Szoftverrádióról

Szerk.: HA8LHT

A rádióamatőr berkekben teret hódító szoftverrádió – ellenben a külföldi példákkal – hazánkban meglehetősen kis publicitást kapott. Cikkem elsősorban rádióamatőröknek szól, akik az adás- és vételtechnika alapjait már elsajátították, így olyan fogalmak, mint például a szorzódemodulátor magyarázata felesleges.

A professzionális alkalmazástechnika határvonalát írásom nem hivatott átlépni, felesleges magyarázatként például a Nyquist-kritérium, redundanciavizsgálat vagy a Hilbert-transzformációs demoduláció sem kerül taglalásra. Célom csupán a szoftverrádió működésének alapszintű ismertetése, egy célhardver bemutatása a funkcionalitásának ismertetéséhez szükséges minimális magyarázattal. Nehéz úgy magyarázni egy digitális rendszer kompromisszumai szerint felépített rádió működését, hogy az ember ne kalandozzon el a különböző adásmódok és átviteli rendszerek irányába. A komplex ismeretanyag beágyazása sem egyszerű feladat, ezért a felületesnek tűnő leírás magyarázatát az Olvasó helyenként csak mondatokkal később vélheti felfedezni.

A szoftverrádió

Napjaink elvárása a kommunikációs berendezésekkel szemben egyre nő. Mint a technológia minden területén, itt is fejlődés, elvi-szerkezeti áttörés tapasztalható. A globalizáció, az integráció, digitalizálás és a kompatibilitás nyomására új generációjukhoz jutottak a rádiók. Az SDR (Software Defined Radio) – szoftverrádió – működési alapja, hogy a túlságosan képlékeny és zavarokra érzékeny analóg jelet feldolgozó részegységeket minél előbb felváltsa a digitális rendszer lehetőségeivel kínálkozó technológia, és a moduláció vagy a demoduláció ezt követően egy célhardverben szoftveres úton történik. Természetesen ez az átalakulás is végigjárja a maga evolúciós fejlődését, azt az utat, ahogy a képzeletbeli határvonal az RF és digitális részegységek között folyamatosan tolódik az antenna felé, leváltva a kritikus tulajdonságokkal bíró analóg fokozatokat (1. ábra).

1

2Az ideális szoftverrádió (SWR) a jelenlegi félvezető-technológiával nem képes kompromisszumok nélküli üzemre. Ideális esetnek azt vehetjük, amikor a sokszor több gigahertzes antennajelet közvetlenül digitalizálva dolgozzuk fel és alakítjuk vissza adattá, információvá. A nagyfrekvenciás egységek – jellemzően a nagyfrekvenciás erősítő, a keverőfokozat, a középfrekvenciás fokozatok – a hagyományos analóg módon működnek, ám a középfrekvencia után már egy digitalizált jel kerül feldolgozásra. A digitalizáció alatt az analóg, folytonos jel diszkrét értékekre való bontását értjük meghatározott gyakorisággal (analóg-digitális konverzió). Ennek a mintavételezésnek a gyakoriságán múlik az ezután következő digitális jelfeldolgozó egység (DSP) műveletvégző képessége: az elemi, legkisebb kvantált és a bemenetére juttatott jellel is képes bármilyen feladatot elvégezni (kiszűrni, eltávolítani), így segítségével szinte bármilyen szűrés elvégezhető, akár egy bitnyi, nagy meredekséggel (2. ábra) is. Így mind adás- mind pedig vételoldalon egyfajta spektrális hatékonyságot érhetünk el.

A technológia a ’90-es években alakult ki, elsők között az ICOM amatőr készülékeiben (az IC756PRO-II például 36 kHz-es KF jelet digitalizál a DSP számára). Vétel oldalon a demoduláció, vagy akár az automatikus erősítésszabályozás (AGC) is ebben a fokozatban, digitális műveletként valósul meg, ahol a jelfeldolgozó egység dedikált célhardveren (DSP) kívül lehet általános célú mikroprocesszor is. Egy Pentium 3 szintű processzor már elegendő műveleti sebességgel bír egy kompromisszum nélküli jelfeldolgozásra. Ezek értelmében a rádió funkcionalitása kizárólag az itt alkalmazott szoftvertől függ, maga a rádiókészülék az egyszerű és önmagában nem feladatorientált felépítésének köszönhetően nem avul el, szoftveresen bármikor újrakonfigurálható, sőt, alkalmas saját szoftverének vagy titkosítási kulcsának letöltésére és alkalmazására. Arra, hogy egy ilyen univerzálisan felhasználható hardvert kapjunk, biztosítani kell a processzor számára megfelelő mennyiségű és tulajdonságú jelet. Ebben kap szerepet az úgynevezett I/Q keverő, azaz a kvadratúradetektor, melynek kimenetén két olyan tulajdonságokkal bíró jel van, amik segítségével bármely ma használatos moduláció vagy demoduláció elvégezhető.

3A vezeték nélküli híradástechnika lényege, hogy egy vivőt modulálunk a továbbítandó adattal, vételoldalon pedig visszaalakítjuk, demoduláljuk. A kisugárzott jelnek három jellemzője módosulhat: amplitúdó, frekvencia és fázis. A vett jel fázisát és fázisváltását detektálni lehet még akkor is, ha annak amplitúdója változik. Gyakorlatban e két változót egymástól független, az I (In phase – azonos fázis) és a Q (Quadrature – kvadratúra) komponensként bontjuk fel, amik egymástól függetlenül változtathatóak és vétel oldalon pedig egymástól függetlenül szétválaszthatóak. Grafikus módon a polárdiagram (3. ábra) segítségével ábrázoljuk őket, ahol a nullponttól való távolság az amplitúdót, a referenciától (0º) való eltérés pedig a fázisváltást jelöli.

A fázis egy referenciajelhez képest módosul, mely általában maga a vivő. Az amplitúdó vagy egy abszolút és állandó értéket képvisel, vagy egy szinthez képest relatív értékkel bír, mely változó bevezetésével újabb jelsorozatot határozhatunk meg. Ekkor a jelnek nem csak a fázisváltozása, hanem a változó amplitúdója is információt hordoz. A jel változása során tehát változhat csak maga a fázis (3. a. ábra) vagy az amplitúdó (3. b. ábra), vagy mindkettő (3. c. ábra). A polárdiagram szerint ez a 4. ábrán bemutatott módon néz ki.4

5A digitális átvitel esetében ezt a két változót – az I és a Q komponenseket – egy derékszögű koordinátarendszerben fejezzük ki, ahol az I (azonos fázis) tengely a nulla fokú fázisreferencia megfelelője, a Q (kvadratúra) tengely pedig ehhez képest 90º-kal elforgatott. A jel vektorát a polárdiagram, vagy más néven a konstellációs diagram két tengelyére levetítve kapjuk meg az I és Q komponenst (5. ábra).

Az I/Q diagram bemutatja a digitális jel kialakulását. Ezt az elvet azonban az amatőrök által használt olyan analóg modulációs módszereknél, mint az FM, AM-DSB, LSB, USB is alkalmazzuk. Gyakorlati megvalósítása, azaz a „hardveres” kialakítása szerint a két független komponenst külön-külön szorozzuk az oszcillátor frekvenciájával, oly módon, hogy annak egyik ágában egy 90º-os fáziseltolást megvalósító áramkör helyezkedik el (lásd 1. ábra).

6

Mivel a két jel fáziskvadratúrában van (közöttük 90º fáziseltérés van – ábrázolva derékszögben helyezkednek el – ortogonálisak), azok nem zavarják egymást. Az adóoldalon történő moduláció eredménye egy kompozit jel, mely vételoldalon ismét szétválasztható: a bejövő nagyfrekvenciás jelet szintén két keverővel párhuzamosan keverjük úgy, hogy az egyik ágban 90º-kal eltérő fázisú jellel szorzunk, így a kimeneteken megkapjuk a demodulált I és Q jelet. A legtöbb digitális moduláció az 5. ábra szerinti síkon megfeleltetett diszkrét értékek hozzárendelésével valósítja meg az információ átvitelét az úgynevezett konstellációs pontok segítségével (6. ábra).

Minden egyes pontnak meghatározott I és Q értéke van, melyek adott kombinációja csakis őrá érvényes, kizárólag az ő vektorát határozza meg. Leegyszerűsítve a digitális kommunikáció úgy magyarázható, hogy az átvitel során a konstellációs pontok I és Q koordinátáit kell közölni a vevővel. Az, hogy melyik pont (vagy épp pontok közötti váltás iránya) milyen információt vagy karaktert hordoz, közös megállapodás kérdése, szabványokban, protokollokban van meghatározva. Nem kívánom tovább a digitális QAM vagy az oly népszerű PSK, BPSK, QPSK üzemmódok elméletét részletezni, hiszen a cikk nem erre hivatott, alapjaik a szoftverrádió funkcionális egységének, az I/Q keverő megértéséhez volt szükséges. Az I/Q keverő a szoftverrádióban nem feltétlenül szorzókeverő, lehet mintavevő áramkörös kapcsolóüzemű keverő is, mint ahogy a 7. ábra szerinti kapcsoláson az FST-3253 multiplexer/demultiplexer is funkcionál.

7

A kapcsolás részegységei jól elkülönülnek egymástól: az antenna nagyfrekvenciás jele a T1 köré épített bemenőkörön keresztül közvetlenül az I/Q keverőként üzemelő IC3 multiplexer (fázisdetektor) bemenetére kerül. Itt kapnak értelmet az eddig leírt alapok. A T1 és T2-vel felépített alaposzcillátor IC1 és IC2 által leosztott frekvenciájú, normál és 90º-kal eltolt fázisú jele szintén a keverő két bemenetére (2 és 14 láb) jut. A 0º fázisreferenciát maga a vivőhullám adja. Az I/Q keverő kimenetén megjelenő jel a középfrekvencia, ami az IC5 tokban helyet kapó két műveleti erősítő (itt középfrekvenciás erősítő) után a hangkártya bemenetére jut. Mivel az ide beérkező jelnek megvan a 0 és 90 fokos (I/Q) komponense is (jobb-bal csatorna), a 0 Hz alá és fölé kevert tükörfrekvenciákat tökéletesen el lehet különíteni, így a hangkártya analóg bemenetének sávszélessége ténylegesen meghatározza a vevő teljes sávszélességét. A bemutatott kapcsolásban egy 28,400 MHz-es oszcillátorral és egy 96 kHz mintavételi frekvenciával bíró hangkártyával 3502 és 3598 kHz közötti vevőkészüléket prezentálhatunk, 28400 : 8 = 3550 kHz-es sávközéppel (3550 ± 48 kHz).

Mivel a hangkártya jellemző tulajdonságai nagymértékben limitálják a vevő paramétereit (lévén ez az utolsó analóg fokozat), célszerű azt nagy gonddal megválasztani. Figyelembe kell venni többek között a zajtényezőit, dinamikatartományát, az ADC (és DAC) sebességét. A hangkártyák bitszámának és mintavételi frekvenciájának növekedésével jelentősen javult a kártyák dinamikatartománya és javult a jel-zaj viszonya. Egy 16 bites hangkártyával elérhető dinamikatartomány 96 dB, a 24 bites kártyáké azonban meghaladja a 100 dB-t is. Külső hangkártya használatakor a számítógép által keltett zajok nem tevődnek hozzá a digitalizálás előtti jelhez, hiszen oda már egy USB kábelen keresztül maga a digitális adatfolyam érkezik meg, amit analóg zavarok nem befolyásolnak. Mindezt figyelembe véve a Creative X-Fi termékei belépő szintű, kedvező árú megoldást kínálnak az alkalmazáshoz mind PCI csatlakozófelülettel bíró beépített kártyaként, mind külső, USB portra illeszkedő eszközként.

[1] Tekercsadatok a 80 méteres SoftRock vevőkészülékhez: mindkét tekercs T30-2 (piros színjelzésű) gyűrűre, 0,25 milliméter átmérőjű zománcozott rézhuzalból készült. L1 (9,1µH) 46 menet, T primer oldala (0.73µH) 13 menet, szekunder oldala kétszer 6 menet bifilárisan. C3 és R5 a 80 méteres változatban nem kerül beépítésre.

SDR projektek

8

A 7. ábrán bemutatott SoftRock becenévre hallgató kapcsoláshoz VE3NEA egy kompakt, Rocky nevű programot fejlesztett. A készülék üzembehelyezése [1] és a program telepítése után első teendőnk a használt hangkártya és az alapfrekvencia, azaz a leosztott órajel beállítása (8. ábra).

9

Ezt követően a beállítások menüjéből kilépve már a spektrumkép látható. Ezen a felületen van módunk többek között az üzemmódot (SSB, CW, PSK31 – mely utóbbihoz dekódert is tartalmaz a szoftver) és az alkalmazott szűrő sávszélességét beállítani egy csúszka segítségével (9. ábra).

Magyar kezdeményezésű SDR projektek is futnak, egyik legismertebb az SDR-1000 adóvevő építési mozgalom, mely külön internetes fórummal, több lelkes és sikeres gárdataggal is bír. Az SDR-1000 az integrált megoldásokat tartalmazó AD9854 révén jóval komplexebb (10. ábra), és egészen 65 MHz-ig üzemképes. Ezt a DDS párhuzamos porton való szinkronizált programozásával érjük el.

10

Bízom benne, hogy kellő mértékű betekintést tettem lehetővé a híradástechnika ezen fejlődő ágába, és kedvet kap az Olvasó további kapcsolódó ismeretanyag begyűjtésére akár a megfelelő fórumokat felkeresve gyakorlati, akár elméleti síkon.

  1. Még annyit hozzá tennék az SDR CUBE már PC nélkül is működik önálló SDR rádió.
    http://yu1lm.qrpradio.com/sdr%20rx%20yu1lm.htm

    Thumb up 1 Thumb down 0

  2. HA6QU

    agy hazai fejlesztesu SDR vveo platform:
    spectrafold.com/quadrus

    Thumb up 2 Thumb down 0

  3. A DSP -hez

    A DSP nem amatőr és nem amatőr célra
    kifejlesztett találmány – eszköz, más kérdés, hogy most
    “idegesen” (id.: egy HAM fórum) próbál utána menni a HAM technika.

    A DSP elsődleges és jól bevált működő területe a televizó technika,
    ahol már 90 -ben természetes volt az ilyen berendezések használata
    a professzionális televiziós közvetitő eszközökben világ szerte.
    Magyarországra 1993 -ban érkezett az első (id.: egy HAM fórum)

    A rádióamatőr területen még sok viz le fog folyni a dunán,
    mig azt a szintet eléri egy HAM rig, ugyanis a befektetett összeg
    csillagászati az ott elért szinvonalahoz (software-hardware).
    Addig csak lelkes, de alacsony szinvonalú kisérletek területe lehet.
    Bővebben: Digital Signal Processing

    Thumb up 2 Thumb down 3

  4. HA8LHT

    A 90-es évek polgári célú vételtechnikáját az elmult évtized felülírta. Ami akkor és ahil digitális processznek számított, az ma már előrejött, igy az eljárás és az eszközök terén ia újra definiálva a dsp-t. Emlékezz csak, nemrég még az fstm3253 volt a multiplex csúcsa, ma mar a TI a te asztalodra is olyan dsp-t rak néhány dollárért, amivel a hetvenes években katonáék kísérleteztek a 6800 processzor előtt. Kommunikációs célra a ham felhasználás valoban gyerekcipőben jár, de ez már a fizikai korlátok miatt biza így is marad. Egyébként őrült érdekes dsp-s fejlesztőkörnyezetek kaphatóak néhány ezer dollárért és nagyon különleges eszközöket kaphatsz, csak hát pénz kérdése.

    Thumb up 3 Thumb down 0

  5. dsp-2

    A helyzet az, hogy én részt vehettem
    a professzionális DSP fejlesztésében-tanulásában
    Angliában, majd itthon a felhasználásban.
    Mivel rádióamatőr is vagyok, gondoltam
    közreadom a két világ közötti alapvető
    különbséget. Látható, hogy lelkes irások
    születnek a különböző fórumokon, ez becsülendő, de valójában
    még senki sem találkozott igazi profi DSP berendezéssel,
    ami természetes, mert az egy szük szakma területe.
    Várni kell mig begyűrüzik egyszer, mint annyi más is.

    (megj.: nem adok sem jó, sem rossz pontokat, elmúltam már 5 éves)

    Thumb up 1 Thumb down 0

  6. dsp-2b

    ps.
    Egy gyári amatőr rig minden további nélkül
    lehetne csúcs kategóriás dsp rendszerű. Elméletileg.
    A profi dsp-s berendezéseknek csak egy-egy alkatrésze
    kerül több millió forintba (ha hibásodás miatt cserélni kell).
    Vagyis a gyáraknak alá kell menni a minőségnek az eladhatóság miatt,
    az amatőr berendezéseknél. A profiknál ez fel sem merülhet.

    Thumb up 1 Thumb down 0

  7. HA8LHT

    A technikatörténet fránya dolog. Amire büszke lehettél tíz éve, az ma már a gyermeked kezében van. Az a tudás, ami ahhoz kellett, hogy egy űrhajóban gubbassz amíg kilőnek majd visszahozzanak, bizony ma már egy óvodás műszaki szemléletéhez is alig ér fel. Hidd el, elég sokat néztem Berci bácsi szenvedését és agresszióját, amikor újra és újra szembesült vele az idejétmúlt haknijai során. Az elmúlt évtizedben elérhetővé vált eszközök bizony új alapokra helyezték a digitális jelfeldolgozást, bár valóban el kell vonatkoztatni a kvadratúradetektor állapotaitól és egy közvetlen mintavételezéstől. Ahogy javult a gyártástechnológia, egyre előrébb kerültek a digitális holmik az AF-RF-láncban.

    No de hogy konkrétumról is szó essen: párszáz dolcsiért LimeSDR, Red Pitaya, csak hogy az elmúlt évek “olcsóbb” dolgairól beszéljek. Persze ezek csak alterás, zynós és cyclonos amatőr cuccok otthonra játszani – kicsit mélyebben a zsebedbe nyúlva ott a Cobham vagy tényleg a Quadrus/SagaX. Ez sem egy túl modern dolog, de akinek ennél több mintára van szüksége, úgyis épít magának hardvert.

    No igen, ez csak a vas, ami hajdan tündöklő nagyjaink kezében pont annyit ér, mint egy RTL-SDR. A többihez olyan tudás kell, amit tíz éve hírül sem kaptál meg. Volt szerencsém játszani/dolgozni velük, csodás dolgok. Persze minderről csak akkor érdemes beszélni, ha végképp száműzöd az analóg technikát és sebességben gondolkodsz, amúgy keskeny ám a határmezsgye a 3253 mpx és egy átlagos konverter között is. A közvetlen jelfeldolgozás sem nagyobb lépés. Szóval, mit is értünk digitális jelfeldolgozáson? Amióta Nyquist és Shannon kimondta a sávszélesség és minta összefüggését, tudjuk: a digitális korszak is generációit éli. Talán most a másodikat.

    Thumb up 3 Thumb down 0

  8. Káróhatos

    A National Isntruments és a Pentek vasakról miért nem írsz? Sokkal érdekesebb ;) !

    Thumb up 2 Thumb down 0

  9. HA8LHT

    Már írtam. És alá is. ;) És mert ez egy szabadidős rádióAMATŐR blog. Az Arduino programozása a mérték és az alapsávi moduláció. Nem sztrímeljük az iq-t :)

    Thumb up 3 Thumb down 0