Software rádio , v angličtině : software rádio nebo softwarově definované rádio (SDR), je rozhlasový přijímač a vysílač případně vyrobené převážně softwaru a v menší míře také hardware .
Ve směru příjmu spočívá hardwarová část buď v přímé digitalizaci vysokofrekvenčních signálů přijímaného pásma analogově-digitálním převodníkem (ADC), nebo v jejich převodu na střední frekvenci (IF ) před digitalizací.
Následující zpracování lze poté provést v softwaru: filtrování, decimace, demodulace, dekódování atd. Tyto operace zpracování se provádějí pomocí mikroprocesoru určeného pro zpracování signálu ( DSP, Digital Signal Processor ), vyhrazeného zpracování komponentního signálu ( ASIC) : Application Specific Integrated Circuit), programovatelná elektronická součástka ( FPGA , Field Programmable Gate Array), nebo přímo na procesoru tradičního PC. To propůjčuje vysílači / přijímači univerzálnost a velkou přizpůsobivost. Opravdu stačí změnit nebo přizpůsobit software pro práci s jiným rádiovým systémem .
V konvenčním rádiovém systému je přenos / příjem zajištěn specifickými hardwarovými komponentami (oscilátory, filtry atd.) Přizpůsobenými systémům, pro které je určen. Není proto často možné používat jiné systémy bez změny hardwaru a tedy celého přijímače.
Oblast softwarových rádií se neustále vyvíjí, protože první byla vytvořena americkou armádou v 90. letech.
Software Defined Radio byl konceptualizován na počátku 90. let Joseph Mitola. Definoval ideální softwarové rádio jako sestávající pouze ze dvou komponent: antény pro příjem vln a analogově-digitálního převodníku, anglicky: Analog Digital Converter (ADC) , který by přeměnil vlny na jazyk srozumitelný procesorům, které by plnil všechny úkoly, které může softwarově definované rádio vykonávat. Tento ideál dosud nebyl dosažen, softwarová rádia jsou stále tvořena mnoha kusy hardwaru. První softwarové rádio bylo vyvinuto armádou Spojených států, zejména námořnictvem, v letech 1991 až 1995. Toto první rádio bylo pojmenováno SPEAKeasy. V ideálním softwarově definovaném rádiu jsou všechny funkce rádia programovatelné. To znamená, že implementace nezávisí na hardwaru, na kterém běží. Dosud nebyl tento typ rádia implementován.
V analogových rádiích je elektromagnetická vlna přijímána přijímačem, anténou , která transformuje vlnu na elektrický signál. Signál je poté poprvé zesílen radiofrekvenčním zesilovačem, v angličtině radiofrequency (RF). Po zesílení bude signál demodulován další komponentou, detektorem. Demodulace signálu umožňuje přizpůsobit přijímanou sinusovou vlnu přizpůsobením jejích různých charakteristik, frekvence, amplitudy. Po demodulaci je signál podruhé zesílen.
V případě emise se jedná o opačný proces. Zvuková vlna je nejprve zachycena mikrofonem, zesíleným zesilovačem LF. Frekvence zesíleného zvukového signálu je poté modulována. Získaný signál je znovu zesílen radiofrekvenčním zesilovačem a poté vysílán rádiovou anténou ve formě elektromagnetické vlny.
Softwarová rádia mají analogovou část a digitální část.
Stejně jako u tradičních rádií je vysokofrekvenční vlna nejprve zachycena anténou a poté transformována na mezifrekvenční signál pomocí RF (vysokofrekvenčního) modulátoru. Antény a RF modulátorem na vstupu do systému je analogová část Softwaru Defined Radio. Mezifrekvenční signál poté prochází analogově-digitálním převodníkem v angličtině: Analog Digital Converter (ADC) . S analogovým signálem na vstupu umožňuje tato součástka získat digitální signál na výstupu. Tato součást také tvoří most mezi analogovou částí a digitální částí softwarového rádia. Digitální signál poté prochází digitálním převaděčem dolů, anglicky: Digital Down Converter (DDC) . Tato součást se skládá ze 3 dílčích komponent, digitálního mixu, v angličtině: digitálního mixu, digitálního oscilátoru, v angličtině: digitálního lokálního oscilátoru a filtru konečné impulzní odezvy , v angličtině: Finite Impulse Response (FIR) . Směšovač a oscilátor převádějí signál na základní pásmo a poté FIR filtruje frekvenci výstupního signálu. Poslední komponenta, procesor digitálního signálu, se stará o demodulaci a dekódování signálu.
V 90. letech byla softwarová rádia implementována na standardních procesorech, anglicky: General Purpose Processor (GPP). Výhodou vývoje softwarové části rádia na standardním procesoru je ponechání širokého výběru programovacích jazyků. Některá softwarová rádia byla proto vyvinuta v C ++ nebo v jiných programovacích jazycích na vysoké úrovni. Výhodou této architektury je rychlý vývoj softwarové části, protože je vhodná pro jazyky vyšší úrovně. Tyto procesory však nedokázaly demodulovat složité vlny v reálném čase a rozptýlit příliš mnoho tepelné energie. Tato možnost byla proto armádou, která vyvinula tato rádia, vyloučena.
S myšlenkou používat generické procesory k vytváření vysoce výkonných softwarových rádií získaly popularitu programovatelné logické obvody ( FPGA : Field-Programmable Gate Array ). Rostoucí zájem o tento typ platformy pomohl vyvinout procesory digitálních signálů ( DSP : Digital Signal Processor v angličtině). Ale na FPGA jsou programy psány v jazyce popisu hardwaru ( HDL : Hardware Definition Language English). Tento typ jazyka závisí na architektuře procesoru, na kterém je spuštěn. To zahrnuje změnu částí programu v závislosti na platformě, což vedlo ke vzniku nových nástrojů ( rámců ) pro abstrahování hardwarové části, které jsou méně účinné. FPGA navíc simuluje pouze chování elektronických součástek. Ve srovnání s vyhrazenou komponentou to nutně způsobuje ztrátu výkonu a větší rozptyl energie ve formě tepla.
Procesory digitálního signálu jsou jedním typem mikroprocesoru optimalizovaného pro snížený počet operací ve srovnání s běžnými procesory. Tato součást je proto méně flexibilní než programovatelný logický obvod nebo standardní procesor. Jsou také méně efektivní než standardní procesory. K překonání tohoto problému je procesor digitálního signálu obvykle spojen se standardním procesorem neboli GPP, aby implementoval softwarové rádio. Několik operačních systémů je vhodných pro tento typ procesoru, takže je obtížnější implementovat softwarové rádio pomocí těchto procesorů. Volba použití digitálního signálního procesoru také snižuje spotřebu energie systému.
Jsou možné různé architektury, které byly testovány pro implementaci softwarového rádia. Některé architektury obsahují pouze „klasický“ procesor, který nemá žádnou zvláštní specifičnost, jiné používají ke zvýšení výkonu kombinace různých procesorů. Zde vidíme neúplné srovnání různých možných architektur a výkonu získaného pro každou architekturu. Faktor 10 si všimnete, když architektura přejde z jednoho procesoru na několik paralelně, aby provedla algoritmus detekce signálu potřebný v softwarovém rádiu, aby mohl přijímat a odesílat signály. Obecně jsou grafické procesory 5krát rychlejší než běžné procesory a 3krát rychlejší než procesory digitálního signálu
Délka vstupních dat (ms) | Standardní sériové procesory (ms) | Standardní procesory paralelně (ms) | Paralelní grafický procesor (ms) |
---|---|---|---|
1 |
13 487 |
1254 |
0,278 |
10 |
135 852 |
12 842 |
2,846 |
100 |
1384 237 |
131,026 |
29358 |
1000 |
13946.218 |
1324,346 |
321,254 |
Softwarově definované rádio se skládá z pěti klíčových komponent: anténa , vysokofrekvenční filtry, převod analogového signálu na digitální signál, digitální zpracování signálu, propojení mezi těmito komponenty. Každá z těchto komponent přináší svou vlastní sadu technologických výzev.
Hlavní výzvou, s níž se setkáváme u hardwarových komponent, je to, že antény jsou schopné fungovat pouze v malém frekvenčním rozsahu . Zvětšení velikosti antény umožňuje zvýšit její kmitočtový rozsah, ale také se tím zvýší šum přijímaný touto anténou a také se sníží její citlivost příjmu. Spojením několika antén je možné přijímat signály od 500 MHz do 5,5 GHz, aniž byste přijímali příliš mnoho šumu . Nové technologie také umožňují mít antény schopné přizpůsobit jejich frekvenci . Elektromagnetické technologie mikrosystému otevřely nové studijní obory na toto téma. Spínače, které umožňují měnit frekvenční rozsah jako antény byly zejména vyvinuty pomocí těchto technologií. Další problémy komplikují realizaci efektivní antény v softwarových rádiích. Pro zodpovězení těchto problémů existují různé typy antén: rezonanční antény s nezávislými frekvencemi a ultraširokopásmové antény, anglicky: Ultra-Wideband (UWB).
Hlavní problém tohoto typu komponenty spočívá ve výběru a odmítnutí přijatého rušení. Vývoj elektromagnetických technologií mikrosystému přinesl zlepšení výkonu těchto komponent.
Softwarově definovaný modul pro zpracování rádiových signálů musí žonglovat s několika kritérii, aby byl optimální. Mezi tato kritéria patří snadnost programování, úroveň integrace, vývojový cyklus, výkon zpracování signálu i spotřeba energie tohoto motoru.
Softwarově definované rádio má tu výhodu, že naváže rádiové spojení pomocí rekonfigurovatelných bloků. Jedná se tedy o jedinečný komunikační nástroj, protože umožňuje propojení heterogenních entit. Za tímto účelem musí softwarové rádio využívat stávající standardy, implementovat různé protokoly, být schopno zpracovat přijímaný signál rychlostí, která sleduje vývoj na trhu, a mít architekturu, která umožňuje dobrou konektivitu mezi komponenty rádia. Existuje několik architektur propojení mezi těmito komponentami: architektura sběrnice, stromová architektura a architektura přepínače.
Jedním z problémů softwarového rádia je schopnost zpracovat signál, který přijímá, v reálném čase. Ve skutečnosti musí být na signál použito mnoho funkcí, než jej lze použít. To znamená mít dostatečný výpočetní výkon. Částečně z tohoto důvodu jsou konvenční procesory (GPP) obecně vyloučeny ze softwarových rádií, ale dáváme přednost architekturám vhodnějším pro zpracování signálu v reálném čase.
Softwarová rádia se obecně vztahují na oblasti, ve kterých musí být systém přenosný, například v automobilovém odvětví, kde se softwarové rádio postupně vyvíjí. Spotřeba energie je proto jedním z hlavních kritérií pro implementaci softwarového rádia. Ve skutečnosti je v systému, jehož zdrojem energie je baterie, obecně hledáno optimalizovat spotřebu energie, aby byla zachována optimální autonomie.
Softwarová rádia mají proměnlivé frekvence mezi několika stovkami megahertzů a několika gigahertzi. Tato vlastnost činí ze softwaru definovaného rádia objekt, který mění tvar. Tato přizpůsobivost skutečně umožňuje tomuto objektu respektovat mnoho standardů včetně Bluetooth , EGSM , WLAN a mnoha dalších. Tyto technologie umožňují opětovné použití softwarového rádia pro nejrůznější použití.
Softwarově definované rádio lze použít k přenosu a příjmu dat. Zařízení tohoto typu lze také vzájemně propojit do sítě. Tato technologie by mohla být v budoucnu stále více využívána na webu. Některé softwarové rádia však zůstávají účinné, aby zůstaly účinné. Obzvláště obtížné je navázat vztah serveru s několika klienty. Tento problém nicméně existuje, zejména je možné nainstalovat server Linux, který bude schopen spravovat několik klientů.
Softwarově definované rádiové aplikace na mobilních telefonech se stále více vyvíjejí. Ve skutečnosti jsou nyní k dispozici aplikace umožňující přeměnu mobilního telefonu na softwarové rádio, zejména na platformě Android. Protože softwarová rádia nabízejí mnoho možností, jsou možné i další aplikace spojené s telefonováním. Zejména je možné zajistit, aby telefony komunikovaly prostřednictvím softwarových rádií implementujících systém Voice over IP , v angličtině Voice Over IP (VOIP). To je možné například pomocí softwaru Open Base Transceiver Station, který je navržen tak, aby poskytoval vyhrazený bezdrátový přístupový bod pro mobilní telefonování. Je také možné použít softwarové rádio jako vysílač / přijímač Wi-Fi.
Skutečnost, že softwarové rádio je velmi adaptabilní a snadno rekonfigurovatelné, by mohla hrát klíčovou roli v komunikaci se satelity, protože tato rádia mohou komunikovat s různými relé, vysílat různé signály a podle stejně rozmanitých technik modulace signálu.
Softwarová rádia jsou na trhu stále více a jsou dostupná široké veřejnosti. Zde je několik příkladů:
Příjmení | Minimální frekvence (MHz) | Maximální frekvence (MHz) | Šířka pásma (MHz) | Cena ($) |
---|---|---|---|---|
RTL-SDR 2831 |
24 |
1766 |
2.4 |
10-20 |
Funcube Pro + |
420 |
2050 |
0,192 |
200 |
HackRF One |
1 |
6000 |
20 |
300 |
BladeRF 2.0 |
47 |
6000 |
61,44 |
400-650 |
USRP B200 |
10 |
6000 |
56 |
700 |
MatchStiq |
70 |
6000 |
50 |
4500 |
Pluto-SDR | 325 | 3 800 | 20 | 100-200 |
Softwarová rádia jsou velmi praktická, protože kdykoli je možné upravit jejich chování přeprogramováním určitých jejich softwarových komponent. Byly studovány další typy softwarových rádií, které omezují tyto přeprogramování.
Cílem chytrého rádia je být schopen používat různé frekvenční rozsahy. Je to proto, že softwarově definované rádio je naprogramováno pouze na provoz v určitém frekvenčním rozsahu a musí se přeprogramovat, pokud se frekvenční rozsah změní. Chytré rádio řeší tento problém. Rádio definovaný softwarem mohou současně používat různí uživatelé. To znamená, že je možné, aby se dva uživatelé pokusili o přístup ke stejnému frekvenčnímu rozsahu současně. Inteligentní rádio bude v tomto případě usilovat o využití neobsazené části rádiového spektra.
Tento typ softwarového rádia nevyžaduje přeprogramování rádiových komponent, aby bylo možné demodulovat signál. Softwarové rádio musí skutečně znát různé parametry signálu: nosnou frekvenci, typ modulace, šířku pásma signálu atd. Samostatné rádio nepotřebuje znát tyto parametry předem, aby bylo možné přijímat signál. Do rádia je přidána součást. To je schopné detekovat různé parametry signálu před tím, než je demodulován.
Softwarově definované rádiové techniky se používají například v mobilních sítích ( GSM , UMTS atd.) Na úrovni základnových stanic ( BTS, základnové vysílače a přijímače , uzel B ). Mají následující výhody:
Amatérská rozhlasová komunita nyní vyvinula několik implementací softwarového rádia (viz externí odkazy).
Nejjednodušší provedení používají frekvenční konverzi generující kvadraturní (I / Q) signál, který lze digitalizovat jednoduchou stereofonní zvukovou kartou PC. Vzorkování se obvykle provádí při 44 kHz, 96 kHz nebo 192 kHz, což umožňuje digitální zpracování úplného bloku spektra 44 kHz, 96 kHz nebo 192 kHz počítačem.
Nejpokročilejší konstrukce používají vyhrazené analogově-digitální převaděče, které pracují s rychlostí více než 100 mega vzorků za sekundu. Takto digitalizovaný surový signál je poté převeden na digitální I / Q signál s nižší rychlostí, poté přenesen přes USB nebo Ethernet do PC, které se postará o zpracování vzorků (demodulace, výpočet spektra atd. ). Tato technika umožňuje digitální zpracování úplného bloku spektra o šířce 2,5 MHz a více pomocí počítače.
Mezi převaděče pro fandy patří USRP a FUNCube.
Takový přijímač lze vyrobit jednoduchým způsobem pomocí USB klíče původně vyrobeného pro příjem digitální televize . Ve skutečnosti určité obvody dekodéru digitální televize založené na integrovaných obvodech RTL-2832U ve spojení se softwarem, jako je SDR #, umožňují demodulaci rádiových signálů za nízkou cenu.
Takové přijímače se také používají ke snímání signálů ADS-B přenášených letadly (a jejich shromažďování například na Flightradar24 ).
Byly vyvinuty analogové integrované obvody, které ukazují proveditelnost vysokofrekvenčního softwarového rádia podle speciální metodiky návrhu inspirované Pr. Yannem Devalem. Jsou založeny na zpracování vzorkovaného signálu pod názvem SASP („Sampled Analog Signal Processor“).
Softwarové rádiové soupravy, které mají vybavit francouzské ozbrojené síly kolem roku 2020, umožní „simultánní a vysoce bezpečný přenos hlasu a dat“ a budou představovat „základní prvek bezpečnosti a taktické kapacity pěchoty a žen. vozidla nasazená v provozu “.
Konkrétně tato rádia mají několik funkcí, jako je samozřejmě boj proti hlasu, ale také zasílání zpráv, video, geolokace atd. A to současně a diferencované z hlediska kvality služby, to znamená, že nejdůležitější data jsou vyměňována přednostně.