آموزش SDR - بخش اول:______ رادیونرم افزار چیست؟ ,

• مقدمه

امروزه سیستم‌های مخابراتی و الکترونیکی نقش چشمگیری در زندگی انسان‌ها دارند. تقریبا می‌توان ادعا کرد سیستم­های مذکور در تمام نقاط جهان نفوذ نموده است و کمتر کسی را می‌توان یافت که از این تکنولوژی­ها استفاده ننماید. تقریبا تمامی وسایل مخابراتی اطراف ما، هر یک بنحوی از تکنولوژی رادیو نرم افزاری (SDR) استفاه می‌نمایند(اصطلاح SDR مخفف عبارت Software Defined Radio است) .قابلیت تغییر نرم­افزاری و انعطاف ­پذیری این سیستم­ها به اندازه­ای زیاد می­باشد که، وابستگی سیستم­های مخابراتی به سخت­ افزار تا حد زیادی از بین رفته و همچنین انعطاف بیشتری را به سیستم برای سازگاری با خدمات چند­رسانه ای روی یک گیرنده داده است. پیکربندی و برنامه ­ریزی دوباره ساختار سیستم، به سهولت و بدون هیچ تغییر سخت ­افزاری انجام می­شود.

رادیو نرم افزاری چیست
عبارت 'software radio' اولین بار در سال 1984 توسط شرکت E-Systems (در شهر تگزاس) مطرح شد(امروزه این شرکت به Raytheon تغییر نام داده است). اولین فرستنده و گیرنده رادیو نرم افزاری در سال 1988 بوسیله پیتر هوهر و هلموت لانگ در موسسه تحقیقات هوافضای آلمان ساخته شد.در این پروژه، هر دو بخش فرستنده و گیرنده یک مدم دیجیتال ماهواره ای، بکمک تکنولوژی رادیو نرم افزار ساخته شد.
عبارت کامل 'Software Defined Radio' اولین بار در سال 1992 توسط آقای جوزف میتولا مطرح شد. این امر در یک مقاله تخصصی که تا سالهابعد مورد استناد پژوهشگران بود، صورت گرفت. اگرچه تئوری رادیو نرم افزار بصورت آکادمیک در سال 1992 مطرح شد، اما بایستی به این نکته توجه کرد که مراکز نظامی در آمریکا و اروپا، از سالها قبل و در اواخر دهه 1970 کار روی این موضوع را شروع کرده بودند. بعنوان مثال، والتر توتلب در همان سالها یک رادیو VHF بکمک یک ADC و یک میکروپروسسور 8085 ساخته بود.
اولین پروژه رادیونرم افزاری حرفه ای، SPEAKeasy نام داشت و در سال 1992 توسط ارتش آمریکا شروع به کار نمود. هدف اولیه پروژه SPEAKeasyاین بود که یک ساختار پردازشی قابل برنامه ریزی، ایجاد شود. بگونه ای که بتوان بیش از 10 نوع رادیو نظامی (موجود در آن دوران) را بشکل نرم افزاری روی یک platform، پیاده سازی کرد. محدوده فرکانسی پروژهSPEAKeasy از 2MHz الی 2GHz بود. هدف بعدی این پروژه این بود که براحتی بتوان انواع کدینگ ها و مدولاسیون های جدید را به این سیستم اضافه کرد، بطوریکه این سیستم بتواند همگام با پیشرفت های علم مخابرات دیجیتال در عرصه کدینگ و مدولاسیون، خود را براحتی بروز رسانی نماید.
کاربرد SDR محدود به مصارف عمومی نمی‌گردد. امروزه تقریبا می‌توان چنین ادعا نمود که این تکنولوژی در تمام زیر شاخه های آماتوری و حرفه ای صنعت مخابرات و الکترونیک رسوخ نموده است. بعنوان مثال سیستم هایی مانند: ((BTS و BSC های موبایل، ناوبری و کنترل هوایی، ماهواره های مخابراتی، شبکه های wimax، تصویر برداری دیجیتال، سیستمهای کنترل و ابزار دقیق، ایستگاه های tracking زمینی، جهت یاب های دیجیتال، شبکه های ad-hoc، شبکه های vanet، نسل های پیشرفته رادارهای اکتیو و پسیو، سمعک های دیجیتال، سیستم های مراقبت طیفی، سیستم های شنود، نسل های جدید بیسیم های wideband، رادیو های دیجیتال مایکروویو کم ظرفیت و پر ظرفیت، سونار، مودم های High order QAM و High order OFDM، و ...)) تنها بخشی از کاربرد های این تکنولوژی بشمار می‌روند. همچنین سیستم­های ارتباطی امن و پایدار از جمله سیستم­های طیف گسترده پرش فرکانسی (Spread Spectrum Frequency Hopping) که به اختصار FHSS نامیده می­شود و سیستم­های طیف گسترده دنباله مستقیم (Spread Spectrum Direct Sequence) که به اختصار DSSS نامیده می­شود نیز از زیرشاخه ­های تکنولوژی رادیونرم­ افزار ب­شمار می‌­آیند. تکنولوژی رادیونرم افزاری، در مخابرات سیار سلولی نیز نفوذ چشمگیری داشته است. تقریبا تمام نسل های موبایل (بغیر از نسل های اولیه مانند AMPS و ...)، با تکنولوژی رادیونرم افزاری ساخته شده اند. در حقیقت، صنعت موبایل، رشد سریع خود را مدیون تکنولوژی رادیو نرم افزاری است، زیرا پیاده سازی الگوریتمهای پیچیده پردازش سیگنال نظیر فیلتر های وفقی، مدولاتور و دمودولاتور، رهگیری و همزمانی، کدینگ و سایر بخشهای پردازشی تنها در بستر رادیو نرم افزار امکانپذیر است. در حقیقت، گیرنده و فرستنده چنین سیستم هایی بایستی بر مبنای تکنولوژی رادیو نرم افزاری ساخته شود.
شکی نیست که امروزه ساخت یک سیستم مخابراتی مدرن، تنها در بستر (( رادیو نرم افزار)) امکانپذیر است. در حقیقت، گیرنده و فرستنده این سیستم بایستی بر مبنای تکنولوژی رادیو نرم افزاری ساخته شود

درگذشته ای نه چندان دور، سیستمهای مخابراتی از مدارات آنالوگ ساخته شده بودند. این مدارات از ترانزیستورها، سلف ها، خازن ها و ... تشکیل شده بودند. معمولا در مدولاتور ها و دمودولاتورهای آنالوگ، مدارات رزونانسی اکتیو و پسیو نقش مهمی در کیفیت آنها داشتند. چنین سیستمی، عیوب فراوانی داشت. دشواری طراحی، دشواری عیب یابی، پیچیدگی مدار، دشواری عیب یابی سیستم، پایین بودن ضریب کیفیت قطعات آنالوگ، جریان مصرفی بالا و ... همه از عیوب عمده این سیستم بود. در این شرایط بود که نظریه پردازی بنام "آقای میتولا"، نظریه رادیونرم افزاری را مطرح کرد. ایده اولیه آن بسیار ساده بود. در رادیونرم افزاری، ابتدا بایستی سیگنال دریافتی را بوسیله یک مبدل آنالوگ به دیجیتال، از حالت آنالوگ به دیجیتال تبدیل می‌نمودند. پس از آن، تمامی پردازش ها از جمله مدولاسیون، دمدولاسیون و ... با یستی بشکل دیجیتال انجام شود.
در حقیقت، پردازش­گر دیجیتال عهده ­دار کارکردهایی است که پیش از این به­صورت آنالوگ انجام می­پذیرفت. هدف از طراحی یک سیستمSDR-Based، کاهش اجزاء لازم در بخش RF از آنتن تا بخش پردازشگر دیجیتال می­باشد تا بدان وسیله بیشتر پردازش­های مخابراتی توسط پردازش­گر دیجیتال انجام پذیرد. معمولا از ابزاری نظیر DSP Processor، FPGA و میکروکنترلرهای ARM بعنوان پردازشگر دیجیتال استفاده می‌شود. با رشد تکنولوژی پردازش دیجیتالی سیگنال (DSP) و همچنین تنوع یافتن الگوریتم‌های پردازش، سیستم‌های مخابراتی به مرور به سمت تکنولوژی DSP گرایش یافتند. امروزه تقریبا اکثر سیستم‌های مخابراتی، از الگوریتم‌های DSP که در یک FPGA و یا در یک پروسسور خاص منظوره پیاده‌سازی شده است، استفاده می‌کنند.
البته در سالهای اخیر و با پیشرفت علم مخابرات، تکنولوژی GNU Radio نیز پا به عرصه وجود نهاد. در این تکنولوژی، پردازش سیگنال در کامپیوتر صورت می­پذیرد. یک سخت افزار واسط که USRP نام دارد (مخفف عبارت Universal Software Radio Peripheral) وظیفه انتقال سیگنال به کامپیوتر را بعهده دارد. در حقیقت، USRP وظیفه دارد در بخش گیرندگی، سیگنال آنالوگ را از آنتن دریافت نموده، سپس آنرا فیلتر، تقویت،down convert و نهایتا از حالت آنالوگ به دیجیتال تبدیل کند. نهایتا نیز آنرا به کامپیوتر منتقل خواهد کرد و تمام پردازشها و الگوریتم های پردازشی در کامپیوتر اجرا خواهد شد. در سمت فرستنده نیز برعکس همین مسیر اجرا خواهد شد. لازم به ذکر است در حقیقت فلسفه ایجاد GNU Radio این بود که بتوان الگوریتم هایی را که شبیه سازی شده اند و در شبیه سازی خوب جواب داده اند، در عمل نیز تست شود، بدون اینکه نیازمند سیکل طولانی تبدیل الگوریتم به کد سخت افزار باشد. در اینصورت اگر در تست عملی ایرادی بوجود آید و الگوریتمها کارایی مورد نظر را نداشته باشند، بسرعت می‌توان در الگوریتم (که روی کامپیوتر است) آنرا اصلاح کرد. در حقیقت در GNU Radio، کل پردازشها داخل کامپیوتر انجام می‌شود و USRP فقط مانند یک پل عمل می‌کند. یعنی در حالت گیرنده، سیگنال را down convert نموده و ADC می‌کند تا دیجیتال شود و تحویل کامپیوتر میدهد.در سمت فرستنده هم سیگنال را از کامپیوتر میگیرد و بوسیله DAC تبدیل به آنالوگ می‌کند و سپس Up convert می‌کند. چون همه بار پردازشی در داخل کامپیوتر است، بنابراین اصلاح الگوریتم ها کار بسیار آسانی خواهد بود.
ذکر این نکته ضروری است که دانگل های RTL (مانند RTL2832 و ...) و همچنین سخت افزارهایی مانند HackRF، BladeRF، LimeSDR و ... نیزدر حقیقت انشعابی از USRP بوده و از لحاظ فلسفه مفهومی، تفاوت چندانی با آن ندارند.


برخی از سخت افزارهای استفاده شده در تکنولوژی GNU Radio

پس از اینکه تست های عملی انجام شدند و تمامی عیوب اصلاح شدند. آنوقت نوبت این است که الگوریتم ها روی سخت افزار نهایی ریخته شوند. حالا باید الگوریتم نهایی شده محیط GNU Radio تبدیل به کد سخت افزاری FPGA، DSP Processor و ARM بشود. بنابراین GNU Radio و USRP فقط برای این است که با آن نمونه آزمایشی پروژه ساخته شود و برای نمونه نهایی نیازمند این است تا کد ها تبدیل به کد سخت افزاری FPGA، DSP Processor و ARM بشود. طبیعتا در چنین مواقعی، معمولا مدار RF جداگانه ای هم برای اتصال به بردهای دیجیتال بشکل خاص منظوره طراحی خواهد شد.
یکی از مباحث مهم در سیستمهای رادیو نرم افزاری، بحث کوچکتر شدن ابعاد سیستم است. این مسئله در بسیاری از زیر شاخه های این تکنولوژی علی الخصوص در مخابرات سیار (مانند سیستمهای موبایل) اهمیت زیادی دارد. البته پارامترهای مهم دیگری نیز مانند جریان مصرفی و قیمت تمام شده، در این میان از اهمیت زیادی برخوردارند. اهمیت این مطلب وقتی بیشتر می‌گردد که به این نکته توجه شود که سازندگان تلفن همراه، سالانه موظف هستند که اندازه و قیمت گوشی های خود را بمیزان % 30 کاهش دهند. در همین راستا، گاهی استفاده از توپولوژیی هایی مانندZero-IF و ... اجتناب ناپذیر می‌گردد. لازم بذکر است که در پیاده سازی سیستم های رادیونرم افزاری، سه پیکربندی و معماری اصلی وجود دارد. این معماری ها عبارتند از:

• معماری سوپرهتروداین.
• معماری Direct Conversion (Zero-IF).
• معماری Direct RF Sampling/Synthesis.

 
شکل زیر فرآیند تکاملی سخت افزار یک تلفن همراه را، از نسل اول تا نسل هشتم، نشان می‌دهد. همانطور که مشاهده می‌شود، در نسل های بالاتر سعی بر آن بوده است تا حتی الامکان، قطعات فشرده سازی شوند و بصورت گروهی داخل مدارات مجتمع (آی سی) قرار بگیرند.















فرآیند تکاملی سخت افزار یک تلفن همراه را، از نسل اول تا نسل هشتم.

مثلا در بخش RF، همانگونه که مشخص است، در نسل اول این سیستم، میکسر، PLL و سایر المانها بصورت المانهای مجزا در کنار یکدیگر قرار دارند. در حقیقت در این نسل از معماری سوپرهتروداین استفاده شده است. در حالیکه در نسل هشتم، تمامی المانهای RF در یک آی سی مجتمع شده اند. در این نسل، مهندسان توانستند با بهبود معماری Direct Conversion، آنرا برای موبایل بهینه سازی نمایند.
مدار مبدل آنالوگ به دیجیتال (ADC) وظیفة تبدیل سیگنال آنالوگ به نمونه‌های دیجیتال را به عهده دارد. عملکرد ADC نقش قابل توجهی در تحقق SNR سیستم خواهد داشت.در حقیقت ADC پل واسط بین بخش آنالوگ و دیجیتال است.
یک سیستم SDR دارای هر نوع معماری که باشد، نهایتا از سه بخش زیر تشکیل شده است:

• بخشRF.
• بخش Baseband.
• بخش Processing (پردازش).

شکل زیر این سه بخش را نشان می‌دهد:

چهارچوب کلی یک سیستم SDR-Based.


شکل زیر نیز بخش IF و Base band یک گیرنده رادیونرم ­افزار با تکنولوژی سوپرهتروداین را نشان می­ دهد.




بخش IF و Base band یک گیرنده رادیونرم­افزار با تکنولوژی سوپرهتروداین.


در یک گیرنده رادیونرم افزاری، سه نویز حرارتی، کوانیزاسیون و جیتر پالس ساعت نمونه برداری، همدیگر را ملاقات می‌نمایند. همچنین اثر غیر خطی گیرنده نیز (در مواجهه با تداخل) می‌تواند مزید بر علت گردد. ترکیب این سه نویز می‌تواند تابع شرایط مختلفی باشد. بعنوان مثال، افزایش فرکانس آنالوگ ورودی نمونه بردار، می‌تواند باعث افزایش نویز جیتر شود. همچنین افزایش گین بخش RF می‌تواند بصورت توامان باعث افزایش چهار پارامتر گردد که عبارتند از: سیگنال رسیده به ADC، نویز حرارتی RF، نویز جیتر پالس ساعت نمونه بردار و مولفه غیر خطی مرتبه سوم(انترمدولاسیون) و مواردی مشابه که در پست های آموزشی بعدی به آنها اشاره خواهد گردید.
بسته به اینکه سیگنال روی فرکانس IF، فرکانس صفر(Zero IF) و یا روی RF (و یا همان Direct RF Sampling)نمونه برداری شود، می‌توان نمونه برداری را به دو خانواده عمده IF Sampling و همچنین Direct RF Sampling تقسیم بندی کرد. هر خانواده دارای مزایا و معایب خاص خود است و روی هر یک، ده ها تحقیق، مقاله و کتاب معتبر وجود دارد. این مطلب نیز در مطالب آینده بررسی خواهد شد.
در اینجا این بخش از آموزش رادیونرم افزار به پایان می‌رسد. امید است مورد توجه قرار گرفته باشد. با ما در بخش های بعدی همراه باشید.

---