ソフトウェア無線

ソフトウェア無線（SDR）は、従来アナログハードウェアで実装されていたコンポーネント（ミキサー、フィルター、アンプ、変調器/復調器、検出器など）を、コンピューターまたは組み込みシステム上のソフトウェアによって実装する無線通信システムです。^[1] SDRの概念は新しいものではありませんが、デジタルエレクトロニクスの急速に進化する機能により、かつては理論上のみ可能であった多くのプロセスが実用化されています。

基本的な SDR システムは、サウンド カードまたはその他のアナログ/デジタル コンバーターを備えたコンピューターと、その前に何らかのRF フロント エンドが配置された構成です。大量の信号処理は、専用ハードウェア (電子回路)ではなく、汎用プロセッサに引き継がれます。このような設計により、使用するソフトウェアのみに基づいて、さまざまな無線プロトコル (波形と呼ばれることもあります) を送受信できる無線機が実現します。

ソフトウェア無線は、多種多様な無線プロトコルにリアルタイムで対応する必要がある軍事および携帯電話サービスにとって大きな有用性を持っています。長期的には、ワイヤレスイノベーションフォーラムなどの支持者によって、ソフトウェア定義無線が無線通信の主流技術になると予想されています。SDRとソフトウェア定義アンテナは、コグニティブ無線を実現するものです。^[2]

スーパーヘテロダイン受信機は、 VFO (可変周波数発振器)、ミキサー、およびフィルターを使用して、目的の信号を共通の IF (中間周波数) またはベースバンドに調整します。通常、SDR では、この信号はアナログ/デジタル コンバーターによってサンプリングされます。ただし、一部のアプリケーションでは、信号を中間周波数に調整する必要がなく、無線周波数信号がアナログ/デジタル コンバーターによって直接サンプリングされます(増幅後)。

実際のアナログ-デジタル コンバータには、アンテナによって生成されるサブマイクロボルト、ナノワットの電力の無線信号を拾うためのダイナミック レンジがありません。したがって、変換ステップの前に低ノイズ アンプを配置する必要があり、このデバイス自体に問題が生じます。たとえば、スプリアス信号が存在する場合 (これは一般的です)、これらはアンプのダイナミック レンジ内で目的の信号と競合します。目的の信号に歪みが生じたり、完全にブロックされたりする可能性があります。標準的な解決策は、アンテナとアンプの間にバンドパス フィルタを配置することです が、これにより無線の柔軟性が低下します。実際のソフトウェア無線には、オン/オフを切り替える異なる帯域幅の 2 つまたは 3 つのアナログ チャネル フィルタが搭載されていることがよくあります。

SDRの柔軟性により動的なスペクトル使用が可能になり、希少なスペクトルリソースを単一の固定サービスに静的に割り当てる必要性が軽減されます。^[3]

1970 年、米国国防総省の研究所の研究者^{[誰? ]が「デジタル レシーバー」という用語を作り出した。カリフォルニアの}TRWのゴールド ルームと呼ばれる研究所は、ソフトウェアで動作が定義された Midas と呼ばれるソフトウェア ベースバンド解析ツールを作成した。^{[引用が必要]}

1982年、米国国防総省の契約に基づいてRCAで働いていたウルリッヒ・L・ローデの部門は、COSMAC（相補対称モノリシックアレイコンピュータ）チップを使用した最初のSDRを開発しました。ローデは、1984年2月にロンドンで開催された第3回HF通信システムおよび技術に関する国際会議で「デジタルHF無線：技術のサンプル」と題した講演で、このトピックについて初めて発表しました。^[4]

1984 年、テキサス州ガーランドのE-Systems Inc. (現在のRaytheon )部門のチームが、デジタル ベースバンド レシーバーを指す「ソフトウェア ラジオ」という用語を考案し、同社の E-Team 社内ニュースレターで発表しました。E-Systems チームによって「ソフトウェア ラジオ概念実証」ラボが開発され、さまざまな政府機関でソフトウェア ラジオが普及しました。この 1984 年のソフトウェア ラジオは、共有メモリにアクセスする複数のアレイ プロセッサを使用して、通常数千の適応型フィルタタップを備えた、広帯域信号用のプログラム可能な干渉除去と復調を提供するデジタルベースバンドレシーバーでした。^[5]

1991 年、ジョー・ミトラは、 Ferdensi のデジタル受信機と E-Systems Melpar のデジタル制御通信妨害装置を組み合わせた真のソフトウェアベースのトランシーバーとなるGSM基地局を構築する計画で、ソフトウェア無線という用語を独自に再発明しました。E-Systems Melpar は、ソフトウェア無線のアイデアを米国空軍に売却しました。Melpar は、1990 年から 1991 年にかけて、Texas Instruments TMS320C30プロセッサと、デジタル合成送信機能を備えたHarris Corporationデジタル受信機チップセットを採用した、指揮官用戦術端末のプロトタイプを作成しました。Melpar のプロトタイプは、E-Systems ECI 部門が最初の限定生産ユニットを製造したときに、「役に立たない C30 ボードを捨てる」ことを決定し、送受信に従来の RF フィルタリングを導入し、ミトラのプロトタイプの SpeakEasy のような IF ADC/DAC ではなく、デジタル ベースバンド無線に戻したため、長くは続きませんでした。空軍は、ミトラ社にそのプロトタイプの技術的詳細を公開させず、ダイアン・ワッサーマンが関連するソフトウェアライフサイクルの教訓を公開させることも許さなかった。なぜなら、彼らはそれを「空軍の競争上の優位性」とみなしていたからである。 ^[要出典]そのため、空軍の許可を得て、1991年にミトラ社は「ソフトウェア無線：調査、批判的分析、および将来の方向性」という論文で、実装の詳細を除いたアーキテクチャの原則について説明した。この論文は、1992年にこの用語を使用した最初のIEEE出版物となった。 ^[6]ミトラ社が会議で論文を発表したとき、GECマルコーニ社のボブ・プリル氏は、ミトラ社に続いて次のように発表を始めた。「ジョーはソフトウェア無線の理論について完全に正しく、我々はそれを構築しているところです。」^[要出典]プリル氏は、SpeakEasyの前身であるPAVE PILLARに関するGECマルコーニ社の論文を発表した。軍用ソフトウェア無線であるSpeakEasyは、当時ローマ航空開発センター（RADC）（現在はローマ研究所）のウェイン・ボンサー氏、ニューヨーク州ローマのMITRE社のアラン・マーグリーズ氏、およびその後、DARPA SpeakEasy プロジェクト マネージャーを務めたベス カスパー中尉や、ドン アップマルを含むローマの他の人たちによって開発が進められました。ミトラの IEEE 出版物はソフトウェア ラジオの世界最大の足跡を残しましたが、ミトラは個人的に、ソフトウェアによる送信が可能になった後にソフトウェア ラジオの基礎となったデジタル受信機技術を発明したのは、リーダーのカール、デイブ、ジョンが率いた 1970 年代の国防総省の研究所だと考えています。^[要出典]

1992 年の全米テレシステム会議から数か月後、E-Systems の企業プログラム レビューで、E-Systems Garland 部門の副社長が、Melpar (Mitola) が Garland の名を明かさずに「ソフトウェア無線」という用語を使用したことに異議を唱えました。当時 Melpar のマーケティング担当副社長だった Alan Jackson は、Garland の副社長に、彼らの研究室やデバイスに送信機が含まれているかどうかを尋ねました。Garland の副社長は、「いいえ、もちろん含まれていません。当社のものはソフトウェア無線受信機です」と答えました。Al は、「それならデジタル受信機ですが、送信機がなければソフトウェア無線ではありません」と答えました。企業幹部は Al に同意したため、この出版物はそのまま残りました。1980 年代から 1990 年代初頭にかけて、多くのアマチュア無線家や HF 無線技術者が、RF で HF をデジタル化し、Texas Instruments TI C30デジタル信号プロセッサ(DSP) やその前身で処理することの価値に気付いていました。英国のRoke Manorとドイツの組織の無線技術者は、RF での ADC の利点を並行して認識していました。Mitola が IEEE でソフトウェア無線を発表したことで、この概念は無線技術者の幅広いコミュニティに知られるようになりました。1995 年 5 月のIEEE Communications Magazineの特別号の表紙に「ソフトウェア無線」とあるのは、学術的な引用が何千件も寄せられる画期的な出来事とみなされました。1997 年、Joao da Silva は、このような貴重な技術を「公共の利益のために」共有する意欲を大いに評価し、Mitola をソフトウェア無線の「ゴッドファーザー」として紹介しました。^{[引用が必要]}

おそらく最初のソフトウェアベースの無線トランシーバーは、 1988年にドイツのオーバープファッフェンホーフェンにあるドイツ航空宇宙研究施設（DLR、旧DFVLR）のピーター・ホーハーとヘルムート・ラングによって設計され、実装されました。 ^[7]適応型デジタル衛星モデムの送信機と受信機は両方ともソフトウェア無線の原理に従って実装され、柔軟なハードウェア周辺機器が提案されました。^[要出典]

1995年、スティーブン・ブラストは「ソフトウェア定義無線」という用語を作り出し、1996年にモジュラー多機能情報転送システム（MMITS）フォーラム（1998年にソフトウェア定義無線フォーラムに名称変更）の初回会議でベルサウスワイヤレスに情報提供の要請を発表しました。このフォーラムは、米国空軍と国防高等研究計画局（DARPA）がSpeakEasy IIプログラムの商用化をめぐって開催したものです。ミトラはブラストの用語に反対しましたが、最終的には理想的なソフトウェア無線への実際的な道筋として受け入れました。この概念は1990年代初頭にIF ADCで初めて実装されましたが、ソフトウェア定義無線は1970年代後半の米国と欧州の防衛部門に起源があります（たとえば、ウォルター・タトルビーは、ブリュッセルで開催された第1回国際会議の約1年後に、ADCと8085マイクロプロセッサを使用したVLF無線について説明しました）^[8] 。最初の公開ソフトウェア無線の取り組みの 1 つは、米国 DARPA と空軍の軍事プロジェクトであるSpeakEasyでした。SpeakEasy プロジェクトの主な目標は、プログラム可能な処理を使用して、2 MHz から 2000 MHzの周波数帯域で動作する 10 を超える既存の軍事無線をエミュレートすることでした。^{[9] SpeakEasy のもう 1 つの設計目標は、将来的に新しい}コーディングおよび変調標準を簡単に組み込むことができるようにして、軍事通信がコーディングおよび変調技術の進歩に対応できるようにすることでした。^[要出典]

1997 年、Blaupunkt は、 Modena & Lausanne RD 148 などの カーラジオに搭載されるSharx を搭載した DSP ベースのチューナーの新シリーズに「DigiCeiver」という用語を導入しました。

1990年から1995年にかけて、 SpeakEasyプログラムの目標は、 2MHzから2GHzで動作し、地上軍の無線（周波数可変型VHF、FM、SINCGARS）、空軍の無線（VHF AM）、海軍の無線（VHF AMおよびHF SSBテレプリンター）、衛星（マイクロ波QAM）と相互運用できる、米国空軍の戦術地上航空管制隊用の無線を実証することだった。具体的な目標としては、立ち上げから2週間で新しい信号フォーマットを提供し、複数の請負業者が部品やソフトウェアを差し込むことができる無線を実証することだった。^[要出典]

このプロジェクトはTF-XXI 高度戦闘演習で実演され、非量産無線機でこれらすべての目標を実証した。これらの初期のソフトウェア無線機は、帯域外放射を適切にフィルタリングできなかったり、既存の無線機の最も単純な相互運用モード以上を採用できなかったり、接続が突然失われたりクラッシュしたりすることがあり、不満がいくつかあった。暗号プロセッサは、複数の無線通信を同時にオンエアできるほど速くコンテキストを変更できなかった。ソフトウェア アーキテクチャは十分に実用的であったが、他のものとは似ても似つかなかった。SpeakEasy アーキテクチャは、1996 年から 1999 年にかけて MMITS フォーラムで改良され、国防総省の統合プロセス チーム (IPT) がプログラマブル モジュラー通信システム (PMCS) を開発するきっかけとなり、統合戦術無線システム (JTRS) の開発が進められた。^[要出典]

無線受信機の基本的な構成は、アンテナから増幅器とダウンコンバータ（周波数ミキサーを参照）に電力を供給し、自動ゲイン制御に電力を供給し、これがコンピュータのVMEバス上にあるアナログ - デジタル コンバータに電力を供給し、多数のデジタル信号プロセッサ（Texas Instruments C40）が接続されていました。送信機にはPCI バス上のデジタル - アナログ コンバータがあり、アップコンバータ（ミキサー）に電力を供給し、それがパワーアンプとアンテナにつながっていました。非常に広い周波数範囲は、同じアナログ - デジタル コンバータに電力を供給する異なるアナログ無線技術を持ついくつかのサブバンドに分割されていました。これは、それ以来、広帯域ソフトウェア無線の標準的な設計スキームとなっています。^[要出典]

目標は、より迅速に再構成可能なアーキテクチャ、つまり、オープンソフトウェア アーキテクチャで同時に複数の会話を行えるアーキテクチャ、およびクロス チャネル接続 (無線が異なる無線プロトコルを「ブリッジ」できる) を実現することでした。2 番目の目標は、より小型で、より安価で、より軽量にすることでした。^{[引用が必要]}

このプロジェクトでは、3 年間の研究プロジェクトのうちわずか 15 か月でデモ用の無線機が製作されました。このデモは非常に成功したため、それ以上の開発は中止され、無線機は 4 MHz から 400 MHz の範囲のみで生産されました。^{[引用が必要]}

ソフトウェア アーキテクチャでは、無線のさまざまなモジュールの標準インターフェイスが識別されました。無線のアナログ部分を管理する「無線周波数制御」、変調および復調方式 (FM、AM、SSB、QAM など) のリソースを管理する「モデム制御」、モデム機能を実際に実行する「波形処理」モジュール、「キー処理」および「暗号化処理」は暗号化機能を管理し、「マルチメディア」モジュールは音声処理を行い、「ヒューマン インターフェイス」はローカルまたはリモート制御を提供し、ネットワーク サービス用の「ルーティング」モジュール、およびすべてを整理する「制御」モジュールがありました。^{[引用が必要]}

モジュールは中央のオペレーティング システムなしで通信すると言われています。代わりに、階層化されたプロトコルを使用して、 PCI コンピュータ バスを介して相互にメッセージを送信します。^{[引用が必要]}

軍事プロジェクトとして、この無線機は「赤」（保護されていない秘密データ）と「黒」（暗号化されたデータ）を明確に区別していました。^{[引用が必要]}

このプロジェクトは、無線データのデジタル処理にFPGA (フィールド プログラマブル ゲート アレイ) を使用した最初のプロジェクトとして知られています。これらの再プログラムにかかる時間は、無線の用途を制限する問題でした。今日でも、FPGA のプログラムを書くのにかかる時間は依然として長いですが、保存された FPGA プログラムをダウンロードする時間は約 20 ミリ秒です。つまり、SDR は 1/50 秒で送信プロトコルと周波数を変更できるということです。おそらく、そのタスクにとって許容できない中断ではないでしょう。^[要出典]

1994年のSpeakEasy SDRシステムは、テキサスインスツルメンツのTMS320C30 CMOS デジタル信号プロセッサ（DSP）と数百の集積回路チップを使用しており、ラジオはトラックの荷台一杯に収まっていた。2000年代後半には、RF CMOS技術の出現により、SDRシステム全体を単一のミックスドシグナル システムオンチップに縮小することが現実的になり、これは2007年にブロードコムがBCM21551プロセッサで実証した。ブロードコムBCM21551は、 3G 携帯電話での使用など、実用的な商用アプリケーションがある。^{[10] [11]}

統合戦術無線システム(JTRS) は、柔軟で相互運用可能な通信を提供する無線機を製造するための米国軍のプログラムでした。サポートを必要とする無線端末の例には、携帯型、車載型、空中型、および降車型無線機、ならびに基地局 (固定および海上) が含まれます。

この目標は、国際的に承認されたオープンなソフトウェア通信アーキテクチャ(SCA)に基づく SDR システムの使用によって達成されます。この標準では、POSIXオペレーティング システム上のCORBA を使用して、さまざまなソフトウェア モジュールを調整します。

このプログラムは、ソフトウェア プログラム可能な無線技術を通じて、兵士の多様な通信ニーズを満たすための柔軟な新しいアプローチを提供します。すべての機能と拡張性は SCA に基づいて構築されています。

SCA は軍事目的で開発されたにもかかわらず、商用無線ベンダーによってその分野での適用可能性が評価されています。しかし、軍事、諜報、実験、アマチュア用途以外での汎用 SDR フレームワークの採用は、民間ユーザーが特定の機能に最適化され、したがって大量市場アプリケーションでより経済的である固定アーキテクチャでより容易に落ち着くことができるという事実によって本質的に妨げられています。それでも、ソフトウェア定義無線の固有の柔軟性は、実装の固定コストが、専用システムの反復的な再設計コストを上回るほどに下がれば、長期的には大きなメリットをもたらす可能性があります。これが、この技術に対する商業的関心が高まっている理由です。

SDR教育研究用のSCAベースのインフラストラクチャソフトウェアと迅速な開発ツールは、オープンソースSCA実装-組み込み（OSSIE ^[12]）プロジェクトによって提供されています。ワイヤレスイノベーションフォーラムは、SCA仕様のオープンソース実装であるSCAリファレンス実装プロジェクトに資金を提供しました。（SCARI）は無料でダウンロードできます。

典型的なアマチュア用ソフトウェア無線ではダイレクトコンバージョン受信機が使用されています。昔のダイレクトコンバージョン受信機とは異なり、使用されるミキサー技術は直交サンプリング検出器と直交サンプリング励振器に基づいています。^{[13] [14] [15] [16]}

このシリーズのSDRの受信機の性能は、使用されるアナログ-デジタルコンバーター（ADC）のダイナミックレンジに直接関係しています。^[17] 無線周波数信号はオーディオ周波数帯域にダウンコンバートされ、高性能オーディオ周波数ADCによってサンプリングされます。第1世代のSDRは、ADC機能を提供するために44kHzのPCサウンドカードを使用していました。新しいソフトウェア無線では、より高いダイナミックレンジを提供し、ノイズやRF干渉に対する耐性がより高い、 組み込みの高性能ADCを使用しています。

高速PCは、無線ハードウェアに固有のソフトウェアを使用してデジタル信号処理（DSP）操作を実行します。いくつかのソフトウェア無線実装では、オープンソースのSDRライブラリDttSPが使用されています。^[18]

SDRソフトウェアは、復調、フィルタリング（無線周波数と音声周波数の両方）、信号強化（イコライゼーションとバイノーラルプレゼンテーション）のすべてを実行します。用途には、モールス信号、単側波帯変調、周波数変調、振幅変調、および無線テレタイプ、スロースキャンテレビ、パケットラジオなどのさまざまなデジタルモードなど、一般的なアマチュア変調が含まれます。^[19]アマチュアは新しい変調方式の実験も行っています。たとえば、DREAM オープンソースプロジェクトは、Digital Radio Mondialeで使用されるCOFDM技術をデコードします。

アマチュア無線家や家庭での使用に適したハードウェアソリューションは多岐にわたります。プロ仕様のトランシーバーソリューションとしては、Zeus ZS-1 ^{[20] [21]}や FlexRadio ^[22]などがあります。自家製ソリューションとしては、PicAStar トランシーバー、SoftRock SDR キット^[23]などがあります。また、スターターまたはプロ仕様の受信機ソリューションとしては、短波用の FiFi SDR ^[24]や、短波または VHF/UHF を直接デジタルモードで操作する Quadrus コヒーレント マルチチャンネル SDR 受信機^{[25]などがあります。}

Eric Fryは、 Realtek RTL2832U ^{[26] [27]}コントローラーとチューナーを搭載した一般的な低価格のDVB-T USBドングル（Elonics E4000やRafael Micro R820T ^[28]など）が広帯域（3MHz）SDR受信機として使用できることを発見しました。実験により、このセットアップがグレーブスレーダー信号を使用してペルセウス座流星群を分析できることが証明されました。^{[29]このプロジェクトは}Osmocomで維持されています。

HPSDR (高性能ソフトウェア定義無線) プロジェクトでは、16 ビット 135 MSPS アナログ - デジタル コンバーターを使用して、従来のアナログ HF 無線と同等の0 ～ 55 MHz の範囲でパフォーマンスを提供します。受信機は、ミキサー イメージまたはエイリアス応答のいずれかを使用して、VHF および UHF 範囲でも動作します。PC へのインターフェイスはUSB 2.0 インターフェイスによって提供されますが、イーサネットも使用できます。プロジェクトはモジュール式で、他のボードをプラグインするバックプレーンで構成されています。これにより、ボード セット全体を交換することなく、新しい技術やデバイスを試すことができます。励起器は、イメージまたはエイリアス出力を使用して、同じ範囲または VHF および UHF 範囲で1/2 Wの RF を提供します。 ^[30]

WebSDR ^[31]は、ピーター・チェルク・デ・ボアが始めたプロジェクトで、ブラウザ経由で世界中の短波スペクトル全体をカバーする複数のSDR受信機にアクセスできるようにしています。デ・ボアは、受信機の結合システムを使用してチャープ送信機の信号を解析しました。 ^[32]

KiwiSDR ^[33]もWebSDRと同様にブラウザ経由のSDRである。WebSDRとは異なり、周波数は3Hz～30MHz（ELF～HF） に制限されている。

ハードウェアのコストが下がり、ソフトウェア ツールやドキュメントが増え、アクセスしやすくなったため、SDR の用途は、主要な歴史的な使用例を超えて拡大しました。現在、SDR は、野生生物の追跡、電波天文学、医療画像研究、芸術などの分野で使用されています。

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• Rohde, Ulrich L (1985 年 2 月 26 ～ 28 日)。「デジタル HF 無線: 技術のサンプル」。第 3 回 HF 通信システムおよび技術に関する国際会議。ロンドン、イギリス。
• ソフトウェア定義無線: アーキテクチャ、システム、機能。Dillinger 、Madani、 Alonistioti。Wiley、2003年。454ページ。ISBN 0-470-85164-3 ISBN 9780470851647   
• 認知無線技術。ブルース・フェッテ。エルゼビア・サイエンス＆テクノロジー・ブックス、2006年。656ページ。ISBN 0-7506-7952-2 ISBN 9780750679527   
• 3G 向けソフトウェア定義無線、 Burns。Artech House、2002 年。ISBN 1-58053-347-7 
• ソフトウェアラジオ: 無線エンジニアリングへの現代的なアプローチ、 Jeffrey H. Reed。Prentice Hall PTR、2002年。ISBN 0-13-081158-0 
• ソフトウェア無線の信号処理技術、 Behrouz Farhang-Beroujeny。LuLu Press。
• ソフトウェア定義無線のための RF およびベースバンド技術、 Peter B. Kenington。Artech House、2005 年、ISBN 1-58053-793-6 
• ソフトウェア定義無線の ABC、マーティン・ユーイング、AA6E。アメリカ無線中継連盟、2012 年、ISBN 978-0-87259-632-0 
• MATLAB & Simulink と RTL-SDR を使用したソフトウェア定義無線、 R Stewart、K Barlee、D Atkinson、L Crockett、Strathclyde Academic Media、2015 年 9 月。ISBN 978-0-9929787-2-3 

ウィキメディア・コモンズには、ソフトウェア無線に関連するメディアがあります。

• オランダのトゥエンテ大学で世界初のウェブベースのソフトウェア定義受信機を開発
• インターネットに接続されたソフトウェア定義受信機
• ソフトウェア定義テレビチューナーをマルチモード HF / VHF / UHF 受信機として使用する
• 無料の SDR 教科書: MATLAB と Simulink および RTL-SDR を使用したソフトウェア定義無線
• Wayback Machineのソフトウェア無線の世界へようこそ(2023-02-23 アーカイブ)
• カナダ、モントリオール工科大学のソフトウェア定義テラヘルツ無線