Ohjelmistopohjaisen radion synty juontaa juurensa 1970-luvulle ja rajoittui alun perin sotilassovelluksiin. Kuitenkin edistysaskel FPGA- ja DSP-signaalinkäsittelytekniikoissa, IC-pohjaisten radiolähetinvastaanottimien kehitys ja pienisoluisten langattomien verkkojen kehitys johtivat tekniikan käytön yleistymiseen 2000-luvun alussa.

Tässä artikkelissa selitetään SDR:n taustalla olevat peruskäsitteet, tutkitaan SDR:n tarjoamaa joustavuutta perinteisiin RF-arkkitehtuureihin verrattuna ja joitain suosittuja käyttötapauksia. Esittelemme mahdollisia uusia sovelluksia, jotka voivat hyötyä ohjelmistoradiosta, koska langattomien yhteyksien käytöstä tulee tärkeä osa yhteiskuntaamme.

Langatonta kaikkialla!

Langaton tekniikka on kehittynyt huomattavasti sen jälkeen, kun Marconi käytti ensimmäisen kerran kipinälähettimiä morsekoodiviestien lähettämiseen Atlantin yli. Tänään, satakaksikymmentäkaksi vuotta myöhemmin, langaton viestintä on tullut kaikkialle yhteiskunnassamme. Se tarjoaa perustan, joka yhdistää älykkäät laitteemme, mahdollistaa mobiiliverkkomme ja toimittaa kuvia muilta planeetoilta televisioihimme. Ilman langatonta yhteyttä yhteiskuntamme ei olisi voinut kehittyä nykyisenlaiseksi.

Radiotaajuus- eli RF-tekniikassa on aina ollut kyse erikoisosaamista, ja perinteisesti analogisesta sellaisesta. Varhaisista ajoista lähtien radioviestintää käytettiin pääasiassa puheviestintään ja viestien lähettämiseen ja vastaanottamiseen, tyypillisesti morsekoodilla. Käytetiin sitten ääntä tai morsekoodeja, tiedon siirtäminen vaati lähettimen taajuuden modulointia. Yleisradioyhtiöt alkoivat käyttää amplitudimodulaatiota (AM) paikallisissa keskiaalto- ja pitkän kantaman lyhytaaltolähetyksissä. Taajuusmodulaatiosta (FM) tuli suosittu erittäin korkeataajuinen (VHF) lähetys paikallisissa ja kansallisissa lähetysverkoissa.

Minkä tahansa radiovastaanottimen ja -lähettimen rakenne oli täysin analoginen. Digitaalinen tiedonsiirto käyttää radiomodulaattoria ja demodulaattoria (eli modeemia) muuntaakseen binäärimaailman datan radion analogiselle alueelle. FSK (Frequency shift keying) oli alun perin tällaisissa sovelluksissa käytetty modulaatiotekniikka.

Kuten seuraavassa osiossa huomaamme, ohjelmistoradio on radikaalisti muuttanut tapaa, jolla suunnittelemme radiojärjestelmiä. Mutta ennen kuin syvennymme SDR:n toimintaan, tarkastellaan joitain SDR:n käyttötapauksia.

Radioamatöörit olivat ohjelmistoradion varhaisia omaksujia. SDR-pohjaiset lähetin-vastaanottimet (yhdistetty lähetin ja vastaanotin) tarjoavat kätevän, kevyen ja helposti kannettavan tavan tarjota hätäviestintää katastrofitilanteissa. Niit on käytetty esimerkiksi avustustoimien koordinoinnissa Azoreilla tulivuorenpurkausten jälkeen.

Ohjelmistoradioita käytetään laajasti tieteellisessä tähtitieteen tutkimuksessa. Niillä voidaan ohjata vastaanottimen keskitaajuutta, säätää kaistanleveyttä ja näyttää kaukaisten tähtien radiopurkaustuloksia.

Mobiiliverkkojen kehittyessä pienten solujen ORAN-verkko (open radio access networks) sopii erityisen hyvin SDR:n käyttöön. Puhelinoperaattorit ja verkkolaitetoimittajat ottavat yhä enemmän käyttöön ohjelmistoradioita seuraavan sukupolven 5G- ja 6G-matkapuhelinverkkojen ja tukiasemien tutkimukseen.

Mikä on ohjelmistoradio eli ohjelmallisesti määritelty radio?

Vaikka SDR-vastaanottimen tai -lähettimen määritelmiä on useita, ne kaikki korostavat, että suuri osa perinteisistä analogisista piiritoiminnoista korvataan ohjelmistopohjaisilla digitaalisilla signaalinkäsittelytekniikoilla. SDR-vastaanottimen tärkeä osa käyttää edelleen analogisia piirejä. Radion etuaste havaitsee antennista vastaanotetut erittäin matalajännitteiset radiotaajuussignaalit. Siitä lähtien signaalinkäsittely, joka sisältää ensisijaisesti demoduloinnin, suoritetaan kuitenkin ohjelmiston avulla. Ohjelmisto voi toimia erillisessä sulautetussa ohjelmoitavassa prosessorissa tai kannettavassa tai pöytätietokoneessa.

Kuva 1 - Yksinkertaisen AM-radion toiminnallisten lohkojen periaate.

Kuvassa 1 on esitetty perinteisen superheterodyynisen AM-radiovastaanottimen tärkeimmät toimintalohkot. Antennista tulevat heikot signaalit johdetaan kaistanpäästösuodattimien läpi, jotka rajoittavat havaittujen signaalien kaistanleveyden kiinnostaviin signaaliin. Tämän jälkeen ne vahvistetaan ja johdetaan mikseri- eli sekoitinpiiriin. Sekoitin yhdistää vastaanotetun signaalin muuttuvataajuisen oskillaattorin ulostuloon kiinteän välitaajuuden (IF) luomiseksi. Vastaanottimen viritys saadaan aikaan vaihtelemalla paikallisoskillaattorin taajuutta. IF-vahvistin nostaa signaalitasoja merkittävästi ja suotimet poistavat mikserin toiminnan ei-toivotut tuotteet. Tämän jälkeen tapahtuu audiosignaalin demodulaatio ja vahvistus.

Kuten kuvasta 2 näkyy, SDR-vastaanotin eroaa merkittävästi perinteisestä.

Kuva 2. SDR-vastaanottimen arkkitehtoniset peruslohkot.

SDR-vastaanottimen analogiset osat rajoittuvat radiotaajuiseen etuasteeseen. Suodatetut signaalit välitetään analogia-digitaalimuuntimeen (ADC) myöhempää digitaalista käsittelyä varten. Vastaanottimen eksakti arkkitehtuuri vaihtelee. Esimerkiksi yhä suositumpi lähestymistapa SDR-suunnitteluun poistaa välitaajuuden käyttämisen tarpeen. Nolla-IF (ZIF) -lähestymistapa, jota kutsutaan myös suoramuunnokseksi, vie ulostulon RF-etuasteesta AD-muuntimeen ja suoraan kantataajuiseen digitaaliseen prosessointiin, joka suoritetaan demoduloinnin ja suodatuksen sisältävässä ohjelmistossa.

Tämä lyhyt kuvailu kattaa vain ohjelmistoradion perusteet ja sen, kuinka se eroaa perinteisistä RF-tekniikoista. Lisätietoja SDR:stä löytyy esimerkiksi erinomaisesta e-kirjasta Software-Defined Radio for Engineers, joka on saatavana Analog Devicesin verkkosivustolta.

Vaikka olemme tässä keskittyneet vastaanotinten arkkitehtuuriin, samat kuvatut menetelmät pätevät myös lähettimiin.

Ohjelmistoradion käytön aloittaminen

Joustavia SDR-alustoja on kaiken muotoisia ja kokoisia. Yksinkertaiset USB-käyttöiset mokkulat maksavat 25 dollaria kun skaalan toisessa päässä on kattavia, täydellisiä SDR-lähetinvastaanottimia, jotka maksavat yli 6 000 dollaria. Useita suosittuja SDR-arviointisarjoja ja -kehitysmoduuleja on saatavana 100-200 dollarin budjetilla. Monet suositut SDR-alustat käyttävät kaupallisesti saatavia RF-lähetin-vastaanotinpiiriä yhdistettynä FPGA-piirille. SDR-laitteistoalustan valinnan lisäksi on päätettävä, kuinka alusta ohjelmoidaan.

GNU Radio on ilmainen, avoimen lähdekoodin DSP-ohjelmointityökaluketju, joka on suunniteltu erityisesti SDR-sovellusten arkkitehtuurin ja laitteiden suunnitteluun. Se suunniteltiin alun perin puhtaasti koulutustarkoituksiin, ja sitä käytetään laajalti langattomassa tutkimuksessa ja kehityksessä, radioamatöörissä ja radioastronomiassa. GNU tarjoaa joukon erilaisia toiminnallisia lohkoja, kuten suotimia, graafisia näyttöjä, demodulaattoreita, signaaligeneraattoreita, matemaattisia operaattoreita, kanavamalleja ja Fourier-analyysitoimintoja. Yksittäiset toiminnot sijoitetaan työpohjaan ja yhdistetään visuaalisen ohjelmoinnin tyyliin - katso kuvaa 3.

Kuva 3. Esimerkki GNUradio-projektista yksinkertaisen FM-vastaanottimen suunnittelussa.

SDR-suunnittelijat suosivat myös Matlabin ja Simulinkin sekä niiden DSP- ja SDR-laajennusten käyttöä. Toinen GNUradioon perustuva SDR-kehitysekosysteemi, joka sisältää SoapySDR-kehyksen, on Pothosware.

Jos haluat kokeilla ohjelmistoradiota ilman, että kehittää koko suunnitteun arkkitehtuurin, voi aloittaa yhdellä monista ilmaisista avoimen lähdekoodin SDR-sovelluksista, kuten SDR-konsolista.

Esimerkiksi FPGA-pohjaisten kenttäohjelmoitavien radiotaajuisten (FPRF) lähetinvastaanottimien toimittaja Lime Microsystems tarjoaa useita SDR-alustoja, jotka perustuvat sen LMS7002-sarjan lähetin-vastaanotinpiiriin. LMS7002 on pitkälle integroitu kahden lähetinvastaanottimen IC-piiri, joka pystyy toimimaan kaksisuuntaisesti (full duplex) 100 kHz - 3,8 GH alueella.

Piiri sopii moniin sovelluksiin SDR-prototyypeistä ja pienten solujen tukiasemista satelliittiverkkojen ja ja uudelleenkonfiguroitavien langattomien IoT-verkkojen suunnitteluun. Kuva 4 havainnollistaa LMS7002:n kattavaa arkkitehtuuria ja ydinominaisuuksia.

Kuva 4. Lime Microsystemsin kahden lähetinvastaanottimen LM7002-piirin toiminnallisten lohkojen arkkitehtuuri.

Lime Microsystems on omaksunut innovatiivisen lähestymistavan kehittääkseen LMS7002-sarjaan perustuvia SDR-alustojaan: se rahoittaa kehitystyön Crowd Supplyn kautta. LMS7002:n ja Intelin (ex-Altera) MAX10 FPGA:n integroiva LimeSDR-minikortti tarjoaa valmiin SDR-ratkaisun USB-virralla toimivalle dongle-tyyliselle piirilevylle (katso kuva 5).

Kuva 5. Lime Microsystemsin LimeSDR-minikortti.

MyriadRF on verkkoyhteisö, joka kannustaa ottamaan käyttöön LMS7002-piirejä avoimen lähdekoodin SDR-laitteisto- ja -ohjelmistoprojekteihin. Se tarjoaa pääsyn kehitystyökaluihin, resursseihin ja projektiesimerkkien ekosysteemiin. Innovaattoreille ja kehittäjille, jotka tuntevat Grove Studio -alustan ja Raspberry Pi -kortit, LimeSDR-minilevy sisältyy CS-LIME-10 Grove -aloituspakkaukseen.

Analog Devicesin ADALM PLUTO on itsenäinen RF-oppimismoduuli, johon on integroitu ADI:n AD9363 RF -lähetin-vastaanotinpiiri ja Xilinxin Zynq 7000 -FPGA. Se saa virtansa USB-liitännän kautta isäntätietokoneesta ja toimii 325 - 3800 megahertsin taajuudella half- tai full-duplex-tilassa. SDR-kehitystuki PlutoSDR:lle sisältää GNUradion, MatLab/Simulinkin ja Pothoswaren.

Ohjelmistoradio - mitä seuraavaksi?

Tässä lyhyessä artikkelissa olemme esitelleet ohjelmistopohjaisen radion ideaa. Se on kiehtova alue sulautettujen kehittäjille, analogiasuunnittelijoille ja RF-insinööreille, jotka haluavat oppia uusia taitoja ja pohtia uusia tapoja kehittää langattomia järjestelmiä.

Olemme maininneet vain osan mahdollisista käyttötapauksista, mutta ohjelmistoradion jännittävä ominaisuus on mahdollisuus konfiguroida radio uudelleen hetkessä. Ttä voidaan hyödyntää monin tavoin tekemään RF-suunnittelusta joustavampaa ja ketterämpää. Sen sijaan, että rajoittuisi käyttämään yhtä RF-tekniikkaa, esimerkiksi allle gigahertsin LPWAN-tekniikka LoRaa, voi kehittää ketterän lähetinvastaanottimen, joka voisi toimia LoRa-, matkapuhelin- ja Wi-Fi-yhteyden kanssa. Joustavuus auttaa lisäämään toimintoja ja yksinkertaistaa materiaalikustannuksia ja niihin liittyviä komponenttien hankintaan liittyviä haasteita.

Kuvitellaanpa vaikka kotiautomaatiojärjestelmän reititin, joka voi mukautua mihin tahansa uuteen langattomaan protokollaan. OTA-päivityksen avulla SDR-pohjainen reititin voidaan konfiguroida uudelleen hyödyntämään täysin uusia matkapuhelinverkkoja, kuten siirtymistä 5G:stä 6G:een. Tulevat mahdolliset käyttötapaukset saattavat edellyttää muutoksia reitittimen antenniin ja analogiseen etuasteeseen. Suunnittelun alkuvaiheen aikana tekijät, kuten todennäköiset toimintataajuudet ja suodatusvaatimukset, voivat vaikuttaa etuasteen suunnitteluun, jotta tarvittavat ominaisuudet voidaan sisällyttää. Tällainen joustavuus voidaan toteuttaa vain ohjelmistoradion avulla. Vai SDR saa suunnittelun kestämään aikaa ja lisäämään asiakasturvaa.