مقایسه نمونه بردار های مخابراتی و صنعتی

Software defined radio (SDR)نمونه بردار های مخابراتی

(SDR) یک سیستم ارتباطی رادیویی است که در آن قطعاتی که به طور سنتی در سخت افزار اجرا می شوند (مانند میکسرها، فیلترها، تقویت کننده ها، مدولاتورها / دموودالورها، آشکارسازها و غیره) به جای نرم افزار بر روی یک رایانه شخصی  اجرا میشوند.

یک سیستم SDR پایه ممکن است شامل یک رایانه شخصی با کارت صدا یا دیگری مبدل آنالوگ به دیجیتال باشد . مقادیر قابل توجهی از پردازش سیگنال، به جای اینکه در سخت افزار خاص (مدارهای الکترونیکی) انجام شود، به پردازشگر عمومی متصل می شود. چنین طراحی یک رادیو تولید می کند که می تواند پروتکل های مختلف رادیویی مختلفی (گاهی اوقات به عنوان شکل موج ها) دریافت و ارسال کند که صرفا بر اساس نرم افزار مورد استفاده است.

مفهوم دقیق SDR

یک سیستم ارتباطی مبتنی بر سختافزاری مبتنی بر RF که می تواند از طریق نرم افزار به گونه ای اصلاح شود، یک SDR نیست.

SDR یک مفهوم است که با استفاده از نرم افزار (یا سیستم عامل) برای انجام وظایف پردازش سیگنال که معمولا توسط سخت افزار انجام می شود، ارتباطات RF به دست می آید. یک SDR (همانطور که در دستگاه خود) یک سیستم ارتباطی RF است که مقدار قابل توجهی از این قابلیت پردازش سیگنال مبتنی بر نرم افزار را شامل می شود.

SDR ها  برای سرویس های نظامی و تلفن همراه بسیار مفید هستند، که هر کدام از آنها باید در زمان واقعی در حال تغییر پرونده های رادیویی باشند.

برخی از جزئیات

یک SDR لازم نیست یک سیستم ارتباطی دیجیتال باشد.

این ممکن است به نظر برسد، اما یک مدار دیجیتال (در واقع مخلوط سیگنال) بسیار پیچیده می تواند برای پیاده سازی ارتباطات RF کاملا آنالوگ مانند انتقال سیگنال های صوتی آنالوگ استفاده شود.

یک SDR مجبور نیست هر دو قابلیت ارسال و دریافت را فراهم کند.

ممکن است فقط فرستنده یا گیرنده باشد.

اگر بتواند هر دو را انتقال و دریافت کند، ممکن است مسیر Rx را در نرم افزار و مسیر Tx در سخت افزار اجرا کند.

هیچ دلیلی برای استفاده از نرم افزار برای همه چیز وجود ندارد.

حداقل الزامات

رادیوها، مانند هر سیستم الکترونیکی دیگر، می توانند درجه های مختلفی از قابلیت های مبتنی بر نرم افزار را در خود جای دهند.

SDR  باید مسئولیت کارهای پردازش سیگنال RF که به طور سنتی توسط سخت افزار انجام می شود بر عهده گیرد . این موارد عبارتند از:

برای مسیر انتقال:

• ایجاد یک شکل موج پایه
• تولید فرکانس IF (فرکانس متوسط)
• تولید یک شکل موج RF

برای مسیر دریافت:

• نمونه برداری و تخلیه سیگنال RF دریافت شده یا سیگنال IF
• نمونه برداری و رمزگشایی سیگنال  باند (این فقط در ارتباط با داده ها کاربرد دارد)

فرضیه های طراحان رادیو های دیگر

یک SDR می تواند به اندازه کافی انعطاف پذیر باشد تا از فرضیه های طراحان انواع رادیوهای قبلی جلوگیری شود، از جمله:

1- طیف اسپرد و تکنیک های ultrawideband اجازه می دهد تا فرستنده های چندگانه در همان مکان در یک فرکانس مشابه با تداخل بسیار کمی انتقال دهند. به طور معمول همراه با یک یا چند روش تشخیص خطا و اصلاح برای رفع تمام خطاهای ناشی از این تداخل ترکیب میشوند.

2- (آنتن های تعریف شده توسط نرم افزار) به صورت انطباقی بر روی یک سیگنال جهتدار قفل می شوند، به طوری که گیرنده ها می توانند بهتر از سایر جهات، تداخل را رد کنند، به این ترتیب می توان آن را برای شناسایی انتقال های ضعیف تر مورد استفاده قرار داد.

چند مورد دیگر

3- تکنیک های رادیویی شناختی: هر رادیو طیف را در هنگام استفاده اندازه گیری می کند و این اطلاعات را به دیگر رادیوهای همکار می دهد، به طوری که فرستنده ها می توانند با انتخاب فرکانس های استفاده نشده از دخالت متقابل جلوگیری کنند. به طور متداول، هر رادیو به یک پایگاه اطلاعات جغرافیایی متصل می شود تا اطلاعات مربوط به اشغال طیف را در محل خود بدست آورد و  فرکانس کار خود را تنظیم و  یا قدرت را انتقال دهد تا باعث ایجاد اختلال در سایر خدمات بی سیم شود.

4- تنظیم قدرت فرستنده پویا بر مبنای اطلاعاتی که از گیرنده ها دریافت می شود، کاهش توان انتقال به حداقل لازم، کاهش مشکل کمترین فاصله و کاهش تداخل به دیگران و افزایش عمر باتری در تجهیزات پرتابل است.

5- (شبکه بی سیم مش) که در آن هر رادیو اضافه شده ظرفیت کل را افزایش می دهد و قدرت مورد نیاز در هر گره را کاهش می دهد. هر گره تنها با استفاده از قدرت کافی مورد نیاز برای پیام، به گره های نزدیک در آن مسیر حرکت می کند، مشکل کمترین فاصله و کاهش تداخل را به دیگران منتقل می کند.

اصول عملکرد

مفهوم ایده آل

طرح گیرنده ایده آل برای اتصال یک مبدل آنالوگ به دیجیتال به یک آنتن است.

یک پردازنده سیگنال دیجیتال مبدل را می خواند.

سپس نرم افزار آن جریان داده ها را از مبدل به هر شکل دیگری تبدیل می کند.

یک پردازنده سیگنال دیجیتال یک جریان اعداد را تولید می کند.

این می تواند به یک مبدل دیجیتال به آنالوگ متصل به یک آنتن رادیویی ارسال شود.

طرح ایده آل به علت محدودیت های فعلی تکنولوژی به طور کامل قابل اجرا نیست.

مشکل اصلی در هر دو جهت مشکل انتقال بین دامنه های دیجیتال و آنالوگ با نرخ کافی بالا و دقت بالا در یک زمان و بدون تکیه بر فرآیندهای فیزیکی مانند تداخل و تشدید الکترومغناطیسی برای کمک است.

معماری گیرنده

اکثر گیرنده ها از یک نوسانگر فرکانس متغیر، مخلوط کننده و فیلتر استفاده می کنند تا سیگنال دلخواه را به فرکانس مشترک یا باند فرکانسی مشترک تنظیم کنند، جایی که بعد از آن توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال نمونه برداری می شود. با این حال، در بعضی از برنامه ها لازم نیست که سیگنال را به فرکانس متوسط ​​بچرخانید و سیگنال فرکانس رادیویی توسط مبدل آنالوگ به دیجیتال (پس از تقویت) مستقیما نمونه برداری می شود.

مبدل های آنالوگ به دیجیتال فاقد محدوده دینامیکی هستند تا سیگنال های رادیویی زیر میکروولت، نانویات قدرت را انتخاب کنند. بنابراین، تقویت کننده کم نویز باید قبل از مرحله تبدیل باشد و این دستگاه مشکلات خود را معرفی می کند. به عنوان مثال، اگر سیگنال های جعلی وجود داشته باشد (که معمول است)، این ها با سیگنال های مورد نظر در محدوده دینامیکی تقویت کننده رقابت می کنند. آنها ممکن است اعوجاج در سیگنال های مورد نظر را نشان دهند یا به طور کامل آنها را مسدود کند. راه حل استاندارد این است که فیلترهای باند عبور را بین آنتن و تقویت کننده قرار دهیم، اما این انعطاف پذیری رادیویی را کاهش می دهد. رادیوهای نرم افزار واقعی دارای دو یا سه فیلتر کانال آنالوگ با پهنای باند متفاوت هستند که در داخل و خارج قرار می گیرند.

مزایا و معایب

1- به نظر می رسد که بیشتر سیستم های ارتباطی RF هنوز در سخت افزار اجرا می شوند و این خیلی تعجب آور نیست SDR به طور کلی نیازمند توسعه نرم افزاری و طراحی پیچیده PCB است. علاوه بر این، اجزای اصلی سازنده داده ها و یک پردازنده محکم، دقیقا ارزان نیستند.

2- SDR ها وسیله ای برای دقت تجزیه و تحلیل سیگنال های RF و آزمایش تکنیک های مدولاسیون و رمزگشایی هستند.

آنها همچنین سیستم های ارتباطی سفارشی RF را برای کسانی که تجربه محدودی با طراحی RF دارند، قابل دسترس تر می سازند.

3- مزیت عملی تر SDR ها انعطاف پذیری است. اگر بخش قابل توجهی از یک سیستم RF توسط نرم افزار اداره شود، به این معنی است که بخش قابل توجهی از عملکرد سیستم را می توان با دانلود یک فایل برنامه جدید، تصحیح، اصلاح و یا حتی اصلاح کرد. در حقیقت، اصلاحات و اصلاحات حتی می تواند در نرم افزار موجود گنجانده شود که درب را برای ارتباطات RF بسیار تطبیقی ​​باز می کند – یک سیستم می تواند برای پاسخ دادن به یک رویداد یا یک شرایط طولانی با تغییر دادن خودکار طرح مدولاسیون یا الگوریتم رمزگشایی طراحی شود.

4- از لحاظ هزینه و سادگی، SDR ها نمی توانند با راه حل های مبتنی بر سخت افزار های  تک چیپ رقابت کنند.

نمونه بردار های صنعتی ( Industrial Data acquisition )

در ابتدا به تعریف Data acquisition میپردازیم. سپس به نمونه بردار های صنعتی اشاره

میکنیم.

Data acquisition

Dta acquisition، فرایند سیگنال های نمونه برداری است که شرایط فیزیکی دنیای واقعی را محاسبه می کنند و نمونه های حاصل را به مقادیر عددی دیجیتالی تبدیل می کنند که می توانند توسط یک کامپیوتر کنترل شوند. DAQ ها معمولا شکل موج های آنالوگ را به مقادیر دیجیتالی برای پردازش تبدیل می کنند. اجزاء سیستم های اکتساب داده عبارتند از:

1- سنسورهایی که پارامترهای فیزیکی را به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میکنند.

2- سیگنال تهویه برای تبدیل سیگنال های حسگر به یک فرم است که می تواند به مقادیر دیجیتال تبدیل شود.

3- مبدل های آنالوگ به دیجیتال، که سیگنال های سنسور متعادل را به مقادیر دیجیتال تبدیل می کنند.

منابع و سیستم ها

DAQ با پدیده فیزیکی یا ویژگی های فیزیکی اندازه گیری می شود. نمونه هایی از این شامل دما، شدت نور، فشار گاز، جریان مایع و نیرو است. صرف نظر از نوع دارایی فیزیکی ، وضعیت فیزیکی که باید اندازه گیری شود، ابتدا باید به صورت یکپارچه تبدیل شود که می تواند با استفاده از یک DAQ نمونه برداری شود. وظیفه انجام چنین تحولاتی بر دستگاههایی است که سنسورها نامیده می شوند. DAQ  ها مجموعه ای از نرم افزار و سخت افزار است که به شما امکان اندازه گیری و کنترل ویژگی های فیزیکی چیزی در دنیای واقعی را می دهد. یک سیستم کامل جمع آوری داده ها شامل سخت افزار DAQ، سنسورها و سنسورها، سخت افزار تهویه سیگنال و یک کامپیوتر با نرم افزار DAQ است.

Industrial DAQ System

سیستم های DAQ ی صنعتی  با قابلیت انعطاف پذیر I / O برای برنامه های کاربردی از قبیل:

• کنترل فرآیند
• نظارت بر تجهیزات
• ایستگاه های آزمایش و کنترل کیفیت

کاربرد دارند.

با استفاده از مجموعه ای از مدل های تولید کنندگان از جمله Brainchild، Delphin، ADwin، DataTaker و Novus، این سیستم های تولید داده های صنعتی قادر به مقیاس از چند کانال به صدها کانال ورودی می باشند. همچنین واحدهای مختلف می توانند طیف گسترده ای از نرخ نمونه را در نظر بگیرند. اکثر مدل ها انعطاف پذیری را برای ترکیب و مطابقت I / O ارائه می کنند تا نیازهای خاص برنامه را برآورده کنند

و از طریق LAN، USB یا WiFi به راحتی اتصال به کامپیوتر برقرار کنند.

چندین توانایی ارتباط با باس های ارتباطی صنعتی مشترک: CAN، Profibus، Fieldbus و Modbus دارند.

همچنین در مدل های جمع و جور با رینگ DIN برای نصب آسان در یک اتاق کنترل در دسترس هستند.

انتخاب DAQ مناسب

هنگام انتخاب یک سیستم DAQ صنعتی باید به موارد زیر توجه داشت:

چه تعداد و چه نوع ورودی مورد نیاز است؟

چه مقدار نمونه مورد نیاز برای ضبط اطلاعات مورد علاقه؟

آیا خروجی های کنترل مورد نیاز است؟

آیا یک صفحه نمایش محلی مورد نیاز است؟

آیا داده ها باید به سایر تجهیزات یا نرم افزار تغذیه شوند؟

موارد مورد نیاز DAQ های صنعتی

1- ورودی های حفاظت شده از سنسورهای شکسته یا خطاهای سیم کشی

2-به حداقل رساندن تعامل با کانال به کانال، به زمین، با انزوا

3- استفاده از محافظ فلزی در محفظه و کابل کشی

4- از اجزای سریع و دقیق استفاده کنید 16 بیت 100 کیلوهرتز A / D و D / A

5- فیلترهای ورودی آنالوگ را برای کاهش نویز، جلوگیری از آلیاژینگ، در نظر بگیرید

6- فروشنده را انتخاب کنید که دارای گزینه های I / O در دسترس است

7- اطمینان حاصل کنید که دستگاه طراحی شده است تا از -40C تا + 85C عمل کند

8- گواهینامه های مربوط به آژانس مانند UL، CSA، FM، CE

9- پورت های ارتباطی باید همانند I / O محافظت شوند

10- نرم افزار “keoo it sample” و رایگان با نمونه های C ++، ویژوال بیسیک

در ادامه به چند نمونه بردار صنعتی شرکت اینتلیکو و مشخصات آن ها اشاره میکنیم:

DAQ INT 2724H

ماژول INT2724H یک DAQ جمع آوری داده 16 کاناله با رزولوشن 16 بیت می باشدکه با دو عدد SAR ADC از 16 کانال با سرعت مجموعا  2MS/s نمونه برداری انجام می دهد. رنج ولتاژ ورودی 5-  تا 5+ ولت یا  5/2-  تا 5/2+ ولت یا  10-  تا 10+ ولت می باشد. کانال های ورودی مجهز به تقویت کننده هایی با پهنای باند بالا و با نویز وولتاژ دریفت بسیار کم می باشند. نمونه های هر 16 کانال بصورت زمان واقعی (Real-time) از طریق پورت USB2.0 HS به رایانه منتقل می گردند.

کاربرد نمونه بردار 16 ورودی:

• مانیتورینگ سیستم های قدرت
• رله های حفاظتی
• کنتر موتورهای چندفاز
• نمونه برداری از انواع سنسورها

نمونه بردار 2 کانال پر سرعت 24 بیتی با دقت بالا مناسب ابزار دقیق و سنسور های حساس INT2224E

دیتالاگر ( نمونه بردار )  INT2224E یک ماژول جمع آوری داده دو کاناله با رزولوشن 24 بیت می باشد.

این نمونه بردار بصورت همزمان (سنکرون) از هر دو کانال با سرعت 625kS/s نمونه برداری انجام می دهد.

این محصول مناسب انواع ابزاردقیق و مانیتورینگ سنسور است  که به سرعت نمونه برداری ( sample rate ) بالا و دقت ( precision ) بالا احتیاج دارند است .

رنج ولتاژ ورودی متغیر می باشد.

چرا این دیتالاگر  از بهترین گزینه های ابزاردقیق و مانیتورینگ  سنسور های مختلف می باشد ؟

این   DAQ به دلیل سرعت بسیار بالای نمونه برداری می تواند در سنسور های مختلف کوچکترین تغییرات را که از عوامل مختلف اغتشاش و نویز وارد سیستم کنترلی یا مانیتورینگ می شود را تشخیص دهد.

از عوامل دیگر مناسب در این DAQ می توان به 24 بیتی بودن آن اشاره کرد. یعنی هر بازه ورودی که مشتری بخواهد را به 2 به توان 24 یعنی بیش از ۱۶ میلیون بخش تقسیم می کند برای مثال بازه ی 10- تا 10 ولت را به 24^2 قسمت تقسیم می کند و می تواند آن سیگنال سنسور را به صورت آنی و انلاین به محیط LabVIEW  BN MATLAB منتقل کند و در آن محیط به وسیله الگوریتم های مختلف پردازش شود. رنج دینامیکی این نمونه بردار بیش از 90dB می باشد.