Hallo Habr.
Wenn Sie die Artikelserie über Radio fortsetzen, ist es sinnvoll, über die neuesten Errungenschaften in diesem Bereich zu sprechen - Software Defined Radio. Ich kenne keine adäquate Übersetzung des Begriffs ins Russische, also lassen wir es so, und der Begriff SDR hat sich bereits in Fach- und Amateurkreisen etabliert.
In den letzten 100 Jahren hat sich das Radio so stark verändert, dass es unwahrscheinlich ist, dass der damalige Ingenieur verstanden hätte, wie es funktioniert.
Wir versuchen immer noch, es herauszufinden.
Die Geschichte
Die softwaredefinierte Funkidee basiert auf zwei Säulen:
- Breitbandübertragung von einem Radio zu einem Computer. Die Breite des verarbeiteten Bandes kann zwischen 48 kHz (PC-Soundkarte) und 50 MHz (ultraschneller ADC mit Signalübertragung über Gigabit Ethernet oder USB 3.0) liegen.
- Signaldemodulation - alles, was ein "normaler" Radioempfänger (AM, FM, Filter usw.) in Hardware macht - in SDR erfolgt dies auf einem Computer unter Verwendung mathematischer Algorithmen. Das Radio selbst wird natürlich noch benötigt, aber nur seine „Hälfte“ ist der Teil, der das Funksignal tatsächlich empfängt.
Wie in den Kommentaren vorgeschlagen, kann der SDR im Prinzip ohne PC autonom arbeiten, wenn die gesamte „Mathematik“ direkt im Gerät ausgeführt wird. Es ist jedoch ziemlich exotisch, so dass wir die Empfänger als "gewöhnlich" betrachten werden. Obwohl vor kurzem neue Modelle von Empfängern und Transceivern nach dem SDR-Prinzip hergestellt wurden, was natürlich gut ist.
Es ist ziemlich schwierig, das genaue Datum zu bestimmen, an dem die ersten SDR-Empfänger zum Verkauf standen. Die Idee, Funksignale mit einer Soundkarte zu digitalisieren, bestand schon lange - zum Beispiel wurden RTTY- oder Paging-Nachrichten dekodiert, aber es gab keine geeigneten Algorithmen, um all dies miteinander zu kombinieren.
Die erste Version von Winrad stammt aus dem Jahr 2007 und sah ungefähr so aus (Sie können auf die Systemanforderungen achten :)
Wie Sie sehen können, ist die Schnittstelle sehr minimalistisch, aber das Programm wusste bereits, wie man AM, FM, USB und LSB spielt und das Signalspektrum anzeigt. Verglichen mit der Bandbreite des üblichen Kopfhörerausgangs eines Receivers war es ... nun, fast ein Durchbruch. Natürlich in prof. In den Systemen gab es zuvor Panoramakonsolen, die jedoch für Sterbliche praktisch nicht zugänglich waren, und jeder hat eine Soundkarte in einem PC.
Eine typische Budgetlösung für Amateurfunkbegeisterte waren Softrock-Empfänger - Single-Band-Empfänger, umschaltbarer Quarzinhalt, Mixer und Soundkartenausgang.
Dies war natürlich nur der Anfang. Es erschienen abstimmbare Frequenzempfänger, und in nur 2 Jahren hat sich Winrad merklich weiterentwickelt, und 2010 sah es bereits so aus:
Professionelle Lösungen tauchten auf, 2010 erschien der Perseus SDR - ein Empfänger mit einem 14-Bit-DDC-ADC, einem Frequenzbereich von 10 kHz bis 30 MHz und einer Bandbreite von 1,6 MHz (im Prinzip sind die Parameter für heute völlig ausreichend).
Der Empfängerpreis betrug 825 Euro, was für diese Jahre nicht so gering war.
Übrigens existiert die Seite
http://microtelecom.it/perseus/ immer noch, und Screenshots für XP hängen auch daran, obwohl der Empfänger verkauft ist oder nicht, ist nicht klar.
Der Anfang war gemacht, dann, wie sie sagen, ist es eine Frage der Technologie - verschiedene Modelle tauchten auf, Chips wurden billiger und so weiter. Der nächste Durchbruch in der Amateurtechnologie war das Erscheinen eines Empfängers auf dem RTL-SDR-Chip. Die Nachricht aus
dem Radioscanner- Forum
2012 kann wörtlich zitiert werden, wie sie sagen, nicht verringern, nicht hinzufügen:
Es stellte sich heraus, dass DVB-Dongles auf Basis des Realtek RTL2832U-Chips, die manchmal auch als FM-DAB (+) unterstützt werden, einen Strom von 8-Bit-Quadratur an einen Computer mit einer Abtastfrequenz von etwa 3 MSPS übertragen können.
Der akzeptierte Bereich ist auf den Tuner beschränkt, der in einem bestimmten Dongle-Modell verwendet wird, beispielsweise dem Elonics E4000 von 64 bis 1700 MHz. Dieser Tuner wird auch im FunCube-Dongle verwendet, jedoch mit einem optionalen LNA.
Darauf basiert ein Projekt . TETRA- (~ 430 MHz) und Satellitensignale von Turaia (~ 1550 MHz) wurden bereits erfolgreich empfangen, was für 8-Bit-Quadratur sehr, sehr gut ist.Wie sich herausstellte, können billige USB-TV-Empfänger mit einem Preis von 10 bis 20 US-Dollar nach dem Austausch des Treibers im Allgemeinen einen IQ-Stream liefern, mit dem Sie sie mit vorhandener SDR-Software verwenden können. Die Empfänger selbst sahen so aus:
Die ersten 1-2 Jahre von rtl-sdr waren ziemlich klein - es gab einfach keine interessante Software für sie. Dann kamen SDR #, verschiedene Plugins, eine Community von Enthusiasten begann zu wachsen, und jetzt ist rtl-sdr wahrscheinlich der beliebteste (hauptsächlich preisliche) SDR-Empfänger. Moderne Versionen von RTL SDR V3 können bereits HF akzeptieren (wenn auch mit einer geringen Empfindlichkeit und Dynamik), aber zu einem Preis von 30 US-Dollar und das ist sehr gut. Wie RTL SDR auf HF funktioniert, können Sie sich
das Video ansehen.
Arten von SDR
Bestehende SDRs können in drei Typen unterteilt werden:
- Bereits veraltete Modelle, die auf einer Soundkarte basieren - die Digitalisierung des darin enthaltenen Signals erfolgt im PC, und das Signal wird über ein Audiokabel an den Leitungseingang übertragen. Jetzt sind sie schon lange nicht mehr erhältlich, können aber manchmal auf einem Flohmarkt auftreten. Im Großen und Ganzen macht es keinen Sinn, es sei denn, sie verschenken es kostenlos - der Preis einer guten Soundkarte übersteigt den Preis des SDR selbst.
Wer sich für „digitale Archäologie“ interessiert, kann auf
cqham für 2010 Nachrichten über die Auswahl einer Soundkarte für SDR lesen.
- SDRs mit eingebauten ADCs und Übertragung von Signalen an einen PC in digitalem Format. Dies sind die meisten modernen Geräte der Mittelklasse. Sie basieren auf dem Prinzip des
Überlagerungsempfangs , erst nach Übertragung der Frequenz wird anstelle des LF-Blocks der ADC. Solche Empfänger haben eine Bandbreite von 2 bis 10 MHz, es gibt verschiedene Modelle für verschiedene Frequenzen und Bereiche (rtl sdr, SDRPlay, Airspy). Der Nachteil eines Überlagerungsempfängers ist das Vorhandensein
gespiegelter Empfangskanäle - da die Filter nicht ideal sind, werden Sender dort empfangen, wo sie wirklich nicht sind. Selbst wenn die Filter mehr oder weniger gut sind, können die Signale leistungsfähiger Stationen immer noch „durchschleichen“ und in Form von Interferenzen abgespielt werden.
- DDC (Direct Down Conversion) SDR. Dies ist die bisher fortschrittlichste Technologie. Die Quintessenz ist, dass hier kein lokaler Oszillator benötigt wird - ein ultraschneller ADC mit einer Abtastfrequenz in der Größenordnung von 100 Millionen Abtastungen / s digitalisiert das Eingangssignal direkt vom Äther, wodurch (gemäß dem Kotelnikov / Shannon-Theorem) bis zu einer Frequenz empfangen werden kann, die der Hälfte der Abtastfrequenz entspricht, d. H. in unserem Beispiel bis zu 50 MHz. Wer es wünscht, kann es selbst herausfinden - natürlich wird es nicht an einen Computer übertragen, sondern in einem Hochgeschwindigkeits-FPGA direkt auf der Karte verarbeitet, und das gewünschte Band (normalerweise bis zu 6 MHz) wird an den Computer übertragen. Ein solcher Empfänger hat keine Spiegelkanäle und alles ist in Ordnung (außer dem Preis :).
Die Obergrenze der Frequenz von DDC-Empfängern ist normalerweise auf 30-50 MHz begrenzt, weil Entweder werden keine schnelleren ADCs zum Verkauf angeboten oder sie kosten Platzgeld (ultraschnelle ADCs scheinen übrigens in die US-Beschränkungen für die Lieferung von elektronischen High-Tech-Komponenten an Länder der Dritten Welt zu fallen, aber dies ist nicht korrekt). Ihre höchste Qualität, die in den Preislisten zu sehen war -
Flex 6600 mit 16-Bit-ADC mit 245,76 MBit / s kostet etwa 4000 US-Dollar, d. H. Sie können im DDC-Modus bis zu einer Frequenz von 122 MHz empfangen werden. Es ist unwahrscheinlich, dass wir bald DDC-Empfänger bis Gigahertz sehen werden, obwohl wir dies gerne möchten. Gibt es etwas schnelleres, zum Beispiel für ein Militär - wahrscheinlich gibt es jemanden, der weiß, schreiben Sie in die Kommentare.
Ein weiterer wichtiger Parameter ist die
Art der Verbindung . Die meisten SDRs sind über USB angeschlossen, es gibt jedoch Modelle mit LAN-Anschluss (Afedri, Colibri):
Dies kann praktisch sein, um den Fernempfang oder die Fernübertragung zu organisieren. Der Empfänger oder Transceiver kann auf dem Land / im Dorf aufgestellt und von der Stadt aus verwendet werden. KiwiSDR stellt sogar vorgefertigte Geräte her, auf die Sie direkt über die webbasierte Oberfläche zugreifen können. Besitzer von KiwiSDR können ihren Empfänger sogar mit anderen "teilen". Eine Liste der verfügbaren Geräte finden Sie unter
https://sdr.hu .
Der letzte, aber nicht weniger wichtige Parameter ist die
ADC-Kapazität . Günstige RTL-SDRs haben nur 8-Bit-ADCs, und dies reicht nicht aus. Der Empfänger kann leicht mit starken Signalen überlastet werden. Ein Dämpfungsglied und ein Vorwähler sind dafür äußerst wünschenswert. SDRPlay hat einen 12-Bit-ADC, teurere Modelle haben 14-Bit, was für die meisten Fälle ausreicht. Am oberen Ende stehen 16-Bit-ADCs, und im Prinzip kann nicht jede Antenne eine Reihe von Signalen liefern, die einen solchen Empfänger überlasten können.
Und schließlich zu den Preisen. Ihre Reichweite variiert stark, von 30 USD für RTL SDR v3, 150 USD für SDRPlay RSP2 bis 600 USD für ELAD FDM-S2. SDR-Transceiver (die nicht nur beim Empfang, sondern auch beim Senden arbeiten können) sind teurer, SunSDR2 kostet etwa 1.500 USD, FLEX-6400 2.000 USD.
Wir sollten auch Karten für die digitale Signalverarbeitung erwähnen. Dies ist zum Beispiel HackRF, LimeSDR, USRP, Red Pitaya. Diese Geräte waren ursprünglich für Experimente mit Funksignalen innerhalb des „Desktops“ gedacht und wurden einfach nicht für den Fernempfang entwickelt - es gibt oft einfach keinen Verstärker oder Abschwächer oder Filter in der Schaltung. Sie werden etwas fangen, aber es ist sehr schlecht, oder sie benötigen eine "Dateivervollständigung". Sie können auch an der Übertragung arbeiten, jedoch mit einer Kapazität von etwa 100 mW (wobei „m“ Milli und nicht Mega ist;), und oft gibt es einfach keine andere Software als ein Paar DLLs und SDKs für sie.
Im zweiten Teil wird erläutert, warum all dies erforderlich ist, welche Vor- und Nachteile SDR hat und wie Sie mit Python Daten aus SDR abrufen können.