טכנולוגיית רדיו מוגדר-תוכנה
(software defined radio – SDR), בה התוכנה מבקרת את הפונקציונליות, הפכה לנפוצה בתקשורת מסחרית וצבאית. פיתוח ה-SDR הובל בראשיתו על-ידי התכנית הצבאית Joint Tactical Radio System (JTRS), אשר שאפה ליצור מערכת המסוגלת לעצב את עצמה מחדש כדי להתאים לכל תדר רדיו שהלוחמים בוחרים. טכנולוגיית SDR אמורה להחליף את מערכות התקשורת האלחוטית-בחומרה המסורתיות אשר לעתים קרובות לא יכלו לתקשר ביניהן.
מה שרבים אינם תופסים הוא שהמונח “תוכנה” ברדיו מוגדר-תוכנה מכסה יותר מאשר התוכנה המסורתית. לקבלת יתר פרטים על רדיו מוגדר-תוכנה.
תוכנה בתוך מערכת SDR יכולה להיות כל מרכיב המאפשר לרדיו למלא משימות מסוימות. אחת הדוגמאות היא הקוד C הרץ במעבד לשימוש כללי או
FPGA (field programmable gate array), אומר Lee Pucker, מנכ”ל ה-Wireless Innovation Forum (לשעבר SDR Forum) מ-Phoenix. FPGAs הם תומכים טבעיים של יישומי SDR מאחר ש-FPGAs, כמו ה-SDR עצמו – הוא גמיש וניתן לעיצוב חוזר.
FPGAs ו-SDR
“FPGAs הם ללא ספק טכנולוגיית-מפתח המאפשרת את קיום ה-SDR”, אומר Manuel Uhm, מנהל התקשורת האלחוטית ב-Xilinx מ-San Jose, Calif.. “FPGAs מספקים את הכמיסות (latency) הנמוכה והביצועים הגבוהים הדרושים עבור צורות-גל לרישות רחב-הפס של היום. FPGA יכול לספק את הביצועים הדרושים עבור צריכת הספק נמוכה יותר מאשר DSPs, תוך שמירה על העיצוב מחדש הדרוש לשם הגדרה על-ידי תוכנה בה ASIC איננה יכולה לתמוך.
צורות–הגל של SDR הן במהותן יישומי תוכנה קשורים לרדיו המאפשרים למערכות רדיו מוגדרות-תוכנה לבצע תפקידים מסוימים, בדומה לדרך בה יישום תוכנה של Microsoft Word מאפשר למחשב שולחני לבצע עיבוד תמלילים.
“FPGAs משמשים בכל תכנית ה-JTRS, אך בעיקר בשלושה יישומים – החזית הדיגיטלית (לעיבוד IF דיגיטלי), המודם (PHY או עיבוד פס-בסיס) והקריפטו (תנועה נפרדת של נתונים אדומים או שחורים)”, אומר Uhm.
FPGAs הם חלק ממסגרת ארכיטקטורת תקשורת התוכנה (software communications architecture – SCA), שהיא המסגרת של כל מערכות האלחוט JTRS, אומר Paul Quintana, מנהל שיווק טכני בכיר ב-Altera מ-San Jose, Calif..
ה-FPGAs יכולים לפעול במקביל כמעבד צורת הגל – לכל צורת-גל מעבד מיוחד, הוא מוסיף. ה-FPGAs ינהלו פונקציות של עיבוד אותות אינטנסיביות והם ניתנים גם לעיצוב חוזר כדי לטפל בפונקציונליות חדשה, אומר Quintana. ל-Altera יש גם ליבות IP מרובות התואמות ליישומי עיבוד אותות שונים.
שיפור ניהול ההספק
בעוד ה-FPGAs מציעים את הגמישות והפונקציונליות הטובות ביותר ברמת השבב עבור יישומי SDR, הם לא יעילים להספק באותה המידה כמו המעגל המשולב המיוחד ליישום (ASIC) שאיננו ניתן לעיצוב חוזר, אומר Quintana. אולם, יעילות ההספק של ה-FPGAs משתפרת, הוא מוסיף.
הדרישה העיקרית המובילה הנובעת מתכנית ה-JTRS כיום היא להאריך את חיי הסוללה על-ידי ניהול הספק יותר יעיל במערכת האלחוט, אומר Quintana. רוב הזמן מערכת ה-JTRS לא נמצאת בהספק המרבי שלה, אלא בהספק סטאטי, אשר, אומר Quintana, “שולט בטכנולוגיית הסוללה”.
ניהול הממדים, המשקל וההספק (size, weight and power – SWAP) עבור מערכות רדיו ידניות מוזנות על-ידי סוללות כגון ה-JTRS Handheld, Manpack, Small Form Fit (HMS) הוא קשה יותר מאחר שיש להן דרישות SWAP יותר מחמירות, הוא מוסיף. FPGAs מנהלים הספק דרך בקרים חיצוניים כגון קיצוב הנעילה (lock rationing) ושיטות אחרות, אומר Quintana.
Quintana מתייחס לדו”ח רשמי של Altera בשם “Designing with confidence for military SDR production applications” כדי לקבל מידע נוסף אודות כיצד FPGAs מנהלים הספק ביישומי SDR צבאיים.
ה-FPGAs Stratix III ו-Cyclone III של Altera משתמשים בטכנולוגיית ההספק המיתכנת כדי למזער את דרישות פיזור החום והקירור על-ידי מיטוב כל המעגלים שאינם בנתיבים קריטיים, ביישומים בהם לא דרושות סוללות, לפי הדו”ח הרשמי. עבור יישומים בכמות גבוהה, רגישים להספק, כגון חיישנים או מערכות single-event upset (SEU)-sensitive במטוסים, Altera מציעה נתיב אל ASICs במבנה HardCopy יעילים ללוגיקה, שהוא תהליך ייצור מאובטח.
עבור יישומים קטנים, להתקני “Cyclone III של Altera יש מספיק משאבים בשבב יחיד כדי לעבד צורות-גל מתקדמות, כגון SRW-CC (solid radio waveform, combat (communicator mode , קובע הדו”ח של Altera. בתוך ההתקן, גושי עיבוד אותות מרובים וזיכרון מפולג מבטלים את “רכיבי הזיכרון החיצוני הרעבים להספק”.
על-פי הדו”ח, “התקני Cyclone III מסוגלים לממש צורות-גל שלמות בפחות מ-1 ואט, ביוצרם חיי משימה פי-ארבעה יותר ארוכים מאשר המימושים השוטפים של PLD. עם עלייה משמעותית במורכבות צורת–הגל, רוב הפונקציונליות ניתנת למיטוב ב-FPGAs של Cyclone III, המחסירים את הספק התקני ה-DSP ממאזן הספק האלקטרוניקה הדיגיטלית.
ה-FPGAs של Altera נמצאים ביישומי SDR כגון ה-JTRS Ground Mobile Radio system, אומר Quintana.
“נושא ההספק הוא בעל רבדים רבים והוא דורש התמקדות ברמות אחדות”- טכנולוגיית הטרנזיסטור; ארכיטקטורת FPGA; תכנון להספק; ותכנון ושילוב ברמת המערכת, אומר Uhm. ל-Xilinx משאבים ממוקדים בכל ההיבטים של צריכת הספק כוללת נמוכה יותר, החל מהמערכת ועד לטרנזיסטורים הבודדים.
משפחת ה-FPGA Virtex-6 של Xilinx צורכת 50 אחוז פחות הספק ומחייבת 20 אחוז פחות עלות מאשר הדורות הקודמים; המשפחה החדשה בנויה מתערובת של כושר תכנות, גושים משולבים עבור DSP, זיכרון ותמיכה בקישוריות – כולל יכולות מקמ”ש מהירות, לפי אתר הרשת של Xilinx. ה-Virtex-6 FPGAs ו-Spartan-6 של Xilinxמשמשים בחלקים שונים של תכנית ה-JTRS, אומר Uhm.
שכבה אחת היא טכנולוגיית הטרנזיסטור, אומר Uhm. “יש לכך הרבה היבטים, אך ברמה הגבוהה, Xilinx משתמשת בתהליך נמוך-הספק ובממדי טרנזיסטורים מרובים כדי להקטין את ההספק הסטאטי והדינמי”.
בתוך הארכיטקטורה של ה-FPGA “גושי ה-DSP של Xilinx מקטינים בהרבה את צריכת ההספק לעומת תכנוניDSP דומים ו-FPGA אחרים”, ממשיך Uhm. דבר זה יסייע לניהול ההספק בתכנונים מודרניים, בעלי DSP אינטנסיבי, הוא מוסיף.
ברמת התכנון “זרימת הכלים של Xilinx מסייעת למתכננים למטב את התכנונים להספק”, אומר Uhm. “בנוסף, מהנדסי היישומים של Xilinx מסייעים ללקוחות למטב את התכנונים שלהם בעזרת טכניקות למיטוב התכנון כגון ה-folding (קיפול) כדי להקטין את ממדי התכנון, ומכאן להנמיך את צריכת ההספק הסטאטי והעלות על-ידי שימוש בהתקן קטן יותר.
על-אף שחברות רבות אינן מתמקדות בתכנון ושילוב ברמת המערכת, הוא יכול “להיות בעל השפעה הרבה יותר גבוהה מאשר כל אחד מתחומי ההתמקדות האחרים”, מסביר Uhm . “לדוגמה, שילוב רכיבים יותר דיסקרטיים בתוך FPGA יחיד מקטין בהרבה את הכמות הכוללת של I/O במערכת, גורם הצורך כמות משמעותית של הספק. כדי לעשות זאת ביעילות, דרוש שליצרן המוליך-למחצה תהיה הבנה ברמת המערכת כאשר הוא דן עם הלקוח שלו.
רדיו הכרתי (קוגניטיבי)
רדיו מוגדר-תוכנה יצר שינוי בפאראדיגמה של התקשורת הצבאית והשלב הבא בתקשורת צבאית יהיה כנראה הרדיו ההכרתי.
רדיו הכרתי “מסוגל להבין את הסביבה שלו ויכול להתאים על בסיס הצרכים/ההעדפות של המשתמש בהתאם למדיניות ומנהגי הרדיו הקיימים באזור הפעילות של המשתמש”, אומר Byron Tarver, מנהל הנדסת מערכות אלחוט ב-General Dynamics C4 Systems מ-Scottsdale, Ariz..
“על בסיס הפוטנציאל שלו, דוגמאות אחדות של הדרך בה הרדיו ההכרתי עשוי להיות מועיל לצבא כוללות: שימוש יעיל של הספקטרום בעל תדרים זמינים מוגבלים; שיפורים באיכות השירות; וזיהוי ערוצים מסתגל כדי למנוע שיבושים”, אומר Tarver.
“ההגדרה של רדיו הכרתי עשויה להשתנות” אומר Uhm מ-Xilinx. “לגבי ה-Wireless Innovation Forum, ההגדרה של רדיו הכרתי היא כדלהלן: “רדיו הכרתי הוא רדיו בו מערכות התקשורת ערות למצבן הפנימי והסביבתי, כגון איתור ושימוש בספקטרום תדרי ה-RF באתר זה. ככלל, רדיו הכרתי משתמש בטכנולוגיית רדיו מוגדרת-תוכנה כדי לשנות את פרמטרי התפעול שלו ולהשיג את המטרות של המשתמש בעזרת חומרת רדיו רגילה”.
מושג הרדיו ההכרתי מתפתח, אולם רדיו הכרתי מעשי זקוק עדיין לפריסה, אומר Pucker.
כל העבודה ברדיו הכרתי מתנהלת דרך ה-Federal Communications Commission (FCC) במאמץ לפתח ספקטרומי תדרים של טלוויזיה ללא שימוש, אומר Pucker. לדוגמ, אם מישהו מפעיל את ערוץ 68 וקולט רק רעש סטאטי, זה אומר שזהו ספקטרום טלוויזיה ללא שימוש, הוא מוסיף.
מטרת ה-FCC היא להשתמש ברדיו הכרתי כדי להביא שירותי תקשורת חדשניים לאזורים מרוחקים, אך את המושג הזה בעצמו ניתן להפעיל גם על יישומים צבאיים, אומר Pucker. רדיו הכרתי עשוי לאפשר למערכות קשר צבאיות בסביבות קשות ומרוחקות כגון מדבריות לגשת בצורה יעילה יותר לחלקים השמישים של הספקטרום- המכונה גם ניתוח ספקטרום דינמי, הוא מוסיף.
ה-Defense Advanced Research Projects Agency (DARPA) חוקרת את טכנולוגיית הרדיו ההכרתי בתכנית Next Generation (XG) Communications , אומר Pucker. XG מפתחת טכנולוגיות אשר יאפשרו גישה דינאמית לספקטרום תדרי הרדיו, על-פי האתר של DARPA.
“הרדיו ההכרתי נצמא עדיין בשלב הילדות שלו”, אומר Tarver. “הוכחנו רבים מהמושגים ויש שורה שלמה של פרוטוקולים ונהלים שיש להסכים עליהם. קהילת הפיתוח צריכה להתייצב עם תקנים המגדירים את השימוש ברדיו, כמו גם סוכנויות הרגולציה המעורבות.
“בנקודה זו, General Dynamics C4 Systems פועלת לממש יכולות כגון ערנות וניהול ספקטראלי ובוחנת גם אחרות”, הוא מוסיף.
חוקרי DARPA מבקשים מהתעשייה גם לתכנן מעגלים משולבים מונוליתיים יעילים ביותר לזיהוי אותות עבור הדור הבא של רדיו, מכ”ם ולוחמה אלקטרונית צבאיים באמצעות הכרזה רחבה של סוכנות DARPA (DARPA-BAA-10-77) עבור התוכנית Cognitive Radio Low-Energy Signal Analysis Sensor ICs (CLASSIC).
CLASSIC תפתח סוגים חדשים של ארכיטקטורות וטכניקות תכנון RF, אנלוגי ומעגלים משולבים לאותות מעורבים עבור רדיו הכרתי – או תקשורת חכמה המסוגלת לחוש בתנאי התפשטות של RF ואת צורכי המשתמשים, ולתאם את פרמטרי השידור והקליטה שלהם כדי להשיג את איכות השירות הטובה ביותר, לפי האתר של DARPA.
פרמטרי אותות בעלי עניין עבור תכנית CLASSIC כוללים סכמות אפנון, עיצובי אותות, סכמות לגישה מרובה או דילוגי תדר, שימוש בערוצים וסמלי פענוח. CLASSIC היא חלק מתכנית
Adaptive RF Technology (ART) של DARPA.
דרישות עיבוד צורת-הגל של מערכות רדיו צבאיות מתפתחות הן כדי להרחיב את יכולות ממירי ה-A/D ומעבדי אותות דיגיטליים (DSP), כמו גם מורכבות האלגוריתמים, מעבר למצב הנוכחי של טכנולוגיית המעגלים המשולבים, אומרים מנהלי DARPA. כדי למלא את הפער, תכנית ה-CLASSIC שואפת לתכנן סוגים חדשים של מעגלים משולבים לתקשורת בעלי היכולת ויעילות האנרגיה הדרושים כדי לפעול כחיישן אותות רדיו הכרתי על שבב.
מטרות ראשוניות של תכנית CLASSIC כוללות פיתוח טכניקות עיבוד אנלוגיות ו/או של אותות מעורבים יעילים-באנרגיה לשם הפרדה וניתוח של תערובות של אותות מורכבים. טכניקות אלו עשויות לדרוש הפרדת מקורות עיוורת בעזרת מסננים RF מסתגלים חוזרים (recursive) ואלכסוניים (transversal); מימושים אנלוגיים של המרות fast Fourier ו-wavelet; ומימושים יעילים של אלגוריתמי שליפת תכונות האותות וסיווגם בגושי עיבוד אנלוגיים/ניורומורפיים.
