Leer de grondbeginselen van software-gedefinieerde radio

De belofte van softwaregedefinieerde radio (SDR) is dat gebruikers met één stuk hardware RF-signalen over een breed spectrum van radiofrequenties kunnen opvangen, demoduleren en benaderen, gaande van militaire en ruimtevaarttoepassingen tot hobbyisten. Hoe breed het zwad is, hangt af van het RF-front-end van de hardware, terwijl het aantal en de soorten signalen die kunnen worden opgeroepen, afhangen van de software en de onderliggende verwerkingsmogelijkheden. Beide zijn een functie van de toepassingseisen en de daarmee samenhangende kosten- en vermogensbudgetten. Voor het leger en de lucht- en ruimtevaart kunnen de kosten in de tienduizenden lopen. Voor kortegolfluisteraars, radioamateurs en doe-het-zelvers (DIYers) is er behoefte aan een eenvoudige, goedkope manier om toegang te krijgen tot radiogolven met behulp van direct beschikbare desktopcomputers of laptops.

Na een korte inleiding tot SDR, introduceert dit artikel een goedkope USB-gebaseerde SDR module van Adafruit Industries die een brede waaier van signalen kan ontvangen en demoduleren, van eenvoudige continue-golf (CW) Morse code tot de meest complexe digitale modulatievormen. Er zal worden getoond hoe gebruikers de module en de bijbehorende software kunnen gebruiken om radio-ontvangst, radiofrequentiespectrum en spectrogramanalyse aan computers toe te voegen.

Wat is SDR?

SDR maakt gebruik van digitale technieken ter vervanging van traditionele radiohardware zoals mixers, modulatoren, demodulatoren, en aanverwante analoge circuits. Door de radiosignalen rechtstreeks te digitaliseren met behulp van een geschikte analoog/digitaal-omzetter (ADC), kan een SDR al deze functies in software implementeren, zodat dezelfde hardware wordt gebruikt voor meerdere radiomodi, of het nu AM, FM, CW, enkelzijband (SSB) of dubbelzijband (DSB) is. Het resultaat is een uiterst flexibele radio die snel opnieuw kan worden geconfigureerd om met verschillende signaleringstechnologieën te werken (figuur 1).

Figuur 1: Vergelijking van een traditionele analoge ontvanger (boven) met een SDR-ontvanger (onder). Alle functies in de SDR-ontvanger na de ADC zijn geïmplementeerd met behulp van programmeerbare digitale circuits, die programmeerbare veranderingen en updates mogelijk maken. (Bron afbeelding: DigiKey)

Traditionele radio's zoals de superheterodyne-ontvanger (figuur 1, boven) zijn hardware-gebaseerd en geïmplementeerd met analoge componenten. De SDR-ontvanger gebruikt een RF-tuner om de gewenste frequentieband te converteren naar een middenfrequentie (IF) binnen het bereik van de ADC. Vanaf dat moment zijn alle schakelingen digitaal. De digitale omvormer vertaalt de signaalfrequentie naar basisband en voert een laagdoorlaatfilter uit. De digitale signaalprocessor (DSP) voert demodulatie, decodering en aanverwante taken uit. Deze circuits zijn in het algemeen gebaseerd op toepassingsspecifieke IC's (ASIC's), door de gebruiker te programmeren "gate arrays" (FPGA's) en programmeerbare DSP-apparaten. Met de juiste software bieden deze digitale schakelingen een zeer flexibele radio waarmee een breed scala van modulatiesoorten kan worden ontvangen.

Goedkope SDR-hardware

De Adafruit Industries 1497 is een goedkope SDR ontvanger die een frequentiebereik van 24 megahertz (MHz) tot 1,85 gigahertz (GHz) bestrijkt en is gebaseerd op een Digital Video Broadcasting - Terrestrial (DVB-T) gecodeerde orthogonale frequentie-divisie multiplexing (COFDM) demodulator met een afzonderlijk tuner IC.

Het DVB-consortium is een in Europa gevestigde normalisatieorganisatie voor de transmissie van digitale terrestrische televisie. Dit systeem gebruikt een MPEG-transportstroom om gecomprimeerde digitale audio, digitale video en andere gegevens over te brengen, met gebruikmaking van COFDM- of OFDM-modulatie. Deze apparaten kunnen door programmering voor andere toepassingen worden gebruikt en zijn ideaal voor hobbyisten en doe-het-zelvers die VHF-, UHF- en lage-microgolf-radiosignalen willen beluisteren en onderzoeken.

Voor al het signaalverwerkingsvermogen in de Adafruit SDR, heeft het een uitzonderlijk kleine fysieke afmeting van slechts 22,24 millimeter (mm) x 23,1 mm x 9,9 mm (Figuur 2). De SDR is via een USB-poort verbonden met de hostcomputer, en standaard SDR-software zorgt voor de gebruikersinterface op de computer/laptop. De fabrikant beveelt Airspy's SDR Sharp (SDR#) aan in hun "aan de slag"-gids. De installatie van de software duurt minder dan vijf minuten en is goed gedocumenteerd.

Figuur 2: De 1497 is een goedkope SDR-ontvanger die past in een pakje ter grootte van een kwartje en wordt geleverd met een accessoire-antenne en afstandsbediening. Deze ontvanger stemt af op 24 MHz tot 1,85 GHz en heeft een USB-interface met een hostcomputer. (Bron afbeelding: Adafruit Industries)

De antenneaansluiting op de ontvanger is via een MCX-connector. De MCX-aansluiting op de ontvanger is geschikt voor de stekker die op de antennekabel is gemonteerd, of de bijgeleverde antenne kan worden vervangen door een antenne op maat die door de gebruiker wordt geleverd.

Indien de gebruiker besluit de bijgeleverde antenne te vervangen door een andere, kan deze worden aangesloten met een MCX-stekker. Coaxiale adapters kunnen worden gebruikt om de MCX ingangsconnector op de SDR te koppelen aan SMA of BNC connectoren, die meer algemeen worden gebruikt. Amphenol RF biedt zowel een MCX stekker naar SMA stekker(242127) als een BNC stekker naar MCX stekker(242204), voor de meest gangbare connectorinterfaces.

SDR ondersteunende software

De SDR# software maakt verbinding met de ontvanger en zorgt voor de gebruikersinterface en de visuele weergave (Figuur 3).

Figuur 3: De Airspy SDR# gebruikersinterface bedient de SDR-ontvanger via de uitklapmenu's aan de linkerkant. De spectrum analyzer wordt getoond in het bovenste raster, terwijl de spectrum geschiedenis eronder staat. (Bron afbeelding: DigiKey)

De standaard gebruikersinterface van SDR# heeft drie belangrijke elementen:

• De linkerkolom bevat de bedieningselementen voor het SDR apparaat. Er zijn veertien pull down menu's die alle aspecten van de SDR-ontvanger regelen. De belangrijkste bedieningsorganen zijn voor de radio, audio en het display.
• Het bovenste raster bevat de spectrumanalyzer-weergave. Deze toont de frequentie op de horizontale as en het signaalvermogen verticaal met een logaritmische schaal in decibel. Spectrumanalysatoren zijn het belangrijkste testinstrument dat door RF-technici wordt gebruikt om RF-apparatuur te meten en te analyseren. De numerieke uitlezing bovenin het scherm toont en regelt de middenfrequentie van de spectrum analyzer. Het maximum weergegeven frequentiebereik is de bandbreedte van de ontvanger, die ongeveer 2 MHz bedraagt. Rechts van het scherm bevindt zich een horizontale zoomregelaar. De zoomfunctie maakt een horizontale uitbreiding van het display rond de middenfrequentie mogelijk.
• Onder het spectrum analyzer-display bevindt zich een spectrumhistorisch display, soms spectrogram genoemd, dat de tijdshistorie van het spectrum toont. De horizontale as is de frequentie, zoals op het scherm van de spectrumanalyzer; de verticale schaal is de tijd. In de figuur zijn er tijdsmarkeringen die de datum en de tijd aangeven. De derde dimensie is het signaalvermogen, dat wordt aangegeven door de kleur. De standaard kleurenschaal loopt van zwart, als het minimum vermogensniveau, tot rood als het maximum vermogensniveau. Er zijn verschillende stijlen en kleuraanpassingen beschikbaar onder de displaybediening.

Het signaal in figuur 3 is dat van een FM-zender op 105,1 MHz. Dit is een breedband FM-signaal met een bandbreedte van 200 kilohertz (kHz). Dit is een van de acht demodulatoren die in de SDR-ontvanger beschikbaar zijn. De andere demodulatoren ondersteunen smalband FM, AM, hogere en lagere SSB, DSB, CW, en ruwe in-fase en kwadratuur signaalcomponenten. De keuzemogelijkheden bevinden zich in de radiobesturing linksboven in het display.

Het signaalspectrum bestaat uit het analoge signaal rond de middenfrequentie. Dit draagt het analoge radioprogramma. Daarbuiten zijn er twee sub-banden die ander programmamateriaal en digitale informatie bevatten. De inhoud van de programma-informatie wordt gedecodeerd en verschijnt onmiddellijk boven het spectrumanalyzer-display. Naast de spectrumweergave zijn ook de audiocomponenten van het radiostation via de hostcomputer beschikbaar om te beluisteren.

Breedband-FM heeft een grote bandbreedte omdat ervan wordt uitgegaan dat het stereofonische muziek met een hoge getrouwheid kan overbrengen. Een radiodienst zoals de nationale weerdienst zendt alleen spraak uit en gebruikt smalband-FM (figuur 4).

Figuur 4: Afstemmen op een weeruitzending van de Nationale Weerdienst op 162,471 MHz. Dit station gebruikt smalband FM. (Bron afbeelding: DigiKey)

Het station van de Nationale Weerdienst wordt ontvangen met een bandbreedte van slechts 11,2 kHz omdat de programma-inhoud alleen spraak is. Ook hier is het audioprogrammamateriaal beschikbaar, evenals de spectrumweergaven. De SDR-ontvanger voegt al deze diensten toe aan de hostcomputer.

De spectrumgeschiedenis of spectrogramweergave is nuttig om veranderingen in het ontvangen signaalspectrum in de tijd te zien. Een eenvoudig voorbeeld is dat van een morsecoderingssignaal in continue golf (CW) (figuur 5).

Figuur 5: De spectrogramweergave van een CW morsecode signaal. (Bron afbeelding: DigiKey)

CW-signalen coderen gegevens door een RF-draaggolf aan en uit te zetten (on-off keying). Op het spectrogram-display worden de perioden waarin de toets omlaag staat en de draaggolf wordt uitgezonden, aangegeven door het lichtblauw-grijze spoor op het display. Het morse-teken "V" (di di di dah) dat het testen aangeeft, is te zien in het signaalspoor. Merk op dat de software voorzieningen treft voor het ontvangen van CW-signalen door een beat-frequentie oscillator (BFO) met het label "CW shift" te leveren om een door de gebruiker gecontroleerde audiotoon te verschaffen om de codeoverdracht te horen. Omdat CW transmissies smalbandig zijn, vermindert de ontvanger de bandbreedte tot 300 hertz (Hz), zoals te zien is in het radiobesturingskeuzemenu. Door de bandbreedte van de ontvanger te beperken tot de minimumwaarde die nodig is voor de te ontvangen modus, wordt het ruisniveau in het kanaal tot een minimum beperkt.

Enkele meettoepassingen voor een SDR-ontvanger

In een wereld die steeds meer met elkaar verbonden is, zijn er veel RF-bronnen die moeten worden gecontroleerd en onderhouden. Een voorbeeld is de verificatie van de updateperiode van een zendermodule van een weerstation op afstand (figuur 6).

Het spectrogram toont twee RF-uitbarstingen op de 433,93 MHz draaggolffrequentie van de zender op afstand. De tijdschaal op het spectrogram geeft aan dat de FM-uitbarstingen ongeveer 50 seconden na elkaar voorkomen.

Figuur 6: Het spectrogram van een zender van een weerstation op 433,92 MHz die gegevens in bursts verstuurt. Het spectrogram registreert en toont uitgezonden pieken met een tussenpoos van ongeveer 50 seconden. (Bron afbeelding: DigiKey)

RKE-systemen (Remote Keyless Entry) voor auto's werken op 315 of 433 MHz, afhankelijk van de plaats waar het voertuig wordt gebruikt en de geldende voorschriften. In dit geval hoeft de gebruiker alleen maar de sleutelhanger bij de antenne te houden en op een van de knoppen te drukken om het gebruikte modulatietype te zien (figuur 7).

Het spectrum van de RKE-sleutelhanger vertoont dubbele pieken op ongeveer 433,9 MHz. De gegevenscodering voor dit toestel maakt gebruik van FSK (Frequency Shift Keying), waarbij de draaggolf tussen twee frequenties wordt verschoven om een digitale één of nul aan te geven. Andere RKE-fobs gebruiken amplitudeverschuivingssleutel (ASK) waarbij de amplitude van een draaggolf wordt verschoven tussen twee niveaus, die niet te veel verschillen van het CW-signaal.

Figuur 7: Het spectrum van een toegangssysteem zonder afstandsbediening gebruikt FSK van een draaggolf van 433,9 MHz om digitale gegevens te coderen om de toegang tot een voertuig te controleren. (Bron afbeelding: DigiKey)

Conclusie

De Adafruit 1497 SDR ontvanger opent de hele wereld van VHF, UHF, en lage microgolf frequentiebanden voor zowel onderzoekshobbyisten als professionals. Het stelt gebruikers in staat een computer te gebruiken om af te stemmen op FM, TV, amateurradio, citizen band, weer en kortegolfuitzendingen. Hij kan ook worden gebruikt als spectrumanalyzer om de werking van een breed scala van draagbare RF-apparaten te verifiëren. De 1497 is ook gebruikt om interferometers voor radioastronomie te maken - en dat alles tegen lage kosten.