اهمیت کاهش وزن و اندازه تجهیزات مخابراتی از یک‌سو و توسعه بسیار سریع دانش الکترونیک دیجیتال از سوی دیگر موجب یک تغییر بنیادی در سیستم‌های مخابراتی شده است. با این تحول، برخی از اجزای سیستم‌های مخابراتی که معمولا به صورت سخت‌افزاری ساخته می‌شدند (میکسر، فیلتر، مودولاتور/دمدولاتور، آشکار‌ساز و تقویت کننده الکترونیکی)، امروزه به صورت نرم‌افزاری و روی کامپیوترهای شخصی یا سیستم‌های تعبیه‌شده قابل پیاده‌سازی هستند.

سیستم‌هایی که از رادیوی نرم‌افزاری[1] (SDR) استفاده می‌کنند می‌توانند سیگنال‌هایی با فرمت‌ها و مشخصات مختلف از لحاظ تکنیک‌های مدولاسیون، کدگذاری، نرخ بیت خطا، فرکانس موج حامل و … را آشکار کنند. این عملیات با یکپارچه‌سازی تعدادی از روش‌ها از جمله استفاده از آنتن‌ها در باندهای مختلف RF، مبدل‌های آنالوگ به دیجیتال و دیجیتال به آنالوگ و پیاده‌سازی بخش IF توسط پردازشگرهای قابل برنامه‌ریزی میسر می‌شود. سیستم رادیوی نرم‌افزاری می‌تواند به خوبی در شبکه و تعداد زیادی از استانداردها از جمله [2]GSM پیاده‌سازی شده و موجب بهبود کیفیت و افزایش خدمات ارائه شده توسط این شبکه شود. رادیوی نرم افزاری برای همه افرادی که به نوعی با مخابرات راه دور سروکار دارند مزایای قابل توجهی را به همراه دارد.

ساختار رادیوی نرم‌افزاری

بلوک دیاگرام ساده از یک فرستنده و یک گیرنده مبتنی بر SDR در شکل نشان داده شده است. همانطور که در این تصویر مشاهده می‌شود، بخش عمده‌ای از عملیات‌های مخابراتی که در فرستنده-گیرنده‌های رادیویی قدیمی بصورت آنالوگ انجام می‌شد، اکنون به صورت دیجیتالی و روی پردازشگرها انجام می‌شود.

بلوک دیاگرام گیرنده SDRبلوک دیاگرام ساده از یک گیرنده مبتنی بر SDR

 

بلوک دیاگرام ساده از یک فرستنده مبتنی بر SDRبلوک دیاگرام ساده از یک فرستنده مبتنی بر SDR

بنابراین می‌توان گفت انجام طراحی‌های پیچیده یک سیستم به صورت آنالوگ، جای خود را به طراحی الگوریتم‌های ساده‌تر نرم‌افزاری و پردازش سیگنال داده است. استفاده از نرم‌افزار به رادیوها این امکان را می‌دهد که به راحتی پارامترها و ویژگی‌هایی نظیر فرکانس‌کاری را تغییر دهد. با این حال طراحی سیستم بر مبنای SDR نیز دارای محدودیت‌هایی مانند نوع سخت‌افزار میزبانی‌کننده از نرم‌افزار و الگوریتم‌های پردازشی است.

نموداری از مهم‌ترین وظایف و فعالیت‌های بخش SDR یک سیستم‌ مخابراتی بر حسب مقدار پردازش مورد نیاز (محور عمودی) و میزان انعطاف‌پذیری در طراحی (محور افقی) ترسیم شده است. در این نمودار منظور از میزان پردازش مورد نیاز، درجه‌ای از عملیات‌های تکراری و ابتدایی است که یک وظیفه نیاز دارد. به عنوان مثال فعالیت‌هایی مانند مبدل آنالوگ به دیجیتال و DDC نیازمند اجرای عملیات‌هایی بسیار تکراری بوده که باید روی یک ساختار سخت‌افزاری خاص و بصورت بلادرنگ انجام شوند. برای چنین عملیات‌هایی معمولا از تراشه‌های مدار مجتمع با کاربرد خاص[3] (ASIC) استفاده می‌شود. در نمودار مذکور منظور از انعطاف‌پذیری در طراحی نیز تنوع و تفاوت در الگوریتم‌های طراحی برای بسیاری از کاربردها است. وظایف و عملیات‌هایی که در پایین و سمت راست نمودار قرار گرفته‌اند اغلب روی پردازشگرهای همه منظوره و DSPها اجرا می‌شوند.

مقایسه وظایف و فعالیت‌های بخش SDR یک سیستم‌ مخابراتیمقایسه وظایف و فعالیت‌های بخش SDR یک سیستم‌ مخابراتی بر مبنای مقدار پردازش مورد نیاز (محور عمودی) و میزان انعطاف‌پذیری در طراحی (محور افقی)

هدف از طراحی سیستم با SDR

هدف از طراحی یک سیستم مبتنی بر SDR، کاهش اجزاء لازم در بخش RF (از آنتن تا بخش پردازشگر دیجیتال) است تا به این وسیله بیشتر پردازش‌های مخابراتی توسط پردازشگر دیجیتال انجام شود. معمولا در این دستگاه‌ها از ابزاری نظیر تراشه‌های DSP، FPGA و جدیدا میکروکنترلرهای ARM و حتی کامپیوترهای چند هسته‌ای پر سرعت به عنوان پردازشگر دیجیتال استفاده می‌شود. با رشد فناوری پردازش سیگنال دیجیتال و همچنین تنوع در الگوریتم‌های پردازشی، سیستم‌های مخابراتی و راداری به مرور به سمت بهره‌گیری از این فناوری تمایل پیدا کرده‌اند. امروزه تقریبا اکثر سیستم‌های مخابراتی و راداری از الگوریتم‌های پردازش سیگنال دیجیتال که در یک FPGA یا در یک پردازشگر همه منظوره پیاده‌سازی شده است، استفاده می‌کنند. قابلیت تغییر نرم‌افزاری و انعطاف‌پذیری این سیستم‌ها به اندازه‌ای زیاد است که وابستگی سیستم‌های مخابراتی به سخت‌افزار تا حد زیادی از بین رفته و انعطاف بیشتری برای سازگاری با خدمات چند رسانه‌ای روی یک گیرنده فراهم می‌شود.

کاربرد رادیوی نرم‌افزاری در صنایع

امروزه فناوری SDR در تمام زیر شاخه‌های مقدماتی و حرفه‌ای صنعت مخابرات کاربرد دارد. به عنوان مثال تجهیزات موجود در ایستگاه‌هایی مرکزی و کنترل‌کننده تلفن همراه، ناوبری و کنترل هوایی، ماهواره‌های مخابراتی، شبکه‌های wimax، تصویربرداری دیجیتالی، سیستم‌های کنترل و ابزار دقیق و غیره تنها بخشی از کاربردهای بی‌شمار این فناوری هستند. در صنعت هوایی نیز به دلیل محدودیت‌هایی نظیر حجم، وزن و توان مصرفی سیستم‌های اویونیک، استفاده از رادیوی نرم‌افزاری جایگاه ویژه‌ای دارد. در سال‌های گذشته شاهد نفوذ هر چه بیشتر این فناوری در بخش‌هایی از صنعت اویونیک مانند ناوبری، مخابرات، نظارت، شناسایی و جنگ الکترونیک بوده‌ایم.

 

مزایای استفاده از SDR در سیستم‌های هوایی

با استفاده از فناوری SDR، یک سخت‌افزار ساده اویونیکی می‌تواند توابع و عملیات‌ سامانه‌هایی مانند DME، mode S، ADS-B و WBR را اجرا کند. با توجه به اینکه پایه طراحی هر سامانه بر اساس کدهای نرم‌افزاری است، ایجاد تغییرات و روزآمدن کردن در سیستم به راحتی و تنها با بارگذاری نرم‌افزار جدید امکان‌پذیر خواهد بود. علاوه بر این پیاده‌سازی الزامات هوانوردی جدید که بر اساس طرح‌هایی مانند FANS و NextGen در سال‌های آینده مطرح خواهند شد، براحتی روی پلتفرم مذکور قابل اجرا هستند. علاوه بر این اجرای توابع ایمنی و رمزنگاری اطلاعات از طریق فناوری SDR بسیار راحت‌تر خواهد بود. بنابراین بهره‌مندی از SDR در سیستم‌های اویونیک نه تنها وزن هواپیما را کاهش می‌دهد بلکه مزایای زیر را به همراه خواهد داشت.

  • کاهش تعداد کابل‌های کواکسیال (هم محور) و آنتن‌ها
  • کاهش تعداد کل قطعات که به معنی افزایش قابلیت اطمینان سیستم و بهبود امنیت سراسری هواپیما است.
  • کاهش مصرف انرژی با حذف تجهیزات اضافی
  • کاهش زمان یکپارچه‌سازی مورد نیاز برای توسعه تجهیزات جدید
  • امکان اصلاح، روز آمد کردن و ارتقاء سیستم تنها با بارگذاری نرم‌افزار
  • امکان عیب‌یابی و تعمیر و نگهداری ساده‌تر سیستم

مروری بر کاربرد SDR در اویونیک

پروژه CRIAQ,s Avio-505 توسط یک شرکت کانادایی با تمرکز روی ارتباطات بی‌سیم و تجهیزات موقعیت‌یابی، فناوری رادیوی نرم‌افزاری (SDR) را به کار گرفت. هدف این پروژه ارائه راه‌کارهایی برای بازپیکره‌بندی و تلفیق قدرتمند برخی از سیستم‌های رادیویی هواپیما بود. بنابراین از اواسط سال 2012 پروژه مذکور برای ارائه روش‌های طراحی‌ جدید و تکنیک‌های پردازش سیگنال دیجیتال آغز شد تا تجهیزات مخابراتی و ناوبری جدید با بهره‌وری بالا تولید شود. به طور همزمان اقداماتی برای ارائه استانداردهای بین‌المللی پذیرش رادیوی نرم‌افزاری انجام شد. از سوی دیگر صنعت هوانوردی و بخصوص شرکت‌‌های هواپیمایی نیز علاقه‌مند به استفاده از فناوری‌هایی هستند که بتواند با تلفیق چند سیستم موجود در هواپیما در قالب یک دستگاه، ضمن کاهش وزن و توان مصرفی، هزینه‌های خرید و تعمیر و نگهداری را نیز کاهش دهد. در پروژه مذکور، سیستم پیشنهادی شامل یک پلتفرم برای اجرای فعالیت‌های چند رادیو است که بطور همزمان کار می‌کنند. علاوه بر این طراحی به گونه‌ای انجام می‌شود که امکان استفاده از سیستم برای برنامه‌های کاربردی آینده هوانوردی نیز وجود داشته باشد.گام اولیه این طرح ادغام چهار فناوری کلیدی اویونیک درون یک پلتفرم سخت‌افزاری است. این فناوری‌ها شامل موارد زیر هستند:

  • تجهیزات اندازه‌گیری فاصله[4] (DME)
  • ترانسپوندر حالت S
  • سامانه نظارتی خودکار وابسته[5] (ADS-B)
  • رادیو باند گسترده[6] (WBR)

سامانه‌های اویونیک همچون DME، ترانسپوندر حالت S و ADS-B شامل پروتکل‌هایی با پهنای باند باریک و حامل اطلاعات کم بوده و عمدتا برای شناسایی و موقعیت‌یابی کاربرد دارند. سامانه WBR یک لینک مخابراتی با پهنای باند زیاد برای ارتباطات هوا به ماهواره، هوا به هوا و هوا به زمین است که اطلاعات بسیار بیشتری (بیش از 50 مگا هرتز پهنای باند) را انتقال می‌دهد. از آنجا که تاثیر کلی هر سیستم روی وزن هواپیما کاملا قابل توجه است، بنابراین فناوری SDR یکپارچه شده می‌تواند در افزایش بهره‌وری هواپیما بسیار موثر باشد. بر اساس این طرح سیگنال‌های آنالوگ رادیویی در نزدیکی یک آنتن واحد دیجیتال شده و به یک پلتفرم رادیوی عمومی برای پردازش سیگنال انتقال داده می‌شود. نتیجه نهایی موجب کاهش تعداد کانکتورها، آنتن‌ها، طول کابل‌ها و تاثیرات الکترومغناطیسی در هواپیما خواهد شد.

مشکلات و چالش‌های اجرای SDR روی هواپیماها

اگر چه چالش اصلی پروژه‌های SDR پیاده‌سازی و اجرای ماژول‌های عملیاتی سامانه‌های اویونیک به صورت نرم‌افزاری است، اما این نکته مهم را به خاطر داشته باشید که تعداد و حجم سیستم‌های یکپارچه شده درون یک پلتفرم، چالشی مهم‌تر خواهد بود. از سوی دیگر طراحی سیستم بر اساس استانداردهای نرم‌افزاری بین‌المللی همچون DO 178C می‌تواند چرخه تولید محصول را پیچیده و طولانی کند.

نتیجه‌گیری

استفاده از مفهوم SDR در صنعت هوافضا رویداد بزرگی است و به احتمال زیاد یک فناوری کلیدی برای رشد و پیشرفت صنعت هوانوردی خواهد شد. با توجه به اینکه رویکرد آینده تولیدکنندگان تجهیزات هواپیما به سمت معماری‌ اویونیک ماژولار یکپارچه است، مطمئنا در آینده شاهد افزایش پروژه‌های مبتنی بر SDR خواهیم بود. علاوه بر این افزایش قیمت مواد اولیه در ساخت سیستم‌های الکترونیکی و هزینه‌های بالای تعمیر سخت‌افزارها موجب شده است دارندگان هواپیما و شرکتهای هواپیمایی نگاه ویژه‌ای به سیستم‌های تلفیقی و مبتنی بر نرم‌افزار داشته باشند.

منابع:

http://www.radio-electronics.com/info/rf-technology-design/sdr/software-defined-radios-tutorial.php

https://www.nutaq.com/blog/software-defined-radios-enabling-technology-green-airplanes

https://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_radio

http://www.intelligent-aerospace.com/whitepapers/2017/01/software-defined-radio-handbook.html

واژه نامه:

[1] Software-defined radio

[2] Global System for Mobile Communications

[3] Application-specific integrated circuit

[4] Distance Measuring Equipment

[5] Automatic Dependent Surveillance – Broadcast

[6] Wide Band Radio