Spis treści:
W ostatnich latach coraz częściej można spotkać się z określeniem SDR. Co to znaczy i dlaczego robi taką furorę w świecie nowych technologii? Spieszymy z wyjaśnieniem!
Technologia radiowa to niewątpliwie jeden z najbardziej zaawansowanych (a zarazem wymagających) obszarów współczesnej elektroniki. Praca z bardzo szybkimi sygnałami, o częstotliwości sięgającej nawet kilkudziesięciu gigaherców, wiąże się dla konstruktorów urządzeń RF z koniecznością rozwiązania szeregu problemów i to zarówno na etapach projektowania schematu układu elektronicznego, jak i opracowywania płytki drukowanej.
Co gorsza, w większości przypadków urządzenie zaprojektowane do określonego celu w zupełności nie nadaje się do użycia w innych aplikacjach. Mało tego – wystarczy nawet zmienić pasmo transmisji, by całość musiała zostać poważnie przeprojektowana. A gdyby tak stworzyć jedno, uniwersalne rozwiązanie, które będzie w stanie obsłużyć niemal dowolny standard komunikacji radiowej? Pomysł wydaje się fenomenalny, ale zapewne już intuicyjnie czujesz, że aby dało się łatwo „przezbroić” nasze wymarzone urządzenie na nowy tryb działania, musiałoby ono zostać gruntownie przeprogramowane. Zaraz, zaraz… a co z częścią sprzętową? I tutaj właśnie dochodzimy do sedna technologii SDR. Jeżeli zatem zdołaliśmy zainteresować Cię tym krótkim wstępem – zapraszamy do lektury dalszej części artykułu!
SDR – definicja i zarys koncepcji
Skrót SDR pochodzi od anglojęzycznego określenia Software-Defined Radio, co w dosłownym tłumaczeniu znaczy Radio zdefiniowane programowo. I w ten właśnie sposób dochodzimy do sedna całej sprawy – SDR to architektura radiokomunikacyjna, która przenosi znaczącą część funkcji sprzętowych do przestrzeni programowej, umożliwiając dynamiczną rekonfigurację i adaptację systemu do rozmaitych potrzeb. W tradycyjnych układach radiowych, funkcje takie jak modulacja, demodulacja czy filtracja, były zawsze realizowane w dedykowanym do tego celu sprzęcie – układzie elektronicznym, opracowanym z myślą o funkcjonowaniu w danym paśmie częstotliwości i z innymi, narzuconymi z góry na etapie projektowania, parametrami technicznymi. Taka architektura była rzecz jasna dość „sztywna” i, jak już wspomnieliśmy, nie dawała zbyt wielkiego pola do popisu, gdyby zaszła potrzeba wprowadzenia istotnych modyfikacji.
Przeniesienie „ciężaru” przetwarzania sygnałów radiowych na oprogramowanie – co jest fundamentalnym założeniem technologii SDR – pozwala uzyskać znacznie większą elastyczność. Wszystkie wymienione wcześniej operacje są bowiem realizowane w warstwie programowej, często przy użyciu algorytmów działających na platformach takich, jak macierze programowalne FPGA (ang. Field-Programmable Gate Array), czy też procesory sygnałowe DSP (ang. Digital Signal Processor). Rzecz jasna, zastosowanie tak wydajnych platform jest konieczne z uwagi na wymaganą szybkość wykonywania złożonych obliczeń matematycznych – zwykły mikrokontroler (np. ATmega) nie poradziłby sobie bowiem z tak rozbudowanymi algorytmami, które w dodatku muszą być wykonywane w bardzo krótkim czasie, przez cały okres nadawania lub odbioru fal radiowych.
Sprzętowa strona SDR, czyli o tym, czego nie da się zrobić programowo
Rzecz jasna, nie sposób zrealizować całego urządzenia radiowego w sposób czysto programowy – w jakiś sposób musimy przecież odebrać lub nadać sygnał, czyli – innymi słowy – skomunikować nasze urządzenie z anteną. W przypadku SDR udział specjalizowanego sprzętu jest jednak ograniczony do absolutnego minimum – i tak, po stronie nadajnika mamy wzmacniacz mocy, do którego – za pośrednictwem tzw. UP konwertera (układu przemiany częstotliwości) – doprowadzony jest sygnał z szybkiego przetwornika cyfrowo-analogowego (DAC).
Dane sterujące przetwornikiem, będące wynikiem obliczeń matematycznych i zawierające zakodowane dane do przesłania, pochodzą już bezpośrednio z „serca” SDR, czyli np. macierzy FPGA.
I w drugą stronę – w odbiorniku SDR część sprzętowa jest okrojona do wzmacniacza niskoszumnego (LNA), wyposażonego w podstawowy filtr, mieszacz i przetwornik ADC, który próbkuje sygnał o częstotliwości pośredniej i przekazuje go w cyfrowej postaci wprost do FPGA/DSP.
Cała „magia”, związana z dalszą obróbką odebranych sygnałów oraz z ich dekodowaniem, odbywa się już po stronie oprogramowania, dzięki czemu to samo urządzenie może poradzić sobie z różnymi rodzajami modulacji (np. QAM, QPSK czy OFDM) i rozmaitymi standardami kodowania danych.
Software-Defined Radio dla każdego, czyli HackRF One SDR
W ostatnich latach SDR intensywnie zyskuje na znaczeniu w kontekście nowych technologii telekomunikacyjnych – przykładowo, w aplikacjach wojskowych czy kosmicznych (satelitarnych), elastyczność funkcjonalna i zdolność do pracy w szerokim zakresie częstotliwości są kluczowe dla możliwości dostosowania do zmieniających się potrzeb oraz warunków transmisji. Niestety, w większości przypadków platformy sprzętowe SDR – z uwagi na konieczność stosowania bardzo kosztownych macierzy FPGA, procesorów DSP, czy szybkich i niskoszumnych przetworników ADC oraz DAC – są daleko poza zasięgiem finansowych większości użytkowników prywatnych, a także organizacji akademickich czy małych firm.
Na szczęście, i ta luka rynkowa została skutecznie zapełniona. Urządzenie HackRF One SDR to gotowa platforma sprzętowa, dostosowana do pracy z częstotliwością w bardzo szerokim zakresie od 1 MHz aż do 6 GHz. Szybkie konwertery o częstotliwości próbkowania 20 MSps zapewniają szerokie możliwości w zakresie implementacji i testowania rozmaitych algorytmów modulacji i demodulacji, zaś kompatybilność z otwartoźródłowym oprogramowaniem GNU Radio pozwala w przystępny sposób zapoznać się z tajnikami technologii SDR, bez konieczności inwestowania w drogie systemy komercyjne. Urządzenie komunikuje się z komputerem za pomocą interfejsu USB 2.0 i jest wyposażone w trzy złącza SMA: jedno służące do podłączenia anteny oraz dwa pozostałe, pracujące jako wejście i wyjście sygnału zegarowego.
