Ραδιοεπικοινωνία μέσω Λογισμικού (Software Defined Radio)

Σε ένα σύστημα ραδιοεπικοινωνίας μέσω λογισμικού Software Defined Radio (SDR), οι βασικές παράμετροι όπως φέρουσα συχνότητα, εύρος ζώνης σήματος, είδος διαμόρφωσης, πρόσβαση σε δίκτυα κλπ, γίνονται μέσω λογισμικού [1]. Κατά συνέπεια όλες οι λειτουργίες σε έναν τέτοιο ασύρματο πομποδέκτη (SDR transceiver) πραγματοποιούνται με χρήση λογισμικού, χωρίς να απαιτείται αλλαγή ή τροποποίηση επί μέρους εξαρτημάτων αυτού (hardware).

Ένα τυπικό σύστημα SDR αποτελείται από το εμπρόσθιο RF τμήμα (RF front-end), το οποίο διαχειρίζεται αναλογικά σήματα και από το οπίσθιο ψηφιακό τμήμα (digital back-end) που επεξεργάζεται ψηφιακά σήματα. H αρχιτεκτονική σχεδίαση ενός πομποδέκτη SDR δείχνεται στις Εικόνες 1 και 2, οι οποίες απεικονίζουν αντίστοιχα τα τμήματα εκπομπής και λήψης.

Κατά τη εκπομπή (Tx chain) ο επεξεργαστής ψηφιακού σήματος Digital Signal Processor (DSP) επιτελεί κωδικοποίηση του σήματος/πληροφορία που πρόκειται να μεταδοθεί και παράγει τα λεγόμενα I/Q δεδομένα (I/Q data), σύμφωνα με την διαμόρφωση σήματος που θα χρησιμοποιηθεί. Πρόκειται για δύο ψηφιακά σήματα I και Q, ημιτονοειδούς μορφής που έχουν μεταξύ τους διαφορά φάσης 90 μοιρών (In-phase, Quadrature). Τα δύο αυτά σήματα είναι βασικής ζώνης (baseband), εφόσον δεν έχουν ακόμη διαμορφωθεί σε υψηλότερες συχνότητες από αυτή του ημιτόνου που παρήγαγε ο DSP. Αυτό λαμβάνει χώρα στη συνέχεια, όπου μια ψηφιακή διάταξη ανύψωσης συχνότητας Digital Up Converter (DUC), αυξάνει τον αριθμό των δειγμάτων των I/Q σημάτων (up sampling) με τη χρήση ενός φίλτρου εισαγωγής (interpolation filter). Ακολούθως ο ψηφιακός μίκτης (digital mixer) και ο ψηφιακός τοπικός ταλαντωτής (digital local oscillator LO) παράγουν I/Q σήματα στο πεδίο της ενδιάμεσης συχνότητας Intermediate Frequency (IF).

Κατόπιν, ο ψηφιακός/αναλογικός μετατροπέας (D/A converter) στο RF front-end τμήμα μετατρέπει το σήμα IF σε αναλογικό πριν την αναβίβαση της συχνότητάς του στην φέρουσα RF, την εν συνεχεία ενίσχυση από τον ενισχυτή ισχύος (Power amplifier) και τέλος την οδήγησή του στην κεραία για ασύρματη μετάδοση.

Κατά τη λήψη (Rx chain), το εισερχόμενο σήμα RF αρχικά ενισχύεται από έναν ενισχυτή (RF amplifier), πριν τον υποβιβασμό της συχνότητάς του στο πεδίο IF μέσω της συνδυασμένης λειτουργίας των αναλογικών κυκλωμάτων τοπικού ταλαντωτή, μίκτη (mixer) και την εν συνεχεία περαιτέρω ενίσχυση/φίλτρανση μέσω ενός ενισχυτή IF.

Ακολούθως, το digital back-end τμήμα ψηφιοποιεί το αναλογικό σήμα IF μέσω του A/D converter. Έπειτα ένας ψηφιακός υποβιβαστής (Digital Downconverter DDC) συχνότητας μετατρέπει το σήμα IF σε δύο σήματα σήμα βασικής ζώνης I και Q ημιτονοειδούς μορφής και συχνότητας ίδιας με αυτή της εκπομπής. Τα I/Q σήματα περνούν στην είσοδο του DSP για περαιτέρω ψηφιακή επεξεργασία όπως αποδιαμόρφωση, αποκωδικοποίηση κλπ.

Οι απαρχές της τεχνολογίας SDR πηγαίνουν πίσω στο 1987 όταν τα εργαστήρια Air Force Research Labs (ARFL) της USAF χρηματοδότησαν την ανάπτυξη ενός προγραμματiζόμενου modem στα πλαίσια της επέκτασης του προγράμματος ICNIA (Integrated Communication, Navigation, Identification and Avionics). Το ICNIA αφορούσε την αρχιτεκτονική που υποστήριζε την λειτουργία επιχειρησιακών/τακτικών ασυρμάτων αέρος (airborne) στην περιοχή 30 MHz – 1600 MHz. Η πρώτη δοκιμή αέρος του ICNIA μαζί με το modem έλαβε χώρα το 1992.

Ο επόμενος σταθμός στην εξέλιξη των συστημάτων SDR ήταν το πρόγραμμα SPEAKeasy. Χρηματοδοτήθηκε από τα ARFL και από την ομοσπονδιακή υπηρεσία αμυντικών ερευνητικών προγραμμάτων αιχμής Defence Advanced Research Projects Agency (DARPA). Οι πρώτες δοκιμές των συστημάτων SPEAKeasy έγιναν το 1998. Τα SPEAKeasy τα ακολούθησαν τα συστήματα Digital Modular Radio (DMR) του US Navy. Τα δύο αυτά συστήματα θεωρούνται τα πρώτα SDR. Η επιτυχία τους ήταν τόση που το 1999 οδήγησαν στη γέννηση του προγράμματος Joint Tactical Radio Systems (JTRS). Το JTRS πλέον αναπτύσσει, εξελίσει και εκπονεί προδιαγραφές για την προμήθεια συστημάτων SDR για όλους τους Κλάδους των Ενόπλων Δυνάμεων των ΗΠΑ.

Ένας πομποδέκτης SDR έχει μια σταθερή πλατφόρμα hardware, πρακτικά έχει μια σταθερή αρχιτεκτονική RF (RF chain), η οποία μπορεί να διαμορφώνεται και να ρυθμίζεται ανάλογα με τις επιδιωκόμενες λειτουργίες, συμπεριφορές και επιδόσεις.

Αυτό παρέχει ορισμένα σημαντικά πλεονεκτήματα τόσο στους σχεδιαστές/κατασκευαστές όσο και στους χρήστες των SDR συστημάτων και συσκευών. Είναι βολικότερο για τους κατασκευαστές να τροποποιούν λογισμικό και να εισάγουν στην αγορά νέα προϊόντα χωρίς να αλλάζουν hardware. Αυτό μειώνει δραματικά το κόστος παραγωγής. Παρομοίως για τους χρήστες, είναι γρηγορότερο να προσθέτουν/αφαιρούν λειτουργίες μέσω χρήσης λογισμικού παρά να δαπανούν πολύτιμο επιχειρησιακό χρόνο για αλλαγή/εγκατάσταση hardware. [2].

Χάρη στην τεχνολογία SDR, τα ακόλουθα είναι πλέον πραγματοποιήσιμα από ένα τέτοιο σύστημα [3]:

• Δυνατότητα να διαμορφώνει τα χαρακτηριστικά του ανάλογα με το περιβάλλον που λειτουργεί και επιχειρεί. Μπορεί να είναι για κάποιο διάστημα ασύρματο τηλέφωνο, το επόμενο διάστημα κινητό τηλέφωνο, στη συνέχεια να λειτουργεί ως ασύρματη συσκευή διαδικτύου (internet gadget) και μετά ως ένας δέκτης GPS.
• Δυνατότητα να αναβαθμίζει τα χαρακτηριστικά του σε πραγματικό χρόνο, ακόμη και λήψη των τιμών των παραμέτρων μέσω ασύρματου δικτύου.
• Επικοινωνία με εκπομπή και λήψη σε περισσότερα από ένα κανάλια ταυτοχρόνως.
• Νέοι τύποι ασυρμάτων συστημάτων μπορούν να σχεδιαστούν και να υλοποιηθούν, για παράδειγμα τα λεγόμενα ευφυή ραδιοσυστήματα (cognitive radios CR), τα οποία μπορούν να αξιολογήσουν το βαθμό χρήσης του ραδιοφάσματος και να μετακινηθούν σε συχνότητες λειτουργίας με σκοπό τη βέλτιστη επίδοση και λειτουργία.

 

Επιπλέον των ανωτέρω, τα συστήματα SDR, κυρίως χάρη στη χρήση αναβαθμισμένων DSP αλλά και υιοθέτησης εξελιγμένων τεχνολογιών όπως επεξεργαστές γενικής χρήσης General Purpose Processors (GPP), κάρτες γραφικών Graphics Processor Units (GPU) και των προγραμματιζόμενω ολοκληρωμένων κυκλωμάτων Field Programmable Gate Arrays (FPGA), παρέχουν ορισμένα πολύ σημαντικά πλεονεκτήματα για χρήση σε στρατιωτικές εφαρμογές [4, 5]:

• Αποτελεσματική χρήση του φάσματος (spectrum efficiency)
• Χρήση προηγμένων προηγμένων αλγορίθμων κωδικοπόιησης (coding efficiency) για μεγαλύτερη ασφάλεια
• Μικρό μέγεθος/βάρος κατά συνέπεια ευκολία στη μεταφορά
• Ευκολία ενσωμάτωσης (integration) σε υπάρχοντα συστήματα και δίκτυα επικοινωνιών, κατά συνέπεια ευρεία διαλειτουργικότητα (interoperability)

 

Πεδία στρατιωτικής χρήσης των συστήματων SDR είναι οι τακτικές επικοινωνίες παντός είδους (εδάφους, θαλάσης, αέρος), ο έλεγχος μη επανδρωμέων αεροσκαφών και άλλων οχημάτων, οι δορυφορικές επικοινωνίες, ο ηλεκτρονικός πόλεμος, η καθοδήγηση πυραύλων.

Η τεχνολογία SDR εξελίσσεται αδιάκοπα και βρίσκει εφαρμογές εκτός των τηλεπικοινωνιών με σημαντικότερη στο πεδίο των λεγόμεων Software Defined Radars. Επίσης χάρη στη εξέλιξη των συστημάτων SDR ήδη μιλούμε σήμερα για το επόμενο στάδιο της εξέλιξης που είναι η τεχνολογίες Cognitive Radio που αναφέρθηκε και προηγουμένως, αλλά και Cognitive Radar.
Ελπίζουμε να έχουμε τη δυνατότητα να αναφερθούμε σε αυτές σε επόμενα άρθρα.

 

Βιβλιογραφία

IEEE SCC 41-P1900.11900.1 Working Group on Terminology and Concepts for Next Generation Radio Systems and Spectrum Management. Now Dynamic Spectrum Access Networks Standards Committee (DySPAN-SC).

Cognitive Radio Technology, Bruce Fette, Elsevier, 2009.

Vijay K. Garg, in Wireless Communications & Networking, Elsevier, 2007.

https://www.sciencedirect.com/topics/engineering/software-defined-radio

Software-defined Radios: Architecture, state-of-the-art, and challenges, Computer Communications, 128, July 2018, pages 106-125, Elsevier.