ซอฟต์แวร์วิทยุ (SDR) เป็นหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดในด้านการสื่อสารไร้สาย ต่างจากวิทยุแบบดั้งเดิมซึ่งอาศัยวงจรแอนะล็อกคงที่สำหรับการกรอง การผสม และการมอดูเลต SDR จะถ่ายโอนการประมวลผลส่วนใหญ่ไปยังโดเมนดิจิทัล ด้วยการแทนที่คุณลักษณะที่เน้นฮาร์ดแวร์เป็นหลักด้วยอัลกอริธึมที่ขับเคลื่อนด้วยซอฟต์แวร์ SDR มอบความยืดหยุ่นที่ไม่มีใครเทียบได้ซึ่งช่วยให้นักออกแบบสามารถอัพเกรดความสามารถ ปรับให้เข้ากับโปรโตคอลใหม่ และขยายวงจรชีวิตของระบบโดยไม่ต้องออกแบบฮาร์ดแวร์ใหม่
ความสามารถในการกำหนดค่าใหม่อย่างรวดเร็วนี้ทำให้ SDR เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้สำหรับการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ระบบการป้องกันและการบินและอวกาศ ไปจนถึงโครงสร้างพื้นฐาน 5G การสื่อสารผ่านดาวเทียม และอุปกรณ์ทดสอบอิเล็กทรอนิกส์
SDR แตกต่างจากระบบวิทยุแบบเดิมอย่างไร
ในเครื่องรับ RF แบบดั้งเดิม งานส่วนใหญ่เสร็จสิ้นโดยส่วนประกอบแอนะล็อก: มิกเซอร์จะแปลงสัญญาณอินพุตลง ตัวกรองจะปรับรูปร่างสเปกตรัมใหม่ และโมดูเลเตอร์หรือดีโมดูเลเตอร์จะกู้คืนข้อมูล การเชื่อมต่อแบบอะนาล็อกนี้ไม่ยืดหยุ่นและไวต่อสัญญาณรบกวน และจำเป็นต้องได้รับการออกแบบใหม่สำหรับแต่ละแบนด์หรือมาตรฐานใหม่
ในทางตรงกันข้าม SDR จะย่อส่วนหน้าแบบอะนาล็อกให้เหลือน้อยที่สุด ซึ่งโดยทั่วไปจะมีเพียงเสาอากาศและวงจรส่วนหน้า RF พื้นฐานเท่านั้น (รูปที่ 1) รูปคลื่นอินพุตจะถูกแปลงเป็นดิจิทัลโดยตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) และซอฟต์แวร์จะเสร็จสิ้นการทำงานหนัก การปรับ ดีโมดูเลชั่น การกรองช่องสัญญาณ การแก้ไขข้อผิดพลาด และการถอดรหัสจะดำเนินการแบบดิจิทัล ในทำนองเดียวกัน ระหว่างการส่งสัญญาณ ตัวแปลงดิจิทัลเป็นอนาล็อก (DAC) จะแปลงข้อมูลที่ประมวลผลกลับไปเป็นสัญญาณ RF ซึ่งควบคุมโดยรูทีนของซอฟต์แวร์เช่นกัน
รูปภาพกระบวนการ SDR พื้นฐาน
รูปที่ 1: กระบวนการ SDR พื้นฐาน แหล่งที่มาของภาพ: iWave Global)
การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้เกิดความยืดหยุ่นอย่างมาก: ฮาร์ดแวร์วิทยุแบบเดียวกันสามารถรองรับ Wi-Fi ในปัจจุบัน 5G ในอนาคต และการสื่อสารทางยุทธวิธีที่ปลอดภัยในวันข้างหน้า ทั้งหมดนี้มาพร้อมกับการอัปเดตซอฟต์แวร์
RFSoC: แพลตฟอร์มในอุดมคติสำหรับ SDR
การสร้าง SDR ประสิทธิภาพสูงต้องใช้ตัวแปลงที่เร็วเป็นพิเศษ โครงสร้างการประมวลผลที่ทรงพลัง และช่องข้อมูลที่มีการหน่วงเวลาต่ำ Zynq สำหรับ AMD ™ UltraScale+ ™ ตระกูล RFSoC ตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้โดยการรวมอุปกรณ์ต่อไปนี้:
การสุ่มตัวอย่างหลายกิกะบิต RF-ADC และ RF-DAC
อุปกรณ์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ FPGA สำหรับ DSP แบบเรียลไทม์
Embedded Arm สำหรับโปรเซสเซอร์ Software Control ®
หน่วยความจำความเร็วสูงและอินเทอร์เฟซตัวรับส่งสัญญาณ
RFSoC รวมอุปกรณ์แยกหลายตัวที่จำเป็นก่อนหน้านี้ไว้ในอุปกรณ์เดียว ทำให้การออกแบบแผงวงจรง่ายขึ้นอย่างมาก การบูรณาการนี้จะช่วยลดการใช้พลังงาน ลดเวลาแฝง และปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ สำหรับแอปพลิเคชัน RF แบบเรียลไทม์ที่มีความต้องการด้านความแม่นยำและประสิทธิภาพด้านเวลาสูงมาก RFSoC นำเสนอโซลูชันแบบชิ้นเดียวที่มีความหน่วงต่ำเป็นพิเศษและการซิงโครไนซ์ที่แน่นหนา
พลังของการสุ่มตัวอย่าง RF โดยตรง
ข้อดีประการหนึ่งของ RFSoC คือความสามารถในการรองรับอัตราการสุ่มตัวอย่าง GSPS หลายอัตรา RF-ADC สามารถจับสัญญาณความถี่ RF ได้โดยตรง ในขณะที่ RF-DAC สามารถสร้างเอาต์พุตย่านความถี่กว้างพิเศษ และทั้งสองอย่างไม่ได้ขึ้นอยู่กับขั้นตอนการแปลงดาวน์ระดับกลาง
สิ่งนี้ทำให้สามารถสร้างชั้นวางวิทยุ "ดิจิทัลเกือบทั้งหมด" เพื่อให้มาตรฐาน เช่น Wi-Fi 2.4 GHz, วิทยุใหม่ประมาณ 3.5 GHz 5G และย่านความถี่เซลลูลาร์ 800 MHz ถึง 1.8 GHz สามารถแปลงเป็นดิจิทัลและประมวลผลได้โดยตรง ในทางตรงกันข้าม แพลตฟอร์ม SDR ที่มีจำหน่ายทั่วไปจำนวนมากถูกจำกัดไว้ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างหลายสิบหรือหลายร้อย MHz ดังนั้นจึงต้องใช้เครื่องผสมแบบอะนาล็อกเพื่อเปลี่ยนสัญญาณลงไปที่ความถี่กลาง
ด้วยการกำจัดระดับอะนาล็อกเหล่านี้ SDR ที่ใช้ RFSoC จึงสามารถให้ความเที่ยงตรงที่สูงขึ้น เวลาแฝงที่ลดลง และการออกแบบที่กะทัดรัดยิ่งขึ้น (รูปที่ 2)