Ngày nay, cùng với sự phát triển nhanh chóng của khoa học kỹ thuật, nhu cầu thông tin liên lạc của con người ngày càng trở nên đa dạng, đồng thời nó đòi hỏi các thiết bị vô tuyến vừa phải hiệu quả về mặt kinh tế, vừa phải dễ dàng sử dụng và nhất là
cần đáp ứng yêu cầu hội tụ mạng. Kỹ thuật SDR chính là câu trả lời hoàn hảo nhất cho vấn đề này. Chương này sẽ giới thiệu những vấn đề chung nhất để có được cái nhìn tổng quát về SDR.
3.2.1.1 Định nghĩa SDR
Tổ chức SDR Forum cộng tác với nhóm IEEE P1900.1 đã đưa ra một khái niệm về hệ thống vô tuyến phần mềm (SDR- Software Defined Radio) như sau: “SDR is the radio in which some or all of the physical layer functions are Software Defined”[4] Tạm dịch là: “SDR là một hệ thống vô tuyến mà trong đó một số hoặc tất cả các chức năng lớp vật lý được định nghĩa mềm”
Kĩ thuật SDR mang đến một giải pháp tương đối rẻ và hiệu quả, cho phép hỗ trợ các thiết bị không dây đa mode, đa băng và/hoặc đa chức năng mà có thể được nâng cấp nhờ sử dụng phần mềm.
SDR chứa một tập hợp các kĩ thuật phần cứng và phần mềm trong đó một số hoặc tất cả các chức năng hoạt động của hệ thống vô tuyến được triển khai thông qua các phần mềm/ phần cứng có khả năng điều chỉnh hoạt động trên các kĩ thuật xử lí khả trình. Những thiết bị này bao gồm FPGA (Field Programmable Gate Array), DSP (Digital Signal Processor), GPP (General Purpose Processor), SoC (Progammable System on Chip) hay các bộ xử lí khả trình khác. Việc sử dụng những công nghệ này cho phép các đặc tính wireless mới được thêm vào các hệ thống vô tuyến đang tồn tại mà không cần đòi hỏi phần cứng mới.
3.2.1.2 Lịch sử ra đời
Thuật ngữ SDR được đưa ra năm 1991 bởi Joseph Mitola [5], người đã xuất bản bài báo đầu tiên về chủ đề này năm 1992. Mặc dù vậy, những hệ thống SDR đã được bắt nguồn từ lĩnh vực quốc phòng từ cuối những năm 1970 ở cả Mỹ và châu Âu. Hệ thống vô tuyến phần mềm đầu tiên là một dự án của quân đội Mỹ mang tên SpeakEasy. Mục đích căn bản của dự án này là sử dụng việc xử lí khả trình để mô phỏng hơn 10 hệ thống vô tuyến quân đội đang tồn tại, hoạt động trong các băng tần từ 2 đến 2000MHz. Hơn thế nữa, mục đích thiết kế khác là để có thể kết hợp một cách dễ dàng với các
chuẩn mã hóa và điều chế mới trong tương lai, do đó thông tin liên lạc trong quân đội có thể bắt kịp với các tiến bộ trong các công nghệ mã hóa và điều chế.
Từ cuối những năm 1995, SDR tiếp tục được phát triển thêm sang cả mục đích thương mại và ngày càng phát triển kể cả cho tới hiện nay, đặc biệt là ở Mỹ, Nhật và châu Âu[5].
3.2.1.3 Kiến trúc SDR tổng quát
Sơ đồ kiến trúc tổng quát như sau [7]:
Hình 3.2 Kiến trúc SDR tổng quát
Chúng ta sẽ mô tả các chức năng của đường thu từ trái sang phải. Đường phát cũng tương tự, chỉ khác là theo luồng ngược lại.
- Ănten: có thể là một ănten lưỡng cực đơn giản hay một ănten giàn pha phức tạp. Nó phân phối năng lượng là một trường điện từ cao tần (RF emf) trong hệ thống.
- RF/IF: Là nơi diễn ra quá trình xử lí tín hiệu tương tự cần thiết. Các bộ tiền chọn lọc giới hạn năng lượng đầu vào tới các tần số mong muốn. Các bộ giảm “co-site mitigator” sẽ hồi tiếp các tín hiệu nhiễu nội đã biết được đảo ngược để triệt tiêu chúng. Một bộ dao động nội giảm tín hiệu xuống trung tần. Các thành phần dung kháng và
cảm kháng cần thiết cho trong bước này sẽ làm tăng chi phí, tạo ra tạp âm trong tín hiệu và làm giảm tính linh động của trang thiết bị. Điều này cần được giảm xuống càng nhiều càng tốt.
- Modem: Sự chuyển đổi tương tự-số được thực hiện ở đầu ra hoặc đầu vào của bộ phận RF/IF. Đây là nơi đây bắt đầu quá trình xử lí tín hiệu số để tách tín hiệu mong muốn ra khỏi tín hiệu gốc đã được số hóa. Các tín hiệu không mong muốn sẽ bị loại bỏ và các bit băng cơ sở sẽ được giải điều chế.
- Bộ xử lí liên kết: có chức năng kiểm soát và điều khiển các hoạt động nhằm tăng cường liên kết dựa trên thông tin điều khiển và dữ liệu từ modem. Đây là nơi xử lí các thông số đo cường độ tín hiệu, điều khiển công suất, nhu cầu hay khả năng chuyển giao, nhảy tần, điều khiển ănten và dữ liệu thời gian đến (TOA- Time of Arrival).
- Bảo mật: Nếu hệ thống có thực hiện mã hóa mã mật thì giải mã mật cũng được thực hiện ở đây. Bất kì thông tin nào trong hệ thống cần được bảo vệ vì các mục đích an ninh thì cũng được xử lí trong module này.
- Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn: Phân phối lưu lượng tới phần còn lại của hệ thống. Việc chuyển đổi tốc độ từ một cơ chế mã hóa tiếng nói sang một dạng khác được thực hiện tại khối chức năng này. Vào/ra và xử lí cuộc gọi/tin nhắn cung cấp truy nhập tới các mạng khác và các giao thức khác nhau tùy theo dạng ứng dụng đã được thiết kế cho phiên làm việc cụ thể.
Với quá trình phát, luồng dữ liệu chảy theo chiều ngược lại, từ phải sang trái. Sự khác nhau cơ bản giữa phát và thu là sự xuất hiện các bộ khuếch đại công suất trong bộ phận RF/IF để chạy ănten ở phía phát.
3.2.1.4 Ưu nhược điểm
Ưu điểm vượt trội của hệ thống SDR
- Với những nhà sản xuất thiết bị vô tuyến và những nhà tích hợp hệ thống, SDR cho phép:
+ Một họ các sản phẩm vô tuyến được triển khai sử dụng một kiến trúc nền chung, cho phép các sản phẩm mới được nhanh chóng giới thiệu ra thị trường.
+ Phần mềm nhằm tái sử dụng qua các sản phẩm vô tuyến, giảm đáng kể chi phí phát triển.
+ Việc lập trình lại “Over-the-air” (OTA) cho phép sửa lỗi ngay trong khi một hệ thống vô tuyến đang trong phiên làm việc, do đó giảm thời gian và những chi phí liên quan đến vận hành và bảo dưỡng.
- Với những nhà cung cấp dịch vụ vô tuyến, SDR cho phép:
+ Các khả năng và đặc tính mới được bổ sung vào cơ sở hạ tầng hiện có mà không cần đòi hỏi tiêu tốn lượng vốn lớn mới, cho phép các nhà cung cấp dịch vụ kiểm tra thử gần giống trong tương lai các mạng của họ.
+ Việc sử dụng một nền tảng vô tuyến chung cho nhiều thị trường sẽ giảm một cách đáng kể các chi phí hoạt động và trợ giúp.
+ Tải phần mềm từ xa, thông qua đó tăng dung lượng hệ thống, kích hoạt các bản nâng cấp khả năng hệ thống và chèn thêm vào các đặc tính tạo ra lợi nhuận mới.
- Với những người sử dụng cuối- từ những người kinh doanh có nhu cầu đi lại nhiều tới những người lính trên chiến trường, kĩ thuật SDR hướng tới mục tiêu:
+ Giảm chi phí trong việc cung cấp cho người sử dụng cuối khả năng truy cập tới mạng thông tin không dây rộng khắp, cho phép họ có thể liên lạc với bất cứ ai họ cần, bất kì lúc nào họ muốn và trong bất cứ phương thức nào thích hợp.
Những hạn chế hiện nay khi triển khai giả’i pháp SDR
Thứ nhất, rất khó để triển khai chỉ một anten và một bộ khuếch đại tạp âm thấp để phục vụ một băng thông trải từ hàng trăm MHz đến vài GHz, ví dụ như để phủ sóng các băng của mọi mạng không dây 4G như hình sau:
Hình 3.3 Phổ di động sử dụng ở châu Âu
Với các công nghệ hiện nay thì giải pháp duy nhất là sử dụng rất nhiều phần analog để làm việc trong các băng tần khác nhau. Điều này rõ ràng sẽ làm tăng độ phức tạp trong thiết kế cũng như tăng kích thước của thiết bị đầu cuối.
Thứ hai là hiệu năng của bộ ADC vẫn chưa đủ để biểu diễn trong quá trình số hóa của tất cả các chuẩn wireless hiện có ở tần số vô tuyến. Cụ thể, độ rộng băng tần đầu vào analog, tốc độ lấy mẫu, dải động và do đó cả độ phân giải sẽ cần một lượng đáng kể những cải tiến công nghệ nếu như thiết bị đầu cuối băng rộng và tốc độ lấy mẫu ở RF đều đạt lí tưởng.
Thứ ba là để cho phép việc thực hiện trong thời gian thực các chức năng giao diện radio thực hiện bằng phần mềm như chuyển đổi tần số, lọc số và trải phổ thì cần phải sử dụng các bộ DSP song song. Điều này đồng thời cũng tạo ra những vấn đề như độ phức tạp của mạch cao, tiêu thụ công suất lớn và sự lãng phí.