Software Defined Radio

Software Defined Radio (SDR) is een betrekkelijk nieuwe vorm van radio ontvangst, waarbij vele ontvanger functies die eerst door analoge schakelingen voor hun rekening werden genomen, nu vaak door een (personal-) computer (PC) voor hun rekening worden genomen. Denk hierbij niet alleen aan het filteren, selecteren en in frequentie omzetten van signalen, maar ook aan automatische versterking en verzwakking en de vele soorten van demodulatie die op dit moment allemaal in gebruik zijn. Dit geldt niet alleen voor lang bekende communicatie vormen zoals amplitude-, fase- en frequentie-modulatie van signaal overdracht maar ook aan meer moderne digitale transmissie standaarden zoals PSK31 en 64, DRM, QPSK, TDMA, FDMA en CDMA zoals deze worden toegepast bij de overdracht van tegenwoordige Radio, TV en telefonie signalen.

In klassieke analoge ontvangers zijn hiervoor steeds specifieke schakelingen aanwezig die de betreffende functie als een gespecialiseerd stuk 'gereedschap' uitvoeren zoals bekend bij bandfilter, oscillatoren en mengtrappen, versterkers detectoren enzovoort. Elk van die functies kan ook beschreven worden als een wiskundige bewerking op een (radio-) signaal, om hiermee een verlangde uitkomst te verkrijgen. Deze bewerkingen kunnen ook door digitale schakelingen worden uitgevoerd, hiertoe aangestuurd door gespecialiseerde besturingsprogramma's die we in algemene zin kennen als de Software (SW) van een systeem. Deze vorm van signaalbewerking wordt Digital Signal Processing (DSP) genoemd en kon tot iets meer dan dertig jaar geleden in computers worden uitgevoerd als een bewerking achteraf, die relatief veel computertijd in beslag nam.

Toen de snelheid van de digitale schakelingen in de loop van de jaren toe nam werd het iets meer dan twintig jaar geleden mogelijk om verschillende van deze signaalbewerkingen ook in te zetten bij de directe signaal overdracht, al bleef dit voor de meer gecompliceerde bewerkingen alleen mogelijk in digitale circuits met ingebrande functies, zonder dat hierbij veel mogelijkheden tot herprogrammering mogelijk was. Denk hierbij vooral aan de gespecialiseerde schakelingen die werden gebruikt voor het omzetten van digitale signalen voor de beeld en geluidsdragers en de speciale vormen van fouten correctie die hierbij noodzakelijk werden.

Omstreeks die tijd kwamen ook de gespecialiseerde signaal processoren op de markt waarbij een grotere keuze vrijheid mogelijk werd in de vormen van signaalbewerking die op 'levende' signalen kon worden toegepast, al bleef dit beperkt tot spraaksignalen en dan nog binnen een beperkte bandbreedte, als we tenminste de uitkomsten zonder noemenswaardige signaalvertraging en vervorming wilden beluisteren. De reden daarvoor is dat ons gehoor gezien kan worden als een hoog gespecialiseerd analyse instrument dat zeer snel allerlei nuances in een geluidsgolf kan beoordelen en waarderen. Dit soort digitale signaal bewerking dient daarom zeer snel en nauwkeurig te gebeuren om ons gehoor enigszins te bevredigen.

Veel moderne communicatie-ontvangers maken tegenwoordig gebruik van deze techniek. Het uiterlijk van deze ontvangers heeft nog steeds de bekende vorm maar innerlijk rukt de digitale signaal bewerking op. Aan de buitenkant wordt dit zichtbaar in de vorm van allerlei menu's waarmee steeds meer instelling kunnen worden aangepast die vroeger als een vast gegeven waren uitgevoerd. Dat dit niet altijd nuttig hoeft te zijn blijkt uit de vele slecht verstaanbare spraaksignalen die tegenwoordig op de amateur banden waarneembaar zijn van transceivers waarvan de eigenaar nog niet alle instelling voor elkaar heeft.

Wel nuttig zijn de nieuwe digitale filtermogelijkheden, die een veel scherpere signaal selectie toestaan, dan zelfs met de beste analoge filters mogelijk was. Ook is het hiermee mogelijk om specifiek op bepaalde communicatie vormen te selecteren; zo kan b.v. een morse signaal beter van verstoringen worden ontdaan door specifiek de toon signalen te onderscheiden van andere signalen door gebruik te maken van de specifieke aan - uit kenmerken van dit signaal. Met weer andere DSP technieken zijn ontvangen spraaksignalen te verbeteren, waardoor deze eerder kunnen worden verstaan en begrepen dan mogelijk is met analoge filter technieken. Een uitgebreider verhaal over zo'n toepassing is te vinden in het hoofdstuk over een digitale spraak processor.

In de afgelopen jaren zijn de personal computers (PC) steeds sneller en uitgebreider geworden waardoor ook steeds meer van deze DSP functies hiermee kunnen worden uigevoerd, vaak naast allerlei 'huishoudelijke' taken die een PC nodig heeft om te kunnen functioneren, zoals het uitlezen van het toetsenbord en de muis, verzorgen van de scherminformatie, ophalen van e-mail enz. Hierdoor kunnen steeds meer radio-communicatie functies door de PC worden uitgevoerd. Een aantal jaren geleden zagen we al dat signalen uit een communicatie ontvanger met een hulpschakeling werden teruggebracht tot een lage middenfrequentie van enkele tientallen kHz., waarna de interne geluidskaart van de PC met de daarop aanwezige analoog naar digitaal omzetter (A-D convertor), het digitale signaal weer aanbood aan de PC voor verdere bewerking. De signaal bewerkingsprogramma's die hiervoor nodig zijn worden vaak gratis aangeboden omdat deze doorgaans door amateurs, voor amateurs worden ontwikkeld.

De hulpschakelingen aan de ingang van de PC kunnen daardoor steeds eenvoudiger worden. Voorbeelden hiervan zijn o.a. de Softrock ontwikkelingen en de QSD-kaart, die in het betreffende hoofdstuk wat meer uitgebreid aan de orde komt. Veel meer van deze ontwikkelingen zijn gemakkelijk op internet te vinden onder het trefwoord SDR.

De ontwikkelingen naar steeds snellere PC's heeft ook gezorgd dat steeds meer radio-functies direct hierdoor kunnen worden uitgevoerd. De huidige trend gaat daarom naar toepassing van zeer snelle A - D omzetters, die direct en vrijwel zonder verdere filtering worden toegepast tussen de antenne en de PC en waarvan de grote stroom digitale getallen direct in de PC worden ingevoerd voor verdere selectie en verwerking. Dit soort zeer snelle A - D omzetters zijn nu nog een beetje kostbaar, maar de prijzen zakken snel door de toenemende vraag en daardoor grotere aantallen bij fabrikage.

Een andere trend in digitale signaal bewerking is de toepassing van technieken die al langer bestonden in het analoge domein, maar die beperkt bleven tot enkele gespecialiseerde toepassingen vanwege beperkingen in de analoge technieken. Bij gebruik van digitale technieken en wiskundige bewerkingen in de PC komen deze vormen van signaalbewerking nu gemakkelijker binnen het bereik van iedereen en zijn zelfs toepassingen mogelijk die vroeger vrijwel ondenkbaar waren, zoals filters met zeer steile flanken die toch geen last hebben van in-en uitslinger verschijnselen. Met een PC veranderen die technieken in wiskundige sommetjes, die net zo vaak en met net zo'n grote precisie kunnen worden uitgevoerd als we willen, en die tegenwoordig door meerdere processoren tegelijk worden uitgevoerd. De beperkingen liggen dan alleen nog maar in het aantal van deze sommetjes die we kunnen uitvoeren binnen de tijd dat dit voor ons gehoor merkbaar begint te worden. Hoe sneller de PC's worden hoe meer van deze sommetjes uitgevoerd kunnen worden.

Een bekend voorbeeld hiervan is de ontvangsttechniek van de directe conversie, waarbij HF signalen direct worden omgezet naar het audio gebied. Veel tegenwoordige SDR ontvangers zijn hierop gebaseerd, vooral nadat een zeer elegante methode werd gevonden om deze omzetting te laten plaatsvinden door middel van een eenvoudige, digitaal aangestuurde, analoge schakelaar, zoals deze op veel plaatsen wordt toegepast bij het schakelen van audio en video signalen. Deze directe conversie techniek wordt dan uitgevoerd met een z.g. Tayloe schakeling, die o.a. wordt toegepast in de SDR1000 transceiver. Dit mengprincipe komt uitgebreider aan de orde in het hoofdstuk over de QSD kaart.

In het Amerikaanse radioblad QEX heeft tussen juli / augustus 2002 en maart / april 2003 een vierdelige serie artikelen gestaan over deze SDR1000 transceiver van de hand van Gerald Youngblood, AC5OG. De Tayloe schakeling vormt hierbij het hart van het systeem en worden door hem grondig behandeld evenals de programmatuur die in de PC de signalen verder uiteen rafelt en behandeld. Deze artikelen serie heeft vele amateurs geïnspireerd om zelf ook eens met deze technieken te gaan experimenteren.

Ook de 11-delige artikelen serie van de hand van Pieter-Tjerk de Boer, PA3FWM in blad Electron van de VERON heeft tussen oktober 2006 en september 2007 velen ingewijd in de principes van Software Defined Radio in het algemeen en de wiskundige achtergronden daarvan in het bijzonder. Meer hierover is te vinden op internet op zijn specifieke SDR pagina.

Deze artikelen zijn voor een aantal mensen aanleiding geweest om op basis van de principes van de SDR1000 kennis te maken met directe conversie technieken en de SW die hier al vrijelijk voor beschikbaar is en te vinden is op het internet, Flexradio. Op meer plaatsen zijn goede en gratis programma's te vinden om radio-signalen uit een SDR-ontvanger te kunnen behandelen en decoderen. Een ander prima programma is b.v. SDRadio geschreven door Alberto Bene, I2PHD.

Veel van deze programma's hebben naast de mogelijkheden van een goede communicatie ontvanger ook de beschikking over een zeer vriendelijke gebruikers omgeving, waardoor het een genoegen is om de verdere mogelijkheden zelf te ontdekken. Onder die extra mogelijkheden is vaak ook de functie van panorama overzicht, waarmee naast het ontvangen signaal ook een groot frequentiegebied hier rondom heen zichtbaar gemaakt kan worden op het computer scherm. Mede omdat alle signaal verwerking in de PC plaats vindt, is de lineariteit van dit panoramische overzicht zeer goed, waarmee deze radio's kunnen wedijveren met goede meetinstrumenten voor analyse van het frequentie spectrum.

Juist omdat de ontvangerschakeling buiten de PC zo eenvoudig gehouden kan worden en de vrij beschikbare ontvangerprogramma's voor binnen de PC, heeft een groepje rondom Gerrit-Jan Huisman, PA0GJH het initiatief genomen om op basis van de SDR1000 schema's zelf een printje te ontwikkelen voor een eerste kennismaking met deze technieken. Een volgende hoofdstuk behandelt daarom de QSD ontvanger kaart (voor Quadrature Signal Detector), bestaande uit de eerder genoemde Tayloe schakeling en enkele circuits daar rondom heen om deze schakeling te laten werken. Verdere hoofdstukken bespreken de principes waarop dit kaartje is gebaseerd, de achtergronden van de antenne ingangstransformator en enkele metingen hieraan. Een ander hoofdstuk is gewijd aan methodes om de ontvanger bestaande uit deze QSD kaart en de PC met zijn al dan niet ingebouwde geluidskaart optimaal in te stellen.

De achtergronden van het ontstaan van ontvangst op de spiegelfrequenties en methoden voor een optimale instelling hiervoor worden behandeld in een verder hoofdstuk en er is ook een artikeltje gewijd aan het groot-signaal gedrag van deze SDR ontvanger en een geschikte meetmethode hiervoor (IP3 metingen). Tenslotte is er een hoofdstuk gewijd aan de ontvangst op harmonische frequenties en wordt een set ingangsfilters beschreven die deze ongewenste ontvangst effectief kan onderdrukken.

Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl