מאת:ג’ואל קירשמן, AWR, בני חדד, רדט ציוד ומערכות. רקע: התפיסה העומדת מאחורי ה- Software Design Radio מיושמת מזה מספר שנים. באופן תמציתי, ה- SDR הוא רדיו אשר חלק נרחב מהשכבה הפיזיקלית (PHY Layer) מוגדר באופן תוכנתי. השכבה הפיזיקלית היא השכבה שבה מיושם פרוטוקול התקשורת ברמות ה- Base Band וכן ה- IF/RF. כיום, ה- SDR מיושם בצורה הולכת וגדלה הן ביישומים אזרחיים והן בצבאיים.
היכולת ליישם תצורות גל שונות וכן פונקציות שידור/קליטה באופן תוכנתי, בהחלט רלוונטית ומושכת מבחינת הקטנת העלויות, מורכבות התכנון ועוד. מטרת ה- SDR הינה לייצר שרשרת רדיו אשר חלק גדול ממנה ימומש באופן תוכנתי. הבעייתיות והאתגרים בתכן SDR נובעים מכך שמדובר לרוב במערכות מורכבות הדורשות אנליזה מרמת הרכיב ועד לרמת המערכת, וכן אינטגרציה בין שתי הרמות, לשם השגת הביצועים הנדרשים. מאמר זה מתאר את תכונות ה- SDR בכללותן, אתגרי התכן שבו וכן מספר דוגמאות לדרך שבה כלי התכן המערכתי, ה- Visual System Simulator של AWR, מאפשר פיתוח מקצה לקצה של ארכיטקטורת שרשרת ה- RF על פי עקרון ה- SDR.
SDR
ישנם מספר תהליכים המגדירים רדיו כ- SDR. טלפון סלולרי מודרני יכול להיחשב, למשל, כ- SDR משום שרוב (אם לא כל) תהליך העיבוד מבוצע ע”י רכיב העיבוד ה- DSP. ה- SDR מאפשר למקמ”ש יחיד להכיל בתוכו אותות מסוגים שונים, דבר המאפשר למוצרים להיות מתוקננים לסטנדרטים בינלאומיים שונים. ה- SDR נחשב לאטרקטיבי עבור היצרנים, ספקי תקשורת סלולריים ומשתמשים צבאיים משום שפלטפורמת חומרה יחידה, יכולה להכיל אותות מאופננים מסוגים שונים, תחומי סרט שונים, פונקציונליות שונה, ובכך לאפשר אפליקציות שונות ומגוונות.
איור 1: מבנה סכמתי של מערכת 16-QAM עם תוצאות ה- BER. תוצאות ההרצה (אדום) דומות מאד לאלו התיאורטיות (שחור).
איור 2א: תוצאות סימולציית BER של מערכת 16-QAM עם מגבר בעל OP1dB של 10dBm. מתקבל BER של 1e-6 עבור SNR של 22dB.איור 2ב: שינוי OP1dB של המגבר ל- 12dBm מאפשרים השגת BER של 1e-6 ב- SNR של 20dB.
ביצוע סימולציה על סביבת SDR
בכדי לתכנן ולנתח SDR, ישנו הכרח לבנות את התכנון כשרשרת החל משלב ה- BB על פי התקן הרלוונטי, כדוגמת 2G/3G, LTE, WiMAX. נובע מכך כי יש ליישם בלוקי קידוד ערוץ, שזירה (Interleaving) ועוד. ברגע שאות ה- BB מוגדר היטב, על כלי הסימולציה להיות ערוך לבחינה של השפעות שרשרת הרדיו על ביצועי ה- SDR, כגון מדידות EVM, BER, CCDF. בהינתן מידע זה, יכול המתכנן לבצע אנליזות לבחינת שיקולי שרשרת הרדיו, השפעות פרמטרים של רכיבים או מעגלים, אנליזות Yield, בחינת השפעת אותות מפריעים, השפעת אופיינו של הערוץ (Multipath) ועוד. כל זאת, בכדי לשערך בצורה מיטבית את אופיו של מערכת ה- SDR בעולם האמיתי.
מערכות SDR מכילות מגוון אותות מאופננים, המשתנים בסוגיהן ובמידת מורכבותן עבור אותה מערכת. אותות מורכבים, כגון 64-QAM, שימושיים כאשר התנאים (יכולות המערכת + תנאי הסביבה) מאפשרים זאת, ומספקים מעבר מידע בקצב גבוה יותר. כאשר התנאים אינם מאפשרים עבודה עם אפנון 64-QAM, תישקל אפשרות עבודה עם אפנון 16-QAM, למשל. אי לכך, עבור כל מערכת SDR בנפרד, יהיה חשוב לבצע הרצות סימולציה של BER/EVM עבור שני האפנונים השונים. קיימות מספר גישות המבצעות קירובים לחישוב ה-BER כפונקציה של סוג האפנון, אולם אין זה מספק די הצורך. אין זה מן הנמנע, ולעתים מחייב, לבצע הרצות במישור הזמן בכדי לקבל תמונה אמינה של ה- BER עבור שני האפנונים.
מדדי SDR קריטיים הדורשים סביבת סימולציה התומכת יחדיו בבלוקי DSP ו- RF הם בעיקר:
EVM, רעש הנוצר מקוונטיזציית ADC/DAC, BER, Carrier to Noise Interference (CNR), Spurious Free Dynamic Range (SFDR), Adjacent Channel Power Ratio (ACPR), Complementary Cumulative Distributed Function (מדד המאפשר חישוב יחס Peak to Average, PAR), ספקטרום ועוד.
איור 3: תוצאות סימולציית BER של מערכת 16-QAM בתוספת רעש הפאזה.
איור 4: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM.
דוגמאות לסימולציה
בדוגמאות הבאות נעשה שימוש בכלי הסימולציה המערכתית של AWR, ה- VSS. ביצענו אנליזה הכוללת שינוי ערכי פרמטרים במספר רכיבי RF מסוימים ובחינה בהתאמה של פרמטרי מערכת עבור אותות מאופנני 16-QAM וכן 64-QAM. המטרה בדוגמא זו הינה להשתמש ב- VSS בכדי לקבוע מהי נקודת דחיסת (1dB (P1dB של המגבר וכן של רעש הפאזה של מקור תדר ה- LO. שני פרמטרים אלו, בין היתר, משפיעים באופן ישיר על ביצוע מערכת ה- SDR, כגון על ביצועי ה- BER. עבור דוגמא זו, תוצאות ה- BER המתוארים באיור 1 (בצבע אדום) תואמים לאופיין המתקבל באופן תיאורטי (בצבע שחור). בשלב הבא, מתווסף לשרשרת מגבר לא ליניארי, מיד לאחר בלוק המוסיף רעש לבן (AWGN). מגבר זה יסייע בבחירת נקודת הדחיסה הנדרשת להשגת דרישת BER של 1e-6 עבור SNR של 20dB.
נקודת (Third Order Intercept (IP3 של המגבר נבחרה שרירותית להיות ממוקמת, על פי המודל, ב- 10dB גבוהה יותר מנקודת P1dB, בעוד שהגבר המגבר נקבע על 10dB. תוצאות סימולציית ה- BER, המתוארות באיור 2א, מראות כי כאשר OP1dB = 10dBm, נדרש SNR של 22dB בכדי לקבל BER של 1e-6. אם נבחר OP1dB של 12dBm, אזי נשיג את תוצאת ה- BER הרצויה (איור 2ב).
בשלב הבא, נוסיף מסנן למערכת, ונמקם אותו מיד לאחר המגבר. אות ה- 16-QAM הינו בעל תצורת Root Raised Cosine עם מקדם α=0.35 ובעל רוחב סרט של כ- 50KHz. התדר המרכזי של האות הינו 10MHz. המסנן שנבחר הינו בעל ניחות הקרוב ל- 0dB בתחום המעבר ובעל רוחב סרט של כ- 52KHz. בהיסט של 100KHz מן התדר המרכזי (היינו ב- 9.9MHz או ב- 10.1MHz) המסנן מנחית בכ- 50dB. תחת תנאים אלו, אות ה- 16-QAM מייצר BER העומד בדרישות ה- BER לעיל. עם זאת, כאשר אנו מוסיפים רעש פאזה ל- LO, ניתן לראות השפעה ממשית על ביצועי ה- BER (איור 3.)
איור 5: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM, כאשר רעש הפאזה מוסר.
איור 6: השוואת ה- CCDF של אות 16-QAM לעומת 64-QAM.
בחינת שינויי האפנון
כאמור לעיל, נדרש ממערכות SDR להיות מסוגלות לתמוך במגוון תצורות אפנון בקצבים שונים, המשתנים באופן תוכנתי בהתאם לתנאי המערכת כולה. מבני אפנון מורכבים יותר, כגון 64-QAM, ישימים כאשר מתקיימים תנאי מערכת נאותים, בכדי לספק אפשרות מעברי מידע מהירים יותר. בכדי לבחון אפשרות זו, נשנה את הבלוק המספק את האות המאופנן ל- 64-QAM, עם Pulse Shaping ורוחב סרט זהים. ה- VSS מתוכנן כך שהמקלט מזהה באופן מיידי את ההגדרות החדשות. איור 4 מתאר את תוצאות ה- BER עבור תצורת אפנון זו, עבור אותה ארכיטקטורת מקלט וכן עם רעש הפאזה, ומתקבל כי תחת תנאים אלו ניתן לעמוד ב- BER מינימאלי של 1e-3.
איור 5 מתאר את תוצאות ה- BER עם אות 64-QAM כאשר רעש הפאזה מוסר מן המערכת, ומתקבל כי עדיין לא ניתן להשיג BER של 1e-6 תחת התנאים הקיימים.
בכדי לפצות עבור הפרש זה, הועלה ה- OP1dB של המגבר ל- 14dBm, ותוצאת ה- BER המתקבלת עקב מהלך זה מוצג באיור 7.
כעת, יש ליישם מחדש את רעש הפאזה לתוך המערכת, בכדי לקבוע מהו רעש הפאזה המקסימאלי שיכול להיכנס למערכת דרך ה-LO, כך שנוכל לקבל BER של 1e-6.
איור 7: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM, כאשר נבחר OP1dB של 14dBm.
איור 8: תוצאות סימולציית BER של המערכת עבור 64-QAM, כאשר נבחר OP1dB של 14dBm, בתוספת רעש הפאזה שהוקטן ב- 9dB.
ניתן לתאר ב- VSS את עוצמת רעש הפאזה כפונקציה של ההיסט במספר צורות, כגון ברישום ווקטורי, וכן כטבלה בקובץ. עבור היסט של 10Hz יישמנו -31.6dBc/Hz ובאופן הדרגתי, כפונקציה של ההיסט מתדר ה- LO המרכזי, נבחר -141.8dBc/Hz עבור היסט של 1MHz. לאחר מספר הרצות בהם הורד רעש הפאזה ב- 9dB, התקבל כי ניתן להגיע ל- BER של 1e-6 עבור SNR של 28.5dB (איור 8).
איור 9 מתאר את תצורת ה- IQ עבור המקרה של SNR=30dB, ומאפשר להבחין ב- Jitter הנוצר עקב רעש הפאזה. יישום השיפור הנ”ל בביצועי רעש הפאזה של המערכת עבור אות 16-QAM הוביל לקבלת BER של 1e-6 עבור SNR=21dB.
חשיבות יכולת כלי הסימולציה להתמודדות עם שינויים מערכתיים כוללים (DSP וכן RF)
כלי סימולציה, כגון ה- VSS של חברת AWR, מאפשרים למתכנן המערכת וה- RF לתכנן ולהעריך את יכולות המערכת עבור תנאים שונים ומגוונים, כגון במקרים של מערכות SDR מתקדמות, המשלבות שרשראות RF מתקדמות ומגוון אותות מאופננים. מעבר למתואר לעיל, ישנם פרמטרים רבים ביותר היכולים להשפיע על ביצועי המערכת, כגון IQ Imbalance, אותות מפריעים (Interferences), מספר הביטים ב- ADC ועוד. מערכות מתקדמות, תקשורת אזרחית, צבאית, ראדאר ועוד, דורשות אנליזה בכל אחת מרמות התכנון בכדי להגיע לביצועי המערכת האופטימאליים. הפתרונות המוצעים על ידי כלי הסימולציה תואמים לטכנולוגיות המתקדמות ביותר ואף מסייעים לפיתוחן ולמימושן באופן ישיר.
איור 9: איור ה- IQ עבור 64-QAM במקרה של SNR=30dB.
ג’ואל קירשמן הוא מומחה יישום בקבוצת הפיתוח של תוכנת ה- VSS בחברת AWR, בה הוא עובד כ- 10 שנים. בעברו עבד בחברת Elanix בתפקיד דומה. ג’ואל הינו בעל תואר M.Sc בהנדסת חשמל מאוניברסיטת California State.
לפני שהתמחה בתחום ה- EDA, עבד מספר שנים בתכן רכיבים ומערכות דיגיטליות ליישומי חלל, תכן מערכות אלקטרוניות, RF וכן GPS.
