Quá khứ - 30 năm của Thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm (SDR)

Thật khó để tin rằng thuật ngữ “vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm” (SDR) đã xuất hiện được khoảng 30 năm. Đó là một thời gian dài trong thế giới công nghệ. SDR, vẫn là một chủ đề thảo luận phổ biến, chứa đựng nhiều quan niệm sai lầm. SDR là “một bộ vô tuyến trong đó một số hoặc tất cả các chức năng của lớp vật lý được định nghĩa bằng phần mềm,” theo Wireless Innovation Forum (trước đây là Diễn đàn SDR). Thuật ngữ này tập trung vào quá trình xử lý lớp vật lý (PHY) của dạng sóng và không liên quan đến giao diện người dùng tần số vô tuyến (RF), đây là một quan niệm sai lầm phổ biến.

30 năm sau, SDR hiện là một tiêu chuẩn thống trị trong ngành - từ thiết bị vô tuyến chiến thuật quân sự đến thiết bị cầm tay di động - gần như chắc chắn rằng thiết bị vô tuyến là SDR. Sẽ tiếp tục có những đổi mới trong công nghệ bán dẫn và phần mềm nhằm thúc đẩy năng suất phát triển cao hơn và các sản phẩm tiết kiệm chi phí hơn, do đó SDR sẽ không có hồi kết. Những yếu tố này có nghĩa là SDR thực sự là một vấn đề đã được giải quyết - và thiết bị vô tuyến hiện đang phát triển để trở thành hệ thống liên lạc thông minh nhanh nhạy với tần số.

Hiện tại - Thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm trở thành tiêu chuẩn công nghiệp thực tế

Trong các thị trường như SIGINT, chiến tranh điện tử, kiểm tra và đo lường, liên lạc an toàn công cộng, giám sát quang phổ và liên lạc quân sự (MILCOM), SDR đã trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trên thực tế. Một số thị trường này đang sử dụng mạch tích hợp dành riêng cho ứng dụng (ASIC) được nối cố định, trong khi những thị trường khác đã sử dụng bộ xử lý tín hiệu số có thể lập trình (DSP). Hình 1 cho thấy tiến trình áp dụng SDR trong 30 năm qua. Gần trung tâm nhất, phần màu xanh đậm đại diện cho nhóm thị trường đầu tiên chuyển từ kiến trúc vô tuyến phần cứng sang kiến trúc SDR, bất kể họ có sử dụng thuật ngữ SDR hay không.

Công nghệ thúc đẩy việc chuyển sang SDR ở những thị trường này là sự ra đời của các mạch tích hợp RF (RFIC) từ các công ty như Analog Devices và các FPGA sử dụng nhiều DSP hiệu quả về chi phí từ các công ty như Xilinx. Hai công nghệ này kết hợp với nhau để đáp ứng nhu cầu trị giá hàng tỷ đô la trong thị trường vô tuyến chiến thuật quân sự, tạo ra một thứ gì đó giống như “cơn sóng thị trường”, nơi thị trường có tác động to lớn đến sự phát triển của công nghệ SDR vượt xa thị trường MILCOM. Chương trình Hệ thống vô tuyến chiến thuật chung (JTRS) đã tài trợ cho việc phát triển và sản xuất SDR cho đài quân sự, tạo ra một hệ sinh thái mạnh mẽ gồm các nhà cung cấp bao gồm chất bán dẫn, công cụ và công ty phần mềm. Về mặt công cụ, SDR yêu cầu các dạng sóng phải di động nhất có thể giữa các nền tảng phần cứng khác nhau, dẫn đến các công cụ như Khung lõi Kiến trúc Truyền thông Phần mềm (SCA), cũng như các công cụ lập trình tốt hơn từ các công ty bán dẫn và tự động hóa thiết kế điện tử (EDA).

Hình 1. Các thế hệ tiếp theo của SDR đã thống trị ngành công nghiệp vô tuyến và sẽ tiếp tục phát triển.

Sự tiến bộ của RFIC, FPGA và các công cụ EDA là một yếu tố quan trọng trong việc cho phép thế hệ thứ hai của SDR được thúc đẩy bởi cơ sở hạ tầng 4G LTE. Hầu như tất cả các trạm gốc LTE đều được phát triển với RFIC và FPGA. Một số nhà cung cấp cơ sở hạ tầng lớn hơn cuối cùng sẽ sử dụng ASIC, nhưng ngay cả khi đó, ASIC băng tần cơ sở phần lớn có thể lập trình được, vì họ sử dụng bộ xử lý kết hợp với các khối cứng được gọi là bộ tăng tốc phần cứng cho các chức năng chuyên sâu về điện toán, chẳng hạn như giải mã turbo, thường sẽ vượt quá hiệu suất hoặc giới hạn năng lượng của bộ vi xử lý.

Làn sóng thị trường tiếp theo, thể hiện ở thế hệ thứ ba, xảy ra khi các thiết bị cầm tay 4G LTE chuyển sang kiến trúc SDR một cách nhất quán. Sự thay đổi này được kích hoạt bởi các lõi DSP hiệu suất cao, tiêu thụ điện năng thấp được tối ưu hóa cho các thiết bị cầm tay bởi các công ty như Ceva, Tensilica và Qualcomm cung cấp. Giống như ASIC băng tần cơ sở dành cho cơ sở hạ tầng, các lõi này sẽ được tích hợp vào các sản phẩm tiêu chuẩn dành riêng cho ứng dụng (ASSP) hoặc ASIC cho phần lớn quá trình xử lý PHY, cùng với các bộ tăng tốc phần cứng. Sau khi quá trình chuyển đổi này xảy ra, SDR đã tăng các đơn đặt hàng về số lượng và đạt đến mức trở thành tiêu chuẩn công nghiệp trên thực tế cho thiết bị vô tuyến.

Tương lai - Thế hệ tiếp theo của Thiết bị vô tuyến định nghĩa bằng phần mềm

Điều gì tiếp theo cho SDR? Khi sự phổ biến của thiết bị cầm tay 4G đã thúc đẩy SDR, triển vọng của các công nghệ mới nổi như 5G, Internet of Things (IoT) và mạng cảm biến hứa hẹn sẽ lại tăng khối lượng SDR lên một mức độ lớn khác. Điều gì sẽ là động lực công nghệ nâng SDR lên những đỉnh cao này? Giống như những bước nhảy vọt trước đây trong việc áp dụng SDR, nó có thể sẽ là sự kết hợp của cả công nghệ phần cứng và phần mềm.

Một trong những driver công nghệ tiếp theo trong phần cứng có vẻ là sự kết hợp giữa công nghệ tương tự và kỹ thuật số trên một con chip nguyên khối duy nhất để giảm chi phí cũng như kích thước, trọng lượng và công suất (SWaP). Đối với cơ sở hạ tầng, driver này có thể là FPGA tích hợp bộ chuyển đổi tương tự sang số (ADC) và bộ chuyển đổi kỹ thuật số sang tương tự (DAC). Đối với thiết bị cầm tay và cảm biến, đây có thể là bộ xử lý ứng dụng, cũng với ADC và DAC tích hợp.

Tuy nhiên, những cải tiến mới trong phần cứng sẽ không hữu ích lắm nếu phần mềm và công cụ không tuân theo. Để cho phép phát triển các chip này, cũng như các dạng sóng và phần mềm ứng dụng chạy trên chúng, sẽ có yêu cầu về các công cụ cấp hệ thống tốt hơn có thể được sử dụng để thiết kế và gỡ lỗi trên các miền tương tự và kỹ thuật số. Khi SDR được sử dụng cho các tác vụ ngày càng phức tạp, chúng được thiết kế với các FPGA mạnh hơn (được thiết kế cho DSP chuyên sâu (Hình 2)). Do đó, nhu cầu ngày càng tăng không thể tránh khỏi đối với các công cụ FPGA có thể xử lý lượng dữ liệu và độ phức tạp ngày càng tăng nhanh chóng.

Mặc dù các bộ xử lý đa năng (GPP) trước đây đã phục vụ tốt cho cộng đồng SDR, nhưng chúng đang gặp khó khăn trong việc đáp ứng hiệu suất cần thiết cho các lĩnh vực như 5G và MILCOM. Các công cụ phần mềm như Mô-đun FPGA LabVIEW và RF Network trên chip (RFNoC) mang lại trải nghiệm người dùng hợp lý giúp lập trình FPGA hiệu quả hơn rất nhiều.

Cuối cùng, sự tích hợp sẽ thúc đẩy thế hệ SDR tiếp theo. Việc tích hợp công nghệ tương tự và kỹ thuật số vào chip tín hiệu hỗn hợp sẽ là chìa khóa, nhưng SDR về cơ bản đã đạt đến điểm mà giới hạn chính đối với tăng trưởng là ở phần mềm chứ không phải phần cứng. Nếu không có môi trường phát triển phần mềm có thể lập trình liền mạch cả GPP và FPGA, thì các tính năng phần cứng bổ sung của SDR thế hệ tiếp theo sẽ không được sử dụng đúng mức và quá trình phát triển sẽ bị đình trệ. Khả năng của các công cụ như LabVIEW FPGA cho phép các kỹ sư không phải là chuyên gia HDL phát triển và lặp lại nhanh chóng các thiết kế tinh vi, mang đến cơ hội tốt nhất để mở khóa thế hệ SDR tiếp theo.  

 

 

Xem thông tin về các sản phẩm SDR trên trang web của Peritec tại đây.

 

  

Các thông tin liên quan