนึ่งที่กำลังวิจัยอยู่ในขณะนี้คือส่วนหน้า RF ดิจิทัลของสถานีวิทยุซอฟต์แวร์ซึ่งเป็นกุญแจสำคัญในการแปลงความถี่ทั้งหมดให้เป็นดิจิทัล วงดนตรี.
อุปกรณ์ประมวลผลสัญญาณดิจิตอลที่มีอยู่ (DSP) ที่มีอยู่ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการประมวลผลสัญญาณในส่วนต่างๆ เช่น IF, เบสแบนด์หรือเทอร์มินัล ซึ่งได้นำประสิทธิภาพทางเทคนิคของอุปกรณ์วิทยุไปสู่ระดับใหม่และทันสมัย แต่ RF front-end ยังคงเป็นช่องแคบ . สำหรับสถานีวิทยุซอฟต์แวร์ ตัวแปลง A/D ในส่วนหน้า RF จะต้องสามารถรองรับย่านความถี่การสื่อสารทั้งหมดได้ โดยทั่วไปตั้งแต่ 2MHz ถึง 3GHz นอกจากนี้ ลักษณะทั่วไปของสัญญาณการสื่อสารเคลื่อนที่จะซีดจางและมีการกำบัง และอาจมีการบล็อกและการรบกวนที่รุนแรง เป็นผลให้ช่วงไดนามิกของสัญญาณการสื่อสารเคลื่อนที่ที่ปรากฏที่ปลาย RF ที่รับสูงถึง 100dB หรือมากกว่า หากพิจารณามาตรฐานสัญญาณการสื่อสารเคลื่อนที่ที่แตกต่างกัน ช่วงไดนามิกของสัญญาณจะยิ่งมากขึ้น สำหรับระบบที่มีแบนด์วิดท์ 10MHz ความถี่สุ่มตัวอย่างจะมากกว่า 25MHz ซึ่งต้องใช้ความสามารถในการประมวลผล 2500MIPS ซึ่งอยู่ไกลจากคุณสมบัติตามข้อกำหนดของสภาพแวดล้อมสัญญาณที่จะประมวลผลโดย RF front-end แม้ว่าตัวแปลง A/D ที่สามารถตอบสนองความต้องการแบนด์วิดท์และช่วงไดนามิก ความต้องการด้านพลังงานยังคงขัดขวางการใช้เทอร์มินัลเคลื่อนที่ สถานีวิทยุซอฟต์แวร์ที่พัฒนาขึ้นในขั้นปัจจุบันไม่สามารถใช้โครงสร้างในอุดมคติของการแปลงย่านความถี่เต็มให้เป็นดิจิทัลได้ แต่ใช้โครงสร้างที่ใช้งานได้จริงของการแปลงย่านความถี่บางส่วนให้เป็นดิจิทัลของส่วนหน้า Rf
โดยสรุปแล้ว ซอฟต์แวร์วิทยุมีสองความหมาย: หนึ่งคือส่วนหน้าของความถี่วิทยุ (RF) และอีกอันคือการประมวลผลสัญญาณดิจิตอล ส่วนประกอบหลักคือตัวแปลง A/D/A บรอดแบนด์และชิป DSP ความเร็วสูง ข้อได้เปรียบที่ใหญ่ที่สุดของซอฟต์แวร์วิทยุคือสามารถทำงานการประมวลผลสัญญาณต่างๆ บนแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์โดยกำหนดพารามิเตอร์การทำงานต่างๆ และจัดโครงสร้างช่องสัญญาณใหม่ตามแบนด์ไร้สายและวิธีการเข้าถึงช่องสัญญาณ ดังนั้นส่วนหน้าดิจิตอลโดยเฉพาะสำหรับมาตรฐานการทำงานแต่ละมาตรฐานสามารถออกแบบบนแพลตฟอร์มฮาร์ดแวร์ทั่วไปหรือสามารถใช้มาตรฐานการทำงานที่แตกต่างกันได้ การออกแบบเดิมไม่เพียงแต่บรรลุระดับความเป็นอิสระสูงสุด แต่ยังลดจำนวนเกตที่ใช้ ในขณะที่การออกแบบหลังต้องการการพัฒนาอัลกอริธึมเฉพาะสำหรับฟังก์ชันฟรอนต์เอนด์ดิจิทัล แต่สามารถนำไปใช้กับ ASIC ได้ ทำให้เราใช้ประโยชน์ได้ ของแนวคิดของซอฟต์แวร์วิทยุ
โดยทั่วไป แม้ว่าวิทยุซอฟต์แวร์จะได้รับการพัฒนาในขั้นต้นสำหรับการสื่อสารแบบคลื่นสั้นแบบ over-the-horizon ทางการทหาร เพราะพวกเขามีความเที่ยงตรงสูงซึ่งไม่พบในเครื่องรับแบบแอนะล็อก แต่ก็ยังให้ความยืดหยุ่นที่ดีเยี่ยม ด้วยการดัดแปลงเล็กน้อย มันสามารถปรับให้เข้ากับความต้องการของผู้ใช้ที่แตกต่างกัน และค่าใช้จ่ายก็ต่ำมาก ควบคู่ไปกับการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยีการประมวลผลสัญญาณดิจิทัล ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านการสื่อสารพลเรือน โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการสื่อสารเคลื่อนที่ แอพพลิเคชั่นในระบบมีความกว้างขวางมากขึ้น
