רדיו מוגדר-תוכנה: האם גודל אחד יכול להתאים לכול?

כשהעולם עובר לקראת חיבוריות אלחוטית בכל מקום, ואפילו התקנים עם פונקציה קבועה כמו טלפונים סלולריים פועלים במספר פסי-תדר ופרוטוקולים שונים הדרים בכפיפה אחת במרחב קטן, המשימה של מתכנן האלחוט אינה נעשית קלה יותר. סמארטפונים וטאבלטים מודרניים יכולים לשדר ולקלוט בו-זמנית קול ונתונים של 3G/4G (ובקרוב 5G), ‏Bluetooth,‏ Wi-Fi ואפילו GPS. רשתות התקשורת האישיות (PAN) ההולכות ומתפתחות והתומכות במחשבים ואבזרים היקפיים "לבישים" יוסיפו אפילו עוד יותר אחריות RF לתכנים שהם כבר היום עמוסי-תקשורת.

אפילו בתוך אותם פסי-תדר, פרוטוקולים ושירותים שונים, לעיתים ללא יכולת פעולה הדדית, נלחמים על הכרה, אימוץ, משבצות זמן ונתח שוק. קחו לדוגמה את פס 2.4‎ GHz ISM. יש לנו Bluetooth,‏ Wi-Fi,‏ ZigBee,‏ טלפונים ללא-כבל, טלמטריה ומספר שירותים אחרים שכולם קיימים במרחב זה.

וזה לא עוצר שם. המתכננים הנדרשים להתחבר לעולם אלחוטי משתנה חייבים להיות ערים לפיתוחים בערכות-השבבים ובחבילות הפרוטוקולים, לקניין הרוחני ולמספר רב של סביבות פיתוח, תהליכי אישור, כלים וציוד בדיקה.

מה אם הייתה דרך אחרת? מה אם מקטע RF אחד יכול היה לעשות את הכול?

מאמר זה יבחן את הארכיטקטורה המתפתחת של רדיו מוגדר-תוכנה (SDR) ואת החלקים התומכים בה. ב- SDR יש את ההבטחה למערכת עיבוד RF יחידה ואולטרה-גמישה הניתנת לתכנות עבור תדרים רבים ופרוטוקולים רבים בו-זמנית. בנוסף, האפשרות לתכנות מלא והאופי של עיבוד אותות של הרדיו מוגדר-תוכנה הופכים אותו למגן אידיאלי מפני פרוטוקולים ושירותים מתפתחים חדשים, אך אשר עשויים לא להתקבל כל כך מהר. את כל החלקים, גיליונות הנתונים, מערכי הלימוד וערכות הפיתוח המוזכרים כאן ניתן למצוא באתר האינטרנט של DigiKey.

אתה מוחלף

לרדיו יש פונקציות מוגדרות למדי העובדות יחדיו. המקלט, לדוגמה, ישתמש באנטנה לגישה לאות חלש, יגביר אותו, יסנן אותו, יבצע ערבול תדרים, יפענח את האות המשוחזר (תוך שימוש באחת או יותר ממספר סכמות מודולציה/דה-מודולציה) ויציג את נתוני היציאה כצורות-גל אנלוגיות או דיגיטליות. המשדר יבצע מודולציה במקום דה-מודולציה ויעבור את אותו התהליך אך בכיוון ההפוך.

בלוקי חומרה ממוטבים ביותר התפתחו בכדי להשיג יציבות, בהירות, סחיפה נמוכה, יציבות טמפרטורה טובה, גודל קטן, הספק נמוך, רגישות טובה ואינטגרציית מערכות קלה. הייעוד של SDR, בתמצית, הוא להחליף את העובדים הדורשים הכשרה רבה עם טכנולוגיה ניתנת-לתכנות ואוטומטית.

באופן אידיאלי, אנטנה מסוגלת להתחבר לממיר A/D, המזין את תצורת-הגל בפס-הרחב לדרגת עיבוד האותות. בלוק עיבוד האותות ימצה אז את האות הרצוי מתוך הערוץ הרצוי והפס הרצוי במשבצת הזמן הרצויה (היכן שישימים). בכל אופן, העולם אינו כה פשוט, לכל הפחות עדיין לא.

ראשית, ממירי A/D במהירויות GHz אינם קיימים. ומעבר לכך, בעוד שעומקי הזיכרון גדלו אקספוננציאלית, לדוגמה, בפסי-תדר GHz ‏5 דרישת הזיכרון של הסכמה שתוארה לעיל זקוקה ל- GBytes ‏10 בכדי לייצור חוצץ עבור שנייה אחת בלבד (בהנחה של דגימות של 16‎-bit).

מן הצד השני, מספר פיתוחים במעבדים ובמעגלים-משולבים (IC) מאפשרים בוודאי את חלוקת דרגות הקצה-הקדמי RF לבלוקי עיבוד גמישים עם ביצועים עיליים המבצעים את מרבית השחזור עתיר-האותות בתדרים הגבוהים. בנקודה זו הנתונים מועברים למעבד לשימוש-כללי, כמו מחשב אישי (PC), טאבלט או אפילו סמארטפון, אשר בעצמם יכולים להשתמש בתוכנה ליצירת ממשקי משתמש, בקרות ותצוגות ואפילו מסוגל לבצע כמה מסכמות המודולציה/דה-מודולציה תוך שימוש בממשקי A/D ו- D/A או בכרטיסי קול (איור 1).


איור 1: חומרת קצה-קדמי מהירה וצפופה קולטת אותות ישירות מהאנטנה לביצוע פילוג לערוצים והמרת קצב הדגימה. זה יכול להיות מוזן ישירות לתוך דרגת עיבוד אותות דיגיטלי, המבצעת עיבוד פס-בסיס. מעבד לשימוש-כללי, כמו מחשב אישי (PC), יכול להשתמש בכניסות אנלוגיות, כדוגמת אלו של כרטיס קול, לביצוע דה-מודולציה וכניסות/יציאות של הדרגה הסופית.

את החומרה הבדידה ניתן להחליף עם דרגות ניתנות-לתכנות עבור מסננים, מיקסרים, מודולטורים, דה-מודולטורים, גלאים, משוונים, מגברים, מתנדים ועוד. מספר התקנים כבר קיימים לשם כך והם מכוונים ישירות לתכני SDR. קחו לדוגמה את מקמ"ש RF Agile מבית Analog Devices. המקמ"ש, עם הציון AD9364, משלב קצה-קדמי RF עם מעבד פס-בסיס גמיש לאותות מעורבים בפס-רחב (איור 2).


איור 2: המקמ"ש המודולרי 1x1 בעל דרגות A/D ו- D/A ב- bit ‏12 עם אפיקי נתונים-מקביליים. מתנדים מקומיים ומיקסרים על-השבב מתאימים לשימוש מפסי -תדר של MHz ‏70 ועד GHz ‏6.

למרות שהתכנון המקורי של המקמ"ש היה עבור תקשורת נתונים RF‏ 3G/4G, ניתן להגדיר את תצורתו באמצעות ממשק דיגיטלי למעבד המארח המאפשר לו לתפקד כמקמ"ש Agile עבור פרוטוקולים ופסי-תדר רבים. הכללת סינטיסייזרי תדר משולבים מהרמה-העליונה יצרה ממשק דיגיטלי הניתן להגדרת תצורה בפעולות RF.

תחום התדרים הנתמך הוא מ- MHz ‏70 ועד GHz ‏6, ההופך את המקמ"ש לשימושי עבור תמיכה בפסי-התדר מהדורות הקודמים כמו גם מה- Wi-Fi המודרני. תחום זה גם מביא אותו לתחום של GSM,‏ DECT,‏ Bluetooth,‏ Wi-Fi,‏ WiMAX,‏ ZigBee ופרוטוקולים ושירותים אלחוטיים נפוצים רבים אחרים.

מאפיינים נאים אחרים כוללים ניטור ובקרה בזמן-אמת עבור פונקציות הגברי האותות ובקרת ההגבר האוטומטית (AGC) וכן מסנן היענות מתקפים סופית (FIR) עם 128 מסעפים המייצר אות יציאה של bit-‏12 בקצב דגימה מתאים. יכולת התכנות מאפשרת את השימוש בו בשתי טכניקות האותות, דופלקס חלוקת-זמן ודופלקס תדרים. המקמ"ש הוא בעל רוחבי-פס ערוצים מתכווננים (מ- kHz ‏200 עד MHz ‏56) וניתן להפריד חלק מפס-התדרים עבור הזרמות בקצב נתונים גבוה, או לפרוס חלקים צרים יותר עבור אותות בקצב Baud נמוך יותר.

קיימת גם תמיכה במערכת הפיתוח AD-FMCOMMS4-EBZ התומכת בתחום של MHz ‏56 עד GHz ‏6.

שבב מעבד נלווה אחר לשימוש ברדיו מוגדר-תוכנה מגיע מחברת Lime Microsystems עם שבב המקמ"ש רב-פסי-התדרים ורב-הסטנדרטים המשולב שלה LMS6002DFN. חלק זה הוא גם בעל חיבורי RF כניסה ויציאה הפרשיים עם שידור וקליטה במקביל של אפיקי נתונים של bit-‏12, בדיוק כמו החלק מבית Analog Devices. ה- LMS6002DFN מכסה את פסי-התדר MHz ‏300 עד GHz ‏3.8, הוא גם בעל רזולוציות A/D ו- D/A של bit-‏12 ומתוכנן עבור תחנות הבסיס והמשיבים המתפתחים של תאי פמטו (femto) ופיקו (pico). חלק זה גם משתמש בתוכו בטכניקות איתות הפרשי עבור כל הדרגות האנלוגיות. שימו לב כיצד חלק יחיד מכסה רדיו WCDMA,‏ HSPA,‏ LTE,‏ GSM,‏ CDMA2000 ו- IEEE 802.16x והכול תחת בקרת תוכנה.

מאפיין נאה במיוחד של חלק זה הוא שני הסינטיסייזרים הנפרדים שלו המאפשרים פעולה בדופלקס מלא. בנוסף, שתי יציאות משדר ושלוש כניסות מקלט יכולות להיות אקטיביות בו-זמנית. תכונה זו מאפשרת תמיכה בו-זמנית בפרוטוקולים ובסטנדרטים שונים.

מאפיין נאה אחר הוא בקרת הגבר TX בשתי-דרגות שלו (איור 3A), דרגה אחת במקטע ה- IF והדרגה השנייה במקטע ה- RF. מילת בקרה יחידה מבקרת את שני הענפים, I ו- Q. באופן דומה, יש גם בקרת הגבר בשלוש-דרגות בצד הכניסה (איור 3B). המגברים עם רעש נמוך (LNA) העיקריים הם בעלי בקרת הגבר עדינה באמצעות מילת בקרה של bit-‏6 המפורטת לצעדים של dB‏ 6‏±. צעד של dB ‏1 על ה- AGC יכול להקטין את ההגבר כהכנה לסינון הערוץ.

מודול הדרכת מוצר LMS6002, המקמ"ש RF רב-הפונקציות מבית Lime Microsystems, זמין באתר האינטרנט של DigiKey. בנוסף, חלק זה נתמך על ידי ערכת הפיתוח MYRIADRF-1 מבית Lime, המבוססת על מקמ"ש גמיש רב-סטנדרטים LMS6002 ועל רכיב FPGA מבית Altera.


איור 3A: דרגת TX גמישה עם הגבר ניתן-לתכנות המנצלת את היתרון של שני מגברים בלתי תלויים עם הגבר ניתן-לתכנות.


איור 3B: שלוש דרגות בקרת-הגבר המעניקות גמישות באכשור אותות כניסה, כולל היכולת לעקוף (עם הפסד של dB ‏0) את המסנן מעביר-הנמוכים.

פתרונות אחרים

בנוסף לחלקים שתוכננו במיוחד לתפקד בתוך SDR, ניתן להשתמש כמארחים עבור רדיו מוגדר-תוכנה גם בחלקים לשימוש-כללי מהרמה-העליונה שהם בעלי משאבים ורכיבים היקפיים רבים וכוח עיבוד רב. דוגמה אחת כזו מגיעה מחברת Texas Instruments עם מעבד האותות הדיגיטלי (DSP) שלה עם ביצועים עיליים לשימוש-כללי TMS320DM6446AZWT. זוהי מערכת-על-שבב אמיתית מאחר והמעגל-המשולב (IC)‏ ‎361 BGA Digital Media‏ מאגד בתוכו שתי ליבות, מתזמן ARM926 מהרמה-העליונה ב- MHz ‏297 ומתזמן ליבת DSP ‏+ TMS320C64x ייעודי ב- MHz ‏594.

כחלק מסדרת DaVinci של החברה, חלק זה מאגד בתוכו וידיאו, רישות, בקרת גרפיקה, אותות מעורבים, כרטיס חכם, אודיו, ממשקי ATA ו- Flash, בקרת זיכרון DDR ו- USB, אם למנות רק כמה מהרשימה הארוכה שלו של מאפיינים.

השימוש בחלק ההתקן של TMS320C64 של ה- DSP עם נקודה עשרונית קבועה מאפשר לכל המסננים, מודולטורים, דה-מודולטורים ואלגוריתמי עיבוד-אותות אחרים לפעול בו-זמנית עם הצד הדיגיטלי. פנימית, ל- DSP העצמאי יש את משאבי הזיכרון וה- Cache שלו עצמו בכדי לשפר את הביצועים ולהקטין למינימום את האינטראקציות ARM/DSP. לחברת TI יש שפע של כלי תכנון, דפי יישום וחומרי הדרכה בכדי לסייע להביא את המהנדסים לרמת שליטה בחלק מתוחכם כגון זה. דוגמה לכך הוא מודול ההערכה TMDSEVM642, התומך בסדרות המעבדים C6000,‏ DaVinci ו- VelociT1.2.

סיכום

ניתן להשיג גישה מאוחדת לבקרה ולתקשורת RF ללא צורך במספר גדול של התקנים אינדיבידואליים. בעוד שאנו עדיין בשלבים המוקדמים של שכלול, ישנן מספיק דוגמאות של רדיו מוגדר-תוכנה בכדי להדגים את הגמישות והיכולת של גישה זו, אשר רק הולכת להיות טובה עוד יותר. בצורה המושלמת שלו, ומתי שהוא בעתיד, מקלט SDR עשוי להיות מורכב פשוט משבב ממיר אנלוגי-לדיגיטלי המחובר לאנטנה. כל הסינון וגילוי האותות יוכל להתבצע במרחב הדיגיטלי, אולי במחשב אישי, סמארטפון, טאבלט, מחשב נייד או מחשב לביש רגילים.

לפרטים נוספים אודות החלקים שהוזכרו במאמר זה, השתמש בקישורים לדפי מידע על מוצרים שבאתר האינטרנט של DigiKey.