الراديو المعرف بالبرمجيات

📅 آخر تحديث: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢٧ يوليو ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة

الراديو المعرف بالبرمجيات ( SDR ) هو نظام اتصالات لاسلكية يتم فيه تنفيذ المكونات التي تم تنفيذها تقليديًا في الأجهزة التناظرية (مثل الخلاطات ، والمرشحات ، والمضخمات ، والمعدلات ، ومزيلات التعديل ، والكواشف ، وما إلى ذلك) عن طريق البرمجيات على جهاز كمبيوتر أو نظام مضمن . [ 1 ]

قد يتألف نظام الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) الأساسي من حاسوب مزود ببطاقة صوت ، أو محول تناظري رقمي آخر ، مسبوقًا بنوع من وحدة استقبال الترددات اللاسلكية . تُسند معالجة الإشارات بشكل كبير إلى المعالج متعدد الأغراض، بدلًا من معالجتها في أجهزة متخصصة ( دوائر إلكترونية ). ينتج عن هذا التصميم جهاز راديو قادر على استقبال وإرسال بروتوكولات راديوية متنوعة (تُعرف أحيانًا بأشكال الموجات) بالاعتماد فقط على البرنامج المستخدم.

تتمتع أجهزة الراديو المُعرّفة برمجياً بأهمية بالغة في المجالين العسكري وخدمات الهاتف المحمول ، حيث يتعين على كليهما دعم مجموعة واسعة من بروتوكولات الراديو المتغيرة باستمرار. وعلى المدى البعيد، يتوقع مؤيدو هذه التقنية، مثل منتدى الابتكار اللاسلكي، أن تصبح أجهزة الراديو المُعرّفة برمجياً التقنية السائدة في مجال الاتصالات اللاسلكية. وتُعدّ هذه الأجهزة، إلى جانب الهوائيات المُعرّفة برمجياً، من العوامل المُمكّنة للراديو المعرفي . [ 2 ]

مبادئ التشغيل

مفهوم الراديو المعرف بالبرمجيات

يستخدم جهاز استقبال سوبر هيتروداين مذبذبًا متغير التردد (VFO) وخلاطًا ومرشحًا لضبط الإشارة المطلوبة على تردد وسيط مشترك (IF) أو نطاق أساسي . في أنظمة الراديو المعرفة بالبرمجيات (SDR)، تُؤخذ عينات من هذه الإشارة عادةً بواسطة محول تناظري رقمي. مع ذلك، في بعض التطبيقات، لا يلزم ضبط الإشارة على تردد وسيط، حيث تُؤخذ عينات من إشارة التردد الراديوي مباشرةً بواسطة المحول التناظري الرقمي (بعد التضخيم).

تفتقر محولات الإشارة التناظرية إلى الرقمية الحقيقية إلى النطاق الديناميكي الكافي لالتقاط إشارات الراديو ذات القدرة المنخفضة جدًا (أقل من ميكروفولت، نانوواط) التي ينتجها الهوائي. لذلك، يجب استخدام مضخم منخفض الضوضاء قبل عملية التحويل، وهذا الجهاز يُسبب مشاكله الخاصة. على سبيل المثال، في حال وجود إشارات دخيلة (وهو أمر شائع)، فإنها تتنافس مع الإشارات المطلوبة ضمن النطاق الديناميكي للمضخم . وقد تُسبب هذه الإشارات تشويشًا في الإشارات المطلوبة، أو قد تحجبها تمامًا. الحل القياسي هو وضع مرشحات تمرير النطاق بين الهوائي والمضخم، لكن هذه المرشحات تُقلل من مرونة الراديو. غالبًا ما تحتوي أجهزة الراديو البرمجية الحقيقية على مرشحين أو ثلاثة مرشحات للقنوات التناظرية ذات نطاقات تردد مختلفة يتم تشغيلها وإيقافها.

تتيح مرونة تقنية الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) استخدامًا ديناميكيًا للطيف الترددي، مما يخفف الحاجة إلى تخصيص موارد الطيف الترددي الشحيحة بشكل ثابت لخدمة واحدة ثابتة. [ 3 ]

تاريخ

في عام 1970، صاغ باحث في مختبر تابع لوزارة الدفاع الأمريكية مصطلح "جهاز الاستقبال الرقمي". وقام مختبر يُدعى "الغرفة الذهبية" في شركة TRW بولاية كاليفورنيا بإنشاء أداة تحليل النطاق الأساسي البرمجية المسماة "ميداس"، والتي تم تعريف تشغيلها بواسطة برنامج.

في عام 1982، وأثناء عمل قسم أولريش ل. رود في شركة آر سي إيه بموجب عقد مع وزارة الدفاع الأمريكية ، طوّر القسم أول جهاز راديو معرف بالبرمجيات (SDR)، والذي استخدم شريحة كوزماك (حاسوب مصفوفة متكاملة متناظرة). وكان رود أول من قدّم عرضًا حول هذا الموضوع في محاضرته التي ألقاها في فبراير 1984 بعنوان "الراديو الرقمي عالي التردد: عينة من التقنيات" في المؤتمر الدولي الثالث لأنظمة وتقنيات الاتصالات عالية التردد في لندن. [ 4 ]

في عام ١٩٨٤، صاغ فريقٌ في قسم غارلاند، تكساس ، التابع لشركة إي-سيستمز ( رايثيون حاليًا ) مصطلح "الراديو البرمجي" للإشارة إلى جهاز استقبال النطاق الأساسي الرقمي، كما نُشر في نشرة الشركة "فريق إي". وقد طوّر فريق إي-سيستمز مختبرًا تجريبيًا لـ"الراديو البرمجي"، مما ساهم في انتشاره بين مختلف الوكالات الحكومية. كان هذا الراديو البرمجي، الذي طُوّر عام ١٩٨٤، جهاز استقبال نطاق أساسي رقمي يوفر إمكانية برمجة إلغاء التداخل وإزالة التضمين لإشارات النطاق العريض، وعادةً ما يحتوي على آلاف من مرشحات التردد التكيفية ، باستخدام معالجات مصفوفة متعددة تصل إلى ذاكرة مشتركة. [ ٥ ]

في عام ١٩٩١، أعاد جو ميتولا ابتكار مصطلح "الراديو البرمجي" بشكل مستقل، وذلك ضمن خطة لبناء محطة قاعدة GSM تجمع بين جهاز الاستقبال الرقمي من شركة فردينسي وأجهزة التشويش على الاتصالات التي يتم التحكم فيها رقميًا من شركة إي-سيستمز ميلبار، لتكوين جهاز إرسال واستقبال برمجي حقيقي. باعت شركة إي-سيستمز ميلبار فكرة الراديو البرمجي إلى القوات الجوية الأمريكية. قامت ميلبار ببناء نموذج أولي لمحطة طرفية تكتيكية للقادة في الفترة ١٩٩٠-١٩٩١، استخدمت فيه معالجات TMS320C30 من شركة تكساس إنسترومنتس وشرائح استقبال رقمية من شركة هاريس مع إرسال مُركّب رقميًا. لم يدم نموذج ميلبار الأولي طويلًا، فعندما أنتجت شركة إي-سيستمز قسم ECI أولى وحدات الإنتاج المحدودة، قررت التخلص من لوحات C30 غير الضرورية، واستبدلتها بترشيح الترددات اللاسلكية التقليدي للإرسال والاستقبال، والعودة إلى راديو النطاق الأساسي الرقمي بدلًا من محولات ADC/DAC للتردد المتوسط ​​الشبيهة بتقنية SpeakEasy المستخدمة في نموذج ميتولا الأولي. لم تسمح القوات الجوية لميتولا بنشر التفاصيل التقنية لذلك النموذج الأولي، كما لم تسمح لديان واسرمان بنشر الدروس المستفادة من دورة حياة البرمجيات ذات الصلة، لأنها اعتبرتها "ميزة تنافسية للقوات الجوية الأمريكية". لذا، وبموافقة القوات الجوية، وصف ميتولا في عام 1991 مبادئ البنية دون تفاصيل التنفيذ في ورقة بحثية بعنوان "الراديو البرمجي: دراسة وتحليل نقدي وتوجهات مستقبلية"، والتي أصبحت أول منشور لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) يستخدم هذا المصطلح في عام 1992. [ 6 ] عندما قدم ميتولا الورقة في المؤتمر، بدأ بوب بريل من شركة GEC Marconi عرضه التقديمي بعد ميتولا قائلاً: "جو محق تمامًا بشأن نظرية الراديو البرمجي، ونحن نعمل على بناء واحد". قدم بريل ورقة بحثية لشركة GEC Marconi حول PAVE PILLAR، وهو سلف SpeakEasy. تم تصميم SpeakEasy، وهو الراديو البرمجي العسكري، بواسطة واين بونسر، الذي كان يعمل آنذاك في مركز روما لتطوير الطيران (RADC)، والذي يُعرف الآن باسم مختبرات روما؛ وآلان مارغوليس من MITRE روما، نيويورك؛ ثم الملازم بيث كاسبار، مديرة مشروع داربا سبيك إيزي الأصلية، وآخرون في روما بمن فيهم دون أوبمال. على الرغم من أن منشورات ميتولا في معهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (IEEE) أسفرت عن أكبر انتشار عالمي لتقنية الراديو البرمجي، إلا أن ميتولا يُرجع الفضل سرًا إلى مختبر وزارة الدفاع الأمريكية في سبعينيات القرن الماضي، بقيادة كارل وديف وجون، في ابتكار تقنية الاستقبال الرقمي التي اعتمد عليها في تطوير الراديو البرمجي بمجرد أن أصبح الإرسال عبر البرمجيات ممكنًا.

بعد بضعة أشهر من مؤتمر أنظمة الاتصالات الوطنية لعام ١٩٩٢، وخلال مراجعة لبرنامج شركة E-Systems، اعترض نائب رئيس قسم جارلاند في الشركة على استخدام ميلبار (ميتولا) مصطلح "راديو البرمجيات" دون الإشارة إلى جارلاند. سأل آلان جاكسون، نائب رئيس التسويق في ميلبار آنذاك، نائب رئيس جارلاند عما إذا كان مختبرهم أو أجهزتهم تتضمن أجهزة إرسال. فأجاب نائب رئيس جارلاند: "لا، بالطبع لا  ، جهازنا هو مستقبل راديو برمجيات". فردّ آلان: "إذن هو مستقبل رقمي، ولكن بدون جهاز إرسال، لا يُعد راديو برمجيات". وافقت إدارة الشركة على رأي آلان، فبقي المنشور ساريًا. كان العديد من هواة الراديو ومهندسي راديو التردد العالي قد أدركوا أهمية رقمنة التردد العالي عند ترددات الراديو ومعالجته باستخدام معالجات الإشارات الرقمية TI C30 من شركة Texas Instruments وأسلافها خلال ثمانينيات وتسعينيات القرن الماضي. أدرك مهندسو الراديو في روك مانور بالمملكة المتحدة وفي منظمة بألمانيا فوائد استخدام محول الإشارة التناظرية إلى الرقمية (ADC) في نطاق الترددات الراديوية بالتوازي. وقد ساهم نشر ميتولا لأبحاثه حول الراديو البرمجي في مجلة IEEE في تعريف مجتمع مهندسي الراديو بهذا المفهوم على نطاق واسع. واعتُبر العدد الخاص الذي أصدره في مايو 1995 من مجلة IEEE للاتصالات، والذي حمل عنوان "الراديو البرمجي"، حدثًا فارقًا، حيث حظي بآلاف الاستشهادات الأكاديمية. وقدّم جواو دا سيلفا ميتولا في عام 1997 خلال المؤتمر الدولي الأول للراديو البرمجي، واصفًا إياه بـ"الأب الروحي" لهذا المجال، وذلك تقديرًا لرغبته في مشاركة هذه التقنية القيّمة "للمصلحة العامة".

ربما تم تصميم وتنفيذ أول جهاز إرسال واستقبال لاسلكي قائم على البرمجيات بواسطة بيتر هوهر وهيلموت لانغ في المؤسسة الألمانية لأبحاث الفضاء ( DLR ، المعروفة سابقًا باسم DFVLR ) في أوبربفافنهوفن ، ألمانيا، في عام 1988. [ 7 ] تم تنفيذ كل من جهاز الإرسال وجهاز الاستقبال الخاص بمودم الأقمار الصناعية الرقمي التكيفي وفقًا لمبادئ الراديو البرمجي، وتم اقتراح جهاز طرفي مرن للأجهزة.

في عام 1995، صاغ ستيفن بلوست مصطلح "الراديو المعرف بالبرمجيات"، ونشر طلبًا للحصول على معلومات من شركة بيل ساوث وايرلس في الاجتماع الأول لمنتدى أنظمة نقل المعلومات متعددة الوظائف المعيارية (MMITS) عام 1996 (والذي غُيّر اسمه عام 1998 إلى منتدى الراديو المعرف بالبرمجيات)، والذي نظمته القوات الجوية الأمريكية ووكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة (DARPA) بهدف تسويق برنامج SpeakEasy II. اعترض ميتولا على مصطلح بلوست، لكنه قبله في النهاية كمسار عملي نحو الراديو البرمجي المثالي. على الرغم من أن المفهوم طُبّق لأول مرة باستخدام محول تناظري رقمي للتردد المتوسط ​​في أوائل التسعينيات، إلا أن أصول أجهزة الراديو المعرفة بالبرمجيات تعود إلى قطاعات الدفاع الأمريكية والأوروبية في أواخر السبعينيات (على سبيل المثال، وصف والتر تاتلبي راديو VLF يستخدم محولًا تناظريًا رقميًا ومعالجًا دقيقًا من طراز 8085 )، [ 8 ] بعد حوالي عام من المؤتمر الدولي الأول في بروكسل. كان مشروع "سبيك إيزي" العسكري، الذي أطلقته وكالة مشاريع الأبحاث الدفاعية المتقدمة الأمريكية (DARPA) بالتعاون مع القوات الجوية، من أوائل مبادرات برامج الراديو العامة . وكان الهدف الرئيسي للمشروع هو استخدام المعالجة القابلة للبرمجة لمحاكاة أكثر من 10 أجهزة راديو عسكرية موجودة، تعمل في نطاقات تردد تتراوح بين 2 و2000 ميجاهرتز . [ 9 ] كما كان من أهداف تصميم "سبيك إيزي" الأخرى تسهيل دمج معايير التشفير والتعديل الجديدة في المستقبل، لكي تتمكن الاتصالات العسكرية من مواكبة التطورات في تقنيات التشفير والتعديل.

في عام 1997، قدمت شركة Blaupunkt مصطلح "DigiCeiver" لمجموعتها الجديدة من أجهزة الاستقبال القائمة على معالجة الإشارات الرقمية (DSP) مع Sharx في أجهزة راديو السيارات مثل Modena & Lausanne RD  148.

المرحلة الأولى من سبيك إيزي

في الفترة من عام 1990 إلى عام 1995، كان الهدف من برنامج "سبيك إيزي" هو تطوير جهاز راديو لوحدة التحكم الجوي الأرضي التكتيكي التابعة لسلاح الجو الأمريكي ، قادر على العمل بترددات تتراوح بين 2 ميجاهرتز و2 جيجاهرتز ، وبالتالي يمكنه العمل بالتوافق مع أجهزة الراديو الأرضية ( VHF و FM و SINCGARS ذات التردد المتغير )، وأجهزة راديو سلاح الجو (VHF AM )، وأجهزة الراديو البحرية (VHF AM و HF SSB )، والأقمار الصناعية ( QAM للميكروويف ). ومن بين الأهداف المحددة توفير تنسيق إشارة جديد في غضون أسبوعين من البداية، وتطوير جهاز راديو يمكن لعدة متعاقدين إضافة مكونات وبرامج إليه.

تم عرض المشروع في تمرين TF-XXI المتقدم للحرب ، حيث أثبت تحقيق جميع هذه الأهداف في جهاز لاسلكي غير مخصص للإنتاج. وقد أبدى البعض استياءهم من فشل هذه الأجهزة اللاسلكية البرمجية المبكرة في تصفية الإشارات خارج النطاق بشكل كافٍ، وفي استخدام أكثر من أبسط أنماط التشغيل البيني لأجهزة الراديو الموجودة، بالإضافة إلى فقدان الاتصال أو تعطلها بشكل غير متوقع. لم يكن معالج التشفير الخاص بها قادرًا على تغيير السياق بالسرعة الكافية للحفاظ على عدة محادثات لاسلكية جارية في وقت واحد. وعلى الرغم من أن بنيتها البرمجية عملية، إلا أنها لم تكن تشبه أي بنية أخرى. تم تطوير بنية SpeakEasy في منتدى MMITS بين عامي 1996 و1999، وألهمت فريق العمليات المتكاملة التابع لوزارة الدفاع الأمريكية (IPT) لأنظمة الاتصالات المعيارية القابلة للبرمجة (PMCS) للمضي قدمًا فيما أصبح يُعرف باسم نظام الراديو التكتيكي المشترك (JTRS).

يعتمد التصميم الأساسي لجهاز الاستقبال اللاسلكي على هوائي يغذي مضخمًا ومحولًا تنازليًا (انظر خلاط التردد ) يغذي بدوره وحدة تحكم تلقائية في الكسب ، والتي بدورها تغذي محولًا تناظريًا رقميًا متصلًا بناقل VME للحاسوب ، ويحتوي على العديد من معالجات الإشارات الرقمية ( Texas Instruments C40s). أما جهاز الإرسال، فيحتوي على محولات رقمية تناظرية متصلة بناقل PCI ، تغذي محولًا تصاعديًا (خلاطًا) يؤدي إلى مضخم طاقة وهوائي. وقد قُسِّم نطاق التردد الواسع جدًا إلى نطاقات فرعية قليلة، حيث تغذي تقنيات الراديو التناظرية المختلفة نفس المحولات التناظرية الرقمية. ومنذ ذلك الحين، أصبح هذا التصميم معيارًا قياسيًا لأجهزة الراديو البرمجية ذات النطاق العريض.

المرحلة الثانية من سبيك إيزي

كان الهدف هو الحصول على بنية قابلة لإعادة التكوين بسرعة أكبر، أي إجراء عدة محادثات في وقت واحد، ضمن بنية برمجية مفتوحة ، مع إمكانية الاتصال عبر القنوات المختلفة (حيث يمكن للجهاز اللاسلكي "ربط" بروتوكولات لاسلكية مختلفة). أما الأهداف الثانوية فكانت تصغير حجمه وخفض تكلفته ووزنه.

أنتج المشروع جهاز راديو تجريبيًا بعد خمسة عشر شهرًا فقط من بدء مشروع بحثي مدته ثلاث سنوات. وقد حقق هذا الجهاز التجريبي نجاحًا باهرًا لدرجة أنه تم إيقاف تطويره، وبدأ إنتاجه بنطاق ترددي يتراوح بين 4  و400  ميجاهرتز فقط.

حددت بنية البرمجيات واجهات قياسية لوحدات الراديو المختلفة: "التحكم في تردد الراديو" لإدارة الأجزاء التناظرية من الراديو، و"التحكم في المودم" لإدارة موارد أنظمة التضمين وفك التضمين (FM، AM، SSB، QAM، إلخ)، ووحدات "معالجة شكل الموجة" التي تؤدي وظائف المودم فعليًا ، ووحدات "معالجة المفاتيح" و"المعالجة التشفيرية" لإدارة الوظائف التشفيرية، ووحدة "الوسائط المتعددة" لمعالجة الصوت، ووحدة "واجهة المستخدم" لتوفير عناصر تحكم محلية أو عن بعد، ووحدة "التوجيه" لخدمات الشبكة، ووحدة "التحكم" للحفاظ على كل شيء منظمًا.

يقال إن الوحدات تتواصل بدون نظام تشغيل مركزي. بدلاً من ذلك، ترسل الرسائل عبر ناقل الكمبيوتر PCI إلى بعضها البعض باستخدام بروتوكول متعدد الطبقات.

كمشروع عسكري، ميز الراديو بقوة بين "الأحمر" (البيانات السرية غير المؤمنة) و"الأسود" (البيانات المؤمنة تشفيرياً).

كان هذا المشروع أول مشروع معروف يستخدم مصفوفات البوابات المنطقية القابلة للبرمجة ( FPGAs ) للمعالجة الرقمية لبيانات الراديو. وكانت مدة إعادة برمجة هذه المصفوفات عائقًا أمام استخدام الراديو. واليوم، لا تزال كتابة برنامج لمصفوفة FPGA تستغرق وقتًا طويلاً، لكن مدة تحميل برنامج مخزن عليها تبلغ حوالي 20 مللي ثانية. وهذا يعني أن جهاز استقبال الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) قادر على تغيير بروتوكولات الإرسال والترددات في جزء من خمسين من الثانية، وهو وقت ليس بالغ الأهمية لهذه المهمة.

العقد الأول من القرن الحادي والعشرين

يستخدم نظام SpeakEasy SDR في عام 1994 معالج الإشارات الرقمية CMOS من شركة Texas Instruments طراز TMS320C30 ، بالإضافة إلى مئات من رقائق الدوائر المتكاملة ، وكان الراديو يشغل حيزًا كبيرًا في الجزء الخلفي من شاحنة. وبحلول أواخر العقد الأول من الألفية الثانية، أتاح ظهور تقنية RF CMOS إمكانية تصغير نظام SDR بالكامل إلى نظام واحد متكامل للإشارات المختلطة على شريحة واحدة ، وهو ما أثبتته شركة Broadcom من خلال معالج BCM21551 في عام 2007. ويُستخدم معالج Broadcom BCM21551 في تطبيقات تجارية عملية، لا سيما في هواتف الجيل الثالث . [ 10 ] [ 11 ]

الاستخدام العسكري

الولايات المتحدة

كان نظام الراديو التكتيكي المشترك ( JTRS) برنامجًا تابعًا للجيش الأمريكي لإنتاج أجهزة راديو توفر اتصالات مرنة وقابلة للتشغيل البيني. ومن أمثلة محطات الراديو التي تتطلب الدعم: أجهزة الراديو المحمولة، وأجهزة الراديو الخاصة بالمركبات، وأجهزة الراديو المحمولة جوًا، وأجهزة الراديو المحمولة على الأقدام، بالإضافة إلى المحطات الأساسية (الثابتة والبحرية).

يتحقق هذا الهدف من خلال استخدام أنظمة الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) القائمة على بنية اتصالات برمجية مفتوحة معتمدة دوليًا (SCA). يستخدم هذا المعيار بروتوكول CORBA على أنظمة تشغيل POSIX لتنسيق وحدات البرمجيات المختلفة.

يُقدّم البرنامج نهجًا جديدًا لتلبية احتياجات الاتصالات الإضافية للجنود من خلال تقنية الراديو القابلة للبرمجة. وتعتمد جميع وظائف البرنامج وقابليته للتوسع على نظام الاتصالات اللاسلكية القابل للبرمجة (SCA).

على الرغم من أصولها العسكرية، تخضع تقنية SCA حاليًا لتقييم من قبل موردي أجهزة الراديو التجارية لتحديد مدى ملاءمتها لمجالات عملهم. إلا أن اعتماد أطر عمل SDR للأغراض العامة خارج نطاق الاستخدامات العسكرية والاستخباراتية والتجريبية والهواة، يواجه عائقًا جوهريًا يتمثل في سهولة اعتماد المستخدمين المدنيين على بنية ثابتة، مُحسَّنة لوظيفة محددة، وبالتالي أكثر اقتصادية في تطبيقات السوق الشامل. مع ذلك، يمكن أن تُحقق المرونة الكامنة في تقنية الراديو المُعرَّف بالبرمجيات فوائد كبيرة على المدى الطويل، بمجرد انخفاض التكاليف الثابتة لتنفيذها بما يكفي لتجاوز تكلفة إعادة تصميم الأنظمة المُخصصة بشكل متكرر. وهذا ما يُفسر الاهتمام التجاري المتزايد بهذه التقنية.

يُقدّم مشروع "التنفيذ المدمج لتقنية SCA مفتوحة المصدر - SCA" (OSSIE [ 12 ] ) برمجيات البنية التحتية القائمة على SCA وأدوات التطوير السريع لتعليم وبحوث SDR. وقد موّل منتدى الابتكار اللاسلكي مشروع "التنفيذ المرجعي لتقنية SCA"، وهو تطبيق مفتوح المصدر لمواصفات SCA. ويمكن تحميل ( SCARI ) مجانًا. 

للاستخدام المنزلي والهواة

مايكروتليكوم بيرسيوس - جهاز استقبال لاسلكي عالي التردد (HF SDR) لسوق هواة الراديو

يستخدم جهاز الراديو البرمجي النموذجي للهواة مستقبل تحويل مباشر . وعلى عكس مستقبلات التحويل المباشر القديمة، تعتمد تقنيات المزج المستخدمة على كاشف أخذ العينات التربيعي ومثير أخذ العينات التربيعي. [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] [ 16 ]

يعتمد أداء جهاز الاستقبال في هذه السلسلة من أجهزة الراديو المعرفة بالبرمجيات (SDR) بشكل مباشر على النطاق الديناميكي لمحولات التناظرية إلى الرقمية (ADC) المستخدمة. [ 17 ] تُحوّل إشارات الترددات الراديوية إلى نطاق الترددات الصوتية، والذي يُؤخذ منه عينات بواسطة محول تناظري إلى رقمي عالي الأداء. استخدمت أجهزة الراديو المعرفة بالبرمجيات من الجيل الأول  بطاقة صوت حاسوب بتردد 44 كيلوهرتز لتوفير وظيفة المحول التناظري إلى الرقمي . أما أجهزة الراديو المعرفة بالبرمجيات الأحدث، فتستخدم محولات تناظرية إلى رقمية مدمجة عالية الأداء توفر نطاقًا ديناميكيًا أوسع ومقاومة أكبر للضوضاء والتداخلات الراديوية.

يقوم جهاز كمبيوتر سريع بتنفيذ عمليات معالجة الإشارات الرقمية (DSP) باستخدام برامج خاصة بأجهزة الراديو. تستخدم العديد من تطبيقات الراديو البرمجية مكتبة SDR مفتوحة المصدر DttSP. [ 18 ]

يقوم برنامج SDR بجميع عمليات فك التشفير، والترشيح (لترددات الراديو والصوت)، وتحسين الإشارة (المعادلة والعرض ثنائي الأذن). تشمل استخداماته جميع أنواع التضمين الشائعة لدى الهواة: شفرة مورس ، والتضمين أحادي النطاق الجانبي ، والتضمين الترددي ، والتضمين السعوي ، ومجموعة متنوعة من الأنماط الرقمية مثل التلغراف اللاسلكي ، والتلفزيون ذي المسح البطيء ، وراديو الحزم . [ 19 ] كما يجرب الهواة طرق تضمين جديدة: على سبيل المثال، يقوم مشروع DREAM مفتوح المصدر بفك تشفير تقنية COFDM المستخدمة في راديو Digital Radio Mondiale .

تتوفر مجموعة واسعة من الأجهزة لهواة الراديو والاستخدام المنزلي. فهناك أجهزة إرسال واستقبال احترافية، مثل Zeus ZS-1 [ 20 ] [ 21 ] أو FlexRadio [ 22 ] ، وأجهزة إرسال واستقبال منزلية الصنع، مثل PicAStar أو مجموعة SoftRock SDR [ 23 ] ، وأجهزة استقبال للمبتدئين أو المحترفين، مثل FiFi SDR [ 24 ] للموجات القصيرة، أو جهاز استقبال Quadrus متعدد القنوات المتماسك بتقنية SDR [ 25 ] للموجات القصيرة أو VHF/UHF في وضع التشغيل الرقمي المباشر.

RTL-SDR

الجزء الداخلي من جهاز RTL-SDR يظهر جهاز فك التشفير RTL2832U (على اليمين) وجهاز التوليف R820T (على اليسار).

يُعدّ RTL-SDR نوعًا من أجهزة استقبال الراديو المعرّفة برمجياً منخفضة التكلفة، سُمّي نسبةً إلى شريحة فك التشفير Realtek RTL2832U التي يعتمد عليها، والتي تدعم مخرج USB. [ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] صُمّمت الشريحة في الأصل لاستقبال إشارات DVB-T ، ولكن تبيّن في عام 2010 أنها تُخرج بيانات إشارة راديو خام. وبفضل برامج التشغيل التي طوّرها مشروع Osmocom ، أُعيد استخدام هذه الأجهزة كأجهزة استقبال SDR للأغراض العامة. غالبًا ما كانت تُباع وحدات USB الخاصة بـ DVB-T في بداياتها بأقل من 10 دولارات أمريكية، بينما بيعت الطرازات المصممة خصيصًا كأجهزة استقبال SDR مع تحسينات في الحماية واستقرار التردد بحوالي 30 دولارًا أمريكيًا اعتبارًا من عام 2025. [ 29 ]

تتضمن أجهزة RTL-SDR عادةً شريحة موالفة من نوع Rafael Micro R820T أو R820T2 أو R860 ، [ 30 ] ويمكنها استقبال ترددات تتراوح من 24 إلى 1766  ميجاهرتز تقريبًا بعرض نطاق يصل إلى 3.2  ميجاهرتز. تُستخدم هذه الأجهزة في تطبيقات تشمل استقبال راديو FM والراديو الرقمي، واستقبال بيانات الطائرات ( ADS-B ، ACARS )، وفك تشفير الراديو الموجه ، واستقبال بيانات الأقمار الصناعية للأرصاد الجوية ( GOES ، Meteor-M )، وتتبع المجسات الراديوية ، وعلم الفلك الراديوي الأساسي . [ 29 ] [ 31 ]

HPSDR

يستخدم مشروع HPSDR (الراديو عالي الأداء المعرف بالبرمجيات) محولًا تناظريًا رقميًا 16 بت بتردد 135 ميجا عينة في الثانية ، يوفر أداءً على نطاق التردد من 0 إلى 55 ميجاهرتز يُضاهي أداء أجهزة الراديو التناظرية التقليدية عالية التردد. كما يعمل جهاز الاستقبال في نطاقي التردد العالي جدًا (VHF) والتردد العالي جدًا (UHF) باستخدام استجابات صورة الخلاط أو استجابات التداخل. يتم توفير واجهة اتصال بالحاسوب عبر منفذ USB 2.0، مع إمكانية استخدام الإيثرنت أيضًا. يتميز المشروع بتصميم معياري، ويتألف من لوحة خلفية يمكن توصيل لوحات أخرى بها. يتيح ذلك تجربة تقنيات وأجهزة جديدة دون الحاجة إلى استبدال مجموعة اللوحات بالكامل. يوفر مُثير الإشارة طاقة تردد لاسلكي بقدرة 0.5 واط على نفس النطاق أو في نطاقي VHF وUHF باستخدام مخرجات الصورة أو التداخل. [ 32 ]

WebSDR

يُعدّ WebSDR [ 33 ] مشروعًا أطلقه بيتر-تيرك دي بوير، ويتيح الوصول عبر متصفح الإنترنت إلى العديد من أجهزة استقبال SDR حول العالم، والتي تغطي طيف الموجات القصيرة بالكامل. وقد قام دي بوير بتحليل إشارات مُرسِل Chirp باستخدام نظام الاستقبال المُقترن . [ 34 ]

كيوي إس دي آر

يُعدّ KiwiSDR [ 35 ] أيضًا برنامج استقبال لاسلكي معرف بالبرمجيات (SDR) يعمل عبر المتصفح، مثل WebSDR. وعلى عكس WebSDR، يقتصر نطاق التردد فيه على 3 هرتز إلى 30 ميجاهرتز ( من الترددات المنخفضة جدًا إلى الترددات العالية ).

يوفر مشروع OpenWebRX، وهو مشروع برمجيات مفتوح المصدر، إمكانية الوصول إلى طيف الترددات العالية جدًا (VHF) والترددات فوق العالية (UHF) أيضًا.

تطبيقات أخرى

بفضل سهولة الوصول المتزايدة، وانخفاض تكلفة الأجهزة، وتوفر المزيد من أدوات البرمجيات والوثائق، توسعت تطبيقات تقنية الراديو المعرف بالبرمجيات (SDR) لتتجاوز استخداماتها الأساسية والتاريخية. ويُستخدم هذا النوع من الراديو الآن في مجالات مثل تتبع الحياة البرية، وعلم الفلك الراديوي، وأبحاث التصوير الطبي، والفنون.

انظر أيضاً

مراجع

  1. ^ ماركوس ديلينجر. قمبيز مدني؛ نانسي الونيستيوتي (2003). الراديو المحدد بالبرمجيات: البنيات والأنظمة والوظائف . وايلي وأولاده. ص.  الثالث والثلاثون. رقم ISBN 0-470-85164-3.
  2. ^ أمارال، كريستيانو (2021). غيا موديرنو دو راديوسكوتا . البرازيل: أمازون. ص. 333. ردمك  978-65-00-20800-9.
  3. ↑ ستابل، غريغوري؛ ويرباخ، كيفن (مارس 2004). "نهاية ندرة الطيف الترددي" . مجلة IEEE Spectrum . 41 (3): 48-52 . doi : 10.1109/MSPEC.2004.1270548 . S2CID 1667310 . {{cite journal}}: CS1 maint: deprecated archiveal service ( link )
  4. ↑ «أولريش رود، N1UL، يُكرّم لعمله الرائد في مجال الراديو المعرف بالبرمجيات» . الرابطة الأمريكية لهواة الراديو . 17 يناير 2017. تاريخ الاطلاع: 10 يناير 2024 .
  5. ↑ جونسون، ب. (مايو 1985). "مختبر أبحاث جديد يؤدي إلى جهاز استقبال لاسلكي فريد" (ملف PDF) . فريق الأنظمة الإلكترونية . 5 (4): 6-7 .
  6. ↑ ميتولا الثالث، ج. (1992). أجهزة الراديو البرمجية - دراسة استقصائية، وتقييم نقدي، وتوجهات مستقبلية . المؤتمر الوطني لأنظمة الاتصالات عن بُعد. الصفحات 13/15 إلى 13/23. doi : 10.1109/NTC.1992.267870 . ISBN  0-7803-0554-X.
  7. ↑ P. Hoeher و H. Lang، "مودم 8PSK المشفر لخدمات الأقمار الصناعية الثابتة والمتنقلة القائمة على معالجة الإشارات الرقمية"، في وقائع ورشة العمل الدولية الأولى حول تقنيات معالجة الإشارات الرقمية المطبقة على الاتصالات الفضائية، ESA/ESTEC، نوردويك، هولندا، نوفمبر 1988؛ ESA WPP-006، يناير 1990، ص 117-123.
  8. ↑ ورشة العمل الدولية الأولى حول الراديو البرمجي، اليونان 1998
  9. ↑ ساهم كل من آر جيه لاكي ودي دبليو أوبمال بمقال "سبيك إيزي: راديو البرمجيات العسكرية" في العدد الخاص من مجلة IEEE Communications الذي حرره ميتولا والذي كتب ميتولا المقال الرئيسي فيه بعنوان "هندسة راديو البرمجيات"، في مايو 1995.
  10. ↑ لينايرتس، دومين (مايو 2010). تقنيات تصميم دوائر CMOS ذات النطاق الترددي العريض (ملف PDF) . برنامج المحاضرين المتميزين لجمعية دوائر الحالة الصلبة التابعة لمعهد مهندسي الكهرباء والإلكترونيات (SSCS DLP). شركة NXP لأشباه الموصلات . تاريخ الاسترجاع: 10 ديسمبر 2019 .
  11. ↑ "برودكوم تُطلق هاتفًا بتقنية الجيل الثالث على شريحة"" أرشيف أجهزة لينكس . 16 أكتوبر 2007. تم الاطلاع عليه بتاريخ 12 ديسمبر 2019. "
  12. ↑ "OSSIE" . vt.edu . مؤرشف من الأصل بتاريخ 12-03-2009.
  13. ↑ يونغبلود ، جيرالد (يوليو 2002)، "راديو مُعرّف بالبرمجيات للجماهير، الجزء 1" (ملف PDF) ، QEX ، الرابطة الأمريكية لهواة الراديو : 1-9
  14. ↑ يونغبلود ، جيرالد (سبتمبر - أكتوبر 2002)، "راديو مُعرّف بالبرمجيات للجماهير، الجزء 2" (ملف PDF) ، QEX ، الرابطة الأمريكية لهواة الراديو : 10-18
  15. ↑ يونغبلود ، جيرالد (نوفمبر-ديسمبر 2002)، "راديو مُعرّف بالبرمجيات للجماهير، الجزء 3" (ملف PDF) ، QEX ، الرابطة الأمريكية لهواة الراديو : 1-10
  16. ↑ يونغبلود ، جيرالد (مارس-أبريل 2003)، "راديو معرف بالبرمجيات للجماهير، الجزء 4" (ملف PDF) ، QEX ، الرابطة الأمريكية لهواة الراديو : 20-31
  17. ↑ ريك ليندكويست؛ جويل ر. هايلاس (أكتوبر 2005). "أنظمة فليكس راديو؛ جهاز الراديو المعرف بالبرمجيات SDR-1000 HF+VHF المُعاد تصميمه" . مجلة QST . تاريخ الاسترجاع: 7 ديسمبر 2008 .
  18. ↑ DttSP على Source Forge
  19. ↑ https://sourceforge.net/projects/sdr مشروع جهاز إرسال واستقبال SDR مفتوح المصدر باستخدام USRP و GNU Radio
  20. ↑ مشروع ZS-1
  21. ↑ جهاز الإرسال والاستقبال ZS-1 زيوس
  22. ↑ أجهزة إرسال واستقبال SDR من Flex Radio http://www.flex-radio.com/
  23. ↑ مجموعات SoftRock SDR http://wb5rvz.com/sdr/
  24. ↑ جهاز استقبال FiFi SDR http://o28.sischa.net/fifisdr/trac
  25. ↑ جهاز استقبال SDR متعدد القنوات متماسك من نوع Quadrus
  26. ↑ استخدام جهاز استقبال DVB USB كمستقبل SDR http://sdr.osmocom.org/trac/wiki/rtl-sdr
  27. ↑ مدونة RTL-SDR http://www.rtl-sdr.com
  28. ↑ "ورقة بيانات جهاز فك تشفير DVB-T COFDM RTL2832U + USB 2.0" . ريلتك . 1 نوفمبر 2010.
  29. 1 2 "حول RTL-SDR" . مدونة RTL-SDR . 11 أبريل 2013. تاريخ الاسترجاع: 29 يونيو 2025 .
  30. ↑ دعم جهاز استقبال الراديو Rafael Micro R820T في برنامج Cocoa Radio https://housedillon.com/blog/support-for-the-rafael-micro-r820t-tuner-o-cocoa-radio/
  31. ↑ "رصد زخات شهب البرشاويات باستخدام رادار غريفز" . EB3FRN . 7 أكتوبر 2013.
  32. ↑ "موقع HPSDR الإلكتروني" .
  33. ↑ WebSDR http://websdr.org
  34. ↑ تم تحليل إشارات الترددات المتغيرة باستخدام SDR http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/chirps/
  35. ↑ "KiwiSDR" .

للمزيد من القراءة

  • رود، أولريش ل (26-28 فبراير 1985). "الراديو الرقمي عالي التردد: عينة من التقنيات". المؤتمر الدولي الثالث لأنظمة وتقنيات الاتصالات عالية التردد . لندن، إنجلترا.
  • الراديو المعرف بالبرمجيات  : البنى والأنظمة والوظائف. ديلينجر، مدني، ألونيستوتي. وايلي، 2003. 454 صفحة. ISBN 0-470-85164-3رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 9780470851647
  • تقنية الراديو المعرفي. بروس فيت. منشورات إلسيفير للعلوم والتكنولوجيا، 2006. 656 صفحة. رقم ISBN 0-7506-7952-2رقم الكتاب المعياري الدولي (ISBN) 9780750679527
  • الراديو المعرف بالبرمجيات لشبكات الجيل الثالث، بيرنز. دار أرتيك هاوس، 2002. رقم ISBN 1-58053-347-7
  • الراديو البرمجي: منهج حديث لهندسة الراديو، جيفري هـ. ريد. برنتيس هول بي تي آر، 2002. رقم ISBN 0-13-081158-0
  • تقنيات معالجة الإشارات للراديو البرمجي، بهروز فرهانغ-بيروجيني. دار نشر لولو.
  • تقنيات الترددات الراديوية والنطاق الأساسي للراديو المعرف بالبرمجيات، بيتر ب. كينينجتون. دار أرتيك هاوس، 2005، رقم ISBN 1-58053-793-6
  • أساسيات الراديو المعرف بالبرمجيات، مارتن إيوينغ، AA6E. الرابطة الأمريكية لهواة الراديو، 2012، ISBN 978-0-87259-632-0
  • الراديو المعرف بالبرمجيات باستخدام MATLAB وSimulink وRTL-SDR، بقلم ر. ستيوارت، ك. بارلي، د. أتكينسون، ل. كروكيت، منشورات ستراثكلايد الأكاديمية، سبتمبر 2015. ISBN 978-0-9929787-2-3