YAZILIM TABANLI RADYO UYGULAMALARI 5. Ar-Ge Proje Pazarı Özge ÖZDEMİR 31 Mayıs 2012, Eskişehir

Yazılım Tabanlı Radyo Uygulamaları İÇERİK Radyo Nedir? Yazılım Tabalı Radyo Nedir? Fikir Olarak SDR SDR Kullanım Alanları Genel Özellikleri Teknik Özellikleri Günümüz Teknolojisi ve SDR Bileşenleri Gelecekte SDR Teknolojisi SDR Mimarisi Savronik’te SDR Uygulamaları

Radyo Nedir? Alıcı birimi Filtre Kuvvetlendirici Demodulasyon Birimi Verici Birimi Anten Sistemi Radyo, farklı frekanslarda titreşen ses dalgalarını mikrofon yardımı ile elektrik sinyallerine dönüştürerek kablosuz ileten cihazdır. Radyo vericisinde ses sinyalleri amplifikatör denilen yükselteçlerden geçirilerek güçlendirilir ve ardından osilatör denilen vericide üretilmiş daha yüksek frekanstaki taşıyıcı dalgalarının üzerine bindirilir. Bu işleme modülasyon ve işlemi yapan cihaza modülatör denir. Devreden çıkan akım tekrar amplifikatörde yükseltilir ve antene ulaşır, oradan da elektromanyetik dalgalar biçiminde yayılır. Radyo alıcısında ise taşıyıcı dalgalar anten tarafından alınır, radyo frekans yükselticisinde güçlendirilir. Yükseltgenen elektriksel sinyaller hoparlörlere gönderilir ve burada tekrar ses titreşimlerine dönüştürülür.

Yazılım Tabalı Radyo Nedir? Yazılım Tabanlı Radyo (SDR) kablosuz haberleşme yapmak üzere düşünülmüş ve konfigurasyonu değiştirilebilir bir donanım ve yazılım teknolojileri koleksiyonudur. Kablosuz haberleşme teknolojileri günümüzde mobil telefonlarda uydu haberleşmesine kadar pek çok farklı alanda kullanılmaktadır. Kablosuz haberleşmede bilgi aktarımı Radyo Dalgaları ile sağlanmaktadır. Bu bağlamda Yazılım Tabanlı Radyoyu (Software Defined Radio-SDR) kablosuz haberleşme yapmak üzere düşünülmüş ve konfigurasyonu değiştirilebilir bir donanım ve yazılım teknolojileri koleksiyonu olarak tanımlayabiliriz. 11 Eylül saldırıları sırasında polis, itfaiye ve acil yardım birimlerinin haberleşmede farklı frekansları kullanmasından doğan iletişim kopukluğu yaşanmıştır. Farklı birimler arası haberleşmenin sürekliliği ve bilgi akışının sağlanabilmesi için alıcı-verici birimleri dinamik olarak ayarlanabilir bir alt yapıya sahip olması çözüm olarak ileri sürülmüştür. Bu kabiliyet donanım kaynaklı çözümlerle oldukça maliyetli olacağından yazılım tabanlı alıcı-verici birimleri ihtiyacının artarak devam edeceği ön görülmektedir.

Fikir Olarak SDR Yazılım Tabanlı Radyo uygulamalarına yönelik ilk fikirler 1990’lı yıllarda ortaya atılmıştır: Fonksiyanları yazılım ile değiştirilebilen radyo uygulamaları Çok modlu radyolar : GSM, CDMA, TDMA, FDMA Uydular için programlanabilir işlemci birimleri Askeri kablosuz haberleşme birimleri Yazılım tabanlı radyoyo yönelik ilk fikirler 1990’lı yıllarda ortaya atılmıştır. Fonksiyonları yazılım ile değiştirilebilen radyo uygulamalarının pek çok modu destekleyen radyolar ve programlanabilir işlemci birimleri ile beraber uydu ve telsiz haberleşmelerinde kullanılması öngörülüyordu.

2000’li yıllara gelindiğinde ise: Fikir Olarak SDR 2000’li yıllara gelindiğinde ise: FPGA ve DSP gibi elektronik ekipmanların performans-maliyet oranları GPS uyduları Haberleşme teknolojileri ve akıllı telefonlar 2000’li yıllara gelindiğinde ise: FPGA, DSP ve ADC gibi elektronik ekipmanların performansları önemli ölçüde artarken maliyetleri düşmüştür. GPS uyduları ve bu uyduların günlük hayattaki kullanımı ciddi oranda artmıştır. Haberleşme teknolojilerinin gelişmesi ve akıllı telefonların kullanımının yaygınlaşması ile SDR uygulamaları oldukça yaygın bir kullanım oranına ulaşmıştır.

Baz istasyonları kurulumu Fikir Olarak SDR Baz istasyonları kurulumu RF Veri Bağları Daha fazla veri transferine olanak sağlayan baz istasyonları günümüzün önemli problemlerinden biridir. Bu bağlamda haberleşme teknolojilerindeki her bir gelişme yeni baz istasyonları kurulumunu beraberinde getirmektedir. Ayrıca yaygınlaşan baz istasyonlarında düşük güç ve maliyet ile daha fazla alanı kapsama ihtiyacı artarak devam edecektir. Tüm bunların yanı sıra RF veri bağları ve uydular üzerinden kontrol edilen İnsansız Hava Araçlarının askeri ve sivil gözetleme alanındaki kullanımı artmış, ülke güvenliğinde gün geçtikçe artan bir öneme sahip olmaktadırlar. Tüm bu gelişmelerin beraberinde Yazılım Tabanlı Radyo uygulamaları ile ilgili standartlar tanımlanmış ve gerekli alt yapı hazırlanmıştır.

Mobil Haberleşme SDR Kullanım Alanları Günümüzde SDR uygulamaları Mobil haberleşmede özellikle de askeri ve sivil haberleşme sistemlerinde kullanılmaktadır. Cep telefonları 1980'lerin başında yayılmaya başladığı günden beri hücresel ağlarda pek çok gelişme yaşanmıştır. 1990'larda, GSM ve CDMA gibi sistemler kullanılarak daha geniş bant genişliğine ulaşılmış ve Ikinci nesil(2G) başarısı olarak adlandırılmıştır. 2G sistemleri konuşma ve düşük bit hızı veriler taşımak için tasarlanmış  iken, günümüzde 3G sistemleri ile daha yüksek veri hızında hizmet kullanmaktayız. Gün geçtikçe gelişen kablosuz haberleşme standartlarının mobil/veri hızı gereksinimleri şekilde gösterilmektedir. 1980’lerde haberleşmede sadece ses bilgisi iletilirken daha sonra kısa mesaj, WAP, internet servisleri kullanıcılara sunuldu. Günümüz teknolojisi ise görüntülü konuşmalara olanak sağlanmaktadır. Her ne kadar kullanılan mobil iletişim cihazları her geçen gün değişse de servis sağlayıcılarında da (örneğin baz istasyonları) aynı oranda değişimi beraberinde getirmektedir. Bu değişimler her zaman donanım kaynaklı çözümlerle gerçekleştirilmiş olsaydı haberleşme şirketlerine oldukça yüklü bir maliyet getirirlerdi. Haberleşme teknolojilerinde yaşadığımız bu hızlı gelişmeler ile yeniden programlanabilen haberleşme birimleri teknolojisi donanım değişikliği maliyeti ortadan kaldırılırken bakım onarım maliyetlerini en aza indirmektedir. Bu nedenle bir yandan da geleceğin teknolojisi olmayı da garantilemiş bulunmaktadır. Kablosuz haberleşme standartlarının veri hızı gereksinimleri (Baseband Analog Circuits for Software Defined Radio, Viti Giannini)

Askeri Haberleşme Sistemleri SDR Kullanım Alanları Askeri Haberleşme Sistemleri HF (2-30 MHz) Telsiz Haberleşme Sistemleri V/UHF (30-512 MHz) Telsiz Haberleşme Sistemleri SATCOM Uydu Haberleşme Sistemleri Radar Cihazları RF Veri Bağları Yazılım Tabanlı Telsiz (Software Defined Radio-SDR) ailesi, HF (2-30 MHz) ve V/UHF (30-512 MHz) bantlarında kara, deniz ve hava platformlarındaki taktik ve stratejik telsiz haberleşme ihtiyaçlarının karşılanması maksadıyla geliştirilmektedir. Telsizlerin yazılım tabanlı mimarisi, değişik dalga şekilleri ve elektronik koruma tedbirlerinin desteklenmesine olanak sağlamaktadır. Telsiz spektrumun incelenmesi ve işaretlerin analiz edilerek bilgi elde edilmesi, hem sivil hem de askeri uygulamalarda büyük önem taşımaktadır. Haberleşme istihbaratı, elektronik istihbarat, istem dışı telsiz vericileri ve benzeri değişik kaynaklardan veri toplanması ve analiz edilmesi, özel ihtiyaçlara göre kolay ve hızlı bir şekilde yapılandırılabilen “Yazılım Tabanlı Radyo” teknolojisine dayalı modüler sistemlerle kolayca gerçekleştirilebilmektedir.

Yazılım Tabanlı Radyo Uygulamaları Genel Özellikleri Yüksek ve öncelikli teknoloji Teknolojik bağımsızlık Dijital haberleşme deneyimi Etkin ve ucuz bakım-onarım Tek bir donanımda birçok ürün Ülkemizde ve dünyada haberleşme teknolojileri uygulamalarının gelişmesiyle ayarlanabilir alıcı-verici birimleri geliştirilmesi yüksek ve öncelikli teknoloji olarak sınıflandırılmaktadır. Platformdan bağımsız bir şekilde çalışan yazılım tabanlı radyo pek çok sektörde uygulama alanı bulabilecek ve teknolojik açıdan ülkemizin dışa bağımlılığının azalmasında önemli rol oynayacaktır. Dijital haberleşme alanında deneyim sahibi olunacaktır. SDR ile geliştirilecek sistemlerde özgün ve yerli yazılımlar kullanılacak, etkin ve ucuz bakım-onarım hedeflenerek proje maliyetlerindeki riskler azaltılacaktır. Donanım tabanlı veri birimlerinin aksine yazılım tabanlı radyo uygulamalarında farklı arayüz ve protokoller kolaylıkla entegre edilebilmekte ve yazılım değişikliği ile farklı ürün destekleri sunulabilmektedir.

Yazılım Tabanlı Radyo Uygulamaları Teknik Özellikleri Farklı platformlarda çalışma desteği Genişleyebilir ve değiştirilebilir modüler mimari Yeni haberleşme algoritmalarının test edilmesi Çoklu standart ve çoklu bant desteği Yazılım tabanlı olması özelliği ile farklı platformlarda çalışma desteği sağlamaktadır. Genişleyebilir ve değiştirilebilir modüler mimariye sahiptir. Yeni haberleşme algoritmalarının test edilmesine olanak sağlamaktadır. Çoklu standart ve çoklu bant cihazların geliştirilmesinde ucuz ve etkili çözüm temin etmektedir.

Yazılım Tabanlı Radyo Uygulamaları Geleneksel ve yazılım tabanlı radyo uygulamaları karşılaştırıldığında SDR geliştirme sürecinin ve maliyetlerin yaklaşık %90 oranında azaldığı görülmüştür.

Günümüz Teknolojisi ve Yazılım Tabanlı Radyo Konfigurasyonu değiştirilebilir donanım ve yazılım teknolojileri : FPGA DSP GPP Yazılım Tabanlı Radyo (SDR) kablosuz haberleşme yapmak üzere düşünülmüş ve konfigurasyonu değiştirilebilir bir donanım ve yazılım teknolojileri koleksiyonudur. Bu cihazlar alan programlanabilir kapı dizileri (FPGA), dijital sinyal işlemci (DSP) ve genel amaçlı işlemci (GPP) olarak sınıflandırılabilirler. Bu teknolojilerin kullanımı yeni donanım gerektirmeden mevcut telsiz sistemlerine eklenerek yeni kablosuz özellikleri sağlar.

Günümüz Teknolojisi ve Yazılım Tabanlı Radyo FPGA 400 MHz ve üzeri çalışma frekansı 1,000,000’dan fazla mantık elemanı Haberleşme arayüzleri (USB, PCI, Ethernet vb.) Tekrar programlanabilir sayısal devre tasarımı Mantıksal devrelere göre oldukça esnek ve yüksek başarımlı Zamanlamaya bağlı sistem benzetimi(simulasyon) Model tabanlı tasarım FPGA’ ler alan programlanabilir kapı dizileri olarak ifade edilebilirler. 400 MHz’in üzerinde çalışma frekansları ve 1 milyondan fazla mantık elemanı ve haberleşme arayüzleri desteği ile SDR kullanımında ön plana çıkmaktadırlar. Tekrar programlanabilir sayısal devre tasarımında kullanılan FPGA’ler mantıksal devrelere göre oldukça esnek ve yüksek başarımlı olmalarının yanı sıra zamanlamaya bağlı sistem benzetimine ve model tabanlı tasarıma olanak sağlamaktadır.

Günümüz Teknolojisi ve Yazılım Tabanlı Radyo DSP Hızlı Sinyal işleme Dijital filtreler Matematiksel hesaplamalar Geniş komut setleri Gerçek zamanlı veri analizi C ve ya C++ ile programlanabilme Sayısal Sinyal İşlemcileri ise hızlı sinyal işleme özellikleri ile ön plana çıkarak SDR uygulamalarında sayısal filtre geliştirilmesine ve matematiksel hesaplamalarda kullanılmaktadırlar. Geniş komut setlerine sahip olmaları ve C ya da C++ gibi yaygın programlama dilleri ile programlanmaları gerçek zamanlı veri analizi yapmaları pratik yönlerinden sadece bazılarıdır.

Günümüz Teknolojisi ve Yazılım Tabanlı Radyo GPP Gerçek zamanlı işletim Sistemi(RTOS) Standartlarla uyumluluk Kullanıcı arayüzü Veri arayüzü Kontrol arayüzü Genel maksatlı işlemciler ise SDR uygulamalarında standartlara uyumluluk sağlayarak ve gerçek zamanlı işletim sistemi kullanarak kullanıcı arayüzü, veri arayüzü ve kontrol arayüzü olarak kullanılmaktadırlar.

Gelecekte SDR Teknolojileri Adaptive Radio Cognitive Radio Intelligent Radio Adaptif radyo Bilişsel radyo Akıllı radyo SDR, diğer yeniden yapılandırılabilir radyo cihazlarının çeşitliliği için bir anahtar rolu oynamaktadır. Bu bağlamda gelecek SDR teknolojisi olarak tartışılan 3 çeşit radyo yaklaşımı vardır: Adaptif Radyo: Haberleşme sistemleri için bir araç olan kendi performansının izlenmesi ve kendi işletim parametrelerini değiştirerek performansını arttırmaya yönelik çalışır. Adaptif radyo sistemi kullanımı teknolojik özgürlük, yüksek performans seviyeleri ile daha iyi bir iletişim hattı sağlamaktadır. Bilişsel Radyo: Radyo olduğu kadar çevresindeki iletişim sistemlerinin farkında olarak önceden tanımlanmış hedeflere doğru RF yayını yapar.  Akıllı Radyo: Makine öğrenme yeteneğine sahiptir bilişsel radyodur. Bilişsel performansı ve çevreye değişiklikler için adapte yollarını iyileştirmesi ile radyo daha iyi bir son kullanıcı ihtiyaçlarına hizmet etmektedir.

Merkez frekansı işleme: SDR Mimarisi RF sinyal dönüşümü Taşıyıcı frekansı Kanal bant genişliği Merkez frekansı işleme: DUC(Digital Up Converter) DDC(Digital Down Converter) Bir radyo devresinde, anten ve IF sinyal işleme alanları arasında kalan donanım RF front-end (ön uç) devresi olarak adlandırılır. Bu kısımda anten tarafından alınan geniş bant sinyaller sayısal sinyallere dönüştürülerek taşıyıcı frekansı ve kanal bant genişliği şeklinde ifade edilir. Sayısal merkez frekansı işleme işlemleri DUC ve DDC birimlerinde gerçekleştirilmektedir.

SDR Mimarisi Ana Bant İşleme: Modulasyon Kanal kodlama Sembol kodlama İleri Hata Kontrolü Kiplenim Kanal Kodlama Sembol Kodlama İleri Hata Kontrolü İleri Hata Çözme Sembol Çözme Kanal Çözme Çözüm Modulasyon, Kanal Kodlama, Sembol Kodlama ve ileri Hata Kontrolü gibi yazılım tabanlı haberleşme blokları ana bant işleme kısmında yer alır.

Savronik’te SDR Uygulamaları Burada görmekte olduğumuz yapıda ise İnsansız Hava Araçlarında veri iletim hattı özetlenmektedir. Veri iletim hattı RF veri bağından oluşmakta ve kontrol ve kumanda verileri ayrıca uzak terminal görüntüleri bir çeşit Yazılım Tabanlı Radyo üzerinden iletilmektedir. Bu sistemde yazılım tabanlı radyonun anlık yapılandırma değişikliğinden yararlanarak farklı bantlarda ve farklı modlarda veri transferi sağlanmaktadır. Sistemde bulunan SDR ile çalışma anında alıcı-verici frekansları,data bit rate yani veri iletim hızı ve alıcı-verici güçleri hava ve yer terminallerinde karşılıklı olarak değiştirilebilmektedir. Bu sayede L bant, Ku bant ve C bant gibi farklı frekanslarda yayın yapılırken, uplink ve downlink’te farklı veri hızlarında bilgi aktarımı gerçekleştirilmektedir.

Savronik’te SDR Uygulamaları Veri iletim hattı RF veri bağından oluşmakta ve kontrol ve kumanda verileri bir çeşit Yazılım Tabanlı Radyo üzerinden iletilmektedir. Yer Kontrol İstasyonundan alınan kontrol ve kumanda verileri Yer Veri Terminali aracılığı ile İnsansız Hava Aracındaki Hava Veri Terminaline iletilmektedir. Benzer şekilde İnsansız Hava Aracından alınan görüntü ve telemetri verileri Yer Veri Terminaline iletilerek gerçek zamanlı veri iletimi sağlanmaktadır. Bu sistemde yazılım tabanlı radyonun anlık yapılandırma değişikliğinden yararlanarak çalışma sırasında farklı bir bantta ve farklı bir frekansta veri transferi gerçekleştirilebilmektedir.

Savronik’te SDR Uygulamaları Burada görmekte olduğumuz sistemde ise İnsansız Hava Araçlarından alınan görüntüler Uydu Yer Terminaline iletilmekte oradan da uydu üzerinden başka bir Uydu Yer Terminaline transfer edilmektedir. Böylece sistem elde edilen görüntüler görüş alanı sınırlandırması olmaksızın istenilen birimlere iletilip izlenme imkanı sağlamaktadır.

Kaynaklar SDR Forum (http://www.wirelessinnovation.org/ ) Communication Systems(S. Haykin) Digital Communication(B. Sklar) RF and Baseband Techniques for Software Defined Radio(P. Kenington) Baseband Analog Circuits for Software Defined Radio(V. Giannini) Open Source Software Defined Radio (http://ossie.wireless.vt.edu/) Genesis Radio (http://www.genesisradio.com.au/)

TEŞEKKÜRLER Özge ÖZDEMİR Gömülü ve Sistem Yazılım Birim Ürün Hatları Savunma ve Ürün Grubu E-mail : ozge.ozdemir@savronik.com.tr Tel: +90 (222) 236 15 90