Spis treści:
V posledních letech se stále častěji používá termín SDR. Co to znamená a proč je ve světě nových technologií tak populární? Spěcháme s vysvětlením!
RF technologie je bezpochyby jednou z nejpokročilejších (a nejnáročnějších) oblastí moderní elektroniky. Práce s velmi rychlými signály o frekvencích až několika desítek gigahertzů přináší konstruktérům VF zařízení řadu problémů, a to jak ve fázích návrhu schématu elektronického obvodu, tak ve fázích vývoje desek plošných spojů.
Ještě horší je, že ve většině případů je zařízení určené pro určitý účel zcela nevhodné pro použití v jiných aplikacích. Nejen to, ale i když se změní přenosové pásmo, musí se celé zařízení vážně přepracovat. Co takhle vytvořit univerzální řešení, které by zvládlo téměř jakýkoli standard rádiové komunikace? Myšlenka se zdá být fenomenální, ale asi už intuitivně cítíte, že abychom mohli naše vysněné zařízení snadno “převést” na nový režim provozu, museli bychom ho důkladně přeprogramovat. Počkat… a co hardwarová část? A právě zde se dostáváme k jádru technologie SDR. Pokud se nám tedy podařilo vás tímto stručným úvodem zaujmout – zveme vás k přečtení zbytku článku!
SDR - definice a nástin konceptu
Zkratka SDR je odvozena od anglického termínu Software-Defined Radio, což doslova znamená Softwarově definované rádio. A tím se dostáváme k jádru celé věci –SDR je radiokomunikační architektura, která přesouvá významnou část hardwarových funkcí do softwarového prostoru, což umožňuje dynamickou rekonfiguraci a přizpůsobení systému různým potřebám. V tradičních rádiových systémech byly funkce, jako je modulace, demodulace nebo filtrace, vždy prováděny ve vyhrazeném hardwaru – elektronickém obvodu, navrženém pro fungování v daném frekvenčním pásmu a s dalšími technickými parametry, které byly předem stanoveny ve fázi návrhu. Taková architektura byla samozřejmě poměrně “rigidní”, a jak jsme již zmínili, neposkytovala mnoho manévrovacího prostoru, pokud by se objevila potřeba významných úprav.
Přenesením “břemene” zpracování VF signálu na software – což je základní princip technologie SDR – je možné dosáhnout významných výsledků větší flexibilita. Je to proto, že všechny dříve zmíněné operace se provádějí v softwarové vrstvě, často pomocí algoritmů běžících na platformách, jako jsou např. programovatelná pole FPGA (Field-Programmable Gate Array) nebo Signálové procesory DSP (Digital Signal Processor). Je zřejmé, že použití těchto vysoce výkonných platforem je nezbytné kvůli rychlosti potřebné k provádění složitých matematických výpočtů – tzv. Běžný mikrokontrolér (např. ATmega) by nebyl schopen zvládnout tak rozsáhlé algoritmy, které navíc musí být provedeny ve velmi krátkém čase, a to po celou dobu vysílání nebo příjmu rádiových vln.
Hardwarová stránka SDR aneb co nelze provést programově
Samozřejmě není možné realizovat celé rádiové zařízení čistě softwarově – musíme přece nějak přijímat nebo vysílat signál, jinými slovy komunikovat naše zařízení s anténou. V případě SDR je však zapojení specializovaného hardwaru omezeno na naprosté minimum – a tak máme na straně vysílače výkonový zesilovač, do kterého je – přes takzvaný UP převodník (obvod pro převod frekvence) – přiváděn signál z rychlého digitálně-analogového převodníku (DAC).
Řídicí data vysílače, která jsou výsledkem matematických výpočtů a obsahují kódovaná data, která mají být přenesena, již pocházejí přímo ze “srdce” SDR, např. z pole FPGA.
A v opačném směru – v přijímači SDR je hardwarová část zkrácena na nízkošumový zesilovač (LNA) vybavený základním filtrem, směšovačem a ADC, který vzorkuje mezifrekvenční signál a přenáší jej v digitální podobě přímo do FPGA/DSP.
Veškerá “magie” spojená s dalším zpracováním přijatých signálů a jejich dekódováním se již provádí na straně softwaru, takže stejné zařízení si poradí s různými typy modulace (např. QAM, QPSK nebo OFDM) a různými standardy kódování dat.
Softwarově definované rádio pro každého aneb HackRF One SDR
V posledních letech nabývá SDR intenzivně na významu v souvislosti s novými telekomunikačními technologiemi – například ve vojenských nebo kosmických aplikacích (satelitních) jsou funkční flexibilita a schopnost pracovat v širokém frekvenčním rozsahu rozhodující pro přizpůsobení měnícím se potřebám a přenosovým podmínkám. Bohužel ve většině případů jsou hardwarové platformy SDR – vzhledem k potřebě velmi drahých polí FPGA, DSP nebo rychlých a nízkošumových ADC a D/A převodníků – daleko mimo finanční možnosti většiny soukromých uživatelů, stejně jako akademických organizací nebo malých společností.
Naštěstí se podařilo zaplnit i tuto mezeru na trhu. Zařízení HackRF One SDR je hotová hardwarová platforma přizpůsobená pro provoz ve velmi širokém frekvenčním rozsahu od 1 MHz až po 6 GHz. Vysokorychlostní převodníky se vzorkovací frekvencí 20 MSps poskytují široké možnosti pro implementaci a testování různých modulačních a demodulačních algoritmů, zatímco kompatibilita s open-source softwarem GNU Radio poskytuje cenově dostupný způsob, jak se seznámit se zákoutími technologie SDR, aniž by bylo nutné investovat do drahých komerčních systémů. Zařízení komunikuje s počítačem prostřednictvím rozhraní USB 2.0 a je vybaveno třemi konektory SMA: jeden slouží k připojení antény a další dva fungují jako vstup a výstup hodin.
