Ohjelmistoradio

Transistorien pakkaustiheyden kasvu on tuonut mukanaan nykyisiin radioihin äänisignaalin käsittelymahdollisuuden erillisellä signaaliprosessorilla (DSP). Radioamatöörikäytössä PC:n äänikorttia voidaan käyttää A/D- ja D/A-muuntimena. Tällöin tietokoneen suoritin (CPU) huolehtii signaalin laskemisesta. FPGA-piirit sopivat laajakaistaisiin toteutuksiin, koska niissä rinnakkaislaskeminen voidaan hajauttaa pienempiin soluihin. Tyypillinen DSP sovellutus on äänikaistansuodatin sekä kapean jatkuvan signaalin (CW) tai jaksollisen häiriösignaalin vaimennus. Toinen tärkeä ja paljon käytetty sovellutus on digitaalisignaalien modulointi, spektrianalyysi ja tähän tarvittavat suodattimet (esimerkiksi PSK).

Tyypillisessä radioamatöörikäytössä SDR:llä (Software Defined Radio) on yksi perinteisiin supereihin verrattuna varsin matala alle 100 kHz:n välitaajuus. Esimerkiksi uusissa Yaesun lähetinvastaanottimissa viimeinen välitaajuus on n. 30 kHz ja tämä muutetaan A/D-muuntimella digitaaliselle signaaliprosessorille. Laskennan helpottamiseksi radiosignaalista sekoitetaan kvadraatissa kaksi välitaajuussignaalia (In-phase ja Quadrature) 90 asteen vaihe-erolla. Molemmat muutetaan binäärinumeroiksi A/D-muuntimen avulla. Näin saadaan signaalia kuvaava kompleksiluku, joka sisältää tiedon myös vaiheesta amplitudin lisäksi. Saadut numerot ovat luonteeltaan digitaalisia eli ne on määritelty vain tiettynä A/D-muuntimen näytteenottoaikana ja niillä voi olla vain tiettyjä arvoja A/D-muuntimen tarkkuudesta johtuen. Nyquistin_teoreeman mukaan näytteenottotaajuuden pitää olla vähintään kaksi kertaa signaalitaajuus. Käytännössä näytteitä otetaan yleensä useammin, jotta ennen A/D-muunninta oleva "antialias" taajuuksien laskostumista estävä alipäästösuodatin olisi helppo toteuttaa. Laskun lopputulos muutetaan yleensä takaisin analogiseksi signaaliksi D/A-muuntimen avulla, joka menee myös alipäästösuotimen läpi. Digimoodeille D/A-muunnosta ei tarvitse tehdä, koska tuloksena on tietokoneen ruudulle ilmestyvä merkkijono eikä äänisignaali.

Monet SDR:n vaatimista laskuista ovat epälineaarisia (esimerkiksi sekoitin) ja niiden ohjelmointi vaatii huolellisuutta, jotta ei toivotut taajuuskomponentit eivät osuisi "laskentakaistalle". Esimerkiksi amplitudimoduloidun signaalin ilmaisu voidaan toteuttaa laskemalla kompleksiluvun itseisarvo. Tarvittava neliöjuuri on usein helppo lukea valmiiksi ohjelmoidusta taulukosta. Tätä ennen signaali joudutaan tietysti taajuusmuuntamaan korvalle sopivalle taajuusalueelle laskennallisen sekoittimen ja oskillaattorin avulla. Erilaisia suodatinratkaisuja kuvataan digitaalisignaalien z-muunnoksen avulla kun taas analogisissa suodattimissa käytetään yleisesti Laplace-muunnosta ajan ja taajuuden välillä. Reaalilukuja joudutaan myös usein muuttamaan analyyttisiksi lisäämällä mukaan kompleksitermi. Tähän käytetään Hilbert_muunnosta. Esimerkiksi SSB-signaalin ilmaisu voidaan tehdä Hilbert-muunnoksen ja kaistanpäästösuotimen avulla. A/D-muuntimelta saatua tai laskettua signaalia voidaan myös alinäytteistää (decimate) valitsemalla jonosta vain osa näytteistä - esimerkiksi joka toinen tai joka viides. Vastaavasti alinäytteistettyä signaalia voidaan myöhemmin interpoloida lisäämällä väleihin uusia pisteitä. Signaalinkäsittelyä voidaan simuloida ennen suodattimen tai radion toteutusta erilaisilla tietokoneohjelmilla (Octave ja Matlab).

Aiheesta muualla

http://fi.wikipedia.org/wiki/Ohjelmistoradio

http://en.wikipedia.org/wiki/Software-defined_radio

http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/

http://f4dan.free.fr/sdr.html

http://oh3ne.ham.fi/wiki/index.php/SOFTROCK40

http://www.tapr.org/

http://gnuradio.org/redmine/wiki/gnuradio

Pekka Ritamäki OH3GDO, SDR eli softaradion toiminnasta, osa 1, Radioamatööri 6 2008

Pekka Ritamäki OH3GDO, SDR eli softaradion toiminnasta, osa 2, Radioamatööri 7 2008

The ARRL Handbook for Radio Communcations

Tom McDermott N5EG, Wireless Digital Communications: Design and Theory, Tucson Amateur Packet Radio Corporation 1996

M. E. Frerking, Digital Signal Processing in Communication Systems, Kluwer Academic Publishers 1994