مبدل‌های RF:یک فناوری برای رادیوهایی با باند عریض

یکی از محدودیت‌هایی که معمولا طراحان رادیوهای نظامی با آن مواجه هستند، سبک و سنگین کردن طراحی برای پهنای باند سیگنال با بیشترین کیفیت و توان مصرفی رادیو است. نحوه برخورد طراح با این محدودیت، اندازه و وزن رادیو را مشخص خواهد کرد. به عبارتی می‌توان گفت یکی از پارامترهای مهم هر رادیو محل استفاده و نصب آن است که می‌تواند شامل ساختمان‌ها، برج مراقبت، رادیوهای دستی، هواپیماها، پرنده‌های بدون سرنشین، یا حتی رادیوهایی که روی گوشی و عینک قرار می‌گیرند باشد. هر کدام از این موارد، مقدار انرژی در دسترس برای رادیو را به سطح مشخصی محدود می‌کند. به عنوان مثال رادیوهای برج مراقبت توان بسیار بیشتری از رادیوهای یک پهپاد یا مدل‌های دستی دارد.

شرکت‌های تولیدکننده قطعات نیمه‌هادی در این سال‌ها به موفقیت‌های بزرگی دست یافته‌اند که نتیجه آن منجر به کوچک‌تر و یکپارچه‌تر شدن تراشه‌ها در کنار حفظ ابعاد آن‌ها شده است. به دنبال آن رادیوهایی که از این تراشه‌ها استفاده می‌کنند می‌توانند از سه ویژگی ابعاد کمتر، وزن سبک‌تر و عملکرد بهتر بهره‌مند شوند. بنابراین اکنون می‌توان برخی از محدودیت‌های رادیوها مانند وزن و اندازه را تا حدودی نادیده گرفت و از آن‌ها در محل‌هایی که پیش از این بنا به برخی دلایل مانند محدودیت ابعاد امکان بهره‌مندی نبود، استفاده کرد.

از سوی دیگر در طی دو دهه اخیر صنعت هوایی، شاهد رویکرد نرم‌افزاری شدن سیستم‌های خود بوده است و طراحی‌های آنالوگ جای خود را به سیستم‌های دیجیتال داده‌اند. این تغییر فناوری فرصت‌های زیادی را پیش‌روی طراحان سیستم‌های رادیویی قرار داده است. مبدل‌های سیگنال RF یکی از حوزه‌هایی است که در این مدت تحولات زیادی به خود دیده و نتیجه آن ایجاد قابلیت‌های جدید و رفع بسیاری از محدودیت‌ها در رادیوهای سنتی است.

مبدل‌های RF

فناوری مبدل‌های RF هر ساله در حال پیشرفت است و مبدل‌های دیجیتال به آنالوگ (DAC) و آنالوگ به دیجیتال (ADC) در این سال‌ها از جنبه‌های مختلف توسعه یافته‌اند. برای مثال در سال 2005 قدرتمندترین ADCهای دنیا با رزولوشن 12 بیت، سرعتی حدود 250 MS/s داشتند. این در حالی است که ADCهای 12 بیتی در سال 2018 می‌توانند با نرخ 6.4GS/s کار کنند. به لطف این پیشرفت‌ها در عملکرد، می‌توان از آن‌ها برای دیجیتالی کردن مستقیم سیگنال‌های RF در سیستم‌های ارتباطی و رادار استفاده کرد.

اگر چه در هنگام استفاده از چنین مبدل‌هایی با نرخ نمونه‌برداری بالا باید برخی پارامترها را سبک و سنگین کرد، اما این فناوری این امکان را ایجاد می‌کند که در برخی از کاربردها، با معماری هتروداین خداحافظی کرده و سیگنال را مستقیما از فرکانس اصلی (حامل) نمونه‌برداری کرد. در کاربردهایی مثل رادار و جنگ الکترونیک، دیجیتالی کردن مستقیم سیگنال RF می‌تواند علاوه بر کاهش هزینه‌های سیستم نهایی، ابعاد و توان مصرفی را کاهش دهد.

برای درک بهتر معماری نمونه‌برداری مستقیم RF یا DRFS، بهتر است ابتدا تفاوت آن را با دیگر معماری‌های RF بررسی کنیم. در معماری هتروداین پس از اینکه سیگنال RF در گیرنده دریافت شد، فرکانس آن به یک فرکانس میانی (IF) کاهش داده شده و سپس تقویت، فیلتر و برای عملیات دمدولاسیون به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌شود. در شکل 1 بلوک دیاگرام خلاصه شده یک گیرنده هتروداین نشان داده شده است. در این تصویر می‌بینیم دستگاه دارای یک RF Front end است که شامل فیلترهای میانگذر و تقویت‌کننده با نویز کم می‌شود.

شکل 1- مقایسه معماری هتروداین و DRFS

در اینجا بلوک میکسر سیگنال را از فرکانس اصلی به یک فرکانس IF منتقل می‌کند. باید اشاره کرد که در برخی از سیستم‌های رادیویی ممکن است فرکانس در چند مرحله کاهش یافته و دارای دو یا چند فرکانس IF باشد. به‌طور مشابه در فرستنده‌ها نیز این عمل انجام می‌شود و سیگنال پیام در دو یا چند مرحله به فرکانس حامل منتقل می‌شود. عملیات انتقال فرکانس علاوه بر افزایش پارامترهای SWaP، سیستم را مستعد نویز یا ناپایداری می‌کند.

اما در یک معماری DRFS، بلوک دیاگرام تنها شامل یک تقویت‌کننده با نویز کم، فیلترهای میانگذر و ADC است. در این معماری میکسر و اسیلاتور محلی وجود نداشته و ADC سیگنال RF را مستقیما به دیجیتال تبدیل کرده و داده‌ها را برای پردازنده ارسال می‌کند. در اینجا بسیاری از بخش‌هایی که پیش از این به صورت آنالوگ انجام می‌شدند، به‌صورت نرم‌افزاری در واحدهای پردازش سیگنال دیجیتال (DSP) انجام می‌شود. به عنوان مثال به جای میکسر، می‌توان از DDC^[1] استفاده کرد. همچنین می‌توان به جای فیلترهای آنالوگ، از فیلترهای دیجیتال با دقت بیشتر و باند عبور تیزتر استفاده کرد. این تغییرات باعث می‌شود سیستم رادیویی از لحاظ SWaP بهینه شده و بتوان آن را برای نصب روی هواپیماهای بدون سرنشین کوچک نیز طراحی و پیاده‌سازی کرد.

استفاده از مبدل‌های RF در رادیوهای نرم‌افزاری (SDR) این امکان را ایجاد می‌کند که بتوان چند سامانه اویونیک را در یک پلتفرم سخت‌افزاری پیاده‌سازی کرد. هر چند برای این کار محدودیت‌هایی مانند نرخ نایکوئیست وجود دارد، اما به لطف ظهور مبدل‌هایی با نرخ نمونه‌برداری بسیار بالا و توسعه مداوم این فناوری، می‌توان انتظار داشت در آینده‌ای نه چندان دور این چالش نیز رفع شود. از سوی دیگر گسترش روش‌هایی مانند sub-Nyquist در سیستم‌های دیجیتال امروزی تا حدودی این چالش‌ها را کمرنگ کرده است. جدول 1 وضعیت قرارگیری برخی از مهم‌ترین سامانه‌های اویونیک در طیف فرکانسی را نشان می‌دهد. با پیشرفت فناوری در حوزه های FPGA و DSP، می‌توان گفت ترکیب بسیاری از این سامانه‌ها و استفاده از فناوری DRFS می‌تواند منجر به ساخت سیستم‌هایی یکپارچه شود که SWaP را به‌طور چشم‌گیری کاهش می‌دهد.

جدول 1- محل قرارگیری سامانه‌های اویونیک در طیف فرکانسی

شکل 2 یک بلوک دیاگرام پیشنهادی توسط آقای نگویان از دانشگاه مونترال کانادا را نشان می‌دهد که برای پیاده‌سازی چند سامانه اویونیکی روی یک پلتفرم مشترک ارائه شده است. این سیستم یک فرستنده/گیرنده مبتنی بر DRFS است که شامل فرستنده موقعیت در شرایط اضطراری (ELT)، سامانه گزارش‌دهی و آدرس‌دهی ارتباطات هواپیما (ACARS) و رادیوی ارتباطی VHF می‌شود.

شکل 2- یک معماری مبتنی بر DRFS برای پیاده‌سازی چند سیستم اویونیک روی یک پلتفرم

این معماری شامل سه بخش RF Front End، FPGA و پردازنده همه منظوره (GPP) می‌شود. برای حالت فرستندگی در Front End به دلیل اینکه هر مبدل دیجیتال به آنالوگ تنها می‌تواند برای یک اپلیکیشن به کار برده شود، از دو DAC استفاده شده است. همچنین از آنجا که ELT تنها در حالت اضطراری فعال می‌‌شود، آقای نگویان آن را در هر فرکانس (5/121 و 406 مگاهرتز) با یکی از دو سیستم ارتباطیACARS  و رادیوی VHF مشترک کرده است. اما در حالت گیرندگی تنها از یک مبدل استفاده شده است و سیگنال هر دو سامانه ارتباطی توسط آن به داده‌های دیجیتال تبدیل می‌شوند.

در این معماری با توجه به حجم پردازش و منابع مورد نیاز می‌توان حتی از یک FPGA مشترک برای انجام کلیه عملیات‌ها استفاده کرد. بخش پردازنده همه منظوره نیز عملیات‌های کدگذاری و کدگشایی از پیام‌ها، جمع‌آوری پیام‌ها، مدولاسیون‌های دیجیتال و همچنین قالب‌بندی پیام به شکل استاندارد را انجام می‌دهد.

همانطور که ملاحظه می‌شود آقای نگویان در این طراحی سامانه‌هایی با فرکانس‌های نزدیک به یکدیگر را پیاده‌سازی کرده است. در سه سال‌ گذشته محققان زیادی به بررسی معماری‌های یکپارچه از سیستم‌های اویونیک مبتنی بر DRFS پرداخته و طرح‌هایی را ارائه کرده‌اند که در برخی از آن‌ها، باند فرکانسی تحت پوشش بسیار وسیع است. در بسیاری از این مقاله‌ها، برخی از محدودیت‌ها مثل نرخ نایکوئیست و راهکارهای مقابله با آن موضوع مورد بحث این محققان بوده و آن‌ها راهکارهایی برای حل این چالش مطرح کرده‌اند.

با توجه به روند فناوری و اهمیت کاهش SWaP و به دنبال آن مصرف سوخت، پیش‌بینی می‌شود در سال‌‌های آتی شاهد سیستم‌هایی تلفیقی متشکل از چند سامانه رادیویی باشیم. صنعت هوایی این تحولات را مرهون پیشرفت‌های گسترده در حوزه‌ مبدل‌های RF و سیستم‌های رادیو نرم‌افزاری خواهد بود.

[1]  Direct Digital Conversion