Hola Habr
Continuando con la serie de artículos sobre radio, tiene sentido hablar sobre los últimos logros en esta área: Radio definida por software. No conozco una traducción adecuada del término al ruso, así que dejémoslo así, y el término SDR ya se ha arraigado en los círculos técnicos y de aficionados.
En los últimos 100 años, la radio ha cambiado tanto que es poco probable que el entonces ingeniero haya entendido cómo funciona.
Todavía tratamos de resolverlo.
La historia
La idea de radio definida por software se basa en dos pilares:
- Transmisión de banda ancha desde una radio a una computadora. El ancho de la banda procesada puede ser de 48KHz (tarjeta de sonido de PC) a 50MHz (ADC ultrarrápido con transmisión de señal a través de Gigabit Ethernet o USB3.0).
- Demodulación de señal: todo lo que hace un receptor de radio "normal" (AM, FM, filtros, etc.) en hardware: en SDR, se realiza en una computadora utilizando algoritmos matemáticos. La radio en sí, por supuesto, todavía es necesaria, pero solo su "mitad" es la parte que realmente recibe la señal de radio.
Como se sugiere en los comentarios, el SDR, en principio, puede funcionar de forma autónoma, sin una PC, si todas las "matemáticas" se hacen correctamente en el dispositivo. Sin embargo, es bastante exótico, por lo que consideraremos a los receptores "ordinarios". Aunque recientemente, se comenzaron a fabricar nuevos modelos de receptores y transceptores con el principio de SDR, que por supuesto es bueno.
Es bastante difícil decir la fecha exacta en que se vendieron los primeros receptores SDR. La idea misma de digitalizar señales de radio con una tarjeta de sonido existió durante mucho tiempo; por ejemplo, RTTY o mensajes de búsqueda fueron decodificados, pero no había algoritmos adecuados para combinar todo esto.
La primera versión de Winrad data de 2007, y se parecía a esto (puede prestar atención a los requisitos del sistema :)
Como puede ver, la interfaz es muy minimalista, pero el programa ya sabía cómo reproducir AM, FM, USB y LSB, y mostrar el espectro de la señal. En comparación con el ancho de banda de la salida de auriculares habitual de cualquier receptor, fue ... bueno, casi un gran avance. Por supuesto, en el prof. Las consolas panorámicas existían en los sistemas antes, pero era prácticamente inaccesible para los simples mortales, y todos tienen una tarjeta de sonido en una PC.
Una solución de presupuesto típica para los entusiastas de la radioafición eran los receptores Softrock: receptores de banda única, contenido de cuarzo conmutable, un mezclador y salida de tarjeta de sonido.
Por supuesto, esto fue solo el comienzo. Aparecieron receptores de frecuencia sintonizables, y en solo 2 años Winrad ha evolucionado notablemente, y en 2010 ya se veía así:
Comenzaron a aparecer soluciones profesionales, luego, en 2010, apareció el Perseus SDR: un receptor con un ADC DDC de 14 bits, un rango de frecuencia de 10KHz-30MHz y un ancho de banda de 1.6MHz (en principio, los parámetros son suficientes para hoy).
El precio del receptor fue de 825 euros, que no era tan pequeño para esos años.
Por cierto, la página
http://microtelecom.it/perseus/ todavía existe, y las capturas de pantalla para XP también se cuelgan, aunque el receptor se vende o no, no está claro.
El comienzo se hizo, entonces, como dicen, es una cuestión de tecnología: comenzaron a aparecer diferentes modelos, los chips comenzaron a ser más baratos, y así sucesivamente. El siguiente avance en la tecnología de aficionados fue la aparición de un receptor en el chip rtl-sdr. El mensaje del foro de
radioscanner 2012 se puede citar textualmente, como dicen, no disminuir, no agregar:
Resultó que los dongles DVB basados en el chip Realtek RTL2832U, a veces publicitados también como compatibles con FM, DAB (+), son capaces de transmitir un flujo de cuadratura de 8 bits a una computadora con una frecuencia de muestreo de aproximadamente 3 MSPS.
El rango aceptado se limita al sintonizador utilizado en un modelo de dongle particular, por ejemplo, el Elonics E4000 de 64 a 1700 MHz. Este sintonizador también se usa en el dongle FunCube, pero con un LNA opcional.
Un proyecto se basa en esto. TETRA (~ 430 MHz) y las señales satelitales de Turaia (~ 1550 MHz) ya se han recibido con éxito, lo cual es muy, muy bueno para la cuadratura de 8 bits.En general, resultó que los receptores de TV USB baratos con un precio de $ 10-20 después de reemplazar el controlador pueden proporcionar una transmisión IQ, que le permite usarlos con el software SDR existente. Los receptores mismos se veían así:
Los primeros 1-2 años de sentido de rtl-sdr fueron bastante pequeños: simplemente no había ningún software interesante para ellos. Luego vino SDR #, varios complementos, una comunidad de entusiastas comenzó a crecer, y ahora rtl-sdr es probablemente el receptor SDR más popular (principalmente por el precio). Las versiones modernas de RTL SDR V3 ya pueden aceptar HF (aunque con una pequeña sensibilidad y dinámica), pero a un precio de $ 30 y esto es muy bueno. Cómo funciona RTL SDR en HF, puede ver
el video .
Tipos de SDR
Los SDR existentes se pueden dividir en 3 tipos:
- Modelos ya obsoletos basados en una tarjeta de sonido: la digitalización de la señal en ellos ocurre en la PC, y la señal se transmite a la entrada de línea a través de un cable de audio. Ahora han sido descontinuados por mucho tiempo, pero a veces pueden aparecer en un mercado de pulgas. En general, no tiene sentido, a menos que lo regalen de forma gratuita: el precio de una buena tarjeta de sonido superará el precio del SDR.
Los interesados en la "arqueología digital" pueden leer mensajes en
cqham para 2010 sobre la elección de una tarjeta de sonido para SDR.
- SDR con ADC incorporados y señales de transmisión a una PC en formato digital. Estos son la mayoría de los dispositivos modernos de gama media. Se basan en el principio de
recepción heterodina , solo después de transferir la frecuencia, en lugar del bloque LF, se encuentra el ADC. Dichos receptores tienen un ancho de banda de 2 a 10 MHz, existen diferentes modelos para diferentes frecuencias y rangos (rtl sdr, SDRPlay, Airspy). La desventaja de cualquier receptor superheterodino es la presencia de
canales de recepción reflejados , ya que los filtros no son ideales, las estaciones se reciben donde realmente no lo están. Incluso si los filtros son más o menos buenos, las señales de las estaciones potentes pueden "arrastrarse" y reproducirse en forma de interferencia.
- DDC (conversión directa hacia abajo) SDR. Esta es la tecnología más avanzada hasta la fecha. La conclusión es que aquí no se necesita un oscilador local: un ADC ultrarrápido con una frecuencia de muestreo del orden de 100 millones de muestras / s digitaliza la señal de entrada directamente desde el éter, lo que permite (según el teorema de Kotelnikov / Shannon) recibir hasta una frecuencia igual a la mitad de la frecuencia de muestreo, es decir. en nuestro ejemplo, hasta 50 MHz. Aquellos que lo deseen pueden resolverlo por su cuenta; por supuesto, no se transmite a una computadora, sino que se procesa en un FPGA de alta velocidad directamente en el tablero, y la banda deseada (generalmente hasta 6 MHz) se transmite a la computadora. Tal receptor no tiene canales espejo, y todo está bien (excepto el precio :).
El límite superior de la frecuencia de los receptores DDC generalmente se limita a 30-50 MHz, porque o no hay ADC más rápidos a la venta, o cuestan dinero espacial (por cierto, los ADC ultrarrápidos parecen caer en las restricciones de EE. UU. sobre el suministro de componentes electrónicos de alta tecnología a países del tercer mundo, pero esto no es exacto). Su más alto nivel, que era posible ver en las listas de precios:
Flex 6600 con 16bit 245.76Msps ADC cuesta alrededor de 4000 $, es decir pueden recibirse en modo DDC hasta una frecuencia de 122 MHz. Es poco probable que pronto veamos receptores DDC de hasta gigahercios, aunque nos gustaría. ¿Hay algo más rápido, por ejemplo para un ejército? Probablemente haya alguien que sepa, escriba los comentarios.
Otro parámetro importante es el
tipo de conexión . La mayoría de los SDR están conectados a través de USB, pero hay modelos con un puerto LAN (Afedri, Colibri):
Esto puede ser conveniente para organizar la recepción o transmisión remota: el receptor o el transceptor se pueden colocar en el país / en el pueblo y se pueden usar desde la ciudad. KiwiSDR incluso fabrica dispositivos listos para usar a los que puede acceder directamente a través de la interfaz web. Los propietarios de KiwiSDR pueden incluso "compartir" su receptor con otros, puede ver una lista de dispositivos disponibles en
https://sdr.hu .
El último, pero no menos importante, parámetro es la
capacidad de ADC . Los SDR RTL baratos tienen solo ADC de 8 bits, y esto no es suficiente, el receptor se sobrecarga fácilmente con señales fuertes, un atenuador y un preselector son extremadamente deseables para ello. SDRPlay tiene un ADC de 12 bits, los modelos más caros tienen 14 bits, que es suficiente para la mayoría de los casos. Los ADC de 16 bits son de gama alta y, en principio, no todas las antenas son capaces de entregar un rango de señales que puedan sobrecargar dicho receptor.
Y finalmente, sobre los precios. Su rango varía mucho, desde $ 30 para RTL SDR v3, $ 150 para SDRPlay RSP2 hasta $ 600 para ELAD FDM-S2. Los transceptores SDR (capaces de funcionar no solo en recepción sino también en transmisión) son más caros, SunSDR2 cuesta alrededor de $ 1,500, FLEX-6400 cuesta $ 2,000.
También debemos mencionar tableros para el procesamiento de señales digitales. Esto es, por ejemplo, HackRF, LimeSDR, USRP, Red Pitaya. Estos dispositivos originalmente estaban destinados a experimentos con señales de radio dentro del "escritorio", y simplemente no fueron diseñados para la recepción a larga distancia; a menudo simplemente no hay amplificador, atenuador o filtros en el circuito. Atraparán algo, pero es muy malo, o necesitarán una "finalización de archivo". También pueden trabajar en la transmisión, pero con una capacidad de aproximadamente 100 mW (donde "m" es mili y no mega;), y a menudo simplemente no hay otro software que un par de DLL y SDK para ellos.
Acerca de por qué se necesita todo esto, las ventajas y desventajas de SDR, y cómo obtener datos de SDR usando Python, se discutirán en la segunda parte.