Yazılım Tabanlı Radyo - Giriş

Telekomunikasyon dediğimizde akla gelen iletişim sistemleri kablosuz ve kablolu olmak üzere iki farklı altyapıdan oluşmaktadır. Bu yazıda kablsuz haberleşme sistmemlerinin modern versiyonları olan Yazılım Tabanlı Radyo sistemlerinden bahsedeceğiz. Aslında bu yazı ile hedeflenen; yeterince karmaşık yapıların birleşimi olan ve bir disiplin çercevesinde ele alınması gereken günümüz radyo sistemlerinin dijital, analog sinyal düzenleme mekanizmalarını anlamak için bir giriş yapmaktır. Devam yazılarında bu yapılar hakkında da bilgi verilmesi ve mümkün mertebede detaylarından bahsedilmesi planlanmaktadır. 

Sistem Mimarisi

Yukarıda görülen figürde en kaba haliyle bir radyo alıcı-verici mimarisinin sistem aşamaları görülmektedir. Antenden belirli bir frekansta yayın yapmak veya alıcı olarak bir sinyali yakalayıp onun içerisinde eğer varsa bir mesaj paketini elde edebilmek için figürde görülen aşamaların düzgün bir şekilde çalışması gerekmektedir. İstenen frekans, bantgenişliği, EM dalga polarizasyonu, kodlama/kod çözme vs. süreçlerin eksiksiz ve düzgün bir şekilde gerçekleştirilmesi için doğru sistem mimarisinin tasarlanması önemlidir. Bu görüldüğü kadar kolay olmamakla birlikte uygulamanın gereksinimlerine göre tasarımın ciddi şekilde değişiklik göstermesi sonucunu doğurmaktadır. Dolayısıyla radyo cihazının uygulamanın gereksinimlerine göre niteliklere sahip olması gerekir. Genel sistem mimarisinden biraz daha ayrıntıya girelim. Aşağıdaki figürde de yazılım tabanlı radyo cihazında kullanılan alt sistem birimlerinin gösterimi sunulmuştur.

1- Analog Front End

Bu aşamadaki sistemin girişi antenden gelen / giden sinyalin dijital seviye ile arasındaki bağlantısını sağlamaktır. Analog sinyal işleme aşamasında amaç özellikle anten frekansı ile dijital sinyal işleme frekans seviyesi arasındaki geçişi sağlamaktır. Örneğin; 2.4 GHz frekansı ile sınırlandırılmış olan bir Wi-Fi sinyalinin temel bant işlemlerine geçmeden önce dijital sinyal işleme aşamasında işlem yükü çok yüksek olmayacak şeilde düzenlenebilmesi için uygun DSP frekansına indirilmesi ve bant genişliğinin de ayarlanması gereklidir. Bunun sebeplerinden biri antenden gelen veya antenden gönderilecek olan sinyalin frekansının genellikle donanımdaki sinyal işleme iş yükünü yüksek seviyede tutacak miktarda olması ve bolca gürültü barındırarak gereksiz bir işlem gücü oluşturmasındandır.  Bu yüzden antene yani iletim ortamına yakın olan aşamada iletim ortamında eklenen gürültüden kurtulmak (alıcı modunda) ve iletim ortamına minimum gürültü ile sinyali gönderebilmek önemli aynı zamanda çok gerekli bir iştir. Hem alıcı hem verici modunda sinyalin DSP aşamasında veya iletim ortamına sunulması aşamasında istenen kriterlere uyulması için analog front-end aşamasında gereksinimlerin karşılanması gerekir. Bu aşamanın gereksinimleri "link bütçesi (link budget)" denen bir hesaplama ile belirlenmektedir. Yazılım tabanlı radyonun iletim ortamında hangi frekansta haberleşeceği, dijital sinyal işleme ve temel bant işleme aşamalarının hangi frekanslarda gerçekleşeceği, haberleşme bant genişliğinin hangi seviyelerde olacağına göre bu bütçe hesaplaması yapılarak maksimum performansın alınması hedeflenir.

2- Digital Front End

Bu kısım aslında analog biçimdeki işaretin ADC ' yapısı ile dijitale dönüştükten sonraki kısmı temsil eder. ADC ile temel bant seviyesi arasındaki birim dijital front end olarak adlandırılır. Çoğu zaman SDR mimarisinin tasarımına göre bu aşamanın nerede bittiği tam anlaşılmasa da burada ufak bir detay olarak şu önermeyi dikkate alabiliriz: I ve Q bileşenlerinin üretildiği ve artık frekans dönüşümünün gerçekleşmediği aşama ile D.F.E aşaması tamamlanmış olur. Ancak mesela HackRF SDR cihazının blok şeması incelendiğinde bu önermenin tutmadığını söyleyebiliriz. Aşağıdaki şemada MAX2837 transceiver entegresi aslında tamamaen A.F.E aşamasındaki fonksiyonları gerçekleştirir (detaylı analiz yazıdadır). 

A.F.E'nin hemen çıkışında I ve Q sinyalleri temsil edilmektedir. Bu aşamadan sonra MAX5864 ADC/DAC entegresinde de sonrasındaki DSP mimarisi olarak kullanılan bir CPLD'de de herhangi bir frekans dönüşümü (up/down) görülmemektedir. Ancak biz yine de kafa karışıklığına fırsat vermemek için bir genelleştirme yapalım ve temel bant frekansında gerçekleşşen süreçleri temelbant aşaması olarak düşünelim. Bundan öncek ADC/DAC aşamasına kadar olan ara kısım Digital Front End kısmı olarak ele alınabilir. Burada yer alan işlemler çoğunlukla frekans domeninde yani zamana  bağlı bir fonksiyon olan sinyalin FFT (Fast Fourier Transform) işlemine maruz kalıp dönüştürüldüğü seviyede gerçekleşir. SDR'larda transmit yönünde ise bu işlemin tam tersi yapılarak (IFFT) sinyal analog forma dönüşmeden hemen önce zamana bağlı fonksiyon olarak ifade edilecek hale gelir.

Örneğin aşağıda bazı D.F.E işlemleri gösterilmiştir. 

Yukarıdaki grafikte [1] görülen işlem Direct Digital Synthesizer olarak adlandırılır. Çoğunlukla FPGA mimarileri içerisinde uygulamaları mevcuttur. Hatta Xilinx firmasının kendi FPGA'lerinde kolaylıkla konfigüre edilebilir ve uygulanabilir bir DDS IP'si de mevcuttur. Bu konuda yapılan bir uygulamayı yazıda bulabilirsiniz. 

Yukarıdaki grafikte [1] ise her aşamanın girdi ve çıktı sinyal formları görülebilmektedir. Bunun yanı sıra en sık kullanılan bazı diğer sinyal işleme aşamaları ise dijital filtreler (FIR,IIR) , Decimation, Interpolation, Anti-alising, Anti-imaging, Upsampling/Downsampling, IQ veya Faz modulasyonu vs. işlemleridir. Bunlar çoğunlukla karşımıza bitişik yapılar olarak çıkarlar. Örneğin dijital domende sinyalin örnekleme hızının azaltılması için Decimation, tam tersi amaçlandığında ise Interpolation işlemi gerçekleştirilir. Ancak bu işlemi bir FIR filtresi ile birlikte gördüğümüzde burada bir UPsampler yada DOWNsampler yapısı ile karşılaşmış olabiliriz. Burada FIR filtresi anti-imaging ya da anti-alising de barındırabilir.

Referanslar

[1]    https://www.analog.com/en/analog-dialogue/articles/all-about-direct-digital-synthesis.html