En traditionel radio er i høj grad bygget til at udføre bestemte funktioner ved hjælp af elektroniske kredsløb. Filtre, oscillatorer, mixere, demodulatorer og andre komponenter bestemmer, hvilke signaler radioen kan modtage og behandle.
Med Software Defined Radio – normalt forkortet SDR – flyttes en stor del af signalbehandlingen over i den digitale verden. Det gør radioen langt mere fleksibel, fordi mange funktioner kan ændres gennem software i stedet for ved at ændre den fysiske elektronik.
Det betyder dog ikke, at SDR har gjort den traditionelle radioteknik overflødig. Antennen, RF-kredsløbene, filtrene og konverteringen mellem analoge radiosignaler og digitale data er stadig afgørende.
Hvad er Software Defined Radio?
Software Defined Radio er ikke én bestemt type radio. Det er et princip for, hvordan en radio konstrueres.
I stedet for at lade alle radioens funktioner være fastlagt af specialiserede analoge kredsløb digitaliserer man radiosignalet så tidligt som praktisk muligt i signalvejen. Derefter kan en stor del af behandlingen udføres digitalt.
Det kan ske i en almindelig computer, men også i en DSP – Digital Signal Processor – eller en FPGA, som er programmerbar hardware udviklet til meget hurtig behandling af digitale signaler.
Fra antennen til computeren
For at forstå SDR kan vi følge radiosignalet fra antennen og gennem modtageren.
En forenklet SDR-modtager kan beskrives sådan:
Antennen modtager det analoge radiosignal. RF-kredsløbene sørger blandt andet for nødvendig filtrering, forstærkning og i mange konstruktioner frekvenskonvertering.
Derefter omdannes det analoge signal til digitale værdier, som kan behandles matematisk.
Det er her, SDR for alvor adskiller sig fra den klassiske radio: Når signalet først findes som digitale data, kan en lang række radiofunktioner udføres ved beregninger frem for af separate analoge kredsløb.
ADC – broen mellem radio og software
En central komponent i en SDR-modtager er ADC'en – Analog-to-Digital Converter.
ADC'en måler det analoge signal mange gange i sekundet og omdanner målingerne til digitale tal. Disse digitale værdier kan derefter behandles af DSP, FPGA eller software.
Hvor stort et frekvensområde systemet kan digitalisere og behandle på én gang, afhænger blandt andet af samplingshastighed, konverterens opløsning og SDR'ens øvrige hardware.
DAC – den modsatte vej ved sending
En SDR, der også kan sende, skal kunne foretage processen i den modsatte retning.
Her genererer den digitale signalbehandling det ønskede signal, hvorefter en DAC – Digital-to-Analog Converter – omdanner de digitale værdier til et analogt elektrisk signal.
Signalet føres derefter gennem radioens RF-kredsløb og eventuelle effektforstærkere, før det sendes ud gennem antennen.
Hvad er IQ-data?
Når man begynder at arbejde med SDR, møder man hurtigt betegnelsen IQ.
IQ-data er en matematisk måde at beskrive både amplitude og fase i et radiosignal. Signalet repræsenteres med to komponenter: I står for In-phase, og Q står for Quadrature.
De to datastrømme gør det muligt for SDR-softwaren at bevare langt mere information om signalet end en almindelig lydoptagelse.
Det er blandt andet denne repræsentation, der gør det muligt digitalt at filtrere, flytte, analysere og demodulere radiosignaler.
Software bliver en del af radioen
Når radiosignalet er digitaliseret, kan software overtage mange funktioner.
Softwaren kan blandt andet:
- Vælge og filtrere en kanal
- Demodulere forskellige modulationstyper
- Justere filterbredde
- Analysere signalstyrke
- Vise radiospektret grafisk
- Dekode forskellige typer digitale signaler
- Optage IQ-data til senere analyse
Det er netop denne fleksibilitet, der er kernen i SDR. Wireless Innovation Forum beskriver SDR som radiosystemer, hvor radioens funktioner implementeres ved hjælp af modificerbar software eller firmware på programmerbare processorer. citeturn0search24turn0search25
Fra drejeknap til spektrum
På en klassisk radiomodtager vælger man typisk én frekvens og lytter til den.
Med SDR kan man i stedet se et helt frekvensområde på skærmen. Et spektrumdisplay viser signalernes styrke fordelt over frekvensen, så aktive stationer bliver synlige som toppe i spektret.
Det gør det langt lettere at opdage aktivitet omkring den frekvens, man lytter på.
Waterfall – radiosignaler bliver synlige
Et af de mest karakteristiske værktøjer i SDR-software er et waterfall-display.
Her vises frekvensen vandret, mens tiden bevæger sig ned gennem billedet. Signalstyrken vises typisk med forskellige lys- eller farveniveauer.
Et kontinuerligt signal bliver derfor synligt som en linje, mens korte transmissioner optræder som kortere spor.
Digital filtrering
Et af de områder, hvor SDR virkelig viser sin fleksibilitet, er filtrering.
I en traditionel radio kan filteregenskaberne i høj grad være bestemt af de fysiske komponenter i radioen. I en SDR kan meget af filtreringen udføres matematisk.
Brugeren kan derfor ofte ændre filterbredden direkte i softwaren og tilpasse modtagelsen til det aktuelle signal.
Et smalt filter kan eksempelvis hjælpe med at begrænse støj og nærliggende signaler, mens et bredere filter kan være nødvendigt for signaler med større båndbredde.
Én radio – mange modulationstyper
En af de store fordele ved SDR er, at den samme hardware kan anvendes til mange forskellige signaltyper.
AM, FM, SSB og forskellige digitale modulationer kræver forskellige former for signalbehandling, men når behandlingen foregår digitalt, kan funktionen i mange tilfælde ændres ved blot at vælge en anden demodulator eller installere anden software.
En billig USB-modtager åbnede SDR for radioentusiaster
SDR var tidligere primært forbundet med avanceret professionelt udstyr, forskning og militære radiosystemer.
Billige USB-baserede SDR-modtagere har imidlertid gjort teknologien tilgængelig for langt flere radiointeresserede.
En lille SDR-modtager kan tilsluttes en computer via USB, mens en antenne tilsluttes modtagerens RF-indgang. Med passende software bliver computeren derefter radioens brugerflade og en væsentlig del af signalbehandlingen.
Det giver en forholdsvis enkel måde at eksperimentere med spektrumanalyse, modulation og forskellige typer radiosignaler.
En SDR-modtager er ikke nødvendigvis en sender
Begrebet SDR fortæller ikke i sig selv, om udstyret kan sende.
Mange billige SDR-enheder er udelukkende modtagere. De kan analysere og demodulere signaler, men har ingen radiosender.
Andre SDR-platforme er komplette transceivere, der både kan modtage og sende. Professionelle SDR-platforme kan samtidig have meget stor øjeblikkelig båndbredde og programmerbare FPGA'er; sådanne konstruktioner bruges blandt andet til forskning og udvikling. citeturn0search3
| Type | Hvad kan den? |
|---|---|
| SDR-modtager | Modtager, digitaliserer og analyserer radiosignaler |
| SDR-transceiver | Kan både modtage og generere radiosignaler til sending |
| SDR-software | Udfører blandt andet tuning, filtrering, demodulation, analyse og visualisering |
| SDR-platform til udvikling | Kombinerer programmerbar RF-hardware og software til udvikling og test af radiosystemer |
Software kan ikke ophæve fysikkens love
SDR kan være meget fleksibel, men softwaren kan kun arbejde med det signal, som hardwaren leverer.
En dårlig antenne bliver ikke god af avanceret software. En overstyret RF-indgang kan ikke altid repareres digitalt bagefter, og en ADC har grænser for både dynamikområde og samplingshastighed.
Derfor er RF-frontenden stadig en afgørende del af en god SDR.
Hvorfor er et RF-filter stadig nødvendigt?
Man kunne forestille sig, at SDR-softwaren blot kunne filtrere alle uønskede signaler væk efter digitaliseringen.
Problemet er, at et meget kraftigt uønsket signal kan påvirke RF-forstærkeren eller ADC'en, før softwaren overhovedet får mulighed for at behandle signalet.
Hvis den analoge del af modtageren overstyres, kan der opstå forvrængning og uønskede signalprodukter i hele det digitaliserede spektrum.
Gain – mere er ikke altid bedre
I SDR-software kan man ofte regulere modtagerens gain – altså forstærkning.
Det kan være fristende at skrue gain helt op for at modtage svage signaler, men for høj forstærkning kan gøre modtagelsen dårligere.
Kraftige signaler kan overstyre modtageren og skabe falske signaler eller hæve det tilsyneladende støjniveau.
Den bedste indstilling er derfor ikke nødvendigvis maksimal gain, men tilstrækkelig forstærkning til at modtage det ønskede signal uden at overbelaste systemet.
SDR som værktøj til at forstå radioteknik
For radiointeresserede er SDR ikke kun en anden måde at lytte til radio på. Det er også et meget effektivt undervisningsværktøj.
På skærmen kan man direkte se konsekvensen af ændringer i filterbredde, modulation, signalstyrke og støjniveau.
Begreber, der tidligere kunne virke abstrakte, bliver pludselig synlige.
SDR bruges langt ud over hobbyradio
Software Defined Radio anvendes også professionelt til udvikling, test og forskning i trådløse kommunikationssystemer.
Programmerbare platforme gør det muligt at udvikle og afprøve nye signaltyper og radioprotokoller uden nødvendigvis at konstruere ny specialiseret hardware for hvert eksperiment.
SDR-princippet anvendes blandt andet i kommunikationsinfrastruktur, militære radiosystemer, forskning, satellitkommunikation og udvikling af nye trådløse teknologier. Programmerbare processorer som DSP'er og FPGA'er er centrale elementer i mange sådanne systemer. citeturn0search25turn0search27
Kan man optage et stykke af radiospektret?
Ja. Det er en af de interessante muligheder ved SDR.
I stedet for kun at optage den lyd, man hører, kan SDR-software gemme IQ-data fra et helt frekvensområde inden for den øjeblikkelige båndbredde.
Optagelsen kan senere åbnes igen og behandles, næsten som om man modtog signalerne live.
Man kan eksempelvis ændre frekvens inden for det optagede område, vælge en anden modulation eller justere filteret efter optagelsen.
Modtagelse betyder ikke fri adgang til alt
En bredbåndet SDR kan teknisk modtage meget store dele af radiospektret, men teknisk mulighed og lovlig anvendelse er to forskellige ting.
Det samme gælder SDR-transceivere. At udstyret teknisk kan generere et signal på en bestemt frekvens betyder ikke, at man frit må sende der.
Traditionel radio og SDR er ikke modsætninger
Det kan være misvisende at betragte traditionel radio og SDR som to helt adskilte teknologier.
Moderne radiosystemer kombinerer ofte klassisk RF-teknik med omfattende digital signalbehandling. Grænsen mellem en digital radio og en Software Defined Radio kan derfor være flydende.
Det centrale ved SDR er graden af fleksibilitet: Jo flere af radioens funktioner der kan ændres eller implementeres gennem software og programmerbar hardware, desto mere softwaredefineret bliver systemet.
Når radioen bliver programmerbar
Software Defined Radio ændrer ikke de grundlæggende principper for radiokommunikation. Vi har stadig en antenne, et radiosignal, en modtager – og ved transmission også en sender.
Det nye er, hvor radioens funktioner bliver skabt.
Hvor en stor del af funktionerne tidligere var bestemt af faste elektroniske kredsløb, kan SDR flytte en betydelig del af arbejdet over i den digitale signalbehandling.
Det gør radioen til noget mere end en modtager med en frekvensknap. Den bliver et fleksibelt værktøj, hvor man kan se, analysere og behandle radiospektret med software.
Copyright © Kinaradio.dk