วิทยุที่กำหนดโดยซอฟต์แวร์ (SDR) เป็นหนึ่งในการเปลี่ยนแปลงที่สำคัญที่สุดในด้านการสื่อสารไร้สาย วิทยุแบบดั้งเดิมอาศัยวงจรแอนะล็อกคงที่สำหรับการกรอง การผสม และการมอดูเลต ในขณะที่ SDR จะแตกต่างออกไปเนื่องจากจะเปลี่ยนงานการประมวลผลส่วนใหญ่ไปยังโดเมนดิจิทัล ด้วยการแทนที่ฟังก์ชันการทำงานของฮาร์ดแวร์เป็นศูนย์กลางด้วยอัลกอริธึมที่ขับเคลื่อนด้วยซอฟต์แวร์ SDR ได้รับความยืดหยุ่นที่ไม่มีใครเทียบได้ ช่วยให้นักออกแบบสามารถอัปเกรดฟังก์ชันการทำงาน ปรับให้เข้ากับโปรโตคอลใหม่ และขยายวงจรการใช้งานของระบบโดยไม่จำเป็นต้องออกแบบฮาร์ดแวร์ใหม่
ความสามารถในการกำหนดค่าใหม่อย่างรวดเร็วนี้ทำให้ SDR เป็นสิ่งที่ขาดไม่ได้ในการใช้งานที่หลากหลาย ตั้งแต่ระบบการป้องกันและอวกาศไปจนถึงโครงสร้างพื้นฐาน 5G การสื่อสารผ่านดาวเทียม และอุปกรณ์ทดสอบอิเล็กทรอนิกส์
อะไรคือความแตกต่างระหว่าง SDR และระบบวิทยุแบบเดิม
ในเครื่องรับ RF แบบดั้งเดิม งานส่วนใหญ่เสร็จสิ้นโดยส่วนประกอบแอนะล็อก: มิกเซอร์ดาวน์จะแปลงสัญญาณอินพุต ตัวกรองจะกำหนดรูปร่างของสเปกตรัม และโมดูเลเตอร์หรือดีโมดูเลเตอร์จะกู้คืนข้อมูล สายโซ่จำลองนี้ไม่ยืดหยุ่นและไวต่อสัญญาณรบกวน โดยต้องมีการออกแบบใหม่สำหรับแต่ละย่านความถี่หรือมาตรฐานใหม่
ในทางตรงกันข้าม SDR จะย่อส่วนหน้าแบบอะนาล็อกให้เหลือน้อยที่สุด - โดยทั่วไปแล้วจะมีเพียงเสาอากาศและวงจร RF ส่วนหน้าพื้นฐานเท่านั้น (รูปที่ 1) หลังจากที่รูปคลื่นอินพุตถูกแปลงเป็นดิจิทัลโดยตัวแปลงแอนะล็อกเป็นดิจิทัล (ADC) ซอฟต์แวร์ก็จะเสร็จสิ้นเวิร์กโหลดจำนวนมาก การมอดูเลชั่น ดีโมดูเลชั่น การกรองช่องสัญญาณ การแก้ไขข้อผิดพลาด และการถอดรหัส ล้วนดำเนินการแบบดิจิทัล ในทำนองเดียวกัน ในระหว่างกระบวนการส่งสัญญาณ ตัวแปลงดิจิทัลเป็นแอนะล็อก (DAC) จะแปลงข้อมูลที่ประมวลผลกลับไปเป็นสัญญาณ RF ซึ่งควบคุมโดยรูทีนของซอฟต์แวร์เช่นกัน
รูปภาพกระบวนการ SDR พื้นฐาน
รูปที่ 1: กระบวนการ SDR พื้นฐาน (แหล่งรูปภาพ: iWave Global)
การเปลี่ยนแปลงนี้ทำให้เกิดความยืดหยุ่นอย่างมาก: ฮาร์ดแวร์ไร้สายแบบเดียวกันสามารถรองรับ Wi Fi ในปัจจุบัน คลื่นความถี่ 5G ในวันพรุ่งนี้ และการสื่อสารทางยุทธวิธีที่ปลอดภัยในวันมะรืนนี้ ทั้งหมดนี้ทำได้เพียงแค่อัปเดตซอฟต์แวร์
RFSoC: แพลตฟอร์มในอุดมคติสำหรับ SDR
การสร้าง SDR ที่มีประสิทธิภาพสูงต้องใช้ตัวแปลงที่เร็วเป็นพิเศษ โครงสร้างการประมวลผลที่ทรงพลัง และช่องข้อมูลที่มีความหน่วงต่ำ Zynq ™ UltraScale+ ™ ของ AMD ซีรีส์ RFSoC ตรงตามข้อกำหนดเหล่านี้โดยการรวมอุปกรณ์ต่อไปนี้:
การสุ่มตัวอย่างหลายกิกะบิต RF-ADC และ RF-DAC
อุปกรณ์ลอจิกที่ตั้งโปรแกรมได้ FPGA สำหรับ DSP แบบเรียลไทม์
Embedded Arm สำหรับการควบคุมซอฟต์แวร์ ® โปรเซสเซอร์
หน่วยความจำความเร็วสูงและอินเทอร์เฟซตัวรับส่งสัญญาณ
RFSoC รวมอุปกรณ์แยกหลายตัวที่จำเป็นก่อนหน้านี้ไว้ในอุปกรณ์เดียว ทำให้การออกแบบแผงวงจรง่ายขึ้นอย่างมาก การบูรณาการนี้จะช่วยลดการใช้พลังงาน ลดเวลาแฝง และปรับปรุงความสมบูรณ์ของสัญญาณ สำหรับแอปพลิเคชัน RF แบบเรียลไทม์ที่ต้องการความแม่นยำและประสิทธิภาพของเวลาสูงมาก RFSoC สามารถมอบโซลูชันชิปตัวเดียวที่มีความหน่วงต่ำเป็นพิเศษและการซิงโครไนซ์ที่แน่นหนา
พลังของการสุ่มตัวอย่าง RF โดยตรง
ข้อดีประการหนึ่งของ RFSoC คือความสามารถในการรองรับอัตราการสุ่มตัวอย่าง GSPS หลายอัตรา RF-ADC สามารถจับสัญญาณความถี่ RF ได้โดยตรง ในขณะที่ RF-DAC สามารถสร้างเอาท์พุตอัลตร้าไวด์แบนด์ได้ ทั้งคู่โดยไม่ต้องอาศัยขั้นตอนการแปลงระดับกลาง
สิ่งนี้ทำให้สามารถสร้างชั้นวางวิทยุ "เกือบดิจิตอลเต็มรูปแบบ" ได้ โดยที่มาตรฐาน เช่น Wi-Fi 2.4 GHz, วิทยุใหม่ 5G ประมาณ 3.5 GHz และความถี่เซลลูลาร์ตั้งแต่ 800 MHz ถึง 1.8 GHz ทั้งหมดสามารถแปลงเป็นดิจิทัลและประมวลผลได้โดยตรง ในทางตรงกันข้าม แพลตฟอร์ม SDR ที่มีอยู่จำนวนมากถูกจำกัดไว้ที่อัตราการสุ่มตัวอย่างเพียงไม่กี่สิบหรือหลายร้อย MHz ดังนั้นจึงต้องอาศัยมิกเซอร์แอนะล็อกในการเปลี่ยนสัญญาณลงไปที่ความถี่กลาง