ソフトウェア無線（SDR）とは

ソフトウェア無線（SDR）は一般に、「物理レイヤーの機能の一部またはすべてがソフトウェアで定義される無線」として定義されます。SDR テクノロジーは、従来のハードウェアの代わりにソフトウェアを使用して無線信号処理機能を実行します。従来のシステムで使用されているフィルター、誤り訂正、同期装置、変調器/復調器、周波数チューナーはすべてソフトウェアで実現できます。ソフトウェア定義デバイスは、変化する製品要件に適応するように再設定できます。

SDR という用語は無線システムを指しますが、ハードウェアコンポーネントではなくソフトウェアで信号を処理するという概念は、レーダー、自動車、ロボット工学、電子戦など、さらに多くのシステムに適用できます。より一般的な用語は、ソフトウェア定義システム（SDS）です。

SDR は、単一のハードウェアプラットフォームが読み込まれたソフトウェアアプリケーションに基づいて多くの機能を実行できるデスクトップコンピューティングとほぼ同様に機能します。SDR は、デジタル信号プロセッサ（DSP）、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、汎用プロセッサ（GPP）などの高速リプログラマブルデバイスを使用し、従来の無線システムではハードウェアによって実行されていたタスクを実行します。

システムのソフトウェアベースのフィルタリングアルゴリズムで動作モード、周波数、変調などの無線パラメータを構成するため、ミキサー、フィルター、アンプ、変調器、復調器などのハードウェアコンポーネントが不要になります。このタイプの設計により、ソフトウェアを変更するだけでさまざまな無線プロトコルを送受信できる無線を実現し、無線周波数スペクトラムを効率的に使用して、ハードウェアを更新する必要なく無線の機能を拡張できる柔軟性が得られます。

SDR テクノロジーは、人々によるコミュニケーションの必要性の急激な増加に対応します。データ、音声、ビデオ、メッセージング、指揮統制、緊急対応通信などはすべて、現在 SDR ドメイン内で網羅している通信メカニズムです。SDR は、機器コストを抑えながら、通信手段へのより多くのアクセスを提供するという競合する要求に対するソリューションです。SDR は、サービスプロバイダー、製品開発者、さらにはエンドユーザーにまで恩恵をもたらすことができる、柔軟でコスト効率の高いソリューションです。

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SDR を使用する主な機能と利点を以下に示します。

• ハードウェアの再設計ではなくソフトウェアブロックを統合することで、開発コストと市場投入までの時間を削減
• イノベーションサイクルを短縮
• ハードウェアの陳腐化に対する保護
• ソフトウェアダウンロードによるシステム機能のインフィールド更新/アップグレード
• 単一のハードウェアプラットフォームで、ソフトウェア プリケーションの読み込みにより複数の通信プロトコルをサポート可能
• 複数のアプリケーションドメインをサポートする多目的プラットフォーム（無線/EW など）
• ドメイン固有のアプリケーションの開発をパソコンまたは COTS（商用既製品）プラットフォーム上で開始可能
• ソフトウェア開発を簡素化する COTS エコシステムを使用可能

SDR が提供する柔軟性により、このテクノロジーは、今日の商用および軍事製品の絶え間なく変化する要件を満たすための論理的な選択肢となります。SDR という用語は無線システムを指しますが、ハードウェアコンポーネントではなくソフトウェアで信号を処理するという概念は、レーダー、自動車、ロボット工学、電子戦など、さらに多くのシステムに適用できます。より一般的な用語は、ソフトウェア定義システム（SDS）です。 

テストと測定用計測器

ソフトウェア無線（SDR）の導入がより広範になるにつれて、以前は不可能だった方法で SDR をテストできるようにテストおよび測定用計測器が強化されています。市場の動きが非常に速いため、メーカーは迅速に対応する必要があります。

多くの場合、テスト対象製品とプロトコルは、製品開発ライフサイクルの非常に後期まで進化し続けているか定義中です。ハードウェアのすべての変更をサポートするには、非常に費用がかかり、時間がかかり過ぎます。実際、従来のテスターは、多くの場合、市場に投入されるまでにすでに時代遅れになっています。ソフトウェア定義テスター（仮想計測器とも呼ばれる）は、規格やプロトコルの進化に合わせて調整するために必要なレベルの柔軟性を提供します。さらに、次世代のソフトウェア定義計測器を使用すると、エンジニアは無線機の内部を覗いて、波形の内部信号を監視および変更することができます。アンテナポートに制約されない（すなわち、ブラックボックステストである）ことから、無線装置をテストおよび適格性を評価する前例のない方法が得られます。

ソフトウェア通信アーキテクチャ（SCA）は、SCA コンポーネントへの信号の監視または注入のためのテストプローブの実装に使用できる標準化されたインターフェイスを提供することで、その柔軟性を実現します。このため、SCA はテストおよび計装ドメインで使用するのに最適な候補となります。

レーダー

レーダーシステムは、アンテナによって収集された情報をユーザー（航空管制官、気象監視、またはより大規模なシステム（自動車、ロボット、ドローン）を自律的に制御する組み込みコンピュータなど）がアクセスできる何らかの形式に変換するために大規模な信号解析を実行する必要があります。現在の最先端レーダーは、最新デジタルプロセッサの機能を活用してこの解析を実行します。

マイクロ波信号はデジタル化され、フィールドプログラマブルゲートアレイ（FPGA）、デジタル信号プロセッサ（DSP）、グラフィックス処理ユニット（GPU）、または汎用プロセッサ（GPP）の 1 つ、多数、またはそれらの組み合わせに供給され、そこでフィルタリング、ダウンコンバート、重み付け、遅延、結合、および他の多くのアルゴリズムを通過して、目的の情報が必要な確度で取得されます。これらのデジタル処理レーダーは、現在軍事および商業分野で一般的に使用されているソフトウェア無線機になぞらえて、ソフトウェアレーダーと呼ばれています。

信号処理が現在はデジタルドメインで実行されるという単なる事実だけでも、より古いより従来的な全 RF 実装に比べて大きな利点となります。処理アルゴリズムは、すべてハードウェアで実装するよりもソフトウェアによる方がより迅速かつ簡単に変更できます。アプリケーションのシナリオに応じて、送信および受信信号処理機能を要件に合わせてオンデマンドで適応させることができます。ハードウェアコンポーネントをアップグレードまたは交換する必要なく、新しい機能を追加できます。システムはオンサイトでアップグレードまたは修理できるため、メンテナンスコストを削減できます。

この柔軟性には代償が伴い、ハードウェアの柔軟性のなさと引き換えにソフトウェアの複雑さが増します。コードの生成とデバッグは、プログラムする必要があるアルゴリズムの数だけでなく、レーダーアプリケーションに必要なハードウェア処理プラットフォームの分散した異種混合の性質によって、ますます複雑になっています。今日では、GPP、DSP、FPGA（GPU を使用するものもあります）を組み合わせて使用し、アプリケーションソフトウェアが分散した異種プロセッサ間で分割、展開、構成されているアプリケーションも珍しくありません。

したがって、場合によっては、ソフトウェアの統合がコスト超過の主な原因となります。言うまでもなく、ハードウェアプラットフォームが変わるにつれ、製品が新世代になるたびに、多くの場合、ソフトウェア関連の作業のほとんどを最初からやり直す必要が生じます。

ソフトウェアの規模と複雑さが増大するにつれて、ソフトウェア開発に対する従来のアプローチはますます非効率になり、生産性の低下とその結果としてコストの増加を引き起こします。

これを改善するアプローチが軍事組織によって開発され、その通信システムに採用されています。米国国防総省（DoD）の統合戦術ネットワーキングセンター（JTNC）（旧称 JTRS）とワイヤレスイノベーションフォーラム（WInnF）（SDR フォーラム v2.0）の共同の取り組みのもとで、システム設計アーキテクチャフレームワークが開発され、ソフトウェアの移植性と再利用を奨励し、ハードウェアのアップグレードとシステム全体の拡張性を促進して、新製品の開発時間とコストを削減しようとしています。ソフトウェア通信アーキテクチャ（SCA）と呼ばれるソフトウェアアーキテクチャは、世界中の主要国軍で採用されており、現在では主要な軍用無線機メーカーでも使用されています。SCA はソフトウェアの移植性と再利用を促進し、レーダー分野におけるソフトウェアの規模と複雑さの増大に対処しています。

電子戦

電子戦（EW）機能は、戦闘状況において非常に貴重な必需品になりつつあります。高度な警告、捜索、迎撃、位置特定、記録、探知、目標捕捉は電子戦では不可欠なタスクです。

電磁スペクトラムの助けを借りて防御がテストされている一方で、新たな脅威が開発されているため、戦闘シナリオは変化しています。EW では、多くのさまざまなソースからデータを収集、検証、処理する必要があります。電子放射体が何をしようとしているのか、味方か敵か正体不明かを特定することは、効果的な電子戦作戦にとって極めて重要です。こうして獲得したインテリジェンスを使って、迅速に意思決定を行う必要があります。ミッションを成功させるには、電子戦闘空間に関する包括的な知識が必要となっています。

潜在的な脅威を探す場合、マイクロ波信号はデジタル化され、フィールドプログラマブルゲート アレイ（FPGA）、デジタル信号プロセッサ（DSP）、グラフィックス処理ユニット（GPU）、または汎用プロセッサ（GPP）の 1 つ、多数、またはそれらの組み合わせに供給されます。次に、信号はフィルタリング、ダウンコンバート、重み付け、遅延、組み合わせを経た後、他の多くのアルゴリズムを通過して、目的の情報が必要な確度で取得されます。

EW の主な課題には、信号検出、エミッタパラメータの測定と相関、エミッタの分類、識別、オペレータへの通知が含まれ、それらは、多くの場合、電子支援措置（ESM）またはレーダー警報受信機（RWR）システムとして分類されます。ESM システムは多くの場合、将来の分析に備えて電子データを保存する任務を負います。従来、ESM システムは、位置/距離を推定する RWR のサポートを得て、エミッタの位置に焦点を当てています。

ESM システム機能が測定できる代表的なエミッター特性の非包括的なリストには、無線周波数、振幅、到来方向、到着時間、パルス繰り返し間隔、パルス幅、スキャンの種類と速度、ローブ持続時間（ビーム幅）が含まれます。他の高度な ESM システムはまた、パルス繰り返し間隔変調特性、パルス間およびパルス内周波数変調（FM）、ミサイル誘導特性、および連続波信号も測定できます。

EW は、主にソフトウェアで行われる一連のアルゴリズム実装に頼ることにより、アルゴリズム実装の移植性と再利用を強化したコンポーネントベースのアーキテクチャを検討しているソフトウェア定義ドメインの大きなトレンドの一部となっています。EW、ソフトウェア無線、ソフトウェアレーダーなどに取り組む大規模組織にとって、アルゴリズムの実装をソフトウェアコンポーネントとして複数のドメイン間で共有できるため、メリットが増大します。

ソフトウェア通信アーキテクチャ（SCA）は、EW ドメインに非常に適したソフトウェアコンポーネントを再利用するためのフレームワークを提供するコンポーネントベース開発（CBD）パラダイムに従っています。

ロボット工学と自動化

歴史的および伝統的に、無人システムの通信設備と自律機能は完全に互いから独立していました。通信と自律性は、ストーブ配管式サブシステムであり、その唯一のインターフェイスは、バイナリデータを送信するために無線機に送信され、処理のために無線機で受信されるポートだけでした。

テクノロジーの進歩により、無線機の構築方法は大幅に変化し、波形を変調および復調する単なるハードウェアではなくなりました。ソフトウェア無線（SDR）パラダイムは無線技術の最先端にあり、波形の変調と復調を含む無線機能のほとんどはソフトウェアを使用して実装されます。ソフトウェアを基盤とした SDR は非常に柔軟なデバイスで、そのパフォーマンス特性はソフトウェアアップデートによって容易に変更できます。ソフトウェアアプローチによって提供されるこうした柔軟性の高さにより、問題は、SDR をどのように実装するか、また無線の互換性をどのように確保するかということになります。

実装と標準に関するこれらの問題は、ソフトウェア通信アーキテクチャ（SCA）によって対処されています。SCA は、米陸軍の統合戦術無線システム（JTRS）の決定的な規格であり、ヨーロッパ、アジア、中東、南アメリカの国々の国家 SDR プログラムにて世界的に採用されています。SCA は、複雑さの問題に対処するための様式化されたアプローチを提供するコンポーネントベースソフトウェアエンジニアリング（CBSE）パラダイムを採用することで、非常に高度な無線制御とアルゴリズムを実装するという課題に対応します。

ロボット工学コミュニティもソフトウェアの複雑さに対処するために同じ CBSE アプローチを採用していることを考えると、無人システムの通信機能と自律性機能の間には強い収束が存在します。より具体的には、現在では、自律機能を無線通信機能と統合することが可能であるだけでなく、望まれるようにもなっています。単一のハードウェアシステムに統合すると、以下のような潜在的な利点が得られます。

• 実装の複雑さの軽減
• 軽量化
• 全体的な消費電力の低減
• 柔軟性、移植性、再利用性、拡張性の向上
• 無線通信を最適化する機会

現在では、必要なハードウェアとソフトウェアの両方のアーキテクチャ/フレームワークが存在し、無線通信と自律機能を単一のプロセッサに緊密に統合することができます。ソフトウェア開発プロセスは、コア無線機能と自律機能を実装するソフトウェアコンポーネントの開発を大幅に簡素化する市販のグラフィカルモデリング統合開発環境（IDE）を使用して迅速化できます。これらのソフトウェアコンポーネントは、その後、自律システムに取り込まれ、異種組み込み分散システム（HEDS）用のソフトウェアコンポーネントの標準化された展開エンジンである SCA コアフレームワークを介して実行されます。

無人システムの無線通信と自律機能を別個のストーブ配管式システムとみなす必要はなくなりました。以前は独立していたサブシステムを緊密に統合できるテクノロジーが、現在では利用可能になっています。この緊密な統合により、自律ソフトウェアは無線構成に作用でき、またその逆も可能です。こうしたアプローチには多くの利点があり、設計者/エンジニアが現在市場にある製品よりも柔軟性と拡張性が高い、より高性能な無人システムを生み出すことができるようになります。

ソフトウェアアーキテクチャ

ソフトウェア定義システム（SDS）は、変化する環境や要件に適応するために再構成できる柔軟性を提供します。ソフトウェアが今日の電子システムの最大のコンポーネントとなっており、ハードウェアよりも多くの開発リソースを必要とすることは驚くべきことではありません。ただし、プロセッサの急速な進化と組み込みシステムの異質な性質により、基盤となる電子装置がより複雑になるにつれて、ソフトウェアの開発も課題となっています。ソフトウェアアプリケーションを処理ハードウェアと緊密に結合する従来のアプローチは、もはや受け入れられません。ハードウェアの変更（製品の進化、陳腐化、サードパーティテクノロジーの導入）には大幅な適応が必要であり、エラーが発生しやすく時間がかかります。異種組み込み分散システム（HEDS）用のソフトウェア開発へのパラダイムシフトが必要です。軍事システムは、敵のシステムの持続的で急速な進化に対応するために、非常に高い対応性が必要となります。

したがって、設計の柔軟性を高め、イノベーションの導入を加速し、製品の寿命を延ばし、ライフサイクルコスト全体を削減するソフトウェア開発プロセスへのパラダイムシフトが必要となります。軍事通信システムを開発している国際社会は、米国国防総省とワイヤレスイノベーションフォーラムのリーダーシップの下でこの問題に取り組み、相互運用性を促進し、開発コストと市場投入までの時間を削減するために、プラットフォーム間の移植性とソフトウェアの再利用性を促進するソフトウェア開発のオープンスタンダードを開発しました。現在、ソフトウェア通信アーキテクチャに基づく 50 万台を超える軍用無線機が配備されています。

SCA について詳しく知る

The VIAVI eCo Suite offers users the advantage of building SCA-based Software Defined Systems (SDS) like Software Defined Radios (SDR). And the videos in this section answer all the questions and concerns of HEDS development based on the SCA that can affect the success of your SDS.

提案されている SDR ラボは、それぞれが特定の特性を備えた 4 つのプラットフォームカテゴリーを中心に構築されており、全体で運用環境を適切に表現することができます。