Lær de grundlæggende elementer i softwaredefineret radio

Fra militæret og luft- og rumfart til hobbyfolk - SDR (software-defined radio) lover, at brugerne med ét stykke hardware kan opsamle, demodulere og få adgang til RF-signaler på tværs af et bredt spektrum af radiofrekvenser. Hvor bredt et område der er afhænger af hardwarens RF-front-end, mens antallet og typerne af signaler, der kan tilgås, afhænger af softwaren og den underliggende behandlingskapacitet. Begge dele er en funktion af applikationskravene og de tilhørende omkostnings- og effektbudgetter. For militær- og luftfartsindustrien kan omkostningerne løbe op i titusindvis af tusinder. For kortbølgelyttere, radioamatører og gør-det-selv-folk har brug for en enkel og billig måde at få adgang til radiobølger på ved hjælp af lettilgængelige stationære computere eller bærbare pc'er.

Efter en kort introduktion til SDR introducerer denne artikel et billigt USB-baseret SDR-modul fra Adafruit Industries, der kan modtage og demodulere en lang række signaler, fra simpel kontinuerlig bølge (CW) Morsekode til de mest komplekse digitale modulationsformer. Den vil vise, hvordan brugere kan bruge modulet og den tilhørende software til at tilføje radiomodtagelse, radiofrekvensspektrum og spektrogramanalyse til computere.

Hvad er SDR?

SDR anvender digitale teknikker til at erstatte traditionel radio-hardware som mixere, modulatorer, demodulatorer og lignende analoge kredsløb. Ved at digitalisere radiosignalerne direkte ved hjælp af en passende analog-til-digital-konverter (ADC) kan en SDR implementere alle disse funktioner i software, således at den samme hardware anvendes til flere radiomodus, hvad enten det er AM, FM, CW, single sideband (SSB) eller double sideband (DSB). Resultatet er en ekstremt fleksibel radio, der hurtigt kan omkonfigureres til at håndtere forskellige signaleringsteknologier (Figur 1).

Figur 1: Sammenligning af en traditionel analog modtager (øverst) og en SDR-baseret modtager (nederst). Alle funktioner i SDR-modtageren efter ADC'en er implementeret ved hjælp af programmerbare digitale kredsløb, hvilket giver mulighed for programmerbare ændringer og opdateringer. (Billedkilde: DigiKey)

Traditionelle radioer som superheterodynmodtageren (figur 1, øverst) er hardwarebaserede og implementeret med analoge komponenter. SDR-modtageren bruger en RF-tuner til at nedkonvertere det pågældende frekvensbånd til en mellemfrekvens (IF) inden for ADC'ens område. Fra det tidspunkt er alle kredsløb digitale. Den digitale nedkonverter oversætter signalfrekvensen til basisbånd og udfører en lavpasfiltreringsfunktion. Den digitale signalprocessor (DSP) udfører demodulering, afkodning og beslægtede opgaver. Disse kredsløb er generelt baseret på applikationsspecifikke IC'er (ASIC'er), FPGA'er (field-programmable gate arrays) og programmerbare DSP-enheder. Med den rette software giver disse digitale kredsløb en meget fleksibel radio, der kan modtage en lang række forskellige modulationstyper.

Billig SDR-hardware til lave omkostninger

Adafruit Industries 1497 er en billig SDR-modtager, der dækker et frekvensområde fra 24 megahertz (MHz) til 1,85 gigahertz (GHz) og er baseret på en DVB-T-demodulator (DVB-T) med COFDM-demodulator (coded orthogonal frequency-division multiplexing) med en separat tuner-IC.

DVB-konsortiet er en europæisk standardiseringsorganisation for transmission af digitalt jordbaseret tv. Dette system bruger en MPEG-transportstrøm til at overføre komprimeret digital lyd, digital video og andre data ved hjælp af COFDM- eller OFDM-modulation. Disse enheder kan omprogrammeres til andre formål ved programmering og er ideelle til hobbyfolk og gør-det-selv-folk, der ønsker at lytte til og undersøge VHF-, UHF- og lavmikrobølgefrekvensradiosignaler.

Til trods for al den signalbehandlingskraft i Adafruit SDR'en har den en overordentlig lille fysisk størrelse på kun 22,24 mm x 23,1 mm x 9,9 mm (figur 2). Den er forbundet med værtscomputeren via en USB-port, og SDR-software fra standardmodellen udgør brugergrænsefladen på computeren/laptopcomputeren. Producenten anbefaler Airspy's SDR Sharp (SDR#) i deres vejledning til at komme i gang. Installationen af softwaren tager mindre end fem minutter og er veldokumenteret.

Figur 2: 1497 er en billig SDR-modtager, der passer ind i en pakke på størrelse med en fjerdedel og leveres med en ekstra antenne og fjernbetjening. Denne modtager kan indstilles fra 24 MHz til 1,85 GHz og kan forbindes med en værtscomputer via USB. (Billedkilde: Adafruit Industries)

Antennetilslutningen på modtageren sker via et MCX-stik. MCX-stikket på modtageren accepterer det stik, der er monteret på antennekablet, eller den medfølgende antenne kan erstattes med en brugerdefineret antenne.

Hvis brugeren beslutter sig for at udskifte den medfølgende antenne med en anden, kan den tilsluttes med et MCX-stik. Der kan bruges koaksialadaptere til at parre MCX-indgangsstikket på SDR'en med enten SMA- eller BNC-stik, som er mere almindeligt anvendte stik. Amphenol RF tilbyder både et MCX-stik til SMA-stik(242127) og et BNC-stik til MCX-stik(242204), som giver de mest almindelige stikinterfaces.

SDR-understøttelsessoftware

SDR#-softwaren opretter forbindelse til modtageren og leverer brugergrænsefladen og den visuelle visning (Figur 3).

Figur 3: Airspy SDR#-brugergrænsefladen styrer SDR-modtageren fra drop-down-menuerne til venstre. Spektrumanalysatorens visning vises i det øverste gitter, mens spektrumhistorikken vises under den. (Billedkilde: DigiKey)

SDR#-standardbrugergrænsefladen har tre hovedelementer:

• Kolonnen til venstre indeholder kontrolelementer for SDR-enheden. Der er fjorten pull down-menuer, der styrer alle aspekter af SDR-modtageren. De vigtigste betjeningselementer er for radio, lyd og display.
• Det øverste gitter indeholder spektrumanalysatorens visning. Den viser frekvensen på den vandrette akse og signaleffekten lodret på en logaritmisk skala kalibreret i decibel. Spektrumanalysatorer er det primære testværktøj, som RF-ingeniører bruger til at måle og analysere RF-enheder. Den numeriske visning øverst på skærmen viser og styrer spektrumanalysatorens centerfrekvens. Det maksimale frekvensområde, der vises, er modtagerens båndbredde, som er ca. 2 MHz. Der er en horisontal zoom-skyder til højre for displayet. Zoom giver mulighed for en horisontal udvidelse af displayet omkring centerfrekvensen.
• Under spektrumanalysatorens display er der et spektrumhistorikdisplay, der undertiden kaldes et spektrogram, som viser spektrets tidshistorik. Den vandrette akse er frekvens som i spektrumanalysatorens display; den lodrette skala er tid. På figuren er der tidsmarkeringer, der viser dato og klokkeslæt. Den tredje dimension er signalets styrke, som angives ved farven. Standardfarveskalaen går fra sort, som det mindste effektniveau, til rødt som det maksimale effektniveau. Der er en række forskellige stilarter og farvetilknytninger tilgængelige under visningskontrolelementer.

Det signal, der vises i figur 3, er signalet fra en FM-station på 105,1 MHz. Dette er et bredbånds FM-signal med en båndbredde på 200 kilohertz (kHz). Dette er en af de otte demodulatorer, der er tilgængelige i SDR-modtageren. De andre demodulatorer understøtter smalbånds FM, AM, øvre og nedre SSB, DSB, CW og rå in-fase- og kvadratur-signalkomponenter. Valgene findes i radiokontrollerne øverst til venstre i displayet.

Signalspektret består af det analoge signal omkring centerfrekvensen. Her sendes det analoge radioprogram. Uden for dette er der to subbånd, som indeholder andet programmateriale og digital information. Programinformationsindholdet afkodes og vises umiddelbart over spektrumanalysatorens display. Ud over spektrumvisningen er radiostationens lydkomponenter tilgængelige via værtscomputeren til lytning.

Bredbånds FM har en stor båndbredde, fordi det forventes at kunne overføre stereofonisk musik med høj kvalitet. En radiotjeneste som f.eks. den nationale vejrtjeneste sender kun tale og bruger smalbånd FM (figur 4).

Figur 4: Indstilling af en vejrudsendelse fra National Weather Service på 162,471 MHz. Denne station anvender smalbånds-FM. (Billedkilde: DigiKey)

National Weather Service-stationen modtages med en båndbredde på kun 11,2 kHz, fordi programindholdet kun er tale. Igen er lydprogrammaterialet tilgængeligt, ligesom spektrumvisningerne. SDR-modtageren tilføjer alle disse tjenester til værtscomputeren.

Spektrumhistorikken eller spektrogramvisningen er nyttig til at se ændringer i det modtagne signals spektrum over tid. Et simpelt eksempel er et kontinuerligt bølgesignal (CW) i morsekode (figur 5).

Figur 5: Spektrogramvisning af et CW-morsesignal. (Billedkilde: DigiKey)

CW-signaler koder data ved at tænde og slukke for en RF-bærer (on-off keying). På spektrogramdisplayet er de perioder, hvor tasten er nede - og bæreren transmitteres - angivet ved det lyseblågrå spor på displayet. Morsetegnet "V" (di di di di dah), der angiver test, kan ses i signalsporet. Bemærk, at softwaren giver mulighed for at modtage CW-signaler ved at levere en beatfrekvensoscillator (BFO) mærket "CW shift" for at give en brugerstyret lydtone til at høre kodetransmissionen. Da CW-transmissioner er smalbånd, reducerer modtageren båndbredden til 300 hertz (Hz), som det fremgår af pull-down-menuen for radiostyring. Ved at holde modtagerens båndbredde på den mindste værdi, der er nødvendig for den modtagne tilstand, minimeres støjniveauet i kanalen.

Nogle måleapplikationer for en SDR-modtager

I en stadig mere sammenkoblet verden er der mange RF-kilder, der skal kontrolleres og serviceres. Et eksempel er verifikation af opdateringsperioden for et fjernbetjent vejrstationssendemodul (figur 6).

Spektrogrammet viser to RF-bursts ved fjernsenderens 433,93 MHz-bærerfrekvens. Tidsskalaen på spektrogrammet viser, at FM-bursts forekommer med ca. 50 sekunders mellemrum.

Figur 6: Spektrogrammet for en fjernbetjent vejrstationssender på 433,92 MHz, der sender data i bursts. Spektrogrammet opfanger og viser de transmitterede bølger med ca. 50 sekunders mellemrum. (Billedkilde: DigiKey)

RKE-systemer (Remote Keyless Entry) til biler fungerer enten ved 315 eller 433 MHz, afhængigt af hvor køretøjet anvendes og de gældende regler. I dette tilfælde skal brugeren blot holde nøgleringen i nærheden af antennen og trykke på en af knapperne for at se den anvendte modulationstype (figur 7).

Spektret for RKE-nøglehåndtaget viser to to toppe ved ca. 433,9 MHz. Datakodning til denne enhed anvender frekvensforskydning (FSK), hvor bæreren forskydes mellem to frekvenser for at angive et digitalt et eller nul. Andre RKE-fob-fob-funktioner anvender amplitude shift keying (ASK), hvor amplituden af en bæretransmission er forskudt mellem to niveauer, der ikke er for forskellige fra CW-signalet.

Figur 7: Spektret for en fjernbetjent nøglefri adgangsenhed anvender FSK af en 433,9 MHz-bærer til at kode digitale data til at kontrollere adgangen til et køretøj. (Billedkilde: DigiKey)

Konklusion

Adafruit 1497 SDR-modtageren åbner hele verden af VHF-, UHF- og lavmikrobølgefrekvensbånd for både hobbyfolk og professionelle. Det giver brugerne mulighed for at bruge en computer til at indstille FM-, tv-, amatørradio-, borgerbånds-, vejr- og kortbølgeudsendelser. Den kan også bruges som en spektrumanalysator til at verificere driften af en lang række bærbare RF-enheder. 1497 er også blevet brugt til at skabe interferometre til radioastronomi - alt sammen til en lav pris.