Программно-определяемое радио или Software-Defined Radio (SDR) — это радиосистема, в которой большая часть функциональности традиционного радио, такая как модуляция и демодуляция сигналов, фильтрация, усиление
и преобразование частоты, реализуется программно на цифровом устройстве, часто на базе общего назначения процессора или программируемого специализированного устройства.
Значение SDR в современном мире заключается в том, что эта технология позволяет гибко настраивать и обновлять радиосистемы через программное обеспечение,
что делает их более адаптивными к изменяющимся требованиям и условиям. SDR также способствует снижению стоимости производства радиооборудования за счет использования программного обеспечения вместо аппаратных компонентов.
Благодаря своей гибкости и возможности обновления через программное обеспечение, SDR играет важную роль в различных отраслях, таких
как телекоммуникации, оборонная промышленность, авиация и другие.
Она позволяет создавать универсальные радиосистемы, способные работать
с различными стандартами связи и частотами, что делает их более эффективными и экономически выгодными.
История развития SDR началась в середине 20 века, когда появились первые идеи о цифровой обработке сигналов. История развития SDR началась с 1950-1960 годов. Начинают проводиться первые исследования в области цифровой обработки сигналов и появление концепции программно-определяемого радио. Далее
в 1970-1980 годы происходит развитие технологий цифровой обработки сигналов, которые стали основой для создания SDR. Появление первых прототипов программно-управляемых радиосистем. В 1990-2000 годы идет бурное развитие SDR благодаря улучшению процессорных мощностей и возможностей программного обеспечения. Появление коммерчески доступных SDR устройств.
На данный момент SDR становится все более популярной технологией благодаря своей гибкости, адаптивности и возможности обновления через программное обеспечение. История развития SDR продолжается, и с каждым годом технология становится все более распространенной и значимой для современных радиосистем.[1]
Виды программно-определяемого радио
Существующие программно-определяемые радио (SDR) можно классифицировать на три основных типа:
1. Устаревшие модели на основе звуковой карты, где оцифровка сигнала происходит на компьютере и передается через аудиокабель. Эти модели уже давно вышли
из употребления, и их можно найти только на вторичном рынке. Их приобретение нецелесообразно из-за высокой стоимости хорошей звуковой карты, превышающей цену самого SDR.
2. SDR с встроенным аналого-цифровым преобразователем (АЦП), передающие сигналы в компьютер в цифровом формате. Это наиболее распространенные современные устройства среднего ценового диапазона. Они работают по принципу гетеродинного приема, где АЦП используется после смещения частоты. Такие SDR имеют ширину полосы пропускания от 2 до 10 МГц и различные модели для разных частотных диапазонов.
3. SDR с прямым преобразованием (DDC), представляющие собой самую современную технологию. В этом случае гетеродин не используется, а быстрый АЦП напрямую оцифровывает входной сигнал с эфира. Это позволяет получать сигналы до половины частоты дискретизации, например, до 50 МГц. Обработка данных происходит на плате, встроенной программируемая логическая интегральная схема (ПЛИС), и только необходимая полоса пропускания передается в компьютер. Такие приемники не имеют зеркальных каналов, что является
их преимуществом.
Верхняя граница частоты DDC-приемников обычно ограничена диапазоном
от 30 до 50 МГц из-за отсутствия на рынке более быстродействующих АЦП,
либо из-за их высокой стоимости. Например, топовый Flex 6600 с 16-битным 245.76Msps АЦП стоит около 4000 долларов и способен принимать сигналы
в режиме DDC до частоты 122 МГц. Возможно, в ближайшем будущем
мы не увидим DDC-приемников, способных работать на гигагерц, хотя это было
бы желательно. Возможно, для военных целей уже существуют более быстрые решения.
Еще одним важным параметром является тип подключения. Большинство SDR устройств подключаются через USB, но также существуют модели с LAN-портом (например, Afedri, Colibri), что удобно для организации удаленного приема
или передачи сигналов.
Разрядность АЦП также играет важную роль. Например, дешевые RTL SDR имеют всего 8-битный АЦП, что может привести к перегрузке приемника сильными сигналами. SDRPlay имеют 12-битный АЦП, а более дорогие модели - 14-битный или даже 16-битный АЦП. Топовые модели с 16-битным АЦП могут обрабатывать широкий диапазон сигналов.
Кроме того, существуют платы для цифровой обработки сигналов, такие как HackRF, LimeSDR, USRP, Red Pitaya. Они предназначены для опытов
с радиосигналами на рабочем столе и не всегда подходят для дальнего приема
из-за отсутствия регулируемого усилителя, аттенюатора и фильтров. [2]
Принцип работы SDR
Принцип работы SDRзаключается в использовании программного обеспечения
для обработки радиосигналов, вместо традиционных аппаратных средств. Основная идея SDR заключается в том, что аналоговые сигналы преобразуются
в цифровой формат, который затем обрабатывается программным обеспечением
на компьютере или специализированном устройстве.
Основные компонентами SDRявляются:
1. Антенна: используется для приема радиосигналов. Антенна передает сигналы
в SDR устройство для дальнейшей обработки.
2. RF Front-End: это аппаратная часть SDR, которая отвечает за преобразование аналоговых радиосигналов в цифровой формат. RF Front-End включает в себя компоненты, такие как усилители, фильтры, модуляторы и демодуляторы.
3. Analog-to-Digital Converter (ADC): преобразует аналоговые радиосигналы
в цифровой формат, который может быть обработан программным обеспечением.
4. Digital Signal Processor (DSP): это ключевой компонент SDR, который выполняет цифровую обработку сигналов. DSPвыполняет такие операции, как фильтрация, демодуляция, декодирование и другие.
5. Baseband Processor: этот компонент обрабатывает цифровой сигнал после DSP
и подготавливает его для вывода на динамик или дисплей.
6. Software: программное обеспечение SDRиграет ключевую роль в обработке радиосигналов. Оно выполняет все необходимые операции по обработке
и декодированию сигналов.
7. Управляющее программное обеспечение: это программное обеспечение управляет работой SDRустройства, настраивает параметры приема и передачи сигналов.
Эти компоненты работают вместе для обеспечения приема, обработки и передачи радиосигналов с помощью программного обеспечения.
Основные преимущества SDR включают: гибкость – поскольку большая часть обработки сигналов происходит программно, SDR может быть легко перенастроен для работы с различными частотами, стандартами связи и модуляциями. Это делает SDR идеальным инструментом для исследований, экспериментов и разработки новых технологий; обновляемость – так как основная функциональность SDR реализована в программном обеспечении, его можно легко обновлять для поддержки новых возможностей или исправления ошибок. Это позволяет пользователям получать доступ к новым функциям без необходимости покупки нового оборудования; интегрированность – SDR может быть легко интегрировано с другими системами и устройствами благодаря гибкости программного обеспечения. Это позволяет создавать сложные радиосистемы с широким спектром функций.(Рис.2)
В целом, принцип работы SDR состоит в том, что аналоговые радиосигналы преобразуются в цифровой формат для обработки программным обеспечением, что открывает новые возможности для радиосвязи и радиоинженерии.[3]
Возможности программно-определяемого радио по обнаружению и идентификации БпЛА
Программно-определяемое радио (SDR) имеет ряд возможностей для обнаружения и идентификации беспилотных летательных аппаратов (БпЛА). Широкий диапазон частот дает возможность SDR настроиться на работу в различных частотных диапазонах, что позволяет обнаруживать БпЛА, использующие различные радиочастоты для связи с оператором. Программно-определяемое радио может проводить спектральный анализ радиосигналов, что позволяет выявлять характеристики сигналов, используемых БпЛА, и проводить анализ спектра сигналов для их идентификации. Декодирование протоколов связи, которые используются для управления и связи с БпЛА. Это позволяет идентифицировать типы БпЛА и их команды управления для предугадывания действий на поле боя. Так же, SDR может использоваться для обработки радиосигналов с целью фильтрации помех, улучшения качества сигнала и извлечения полезной информации для обнаружения и идентификации БпЛА. Добавляя ко всему этому, можно интегрировать SDR с методами машинного обучения для автоматического обнаружения и классификации БПЛА на основе анализа радиосигналов. Это позволяет создать систему, способную распознавать и идентифицировать различные типы БпЛА без участия человека. При анализе сигналов от отраженных поверхностей SDR может быть использовано для реализации радиолокационных систем, которые могут обнаруживать БпЛА по отраженным радиосигналам. Это позволяет проводить мониторинг воздушного пространства и обнаруживать нелегальные или враждебные действия с использованием БпЛА. В целом, программно-определяемое радио предоставляет широкий спектр возможностей для обнаружения и идентификации БпЛА, что делает его эффективным инструментом для контроля воздушного пространства и обеспечения безопасности.
Заключение
Таким образом, можно сделать вывод, что программно-определяемое радио (SDR) предоставляет множество возможностей для обнаружения и идентификации беспилотных летательных аппаратов (БпЛА). Благодаря широкому диапазону частот, спектральному анализу, декодированию протоколов связи, обработке сигналов, машинному обучению и радиолокации, SDR может быть эффективным инструментом для мониторинга воздушного пространства, обеспечения безопасности и предотвращения нелегального использования БпЛА(Рис.3). При правильной настройке и использовании SDR может значительно улучшить способность обнаруживать и идентифицировать различные типы БпЛА, что важно для обеспечения безопасности и контроля воздушного пространства.
ЛИТЕРАТУРА:
Костин М.С., Ярлыков А.Д. Архитектурно-конфигурируемые SDR-технологии радиомониторинга и телеметрии - Инфра-Инженерия, 2021 г. – 148 с.
[Электронный источник] URL: https://habr.com/ru/articles/451674/ (дата обращения 31.03.2024)
[Электронный источник] URL: https://greatscottgadgets.com/sdr//(дата обращения 31.03.2024)