בתמונה למעלה: תצוגת אותות רדיו שהופקה באמצעות מערכת SDR

מאת: מארק פטריק, Mouser Electronics

במהלך שנות ה-70 הופיעה טכנולוגיית תקשורת אלחוטית חדשה בשם רדיו מוגדר תוכנה (Software-Defined Radio) שנעשה בה שימוש ביישומים צבאיים בלבד. אלא שבשנים האחרונות חודרת הטכנולוגיה הזאת לכל מערכות התקשורת האזרחיות והמסחריות, בזכות שיפור גדול בביצועים של רכיבי FPGA ו-DSP, היכולת לייצר מקמ"שים שלמים בתוך רכיבים מוכללים (IC) וההתפתחות המהירה של רשתות תקשורת סלולריות. המאמר מסביר מה הם העקרונות הבסיסיים של טכנולוגיית SDR, יתרונותיה המרכזיים בהשוואה למערכות RF מסורתיות ומה צפויים להיות היישומים הבאים של הטכנולוגיה.

פיתוח מערכות RF היה תמיד תחום שדרש כישורים מיוחדים וברוב המקרים הוא היה תחום אנלוגי. בתחילה נעשה שימוש באפנון על-גבי קוד מורס, לאחר מכן אימצו תחנות שידור את שיטת אפנון AM לתדרים בינוניים ושיטות אפנון FM לתדרים גבוהים יותר (VHF). מערכות הרדיו היו אנלוגיות לחלוטין. גם כאשר נעשה שימוש במודמים אלחוטיים לשידור וקליטת אותות דיגיטליים, הדבר נעשה באמצעות המרת אותות דיגיטליים לאנלוגיים לצורך השידור, ולהיפך לצורך הקליטה. אולם הופעת טכנולוגיית SDR משנה את התמונה מהקצה אל הקצה, מכיוון שהיא מוציאה מהמערכת את המרכיב האנלוגי כמעט לחלוטין.

תפקיד המעגל האנלוגי מצטמצם

למרות השם, מרכיב חיוני במקלט SDR הא מעגל הקליטה האנלוגי הקדמי, אשר קולט את האותות החלשים המגיעים מהאנטנה. אולם מהשלב הזה ואילך, תהליכי הפרדת האות מהתדר הנושא (גילוי), איפנון והגברה נעשים באמצעות תוכנה. קיימות מספר גישות ליישום SDR, כאשר הדרך הישירה ביותר ואחת מהפופלריות כיום בשוק, היא המרה של אותות ה-RF האנלוגיים לאותות דיגיטליים (ADC), וביצוע המשך העיבוד באמצעות תוכנה. תיאור מפורט של התהליך מוסבר בספר החופשי Software-Defined Radio for Engineers אשר מופיע באתר של Analog Devices.

בשוק קיימים פתרונות SDR רבים בגדלים ובמחירים משתנים: החל מדונגל USB במחיר של 25 דולר וכלה במקמ"ש SDR מלא במחיר של 6,000 דולר ליחידה. ניתן גם להשיג ערכות פיתוח ומודולים במחירים של 100-200 דולר ליחידה. פתרונות רבים מבוססים על רכיבי RFIC המשולבים עם מעבד מבוסס FPGA. ראוי לציין שלאחר שלב בחירת החומרה, יש צורך לקבל החלטות על אופן התכנות שלה. ניתן למשל להשיג פלטפורמת תכנות מלאה לעיבוד באמצעות DSP, כמו למשל פלטפורמת התוכנה החופשית GNU Radio. היא פופולרית מאוד בקרב חובבי רדיו, חוקרי תקשורת אלחוטית ומדענים מתחומי הרדיו-אסטרונומיה.

אופציות התנסות ב-SDR

פלטפורמת תוכנה פופולרית נוספת, בעיקר בקרב מהנדסים, מבוססת על הרחבות DSP ו-SDR של Matlab ו-Simulink. פלטפורמה פופולרית נוספת היא Pothosware (בתמונת ה-GUI למעלה), המתבססת על GNU Radio בשילוב עם SoapySDR. לצורך התנסות מיידית בלא להיכנס לפרוייקט פיתוח ותכנון, ניתן להתחיל עם יישומי SDR פתוחים כמו למשל SDR Console החינמית. חברת Lime Microsystems מספקת סדרה של פתרונות חומרה מבוססי Intel Altera MAX10 FPGA והמקמ"שים המשולבים (IC) שלה מסוג LMS7002, אשר מאפשרים לבצע תקשורת דו-כיוונית בטווח התדרים 100kHz-3.8GHz.

החברה גם מספקת כרטיס מודפס זעיר LimeSDR mini board המספק פתרון SDR מבוסס USB מלא. מידע נוסף ניתן לקבל בקהילייה המקוונת MyriadRF. ניתן אפילו יישום מבוסס למצוא פתרון מבוסס Raspberry Pi שבו משולב כרטיס LimeSDR עם ערכה של Grove Studio. חברת Analog Devices מספקת המודול הלימודי המלא ADALM PLUTO, אשר כולל את Xilinx Zynq 7000 FPGA ואת רכיבי ה-RF ממשפחת AD9363. הערכה פועלת בטווח התדרים 325MHz-3,800MHz ותוכנת הפיתוח שלה, PlutoSDR, תומכת ב-GNU Radio, ב-MatLab/Simulink וב-Pothosware.

תחום ה-SDR המתפתח מעורר התלהבות רבה, במיוחד בזכות היכות לבצע קונפיגורציה מיידית של המערכת, ועל-ידי כך לאפשר ליחידת תקשורת אחת לפעול במגוון תדרים וטכנולוגיות. כך למשל, ניתן להשתמש באותה החומרה כדי לתקשר, בהתאם לצורך, בטכנולוגיות LoRa ,Wi-Fi ורשתות סלולריות. תתארו לעצמכם נתב ביתי שניתן להתאים אותו לכל פרוטוקול תקשורת אלחוטי – באמצעות עידכון תוכנה בלבד (OTA) – או תשתית רשת סלולרית שבאופן זה עוברת מ-5G ל-6G. הגמישות הזאת היא ההבטחה הגדולה של רדיו מוגדר-תוכנה, והמפתח להמשך התפתחותה.