Tarkvaraline raadio

Tarkvaraline raadio on raadioside loomist võimaldav süsteem, kus tavaliselt riistvaraga teostatavad ülesanded viib läbi tarkvara. Tarkvaralise raadio plussideks on kokkuhoid seadmete pealt, süsteemi kiire muudetavus ja võimalus töötada väga suures sagedusvahemikus ja väga erinevate modulatsioonitüüpidega. Tarkvaraline raadio on alles viimasel aastakümnel muutunud laialt kasutavamaks, kuna alles viimastel aastatel on tavaliste arvutite võimsus jõudnud piisavale tasemele. Tarkvaralist raadiot ei tohiks segi ajada tarkvaraliselt juhitud raadioga, kus riistvara parameetreid muudetakse tarkvaraliselt. Tarkvaralise raadio plussid avalduvad rohkem raadiovastuvõtjas kui raadiosaatjas.

Kõige lihtsamal juhul koosneb tarkvaraline raadio antennist, analoog-digitaalmuundurist, digitaal-analoogmuundurist ja arvutist. Selline lahendus on aga suurte tehniliste raskuste ees. Nõrkade signaalide vastuvõtuks oleks veel vaja madalsignaalide võimendit ja tugevama signaali saatmiseks võimendit. Enamasti kasutatakse signaalide digiteerimiseks spetsiaalset liidest, kuid kui vastavat võimalust ei ole, on võimalik riistvara kasutades signaali sagedust veelgi allapoole tuua, misjärel on võimalik kasutada ka arvuti helikaarti.

Tarkvaralise raadio tüübid

Tarkvaralise raadio mõistet kasutatakse erinevates töödes erinevalt, segaduse vältimiseks on juhtiv foorum tarkvaralise raadio teemal, Wireless Innovation Forum, jaganud tarkvaralised raadiod eri tasemete vahel.
Tase 0 – tavaline riistvaraline raadio, kus midagi ei saa tarkvaraga muuta.
Tase 1 – tavaliselt kontrollitud raadio. Osa funktsioone on võimalik muuta tarkvaraliselt, kuid mitte modulatsiooni ja sagedust.
Tase 2 – tarkvaraliselt kontrollitud raadio, millel on võimalik muuta ka modulatsiooni ja sagedust. Antennipoolne raadiosageduse osa on tehtud riistvaraliselt ja pole muudetav.
Tase 3 – ideaalne tarkvaraline raadio, üleminek riistvaralistele lahendustele toimub antennile väga lähedal. Antenni ja vastuvõtja vahel on ainult madalate signaalide võimendit, antenni ja saatja vahel on ainult võimendi. Raadiot on võimalik kasutada kõikvõimalike modulatsioonitüüpidega ja suhteliselt laias sagedusvahemikus. Raadio on täiesti programmeeritav.
Tase 4 – lõplik tarkvaraline raadio. Pea täielikult tarkvaraliselt tehtud raadio, töötab väga laias spektrivahemikus ja kõikvõimalike modulatsioonidega.

Tarkvaralise raadio võimalused

Kohanev raadio
Kohanev raadio jälgib enda parameetreid ja kohandab ennast, et töötada efektiivsemalt. Tarkvaraline raadio muudab kohaneva raadio paindlikumaks.

Kognitiivne raadio
Kognitiivne raadio on kohaneva raadio edasiarendus. Lisaks enda parameetritele jälgib raadio sagedusspektrit ja kasutab antud hetke jaoks kõige sobivamat sagedust, vältides samal ajal interferentsi ja kommertssagedusi.

Intelligentne raadio
Intelligentne raadio on kognitiivse raadio edasiarendus, mis on võimeline õppima ennast üha paremini kohandama.

Tarkvaraline antenn
Tarkvaraline antenn on suudab kohanduda vastavalt saate-või vastuvõtusagedusele, muutes oma karakteristlikke omadusi vastavalt vajadusele, olles alati parim kindla lainepikkusega signaali kasutamiseks. See alles arendamisjärgus rakendus võimaldaks kasutada nõrgemaid võimsuseid. Tarkvaraline raadio võimaldaks tarkvaralist antenni kasutada tunduvalt suuremas sagedusvahemikus kui tavapärased raadiod.

Tarkvaralise raadio plussid
Erinevaid modulatsioone on kerge uutele seadmetele kohandada.
Riistvara arenedes on vanu tehnoloogiaid kerge vanadelt seadmetelt lihtsalt uutele üle kopeerida.
Ühte ja sama signaali on võimeline saatma/vastu võtma erinevate tootjate erinevad seadmed.
Tarkvaraline raadio on võimeline töötama väga laia spektrivahemikuga. Piiriks on analoog-digitaalmuundurite, digitaal-analoogmuundurite ja arvutite võimekus. Üks tuntumaid liideseid USRP2 on võimeline kasutama 25-megahertsist sagedusvahemikku.
Tarkvaralise raadio muudatusi on kerge teha ja ta võimaldab kasutada rakendusi, milleks raudvaraline raadio pole võimeline.
Tarkvaraline raadio ei vaja pärast vajalike seadmete ostmist enam mingeid kulutusi. See võimaldab huvilisel katsetada väga erinevaid signaalitüüpe, ilma et peaks uute seadmete ostule raha raiskama või olemasolevate modifitseerimisega palju aega veeta. Kuna tarkvaralist raadiot on kerge muuta, on ta muutumas populaarseks raadioamatööride seas.
Raadio on võimeline salvestama laia spektrivahemikku hilisemaks töötluseks.
Võimalik kasutada passiivse radarina, mis kasutaks TV signaale.
Võimalus kergesti ühendada palju raadiovastuvõtjaid.
Paljud arvavad, et tarkvaraline raadio on telekommunikatsiooni tulevik, kus lõpuks tekib olukord, kus üks seade on valmis vastu võtma kõikvõimalikke raadiosignaale. Ülikoolid avavad magistriõppekavasid, kus õpetatakse tarkvaralist raadiot.

Tarkvaralise raadio miinused
Kuna tarkvaraline raadio nõuab kiireid ja kalleid seadmeid andmete digiteerimiseks ja analoogsignaaliks muutmisel, on ta kallis.
Kui tarkvaralist raadiot hakata uuendama interneti teel, tekib küberkuritegude oht.
Kuna digi-TV on võimalik tarkvaralise raadioga vaadata, on USA-s hakatud tegema lobitööd tarkvaraliste raadiote liideste müügi keelustamiseks.

Ülesehitus

Ideaalne raadiovastuvõtja on arvuti, mis on AD muunduri abil ühendatud antenniga. Nõrgemate signaalide kuulamiseks oleks vaja neid eelnevalt võimendada, kuna digiteerimisel neid muidu ei märgataks. Ideaalne raadiosaatja oleks antenn, mis oleks DA muunduri abil ühendatud arvutiga, vajalik oleks ka võimendi. Kumbki variant ei ole veel kõrgemate sageduste puhul kasutuses, kuna puuduvad piisavalt head muundurid, mis töötaksid piisavalt suure sageduse ja piisavalt suure täpsusega. AM raadio madalamaid sagedusi on juba õnnestunud saateantenni läheduses kuulata.
Uuemad tarkvaralised raadiovastuvõtjad kasutavad tavapärase raadiovastuvõtja esimesi komponente: ostsillaatorit, segustit ja sagedusfiltrit, et saavutada vahesagedusel olev analoogsignaal, mis seejärel digiteeritakse ja mille edasine töötlus toimub juba tarkvarapõhiselt. Kuna enamik analoog-digitaalmuundureid ei suuda digiteerida väga nõrku signaale, kasutatakse vahel ka nõrkade signaalidevõimendit enne signaali digiteerimist. Kui digiteerimiseks pole piisavalt võimsat seadet, peab veel sagedust vähendama, misjärel on arvuti helikaart võimeline andmeid digiteerima.

Ajalugu

Tarkvaralise raadio juured pärinevad Euroopa ja USA kaitsevägede projektidest, kus üritati luua raadiosüsteem, mis oleks võimeline töötama väga suures sagedusvahemikus ja olema samas kiiresti võimeline sagedust vahetama. Tarkvaraline raadio on võimeline ühendama omavahel kiiresti varem erinevate sageduste ja modulatsiooniga töötavad asutused. Olukorras, kus kahe riigi üksused peavad koos töötama, võimaldab tarkvaraline raadio ennast kiiresti vastavalt vajadusele kohandada. Kuna tarkvaraline raadio on võimeline jälgima üheaegselt laia spektrivahemikku, ja vajadusel hüppama kiirelt ühelt sageduselt teisele, oli see sõjaväele ahvatlev kontseptsioon. Tarkvaralise raadio suudab lisaks laiale spektrivahemikule aru saada ka erinevatest modulatsioonidest. Nende vooruste abil on ta kergesti seadistatav uute sageduste ja modulatsioonide jaoks. Üks esimesi tarkvaralise raadio väljaarendatud projekte oli USA sõjaväe SpeakEasy. Termini "tarkvaraline raadio" võttis kasutusele Joseph Mitola III 1991. aastal, teda peetakse ka tarkvaralise raadio isaks.

SpeakEasy

SpeakEasy oli USA sõjaväe projekt, mis pidi lahendama sõjaväe eri harude vahelise suhtlusprobleemi. SpeakEasy oli esimene suuremahuline tarkvaralise raadio projekt. Kuna nii maavägi, õhuvägi kui ka merevägi kasutasid erinevaid sagedusi/modulatsioone, oli nendevaheline suhtlus raskendatud. 1991. aastal alustatud projekti esimene faas lõppes 1994, kui esitleti suurt raadioseadet. Vastavalt Moore'i seadusele oleks pidanud olema võimalik kolme aastaga tehtud projekti tarkvara liigutada neli korda väiksemale kaasaegsele platvormile. Kirjutatud tarkvara oli aga raudvaraspetsiifiline ja tarkvara teisaldamine tuli muuta lihtsamaks, et muuta seadmeid väiksemaks ja paindlikumaks. Tarkvara paindlikkuse põhimõte lubab tarkvaralise raadio arenduskuludelt pikas perspektiivis raha kokku hoida. Teises faasis loodi hiljem kasutusele võetud tarkvaraline raadio, mis oli võimeline side krüpteerimiseks, sagedushüpeteks ja mis töötas 2–400 MHz vahemikus paljude modulatsioonitüüpidega.

GNU Radio

GNU Radio on tasuta tarkvarapakett, mis on viimastel aastatel leidnud laialdast kasutamist. Olles kergesti ühendatav erinevate seadmetega on temaga võimalik kasutada väga erinevates rakendustes. GNU Radio koosneb C++ kirjutatud signaalitöötlusplokkidest, mis on ühendatud kasutades Python programmeerimiskeelt. Võimaldamaks kergemat kasutamist on loodud ka GNU Radio Companion, milles on võimalik graafiliselt tarkvaraplokke ühendada.

Viited

Välislingid
The Journal of Military Electronics and Computing
Wireless Innovation Forum
GNU Radio koduleht
Ameerika raadioamatööride koduleht
Software Defined Radio, SDR, Tutorial

Raadiotehnika
Tarkvara