Oi Habr.
Continuando a série de artigos sobre rádio, faz sentido falar sobre as mais recentes realizações nesta área - Rádio Definido por Software. Como não conheço uma tradução adequada do termo para o russo, vamos deixar assim, e o termo SDR já se enraizou nos círculos técnicos e amadores.
Nos últimos 100 anos, o rádio mudou tanto que é improvável que o então engenheiro tenha entendido como funciona.
Ainda tentamos descobrir.
A história
A ideia de rádio definida por software é baseada em dois pilares:
- Transmissão de banda larga de um rádio para um computador. A largura da banda processada pode variar de 48KHz (placa de som do PC) a 50MHz (ADC ultra-rápido com transmissão de sinal via Gigabit Ethernet ou USB3.0).
- Desmodulação de sinal - tudo o que um receptor de rádio "normal" (AM, FM, filtros etc.) faz no hardware - no SDR é feito em um computador usando algoritmos matemáticos. O próprio rádio, é claro, ainda é necessário, mas apenas sua "metade" é a parte que realmente recebe o sinal de rádio.
Conforme sugerido nos comentários, o SDR, em princípio, pode funcionar de forma autônoma, sem um PC, se toda a “matemática” for feita corretamente no dispositivo. No entanto, é bastante exótico, por isso consideraremos os receptores "comuns". Embora recentemente, novos modelos de receptores e transceptores começaram a ser criados com base no princípio da SDR, o que obviamente é bom.
É muito difícil dizer a data exata em que os primeiros receptores SDR estavam à venda. A idéia de digitalizar sinais de rádio com uma placa de som existia por muito tempo - por exemplo, mensagens RTTY ou de paginação foram decodificadas, mas não havia algoritmos adequados para combinar tudo isso.
A primeira versão do Winrad data de 2007 e parecia algo assim (você pode prestar atenção aos requisitos de sistema :)
Como você pode ver, a interface é muito minimalista, mas o programa já sabia tocar AM, FM, USB e LSB e mostrar o espectro do sinal. Comparado com a largura de banda da saída de fone de ouvido usual de qualquer receptor, foi ... bem, quase um avanço. Claro, no prof. os consoles panorâmicos já existiam nos sistemas antes, mas eram praticamente inacessíveis a meros mortais, e todo mundo tem uma placa de som em um PC.
Uma solução típica de orçamento para entusiastas de rádio amador eram os receptores Softrock - receptores de banda única, conteúdo de quartzo selecionável, um mixer e saída para placa de som.
Claro, isso foi apenas o começo. Apareceram receptores de frequência sintonizáveis e, em apenas 2 anos, o Winrad evoluiu notavelmente e, em 2010, já era assim:
As soluções profissionais começaram a aparecer e, em 2010, o Perseus SDR apareceu - um receptor com um DDC ADC de 14 bits, uma faixa de frequência de 10KHz-30MHz e uma largura de banda de 1,6MHz (em princípio, os parâmetros são suficientes para hoje).
O preço do receptor era de 825 euros, o que não era tão pequeno para aqueles anos.
A propósito, a página
http://microtelecom.it/perseus/ ainda existe, e as capturas de tela do XP também ficam nela, embora o receptor seja vendido ou não, não está claro.
O começo foi feito, então, como se costuma dizer, é uma questão de tecnologia - diferentes modelos começaram a aparecer, os chips começaram a ficar mais baratos e assim por diante. O próximo avanço na tecnologia amadora foi o aparecimento de um receptor no chip rtl-sdr. A mensagem do fórum do
radioscanner de 2012 pode ser citada literalmente, como se costuma dizer, não diminui, não acrescenta:
Verificou-se que dongles DVB baseados no chip Realtek RTL2832U, às vezes anunciado também como suporte a FM, DAB (+), são capazes de transmitir um fluxo de quadratura de 8 bits para um computador com uma frequência de amostragem de cerca de 3 MSPS.
O alcance aceito é limitado ao sintonizador usado em um modelo de dongle específico, por exemplo, o Elonics E4000 de 64 a 1700 MHz. Este sintonizador também é usado no dongle do FunCube, mas com um LNA opcional.
Um projeto é baseado nisso. Os sinais TETRA (~ 430 MHz) e satélite de Turaia (~ 1550 MHz) já foram recebidos com êxito, o que é muito, muito bom para a quadratura de 8 bits.De maneira geral, os receptores baratos de TV USB com preço de US $ 10 a 20 após a substituição do driver podem fornecer um fluxo de QI, o que permite usá-los com o software SDR existente. Os próprios receptores ficaram assim:
Os primeiros 1-2 anos do senso de rtl-sdr foram bem pequenos - simplesmente não havia nenhum software interessante para eles. Depois veio o SDR #, vários plugins, uma comunidade de entusiastas começou a crescer e agora o rtl-sdr é provavelmente o receptor SDR mais popular (principalmente devido ao preço). As versões modernas do RTL SDR V3 já podem aceitar HF (embora com uma pequena sensibilidade e dinâmica), mas a um preço de US $ 30 e isso é muito bom. Como o RTL SDR funciona em HF, você pode assistir
ao vídeo .
Tipos de SDR
Os SDRs existentes podem ser divididos em 3 tipos:
- Modelos já obsoletos baseados em uma placa de som - a digitalização do sinal neles ocorre no PC, e o sinal é transmitido para a entrada de linha através de um cabo de áudio. Agora eles foram interrompidos por muito tempo, mas às vezes podem aparecer em um mercado de pulgas. Em geral, não faz sentido, a menos que o distribuam gratuitamente - o preço de uma boa placa de som excederá o preço do próprio SDR.
Os interessados em “arqueologia digital” podem ler mensagens no
cqham para 2010 sobre a escolha de uma placa de som para SDR.
- SDRs com ADCs integrados e transmissão de sinais para um PC em formato digital. Estes são a maioria dos modernos dispositivos de gama média. Eles são construídos com base no princípio da
recepção heteródina , somente após a transferência de frequência, em vez do bloco LF, ser o ADC. Esses receptores têm uma largura de banda de 2 a 10 MHz, existem modelos diferentes para diferentes frequências e faixas (rtl sdr, SDRPlay, Airspy). A desvantagem de qualquer receptor super-heteródino é a presença de
canais de recepção espelhados - como os filtros não são ideais, as estações são recebidas onde realmente não são. Mesmo que os filtros sejam mais ou menos bons, os sinais de estações poderosas ainda podem "rastejar" e tocar na forma de interferência.
- DDC (conversão direta para baixo) SDR. Esta é a tecnologia mais avançada até o momento. A conclusão é que um oscilador local não é necessário aqui - um ADC ultra-rápido com uma frequência de amostragem da ordem de 100 milhões de amostras / s digitaliza o sinal de entrada diretamente do éter, o que permite (de acordo com o teorema de Kotelnikov / Shannon) receber até uma frequência igual a metade da frequência de amostragem, ou seja. no nosso exemplo, até 50 MHz. Quem desejar pode descobrir por conta própria - é claro, não é transmitido para um computador, mas processado em um FPGA de alta velocidade diretamente na placa, e a banda desejada (geralmente até 6 MHz) é transmitida ao computador. Esse receptor não possui canais de espelho e está tudo bem (exceto pelo preço :).
O limite superior da frequência dos receptores DDC é geralmente limitado a 30-50 MHz, porque ou não há ADCs mais rápidos à venda ou custam espaço (a propósito, os ADCs ultrarrápidos parecem cair nas restrições dos EUA ao fornecimento de componentes eletrônicos de alta tecnologia para países do terceiro mundo, mas isso não é exato). Seu mais alto nível, que era possível ver nas listas de preços - o
Flex 6600 com 16bit 245.76Msps ADC custa cerca de 4000 $, ou seja, eles podem ser recebidos no modo DDC até uma frequência de 122 MHz. É improvável que em breve veremos receptores DDC de até gigahertz, embora desejemos. Existe algo mais rápido, por exemplo para um militar - provavelmente há alguém que sabe, escreva nos comentários.
Outro parâmetro importante é o
tipo de conexão . A maioria dos SDRs são conectados via USB, mas existem modelos com uma porta LAN (Afedri, Colibri):
Isso pode ser conveniente para organizar a recepção ou transmissão remota - o receptor ou o transceptor pode ser colocado no país / na vila e usado na cidade. O KiwiSDR até cria dispositivos prontos que você pode acessar diretamente através da interface baseada na Web. Os proprietários do KiwiSDR podem até “compartilhar” seu receptor com outras pessoas. Você pode ver uma lista de dispositivos disponíveis em
https://sdr.hu .
O último, mas não menos importante parâmetro, é a
capacidade ADC . Os SDRs RTL baratos têm apenas ADCs de 8 bits, e isso não é suficiente, o receptor é facilmente sobrecarregado com sinais fortes, um atenuador e um pré-seletor são extremamente desejáveis. O SDRPlay tem um ADC de 12 bits, os modelos mais caros têm 14 bits, o que é suficiente para a maioria dos casos. Os top-end são ADCs de 16 bits e, em princípio, nem toda antena é capaz de emitir uma gama de sinais que podem sobrecarregar esse receptor.
E, finalmente, sobre os preços. Seu alcance varia muito, de US $ 30 para o RTL SDR v3, US $ 150 para o SDRPlay RSP2 e US $ 600 para o ELAD FDM-S2. Os transceptores SDR (capazes de trabalhar não apenas na recepção, mas também na transmissão) são mais caros, o SunSDR2 custa cerca de US $ 1.500, o FLEX-6400 custa US $ 2.000.
Também devemos mencionar placas para processamento de sinal digital. Por exemplo, HackRF, LimeSDR, USRP, Red Pitaya. Esses dispositivos foram originalmente projetados para experimentos com sinais de rádio dentro da “área de trabalho” e simplesmente não foram projetados para recepção a longa distância - muitas vezes simplesmente não há amplificador, atenuador ou filtro no circuito. Eles vão pegar alguma coisa, mas é muito ruim ou precisarão de uma "conclusão de arquivo". Eles também podem trabalhar na transmissão, mas com uma capacidade de cerca de 100mW (onde "m" é milli e não mega;), e geralmente não há outro software além de um par de DLLs e SDKs para eles.
Por que tudo isso é necessário, as vantagens e desvantagens do SDR e como obter dados do SDR usando o Python serão discutidas na segunda parte.