Software Defined Radio — как это работает? Часть 2

в 19:40, , рубрики: radio, SDR, гаджеты, Научно-популярное, обработка сигналов, Программирование, Разработка систем связи, Электроника для начинающих

Привет.

В первой части были описаны основные виды SDR-устройств и кратко были приведены их характеристики. Во второй части я расскажу подробнее о плюсах и минусах SDR, также будут приведены примеры использования этой технологии.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 1

Продолжение под катом (осторожно, траффик).

Преимущества SDR

Для начала поговорим о преимуществах SDR, о том, что они дают пользователю. Понятно, что приоритеты у всех разные, поэтому разные пункты собраны в перемешку. Какой из них «более главный» сказать сложно, да наверное и невозможно, каждый решит для себя сам.

Панорамный обзор эфира

Первое, и самое очевидное — SDR показывает панораму радиоэфира «как есть».

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 2

Это достаточно удобно, как в плане наглядности, так и в плане поиска новых сигналов. На экране сразу видно например, что какая-то станция работает справа на 100КГц выше по частоте, видны различные помехи, новые и особенно короткие сигналы, и пр. Сигналы с быстроизменяющейся частотой например, на обычном «классическом» приемнике или трансивере просто не видны, и человек даже не догадается об их присутствии.

Посмотреть как это выглядит и послушать что творится в эфире, может любой, открыв web-панораму на голландском SDR. Как пример картинки оттуда, хорошо видна работа ППРЧ (но это не точно).
Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 3

Регулируемые цифровые фильтры и звуковые эффекты

Радиолюбители со стажем наверное помнят времена, когда узкополосные кварцевые фильтры докупались к радиостанциям отдельно, и стоили не таких уж малых денег. Еще хуже ситуация в дешевых бытовых приемниках — фильтры там попроще, и настроены вообще никак китайским рандомом, как повезет. Да и настроек в таких приемниках обычно только две — Wide и Narrow. В SDR все фильтры выполняются математически, поэтому любую ширину фильтра можно просто выбрать «мышкой» или задать в настройках. Прямоугольность фильтров тоже может быть практически идеальная — математически можно выбрать любой порядок фильтров, все ограничено лишь алгоритмом.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 4

Аналогично могут задаваться настройки шумоподавления, коэффициенты АРУ и пр.

Кстати, некоторые аудиофилы считают что «обычные» аналоговые фильтры звучат теплее и ламповее лучше, мне сказать сложно. Возможно, вид цифровых фильтров и влияет на восприятие звучания, тут тоже есть поле для экспериментов.

Возможность измерений

SDR это довольно-таки точный измерительный прибор. Начиная от банального отображения уровней разных станций в децибелах, до оценки помех, качества сигнала и пр. Все недостатки своего или чужого сигнала отлично видны на спектре.

Для примера, на картинке виден сигнал FM-станций. Сразу видно кто где вещает, с каким уровнем, какие станции мешают друг другу.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 5

Также можно использовать SDR как анализатор спектра.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 6

Широкополосная обработка

Прием сигнала сразу широкой полосой в несколько мегагерц открывает удивительные возможности для обработки сигналов. Любители азбуки Морзе и радиосоревнований, например, могут декодировать позывные сразу в широкой полосе (хотя, по-моему, это неспортивно, но это другой вопрос).

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 7

Также можно создавать неограниченное количество «виртуальных приемников» в пределах полосы пропускания. Для примера показано декодирование радиолюбительских сигналов WSPR сразу на двух диапазонах с одного физического приемника.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 8

С помощью SDR и Virtual Audio Cable пользователи с раздвоением личности могут слушать сразу две станции, одну в правое ухо, другую в левое ;)

Можно предположить, что в проф. устройствах обработка широкой полосы дает большие возможности по поиску, классификации, обнаружению и подавлению различных сигналов. Вероятно, технология активно используется в радарах и прочих устройствах.

Прием и передача практически любых видов модуляции

Обработка сигналов делается на ПК, поэтому вычислительные возможности ограничены лишь наличием нужных декодеров. AM, FM, WFM, DRM, DAB+, TETRA и много других страшных слов — практически для всех современных открытых протоколов можно найти декодер.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 9

Что пока «не по зубам» SDR, это пожалуй GSM и WiFi, хотя и тут какие-то подвижки есть (Open BTS, WiFi Analyzer).

Что касается передачи, то владельцы URRP или LimeSDR могут, например, поэкспериментировать с DAB+.

Широкополосная запись и воспроизведение

Т.к. в SDR все данные пишутся изначально в цифре, нет проблем записать всю полосу сразу целиком, чтобы прослушать или проанализировать потом. В одной записи может содержаться сразу несколько радиостанций, которые можно прослушать точно также, как с реального приемника. Это чем-то похоже на RAW-файл с фотокамеры, где постобработку (баланс белого и пр) можно сделать уже после съемки.

По ссылке приведен пример записи с шириной полосы 760КГц, панорама которой выглядит вот так:

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 10

В записи можно найти сразу много чего — маяк точного времени, телеметрию, приводные маяки, вещательные станции. Открыть ее можно в Matlab бесплатной программе HDSDR. Недостаток здесь только один, это большой размер. Одна минута записи при таком битрейте занимает 350Мбайт. Но разумеется, при реальных записях нет смысла писать все подряд, можно выбрать ширину полосы в зависимости от задач.

Удаленная работа

Еще одно активно развивающееся направление. Некоторые SDR приемники и трансиверы имеют возможность удаленной работы — т.к. приемник доступен по IP-адресу, то нет принципиальной разницы, стоит он рядом на столе или в 100км на даче (разумеется, битрейт передачи нужно настроить в соответствии с шириной интернет-канала). Учитывая, что помех в городах все больше и больше, это может стать весьма актуальным.

Инженерные и исследовательские задачи

Разумеется, при наличии широкополосной записи и воспроизведения, открываются большие возможности для отладки разных сигналов, протоколов, тестирования методов ЦОС и пр. Специализированные девайсы для исследовательских целей (USRP) позволяют работать full duplex, также могут иметь несколько входов и возможность синхронизации, что позволяет тестировать такие алгоритмы как direction finding.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 11

С помощью GNU Radio можно создавать и тестировать сложные системы обработки сигналов, используя большое количество готовых блоков.

Software Defined Radio — как это работает? Часть 2 - 12

Преимущества надеюсь, понятны, поговорим о недостатках.

Недостатки SDR

Только стационарная работа

Главный недостаток для большинства пользователей — SDR это фактически стационарный настольный прибор, брать его с собой весьма неудобно и некомфортно. В городах, увы, уровень помех зачастую зашкаливает, а портативных приемников с SDR и IQ-записью пока практически нет.

В последние годы стали появляться приемники и трансиверы, сделанные по SDR-технологии, но компактного и легкого устройства, которое можно было бы просто взять с собой, пока на рынке так и нет. Конечно, при желании можно взять с собой ноутбук, SDR, антенну, провода, адаптеры, powerbank, но все это достаточно громоздко и неудобно. Рынка портативных SDR-устройств пока де-факто не существует. Из исключений разве что RDR-Pocket, но его цена порядка 1500Евро, и он выпускается только под заказ. Современные технологии вполне позволяют делать такие устройства, но на них просто нет платежеспособного спроса.

Цена

Как очевидно из описания, хороший SDR — это достаточно дорогостоящий прибор. Сверхбыстрые АЦП и ПЛИС, малошумящие каскады на входе, многослойные печатные платы, качественные фильтры и пр — цена хороших DDC SDR начинается от 500$ и выше, и дешево такое никак не сделать. Профессиональные приемники (USRP, Winradio) стоят от 1500$ и выше.

Впрочем, подвижки тут тоже есть. Вполне неплохие приемники SDRPlay с диапазоном от 10КГц до 2ГГц продаются за 150$, и хотя это не DDC и АЦП всего 12бит, но для большинства задач приема его хватает. «Свистки» RTL-SDR за 30$ уже наверное есть у каждого радиолюбителя. Для любителей УКВ и обработки сигналов есть недорогие LimeSDR, которые при цене в 200-300$ покрывают диапазон до 6ГГц.

Энергопотребление

Также очевидно, что ток потребления довольно высок. Обычный «классический» радиоприемник может работать месяц от батареек, DDC SDR будет потреблять не менее 1-2А во время работы.

Заключение

В предыдущей части некоторые задавались вопросом, зачем это вообще нужно, надеюсь отчасти удалось ответить этот на вопрос.

Все что планировалось, в одну статью опять не влезло. В следующей последней части будет рассмотрен программный интерфес к SDR-приемнику на языке Python, и возможно, немного работы с GNU Radio.

Автор: DmitrySpb79

Источник

* - обязательные к заполнению поля