جهاز استقبال الراديو المحدد بالبرمجيات - Software Defined Radio Receiver

تقدمت تكنولوجيا الراديو المحددة بالبرمجيات بشكل ملحوظ في السنوات الأخيرة حيث يعني التقدم في الأجهزة أنّ التكاليف قد انخفضت والأداء في ارتفاع، وهذا يعني أنّ أجهزة الراديو المحددة بالبرمجيات توجد الآن في كل شيء بدءاً من معدات الاتصالات اللاسلكية المتطورة إلى وحدات توصيل (USB) البسيطة المتوفرة بتكلفة منخفضة جداً.

ما هو جهاز استقبال الراديو المصمم بالبرنامج – Software Defined Radio Receiver؟

جهاز استقبال الراديو المصمم بالبرنامج (SDR): هو جهاز يستخدم برنامجاً لأداء العديد من الوظائف الأساسية لجهاز الاستقبال باستخدام البرنامج، ومن السهل إعادة تكوين البرنامج واستخدامه على العديد من الأنظمة الأساسية ولعدة وظائف مختلفة.

تُعد تقنية الراديو المعروفة بالبرمجيات (SDR) لها القدرة على توفير بعض المزايا المهمة على تصميمات الراديو التقليدية القائمة على الأجهزة، وباستخدام قوة المعالجة الرقمية تُستخدم أجهزة الراديو المحددة بالبرمجيات في العديد من التطبيقات المختلفة في العديد من المجالات المختلفة.

يتمثل المفهوم الأساسي لراديو برنامج (SDR) في أنّه يمكن تكوين الراديو أو تعريفه بالكامل بواسطة البرنامج، أمّا في العالم المثالي يتم تحويل الإشارة الواردة على الفور إلى تنسيق رقمي ثم تتم معالجة الإشارة رقمياً بالكامل.

على العكس من الإرسال، يتم إنشاء الإشارة رقمياً وتحويلها إلى الإشارة التماثلية النهائية في الهوائي، حيث يتميز هذا النهج بأنّه يمكن إعادة تكوين الراديو بالكامل لتطبيق جديد أي ببساطة عن طريق تغيير البرنامج، كما يمكن إجراء التحديثات لمواكبة تنسيقات التعديل الجديدة والتطبيقات الجديدة وذلك ببساطة عن طريق تحديث البرنامج.

تطبيقات الراديو المحددة بالبرمجيات:

1. الاتصالات المتنقلة – Mobile communications:

تعتبر أجهزة الراديو المحددة بالبرمجيات مفيدة للغاية في مجالات مثل اتصالات الهاتف المحمول، وذلك من خلال ترقية البرنامج حيث من الممكن تطبيق التغييرات على أي معايير وحتى إضافة أشكال موجة جديدة بحتة من خلال ترقية البرنامج ودون الحاجة إلى إجراء تغييرات على الأجهزة، كما يمكن القيام بذلك عن بعد، ممّا يوفر قيم كبيرة في التكلفة.

2. البحث والتطوير – Research and development:

يعتبر الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) مفيداً جداً في العديد من المشاريع البحثية حيث يمكن تكوين أجهزة الراديو لتوفير المتطلبات الدقيقة لجهاز الإرسال والاستقبال لأي تطبيق دون الحاجة إلى تصميم كامل للأجهزة من البداية.

3. الجيش – Military:

استفاد الجيش كثيراً من تكنولوجيا الراديو المحددة بالبرمجيات التي تمكنهم من إعادة استخدام الأجهزة وتحديث أشكال موجة الإشارة حسب الحاجة.

4. راديو الهواة – Amateur radio:

لقد نجح راديو هامز في توظيف تكنولوجيا راديو محددة بالبرمجيات حيث استخدمها لتوفير أداء ومرونة محسنين.

هناك العديد من التطبيقات الأخرى التي يمكنها الاستفادة من تقنية (SDR)، ممّا يتيح للراديو أن يكون متكيفاً تماماً مع المتطلبات باستخدام تعديلات البرامج، كما يوجد هناك العديد من الفرص للنظر في استخدام مفهوم الراديو المحدد بالبرمجيات (SDR) مع تقدم الوقت والمضي قدماً في التكنولوجيا، سيكون من الممكن استخدام المفهوم في مجالات جديدة.

الراديو المحدد بواسطة البرنامج:

إنّ إنشاء تعريف للراديو المحدد بواسطة البرنامج ليس بالبساطة التي يبدو عليها فمن الضروري إنتاج تعريف قوي لأسباب عديدة بما في ذلك التطبيقات التنظيمية وقضايا المعايير ولتمكين تقنية حقوق السحب الخاصة من المضي قدماً بسرعة أكبر حيث ظهرت العديد من التعريفات التي قد تغطي تعريفاً للراديو المحدد بالبرمجيات (SDR):

1. راديو يتم التحكم فيه بواسطة البرامج – Software Controlled Radio:

راديو يتم فيه التحكم في بعض وظائف الطبقة المادية أو جميعها أي يستخدم هذا النوع من الراديو البرامج فقط لتوفير التحكم في الوظائف المختلفة التي يتم إصلاحها داخل الراديو.

2. راديو معرف بالبرمجيات – Software Defined Radio:

يُعد بأنّه راديو تكون فيه بعض وظائف الطبقة المادية أو جميعها معرّفة بالبرمجيات، وبمعنى آخر يتم استخدام البرنامج لتحديد مواصفات الراديو وما يفعله، حيث إذا تم تغيير البرنامج الموجود في الراديو، فقد يتغير أدائه ووظيفته.

تعريف آخر يبدو أنّه يشمل جوهر الراديو المعرّف بالبرمجيات وهو (SDR) حيث أنّه يحتوي على نظام أساسي للأجهزة يعمل عليه البرنامج لتوفير وظائف بما في ذلك التعديل وإزالة التضمين والتصفية بما في ذلك تغييرات عرض النطاق الترددي، ووظائف أخرى مثل اختيار التردد و إذا لزم الأمر قفز التردد من خلال إعادة تكوين تغيير البرنامج حيث يتم تغيير أداء الراديو.

يُعد استخدم تقنية الراديو المحددة بالبرمجيات وحدات برمجية تعمل على منصة أجهزة عامة تتكون من معالجات معالجة الإشارات الرقمية (DSP) بالإضافة إلى معالجات الأغراض العامة لتنفيذ وظائف الراديو لإرسال الإشارات واستقبالها، أمّا في العالم المثالي تنبعث الإشارة عند التردد النهائي وعلى المستوى الصحيح، وبالمثل بالنسبة للاستقبال سيتم تحويل الإشارة من الهوائي مباشرة إلى أرقام وتتم جميع عمليات المعالجة تحت سيطرة البرنامج. بهذه الطريقة لا توجد قيود مقدمة من قبل الأجهزة.

لتحقيق ذلك، سيحتاج التحويل الرقمي إلى التماثلي للإرسال إلى طاقة عالية نسبياً وذلك اعتماداً على التطبيق وسيحتاج إلى ضوضاء منخفضة جداً للاستقبال، ونتيجةً لذلك لا يكون التعريف الكامل للبرنامج ممكناً في العادة.

 نظام JTRS SDR:

نظام الراديو التكتيكي المشترك (JTRS): هو مبادرة راديو محددة بالبرمجيات توفر قوة دفع رئيسية لتطوير تكنولوجيا راديو محددة بالبرمجيات حيث تهدف (JTRS) بشكل أساسي إلى التطبيقات العسكرية، وكانت تهدف إلى تحسين إمكانية التشغيل البيني بين الشبكات اللاسلكية المختلفة وأجهزة الراديو الميدانية والأجهزة.

يتألف نظام (JTRS) من كل من البرامج والأجهزة وتكنولوجيا (SDR) بحيث يمكن تطوير أجهزة لاسلكية ومعدات شبكات متعددة الأوضاع ومتعددة النطاقات ومتعددة الوظائف، حيث كان الهدف من استخدام تقنية (SDR) هو إعادة تكوينها وتعزيزها وترقيتها ديناميكياً من خلال تحديثات البرامج وإعادة تكوين الأجهزة، كما كان (JTRS) اقتراحاً جذاباً بشكل خاص خاصةً بالنسبة للعمليات على غرار التحالف حيث قد تعمل قوات من دول مختلفة معاً، كما يمكن إعادة تكوين أجهزة الراديو لتمكين الاتصالات بين القوات من دول مختلفة.

مزايا تقنية SDR:

• من الممكن تحقيق مستويات عالية جداً من الأداء.

• يمكن تغيير الأداء عن طريق تحديث البرنامج، وعلى الرغم من ذلك لن يكون من الممكن تحديث السمات المعتمدة على الأجهزة.

• من الممكن إعادة تكوين أجهزة الراديو عن طريق تحديث البرامج.

• يمكن استخدام نفس النظام الأساسي للأجهزة للعديد من أجهزة الراديو المختلفة.

عيوب تقنية SDR:

• التماثلية على المحولات الرقمية تحدد الترددات الأعلى التي يمكن أن يستخدمها القسم الرقمي.

• بالنسبة لأجهزة الراديو البسيطة جداً، قد تكون المنصة الأساسية باهظة الثمن.

• يتطلب تطوير راديو محدد بالبرمجيات مهارات في الأجهزة والبرمجيات.

يتم استخدام أجهزة الراديو المحددة بالبرمجيات بشكل متزايد، ونظراً لأنّ طاقة المعالجة تصبح أقل تكلفة في التنفيذ، فإنّ أجهزة الراديو القائمة على (SDR) يتم استخدامها بشكل متزايد للتطبيقات المتطورة كما أنّها تنتقل بشكل متزايد إلى أجهزة الراديو ذات النهاية المنخفضة، وتتمثل إحدى المزايا الرئيسية لتقنية (SDR) في إمكانية تهيئتها لتلبي متطلبات المستخدم تماماً حيث يمكن للتغييرات الصغيرة في البرنامج أن تجعل الراديو يلائم المتطلبات تماماً ومع البرامج مفتوحة المصدر مثل برنامج جنو، أصبح من السهل تنفيذها بشكل متزايد.

هندسة أجهزة SDR:

1. تضخيم التردد الراديوي – RF Amplification:

هذه العناصر هي تضخيم التردد الراديوي للإشارات التي تنتقل من وإلى الهوائي، وعلى جانب الإرسال يتم استخدام مكبر الصوت لزيادة مستوى إشارة التردد اللاسلكي إلى القدرة المطلوبة لإرسالها، ومن غير المحتمل أن يعطي التحويل المباشر بواسطة (DAC) مستوى الانتاج المطلوب فإنّه يجب تضخيم الإشارات الجانبية المستقبلة من الهوائي قبل أن تمر أكثر إلى المستقبل، وإذا تم تحويل إشارات الهوائي مباشرة إلى إشارات رقمية تصبح ضوضاء الكميات مشكلة حتى لو لم يتم تجاوز حدود التردد.

2. تحويل التردد – Frequency conversion:

في العديد من التصميمات، قد تكون هناك حاجة إلى بعض المعالجة التماثلية كما قد يتضمن هذا عادةً تحويل الإشارة من وإلى التردد الراديوي النهائي، أمّا في بعض التصميمات قد لا يكون هذا القسم التاثلي موجوداً وسيتم تحويل الإشارة مباشرةً من وإلى التردد النهائي من وإلى التنسيق الرقمي حيث قد تكون بعض معالجة التردد المتوسط ​​موجودة.

3. التحويل الرقمي – Digital conversion:

في هذه المرحلة يتم تحويل الإشارة بين التنسيق الرقمي والتماثلي، حيث يعتبر هذا التحويل من نواح كثيرة في قلب المعدات، وعند إجراء هذه التحويلات هناك قضايا يجب أخذها في الاعتبار وعلى جانب الاستقبال، فإنّ الحد الأقصى للتردد وعدد البتات لإعطاء ضوضاء الكميات المطلوبة لهما أهمية كبيرة، أمّا على جانب الإرسال يُعد الحد الأقصى للتردد ومستوى الطاقة المطلوب بعضاً من المشكلات الرئيسية.

4. معالج النطاق الأساسي – Baseband processor:

يقع معالج النطاق الأساسي في مركز الراديو المحدد بالبرمجيات، حيث يقوم بالعديد من الوظائف من التحويل الرقمي للإشارة الواردة أو الصادرة في التردد، كما تُعرف هذه العناصر بالمحول الرقمي (DUC) لتحويل الإشارة الصادرة من التردد الأساسي إلى تردد الناتج المطلوب للتحويل من رقمي إلى تماثلي، أمّا على جانب الاستقبال يتم استخدام محول (Digital Down Converter) لخفض تردد الإشارة حيث تحتاج الإشارة إلى الترشيح وإزالة التضمين واستخراج البيانات المطلوبة لمزيد من المعالجة.

واحدة من القضايا الرئيسية لمعالج النطاق الأساسي هي مقدار طاقة المعالجة المطلوبة حيث أنّه كلما زاد مستوى المعالجة زاد الاستهلاك الحالي وبالتالي تطلب ذلك تبريداً إضافياً، كما قد يكون لهذا تأثير على ما يمكن تحقيقه إذا كان استهلاك الطاقة والحجم محدوداً، كما يجب مراعاة تنسيق أي معالجة أي يمكن استخدام المعالجات العامة و(DSPs) و(ASICs) وعلى وجه الخصوص (FPGAs) حيث تحظى (FPGAs) بأهمية خاصة لأنّها قد تتم إعادة تكوينها لتغيير تعريف الراديو.