آموزش SDR و اجزای سیستم مخابراتی + بررسی RTL-SDR و HackRF

درگذشته، طراحی یک سیستم مخابراتی نیاز به یک تیم  داشت که متشکل از چندین مهندس با تخصص‌های مختلف بود. مثلاً یک نفر الگوریتم‌های فرستنده و گیرنده را طراحی می‌کرد، دیگری تحلیل تئوری عملکرد سیستم را انجام می‌داد، یکی دیگر پیاده‌سازی سخت‌افزاری دیجیتال را بر عهده داشت و فرد دیگری طراحی قسمت‌های فرکانس بالا RFFE  را انجام می‌داد. این وظایف به‌صورت جداگانه تعریف شده بودند، تا هر مهندس فقط روی بخش خودش تمرکز کند و نیاز به آشنایی کامل با سایر بخش‌ها نداشته باشد. اما امروز این تقسیم‌بندی‌ها تقریباً از بین رفته‌اند و انتظار می‌رود یک مهندس بتواند چندین نقش مختلف را در یک پروژه انجام دهد. مثلاً هم طراحی الگوریتم سیستم‌های مخابراتی را انجام دهد و هم آن را به طور حرفه‌ای روی یک FPGA یا یک پردازنده‌ پیاده‌سازی کند. دلیل اصلی این تغییر، ظهور و پیشرفت یک فناوری به نام SDR است که طی چند دهه گذشته به یک راه‌حل اصلی در سیستم‌های مخابراتی تبدیل شده است. به همین خاطر، دوران تقسیم وظایف جداگانه در طراحی سیستم‌های مخابراتی روبه‌پایان است.

طراحی یک سیستم مخابراتی بسیار فراتر از کشیدن یک دیاگرام بلوکی و محاسبة ویژگی‌های تئوری آن است. مهندسین این حوزه باید بدانند سخت‌افزار چه تأثیری بر عملکرد الگوریتم‌های مخابراتی دارد و کل سیستم چگونه در عمل کار می‌کند. بازیابی موفق سیگنال دریافت‌شده، بخشی از همین تجربه عملی یادگیری است که پلتفرم SDR آن را ممکن می‌سازد. یک سیستم SDR درواقع یک دستگاه پیچیده است که باید چندین وظیفه‌ی سنگین را به طور هم‌زمان انجام دهد تا امکان ارسال و دریافت بی‌وقفة داده‌ها را فراهم کند. به‌طورکلی، یک سیستم ارتباطی شامل مجموعه‌ای از عملیات وابسته به هم می‌باشند که می‌توان آن‌ها را در شکل زیر مشاهده کرد.

اجزای تشکیل‌دهنده یک سیستم مخابراتی دیجیتال

در این شکل، ورودی فرستنده و خروجی گیرنده به ترتیب با استفاده از Data source و Data sink نشان‌داده‌شده است. این دو بلوک نمایانگر مبدأ و مقصد اطلاعات دیجیتال هستند. پس از واردشدن اطلاعات باینری به فرستنده، اولین گام، حذف الگوهای تکراری یا اضافة موجود در داده‌ها است تا بازدهی انتقال افزایش یابد. این کار توسط بلوک رمزگذار منبع (source encoder) انجام می‌شود که باهدف حذف افزونگی داده طراحی شده است. در سمت گیرنده، بلوک رمزگشای منبع (source decoder)، این افزونگی را دوباره به داده‌ها اضافه می‌کند تا اطلاعات به شکل اولیة خود بازگردند.

پس از حذف افزونگی اولیه، در مرحله بعد، رمزگذار کانال (channel encoder)، مقدار مشخص و کنترل‌شده‌ای از افزونگی را عمداً به جریان داده‌ها اضافه می‌کند تا در برابر خطاهایی که ممکن است در طی ارسال از میان یک کانال نویزی به وجود بیاید، از اطلاعات محافظت کند. در طرف مقابل، رمزگشای کانال (channel decoder) این افزونگی کنترلی را حذف کرده و اطلاعات باینری را به حالت اصلی خود بازمی‌گرداند.

در مرحلة بعدی، فرستنده باید اطلاعات باینری را باید به یکی از  ویژگی‌های موج الکترومغناطیسی مانند دامنه، فرکانس و فاز تبدیل کند، این کار توسط فرایندی به نام مدولاسیون (modulation) انجام می‌شود. در طرف گیرنده نیز، فرایند دمدولاسیون (demodulation) انجام می‌گیرد و سیگنال دریافتی را به اطلاعات باینری بازمی‌گرداند. نمونه‌های گسسته‌ای که از بلوک مدولاسیون خارج می‌شوند و سپس توسط یک مبدل دیجیتال به آنالوگ (DAC) به یک موج آنالوگ در باند پایه تبدیل می‌گردد. این سیگنال آنالوگ به باند RF می‌رود و در گیرنده عکس این عمل صورت می‌گیرد. تمامی این مراحل را می‌توان به‌وسیله SDRهای مختلف انجام داد در ادامه ویژگی‌های RTL-SDR و Hack RF بیان می‌شود.

ویژگی‌های RTL-SDR و Hack RF

در ابتدا به ویژگی‌های RTL-SDR می‌پردازیم به طور معمول RTL-SDRها دارای محدود فرکانسی 25 مگاهرتز تا 1.75 گیگاهرتز می‌باشند. شکل زیر یک RTL-SDR به همراه یک آنتن می‌باشد.

یک RTL-SDR

از دیگر نکات خیلی مهم دربارة RTL-SDRها نرخ نمونه‌برداری آن هست که به طور معمول 2.4 مگاهرتز می‌باشد و فقط به صورت گیرنده می‌توان از آن استفاده کرد، به همین خاطر نسبت سایر SDRها قیمت به‌مراتب پایین‌تری دارند.

در ادامه به بررسی ویژگی‌های Hack RF One می‌پردازیم اولین مورد این که این SDR هم فرستنده هستند و هم گیرنده اما نکته‌‌‌‌‌ای که وجود دارد این است که به‌صورت هم‌زمان نمی‌تواند هم فرستنده باشد و هم گیرنده، دارای نرخ نمونه‌برداری 20 مگاهرتز می‌باشند و دارای محدوده فرکانسی 1 مگاهرتز تا 6 گیگاهرتز هستند، در شکل زیر یک Hack RF One نمایش داده شده است.

یک Hack RF