Tận dụng Radio phần mềm (SDR) cho nghiên cứu và phát triển RF
Software Defined Radio (SDR) hay Radio phần mềm là một trong những công nghệ quan trọng nhất đối với hệ thống truyền thông không dây hiện đại. SDR là một
Software Defined Radio (SDR) hay Radio phần mềm là một trong những công nghệ quan trọng nhất đối với hệ thống truyền thông không dây hiện đại. SDR là một loại radio có thể dò đến bất kỳ băng tần nào, triển khai các sơ đồ điều chế và giải điều chế khác nhau và các tiêu chuẩn khác nhau trong cùng một thiết bị bằng cách sử dụng phần cứng có thể định cấu hình lại và phần mềm mạnh mẽ. SDR cung cấp thiết bị vô tuyến linh hoạt, có thể nâng cấp, đa tiêu chuẩn và tuổi thọ dài hơn cho cả cơ sở hạ tầng truyền thông không dây dân sự và quân sự. Bài báo này cung cấp một phân tích chi tiết về phần cứng SDR và hoạt động của nó tập trung vào đầu cuối tương tự và đầu cuối kỹ thuật số. Bài báo cũng nêu ra những lợi ích của SDR trong phát triển RF và thảo luận về một số vấn đề hiện tại đang tác động đến công nghệ SDR và tìm hiểu cách giải quyết chúng.
- Giới thiệu về SDR
Trước đây, hệ thống vô tuyến được sử dụng để giao tiếp bằng một hoặc hai tín hiệu hoạt động ở các tần số khác nhau. Do đó, các nhóm người khác nhau sử dụng các loại hệ thống vô tuyến khác nhau không thể giao tiếp với nhau do sự không tương thích giữa các radio của họ. Đây là một vấn đề lớn trong chiến tranh. Vấn đề giao tiếp giữa những người sử dụng các loại thiết bị vô tuyến khác nhau có thể được giải quyết bằng cách sử dụng SDR.
SDR là một công nghệ mới nổi đã là chủ đề nghiên cứu tích cực trong hơn một thập kỷ. Thuật ngữ 'Radio phần mềm' được J. Mitola đặt ra vào năm 1991. Vào đầu những năm 1990, SDR quy mô lớn đầu tiên, SPEAKEasy & Joint Tactical Radio System (JTRS) đã được Quân đội Hoa Kỳ khai thác. Chỉ sau năm 2000, cùng với sự phát triển của các chip xử lý tín hiệu mạnh mẽ, hầu hết các nền tảng SDR hiện có mới được phát triển. Một trong những nền tảng phần cứng SDR được sử dụng phổ biến nhất là Universal Software Radio Peripheral (USRP).
Trước SDR, các nhà phát triển vô tuyến thường xây dựng hệ thống vô tuyến tùy chỉnh: một nền tảng vô tuyến hỗ trợ một tần số cụ thể. Nền tảng SDR là chung, nghĩa là một nền tảng hỗ trợ nhiều tín hiệu có tần số khác nhau. Do đó, số lượng nền tảng cần thiết cho giao tiếp được giảm đi. Vì vậy, chúng ta có thể nói trong Radio chuyên sâu về phần cứng, khả năng hoàn toàn phụ thuộc vào phần cứng. Trong Radio điều khiển bằng phần mềm (SCR), các chức năng hạn chế có thể thay đổi bằng phần mềm trong khi ở SDR, phạm vi khả năng rộng hơn phụ thuộc vào các thành phần có thể cấu hình bằng phần mềm. Do đó, thuật ngữ Radio phần mềm thường dùng để chỉ một radio có được tính linh hoạt thông qua phần mềm trong khi sử dụng nền tảng phần cứng tĩnh. Định nghĩa về SDR của Diễn đàn SDR: “SDR cung cấp khả năng điều khiển bằng phần mềm cho nhiều kỹ thuật điều chế, hoạt động băng rộng hoặc băng hẹp, chức năng bảo mật liên lạc (như nhảy tần) và các yêu cầu về dạng sóng của các tiêu chuẩn hiện tại và đang phát triển trên một dải tần rộng”. Do đó, hai ưu điểm chính của SDR là- Tính linh hoạt (Chuyển kênh, Điều chế, v.v.) và Dễ dàng thích ứng.
Trong SDR, hầu hết quá trình xử lý tín hiệu, lựa chọn kênh, điều chỉnh, điều chế và giải điều chế được thực hiện trong miền kỹ thuật số thông qua phần mềm. Do đó, mục tiêu cuối cùng của SDR là di chuyển Bộ chuyển đổi Analog-to-Digital (ADC) / Bộ chuyển đổi Digital-to-Analog (DAC) càng gần ăng-ten càng tốt để tất cả quá trình xử lý tín hiệu có thể được thực hiện kỹ thuật số thông qua phần mềm. Một bộ thu phát SDR được thể hiện trong Hình 1. Bộ thu phát SDR được chia thành bốn phần chính: ăng-ten thông minh, thiết bị đầu cuối analog/RF, thiết bị đầu cuối kỹ thuật số và bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số. Hãy cùng tìm hiểu thêm về 4 thành phần này.
- Ăng-ten thông minh: Ăng-ten thông minh có thể được chia thành các thành phần ăng-ten cơ bản, cấu hình mảng liên quan và các khối xử lý tín hiệu. Các giải pháp ăng-ten ngày nay cho hệ thống SDR dựa trên một số ăng-ten riêng biệt để bao phủ một dải tần số rộng. Từ 'Thông minh' bao gồm tính năng rất cơ bản của việc lựa chọn và điều chỉnh băng tần với các khả năng tiên tiến như loại bỏ nhiễu và theo dõi di động. Một ăng-ten lý tưởng cho SDR là ăng-ten tự điều chỉnh, tự căn chỉnh và tự phục hồi có khả năng thích ứng hoàn toàn với ứng dụng cần thiết và môi trường truyền dẫn. Khả năng tự điều chỉnh là khả năng mà hệ thống ăng-ten sẽ điều chỉnh các thông số cơ bản của nó như độ lợi theo băng tần đã chọn và độ lợi hệ thống cần thiết của ứng dụng. Ngay sau khi hệ thống được thiết lập, tính năng tự căn chỉnh cho phép ăng-ten tự định hướng dựa trên khả năng thu tín hiệu tối đa với sự hỗ trợ của dữ liệu đo từ xa hoặc GPS.
- Thiết bị đầu cuối analog/RF: phần thiết bị đầu cuối sử dụng mạch RF tương tự và chịu trách nhiệm nhận và truyền tín hiệu ở các tần số hoạt động khác nhau, ghép nối radio với ăng-ten hoặc bộ cấp nguồn của nó. Nó cũng thay đổi tín hiệu thành hoặc từ Tần số trung gian (IF). Trong đường dẫn tín hiệu truyền, các mẫu kỹ thuật số được chuyển đổi thành tín hiệu tương tự bởi DAC, là đầu vào của RF; tín hiệu tương tự sau đó được trộn với các sóng mang tần số cao bằng bộ trộn và được điều chế thành tần số RF được xác định trước và truyền qua không khí.
- Thiết bị đầu cuối kỹ thuật số: Đầu cuối kỹ thuật số có hai chức năng chính. Chuyển đổi tốc độ mẫu theo sau là kênh hóa, bao gồm chuyển đổi lên/xuống ở phía máy phát và máy thu tương ứng và lọc. Đầu vào của phía máy phát của hệ thống SDR là tín hiệu băng tần cơ sở kỹ thuật số, thường được tạo ra bởi một tầng DSP. Ở phía phát, khối phần cứng kỹ thuật số có tên là Bộ chuyển đổi lên kỹ thuật số (DUC), dịch tín hiệu băng tần cơ sở sang tần số IF. DAC theo sau DUC, chuyển đổi các mẫu IF kỹ thuật số thành tín hiệu IF tương tự. Tiếp theo, bộ chuyển đổi lên RF chuyển đổi tín hiệu IF tương tự thành tần số RF. Ở phía thu, ADC số hóa tín hiệu IF, do đó chuyển đổi nó thành các mẫu kỹ thuật số. DDC bao gồm bộ trộn kỹ thuật số, bộ dao động điều khiển số và sau DDC, lấy mẫu lại và lọc được thực hiện. Sử dụng DDC có thể trích xuất tín hiệu kỹ thuật số băng tần cơ sở từ ADC và sau khi đi qua đầu cuối kỹ thuật số, tín hiệu băng tần cơ sở kỹ thuật số này sẽ được gửi đến bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số tốc độ cao để xử lý.
- Bộ xử lý tín hiệu kỹ thuật số: Mô-đun xử lý tín hiệu số bao gồm bộ xử lý tín hiệu số (DSP) và nhiều loại chip kỹ thuật số có thể lập trình. DSP là trái tim của SDR thực hiện tín hiệu băng tần cơ sở, xử lý, điều chế và giải điều chế, đồng bộ hóa thời gian, mã hóa và giải mã. Chứa một khối xử lý tốc độ cao, DSP xử lý tín hiệu bằng cách truy xuất các lệnh và dữ liệu từ bộ nhớ, thực hiện các hoạt động được yêu cầu và lưu trữ kết quả trở lại bộ nhớ. Các thuật toán xử lý tín hiệu số nhúng trong công cụ xử lý có trách nhiệm biến mọi lời hứa của SDR thành hiện thực. DSP sử dụng kiến trúc dựa trên bộ vi xử lý và hỗ trợ lập trình bằng các ngôn ngữ cấp cao như C, mang lại sự linh hoạt. DSP là bộ xử lý thực hiện các phép tính toán học chuyên biệt và chúng tương đối tiết kiệm điện năng. Nhược điểm chính của các đơn vị DSP là chúng không có tốc độ xử lý phù hợp cần thiết cho truyền băng thông rộng. Để bù đắp cho hiệu suất không đủ này, một số nhà thiết kế đề xuất rằng chạy hai DSP song song sẽ giúp điện thoại SDR hoạt động đủ.
- Những lợi ích của SDR trong phát triển RF
Lợi ích chính của việc chuyển sang radio phần mềm trong phát triển RF bao gồm tính linh hoạt tăng lên (khả năng nâng cấp, tùy chỉnh và khả năng thích ứng). Các yếu tố ảnh hưởng đến sự chấp nhận rộng rãi của radio phần mềm trên thị trường thương mại được đưa ra dưới đây:
- Dễ sản xuất: Thời gian đưa sản phẩm thương mại ra thị trường là yếu tố quan trọng cần cân nhắc trong thiết kế kỹ thuật hiện đại. Việc triển khai radio phần mềm và nâng cấp thiết bị thông qua phần mềm giúp giảm độ phức tạp của thiết kế bằng cách giải phóng các nhà thiết kế khỏi công việc mệt mỏi liên quan đến thiết kế phần cứng tương tự và việc triển khai chúng.
- Khả năng tương tác: SDR có thể giao tiếp liền mạch với nhiều radio hỗ trợ các tiêu chuẩn không dây khác nhau. Nó cũng có thể thực hiện cầu nối giữa các radio vì một SDR đa kênh và đa tiêu chuẩn duy nhất có thể hoạt động như một bộ dịch cho tất cả các radio dành riêng cho một tần số cụ thể.
- Đa chức năng: Kiến trúc linh hoạt sẽ cho phép SDR hỗ trợ nhiều tiêu chuẩn không dây. Với sự phát triển nhanh chóng của các tiêu chuẩn không dây khác nhau như Bluetooth, IEEE 802.11 (WLAN), v.v., giờ đây có thể nâng cao các dịch vụ của radio bằng cách tận dụng các thiết bị khác cung cấp các dịch vụ bổ sung như truyền dữ liệu-âm thanh-video qua Bluetooth hoặc tìm vị trí chính xác qua GPS, v.v. Do tính chất đa chức năng này của SDR, khi các tiêu chuẩn không dây khác nhau tiếp tục phát triển, chức năng của SDR có thể được nâng cao bằng cách hỗ trợ các tiêu chuẩn này bằng cách chỉ cần cập nhật hoặc cài đặt phần mềm mới thay đổi phần cứng cơ bản.
- Tính nhỏ gọn và hiệu quả năng lượng: Tuy nhiên, phương pháp tiếp cận radio phần mềm tạo ra thiết kế nhỏ gọn và trong một số trường hợp, tiết kiệm năng lượng. Khi số lượng chức năng tăng lên, cùng một phần cứng được tái sử dụng để triển khai nhiều giao diện, do đó ít cần các thành phần phần cứng khác nhau hơn cũng như mức tiêu thụ điện năng được giảm xuống.
- Dễ dàng nâng cấp: Trong quá trình triển khai, các dịch vụ hiện tại có thể cần được cập nhật hoặc có thể phải giới thiệu các dịch vụ mới. Kiến trúc linh hoạt của SDR cho phép cải tiến và bổ sung các chức năng hiện có hoặc mới thông qua phần mềm thay vì thay thế nền tảng phần cứng hoặc thiết bị đầu cuối của người dùng.
- Những thách thức trong việc phát triển SDR
Đi cùng với những lợi thế, việc phát triển SDR cũng phải đối mặt với những thách thức lớn cần được giải quyết để SDR trở thành một giải pháp toàn diện. Một số thách thức chính có thể được kể đến dưới đây bao gồm:
- Các vấn đề về bảo mật: Truyền thông không dây dễ bị nhiễu và đe dọa bảo mật. Trong SDR, mối đe dọa bảo mật là lớn do khả năng cấu hình lại để xử lý các tiêu chuẩn không dây khác nhau. Khả năng cấu hình lại được tăng lên bằng cách điều chỉnh các thông số tín hiệu (như tần số, công suất và loại điều chế) thông qua việc cài đặt hoặc tải xuống phần mềm mới thay vì loại bỏ và thay thế các thành phần phần cứng. Việc triển khai thành công các công nghệ SDR sẽ phụ thuộc vào thiết kế và triển khai các cơ chế bảo mật cần thiết để đảm bảo tính mạnh mẽ của mạng và thiết bị đầu cuối trước các mối đe dọa bảo mật.
- Tăng độ phức tạp và chi phí phát triển: Trong SDR, nhiều tín hiệu được thiết kế để chạy trên một nền tảng duy nhất và nền tảng có thể được cấu hình lại tại các thời điểm khác nhau để lưu trữ các tín hiệu khác nhau theo nhu cầu của người dùng. Ví dụ: một kênh lập trình duy nhất có thể thay thế hai kênh phần cứng chuyên dụng riêng biệt. Nhưng so với radio chuyên sâu về phần cứng, SDR làm tăng độ phức tạp của quy trình thiết kế và phát triển của nhà sản xuất.
- Tốc độ cao của ADC và DAC và sự đồng bộ hóa của chúng với DSP: Khả năng lấy mẫu của ADC và DAC là một thách thức chính đối với việc triển khai các hệ thống SDR. Khả năng số hóa tín hiệu tần số cao thời gian thực là cơ bản để kết nối miền tương tự với miền kỹ thuật số. Hơn nữa, dữ liệu do ADC tốc độ cao tạo ra cần được xử lý bởi bộ xử lý hoạt động ở tốc độ cao tương tự. Mức tiêu thụ điện năng của bộ xử lý ở tốc độ xung nhịp GHz cũng rất lớn, dẫn đến một hệ thống có mức tiêu thụ điện năng lên tới vài chục watt.
Tầm nhìn của SDR là triển khai một thiết bị vô tuyến đơn lẻ chứa phần cứng kỹ thuật số được điều khiển bằng phần mềm có thể mô phỏng bất kỳ tín hiệu vô tuyến nào của các tiêu chuẩn không dây đang phát triển hoặc đã tồn tại chỉ bằng cách cập nhật phần mềm mà không cần thay thế nền tảng phần cứng cơ bản. Mặc dù công nghệ SDR phải đối mặt với một số rào cản, nhiều cách tiếp cận tích cực đang được giới thiệu để khắc phục chúng. Những điều này làm cho nó phù hợp để đóng góp vào sự phát triển của các thế hệ công nghệ truyền thông không dây trong tương lai bằng cách giải quyết các hạn chế của cấu trúc phần cứng truyền thống.
