اقرأ في هذا المقال
- أساسيات بنية برامج الراديو
- مكونات بنية برامج الراديو
- تطور بنية برامج الراديو
- جزء الإرسال في بنية برامج الراديو
- جزء الاستقبال في بنية برامج الراديو
- فوائد بنية برامج الراديو
نظراً لأنّ راديو البرنامج ينتقل من البحث إلى الممارسة يصبح من المهم بشكل متزايد إنشاء خصائص يمكن إثباتها لهندسة راديو البرامج، والتي يمكن لمطوري المنتجات ومقدمي الخدمات أن يؤسسوا عليها قرارات إدخال التكنولوجيا، كما يتطلب إنشاء خصائص يمكن إثباتها منظوراً رياضياً حول بنية راديو البرامج.
أساسيات بنية برامج الراديو
يقدم راديو البرنامج خدمات محددة ديناميكياً من خلال قدرة المعالجة القابلة للبرمجة والتي لها الهيكل الرياضي لآلة تورينج، حيث تظهر الوظائف التكرارية المقيدة وهي مجموعة فرعية من إجمالي الوظائف التكرارية على أنّها أكبر فئة من وظائف “Turing” القابلة للحساب، والتي تُظهر فيها أجهزة راديو البرامج ثباتًا يمكن إثباته في سيناريوهات التوصيل والتشغيل.
كما يعزز فهم الخصائص الطوبولوجية لهندسة البرامج الراديوية تطبيقات التوصيل والتشغيل وإعادة الاستخدام الفعال من حيث التكلفة، حيث ينتج عن تحليل هذه الخصائص الطوبولوجية نموذج مرجعي للجهاز الظاهري الموزع ذي الطبقات ومجموعة من مبادئ التصميم المعماري لراديو البرنامج، كما قد تكون هذه المعايير مفيدة في تحديد الواجهات بين الأجهزة والبرمجيات الوسيطة ومكونات البرامج ذات المستوى الأعلى اللازمة لإعادة استخدام البرامج الفعالة من حيث التكلفة.
مكونات بنية برامج الراديو
يُعد “Softwave Defined Radio” بأنّه نظام اتصال لاسلكي يعمل بتردد لاسلكي وقابل للتكوين باستخدام البرامج، وفي “SDR” يتم تكوين مكونات الأجهزة المتوفرة بشكل شائع في النظير التماثلي في البرامج التي يتم نقلها إمّا على “FPGA” أو “DSP” لاستخدامها في السلسلة اللاسلكية، ويتم تكوين المكونات التالية في “SDR” بشكل نموذجي:
- الخلاطات المستخدمة في التحويل الصاعد والخفض.
- وحدات المغير والمزيل.
- كاشف الترددات اللاسلكية.
- المرشحات “BPF” و”LPF” باستخدام مفهوم مرشح “FIR”.
ملاحظة: “SDR” هي اختصار لـ “Softwave Defined Radio” و”BPF” هي اختصار لـ “Band-pass filter”.
ملاحظة:“LPF” هي اختصار لـ “Low-pass filter” و”FIR” هي اختصار لـ “Finite impulse response”.
ملاحظة:“FPGA” هي اختصار لـ “Field-programmable gate array” و”DSP” هي اختصار لـ “Digital signal processing”.
تطور بنية برامج الراديو
في الوقت الحاضر باستخدام مفهوم “SDR” يتم تنفيذ طبقة “PHY” وسلسلة “RF” بالكامل في البرنامج كما تُستخدم التصميمات القائمة على مفهوم “SDR” في التقنيات أو المعايير اللاسلكية الحالية، والتالية مثل “WLAN” و”Mobile-WiMAX” و”4G LTE” و”LTE-Advanced” وراديو جديد “5G NR” وما إلى ذلك.
والراديو المعرّف بالبرمجيات هو جهاز إرسال واستقبال قابل للبرمجة وله القدرة على تشغيل بروتوكولات الاتصال اللاسلكي المختلفة دون الحاجة إلى تغيير أو تحديث الأجهزة، كما أدى التقدم في مجال “SDR” إلى تصعيد تطوير البروتوكول ومجموعة واسعة من التطبيقات، مع مزيد من التركيز على قابلية البرمجة والمرونة وقابلية النقل وكفاءة الطاقة، وفي الاتصالات الخلوية و”Wi-Fi” و”M2M” وبالتالي فقد حظيت حقوق السحب الخاصة باهتمام كبير وهي ذات أهمية كبيرة لكل من الأوساط الأكاديمية والصناعية.
يعتزم مصممو “SDR” تبسيط تحقيق بروتوكولات الاتصال مع تمكين الباحثين من تجربة النماذج الأولية على الشبكات المنشورة، كما تم إظهار دراسة استقصائية لمنصات “SDR” الحديثة في سياق بروتوكولات الاتصال اللاسلكي، حيث يجب اتباع نهج هندسة حقوق السحب الخاصة ومكوناتها الأساسية وتحديد اتجاهات التصميم الهامة وأدوات التطوير.
بالإضافة إلى ذلك يتم الاهتمام في التناقضات الرئيسية بين بنى “SDR” فيما يتعلق بالطاقة وقوة الحوسبة والمنطقة وبناءً على مجموعة من المقاييس، حيث يتم مراجعة منصات “SDR” الحالية وتقديم مقارنة تحليلية كدليل للمطورين.
- “PHY” هي اختصار لـ “physical layer”.
- “M2M” هي اختصار لـ “Machine-to-machine”.
- “WLAN” هي اختصار لـ “Wireless Local Area Network”.
- “LTE” هي اختصار لـ “Long Term Evolution”.
- “NR” هي اختصار لـ “new radio”.
- “RF” هي اختصار لـ “Radio frequency”.
جزء الإرسال في بنية برامج الراديو
يصور جزء الارسال في بنية برامج الراديو بأنّه يتألف من “DSP” والتحويل الرقمي “DUC” ومحول “D / A” ومحول “RF” التماثلي ومضخم الطاقة، كما يتم ترميز جزء النطاق الأساسي الرقمي في “DSP” الذي يوفر بيانات “I / Q” وفقاً لاحتياجات جهاز الإرسال المختلفة، ويتم تحويل هذا رقمياً باستخدام التحويل الرقمي الأعلى “DUC” باستخدام المذبذب المحلي “LO” الرقمي والخلاط الرقمي.
كما يتم تحويل عينات “IF” الرقمية إلى إشارة “IF” تماثيلية، حيث يتم تحويل تردد “IF” التماثلي أي التردد المتوسط إلى تردد لاسلكي “RF” باستخدام محول الترددات الراديوية، كما يتم تضخيم إشارة التردد اللاسلكي قبل إرسالها عبر الهواء باستخدام هوائي مناسب حسب تردد تشغيل النظام المطلوب.
- “DUC” هي اختصار لـ “Digital Uplink Command”.
- “IF” هي اختصار لـ “Intermediate Frequency”.
- “I / Q” هي اختصار لـ “in phase / quadrature”.
- “D / A” هي اختصار لـ “Digital to Analog”.
- “LO” هي اختصار لـ “local oscillator”.
جزء الاستقبال في بنية برامج الراديو
يصور مخططات كتلة مستقبل الراديو التماثلي ومستقبل “SDR” على التوالي، كما يوجد فرق بين مستقبلات الراديو التقليدي وبنى الراديو المحددة بالبرمجيات، وكما يتم تضخيم إشارة التردد اللاسلكي باستخدام مضخم التردد اللاسلكي، حيث يتم تغذية الإشارة المكبرة لاحقاً إلى جهاز مزج التردد اللاسلكي من أجل تحويل التردد اللاسلكي.
كما يتم ذلك عن طريق ضرب إشارة التردد الراديوي المضخمة مع إشارة “LO” المولدة محلياً، حيث يتم استخراج إشارة “IF” وتضخيمها عند ناتج جهاز مزج التردد اللاسلكي، وعادةً ما تُستخدم الترددات المركزية “IF” البالغة “455 كيلو هرتز” و”10.7 ميجاهرتز” لمستقبل البث “AM” و”FM”، كما يتم إزالة تشكيل إشارة “IF” المكبرة هذه وتمريرها إلى مكبر الصوت.
كما يستخدم كاشف الأظرف في مزيل تشكيل السعة، حيث يتم استخدام محدد التردد في مزيل تشكيل التردد، وكما يقوم خالط التردد اللاسلكي بالوظيفة الرئيسية لتحويل إشارة التردد اللاسلكي إلى إشارة “IF”، ويتم تنفيذ الوحدات النمطية بعد وحدة موالف التردد اللاسلكي.
أولاً: محول A / D
- يقوم بتحويل “IF” التماثلي إلى عينات “IF” رقمية.
- يتم تمرير العينات الرقمية إلى التحويل الرقمي السفلي “DDC” الذي يحول عينات “IF” الرقمية إلى عينات النطاق الأساسي الرقمي، ويُشار إليها على أنّها بيانات “I / Q”.
- يتكون” DDC” من خلاط رقمي ومذبذب محلي رقمي “LO” ومرشح “FIR” منخفض التمرير.
- يتم تمرير عينات النطاق الأساسي الرقمي إلى شريحة “DSP”، حيث تم نقل الخوارزميات التي تؤدي وظائف مثل إزالة التشكيل وفك التشفير وأي مهام أخرى إذا لزم الأمر.
ملاحظة:“AM” هي اختصار لـ “amplitude modulation” و”FM” هي اختصار لـ “frequency modulation”.
ملاحظة:“DDC” هي اختصار لـ “digital down converter”.
ثانياً: يشار إلى هذه البنية القائمة على التنفيذ الرقمي باسم الراديو المحدد بالبرمجيات SDR
- غالباً ما يتم استخدام “FPGA” أيضاً بدلاً من “DSP” في بنية الراديو المحددة بواسطة البرنامج لخوارزميات معالجة الإشارات السريعة.
- إنّ جمال وجود سلسلة معالجة النطاق الأساسي للبرامج على “DSP” أو “FPGA” سيساعد في تصحيح النطاق الأساسي الحقيقي، والضعف المتعلق بالترددات اللاسلكية الموجودة في بيانات “I / Q” باستخدام الخوارزميات المتقدمة.
- عادةً ما يتم تطبيق خوارزميات مثل تصحيح تخالف التيار المستمر وكسب “I / Q” وتصحيح اختلال الطور والوقت والتردد والقناة في مستقبل “SDR”.
فوائد بنية برامج الراديو
- من السهل ترقية إصدارات مختلفة من البرنامج أثناء تطور المعايير مثل “LTE” أو “LTE-Advanced”، ومن ثم يفي مصنعو المنتجات بمتطلبات الوقت للتسويق ومتطلبات العملاء على التوالي.
- توفير كبير في التكلفة بسبب تقليل الوقت المطلوب مقارنة بالنظام التقليدي التماثلي، وذلك لأنّ أي تغييرات مطلوبة أثناء الاختبار يمكن إجراؤها بسهولة في البرامج، وعلى عكس نظير الأجهزة التماثلية التقليدية.
- من السهل أيضاً تجربة أفكار جديدة حتى أثناء تشغيل النظام.
