Год Радио

Хотя для подавляющего большинства людей аббревиатура SDR (в отличие, скажем, от WiFi или GPS) по сию пору остается мало или даже совершенно незнакомой, среди специалистов по радиосвязи термин Software Defined Radio имеет хождение примерно с начала 1990-х гг., т.е., считай, уже лет около 20.

Довольно долго, правда, универсальные электронные системы для чисто программной обработки сигналов во всем широчайшем диапазоне радиочастот (а не для аппаратной в конкретных узких диапазонах, как обычно) считались делом технически крайне сложным и чрезвычайно дорогостоящим. А потому доступным, главным образом, лишь для военных и спецслужб наиболее богатых и амбициозных государств.

Однако время идет, закон Мура продолжает работать, и ныне, как это ни поразительно, смартфон в кармане самого обычного гражданина по своей вычислительной мощи ничуть не уступает самым быстрым суперкомпьютерам планеты по состоянию на начало 1980-х гг.

Следовательно, радикальные перемены происходят и в области технологий цифровой радиосвязи. На протяжении всего предыдущего десятилетия то и дело появлялись эпизодические сообщения СМИ об очередных успешных шагах к удешевлению и общедоступности технологий SDR. Однако лишь в 2012 г. такие новости стали приходить если и не ежемесячно, то по меньшей мере раз в квартал.

Сначала, по весне, один пытливый радиолюбитель обнаруживает, что чип совсем дешевого 20-долл. тюнера Realtek для приема цифрового ТВ на самом деле уже практически готовый SDR-аппарат. Значит, с помощью одной незадокументированной изготовителем инструкции этот USB-модуль – в сочетании с ноутбуком и свободно доступным ПО GNU Radio – можно превращать в весьма интересный комплекс программно-задаваемого радио с внушительным диапазоном рабочих радиочастот -- от 64 МГц до 1,7 ГГц.

Конечно же, эксплуатационные характеристики столь недорогого устройства годятся скорее для начальных экспериментов с технологией, чем для решения серьезных задач. Однако к лету на рынке уже имелся готовый и доступный по цене SDR-продукт куда более серьезного уровня – компьютерная плата расширения Intel Xeon Phi американской фирмы Per Vices. Цена ее, правда, уже отнюдь не бросовая – около 750 долл.

Хотя, в целом, этот сектор пока остается весьма узким, все же здесь вполне отчетливо наметилась конкуренция. К осени 2012 г. стало известно, что уже почти готов и совсем скоро появится в продаже SDR-аппарат HackRF компании Great Scott Gadgets из Колорадо. Он реализован в виде внешнего USB-устройства размером с портативный жесткий диск. Рабочий диапазон частот этого радиоприбора, по замыслу создателей, будет простираться от 100 МГц до 6 ГГц. А его цена будет составлять около 300 долл., что казалось немыслимо низким еще лет пять назад.

Чтобы рядовому человеку, далекому от тонкостей радиосвязи, стало яснее, почему данные события представляются не только примечательными, но очень важными буквально для всех, полезно поближе познакомиться с ключевыми особенностями технологии SDR, а также с теми перспективами, которые она сулит цифровым гаджетам в ближайшем будущем.

Практически все, наверное, в курсе, что обычные чипы радиосвязи жестко сконфигурированы для коммуникаций с использованием одного конкретного протокола. Например, типичный современный смартфон имеет в своей аппартной начинке несколько разных микросхем для обработки различных видов радиосвязи. Один чип предназначен для общения с мачтами сотовой телефонии, другой -- для контактов с базовыми станциями Wi-Fi, третий -- для приема навигационных сигналов GPS, а четвертый -- для связи с устройствами через Bluetooth.

А вот если бы в смартфоне имелась полноценная SDR-микросхема, то ее одной было бы вполне достаточно не только для обработки сигналов по всем упомянутым протоколам, но и для приема-передачи радиоволн в любых других форматах. И чтобы иметь столь заманчивые возможности, было бы достаточно просто загружать в процессор чипа соответствующие программы для прямой работы с «сырыми» электромагнитными сигналами из эфира.

Понятно, что такая особенность делает устройства программно-задаваемого радио чрезвычайно гибкими. Помимо взятия на себя всех функций, возложенных ныне на чипы беспроводной связи, эти устройства могли бы сами записывать передачи FM-радио и программы цифрового телевидения, считывать информацию с RFID-чипов и дистанционно управлять бытовой техникой, решать задачи, скажем, радиоастрономии и еще массу других задач, так или иначе связанных с обработкой электромагнитных волн.

Причем, в принципе, все нужные функции здесь можно было бы выполнять одновременно, коль скоро SDR-устройства способны одновременно настраиваться на множество разных частот. Это делает возможными такие коммуникационные схемы, которые ни за что не удалось бы осуществить с обычным радиооборудованием.

В определенном смысле можно считать, что технология программно-задаваемого радио имеет немало общего со звуковыми картами персональных компьютеров. Лет 15--20 тому назад возможности ПК развились до такого состояния, когда любой энтузиаст-любитель с помощью домашнего компьютера, оснащенного аудиокартой, при желании был способен не только воспроизводить, но и вполне профессионально записывать и редактировать любые виды аудиосигналов.

Столь революционный, без всякого преувеличения, технологический прорыв обеспечил кардинальные перемены во всей индустрии музыки и звука. Внешне наиболее заметными признаками произошедшей революции стали такие достижения, как прямая запись аудиосигналов на жесткий диск и файлообмен музыкальными записями в формате MP3. Кстати, далеко не все, как известно, пришли от этих новшеств в восторг, поскольку попутно оказались сильно подорваны давно накатанные бизнес-модели музыкальной индустрии, ведь становится все меньше и меньше людей, желающих покупать музыку на твердых носителях вроде компакт-дисков.

Довольно много черт этого процесса прослеживается и ныне в событиях, развернувшихся вокруг SDR. Сейчас ПК стали уже достаточно быстрыми, для того чтобы аналогичным образом полностью взять на себя обработку сигналов радиоволн. А это, естественно, означает, что и индустрию беспроводной радиосвязи вскоре ожидают революционные перемены примерно тех же масштабов. Однако здесь такое критически важное достижение, как массовое появление недорогого и простого в управлении программно-задаваемого радиоустройства, пока еще только должно произойти. Но практически не остается сомнений в том, что это вскоре произойдет.

Аналогично, и здесь не только лидеры индустрии связи, но и государственные органы регулирования испытывают определенное беспокойство по поводу четко обозначившихся революционных перемен в радиокоммуникациях. Особенности совместного использования радиочастотного спектра подразумевают жесткий контроль за работой всех радиопередающих станций в своих строго выделенных диапазонах, позволяющий избегать помех взаимной интерференции и шумового хаоса в эфире.

Повсеместное же распространение SDR-устройств, способных работать на любой частоте, потенциально несет в себе угрозы именно такого беспорядочного засорения радиоволн массами безответственных радиолюбителей-новичков.

Однако энтузиасты SDR заверяют, что при правильном подходе к делу ничего подобного не произойдет. И более того, программно-задаваемое радио имеет все шансы стать доминирующей технологией в радиосвязи будущего. Основные же доводы в обоснование этой позиции примерно таковы.

Программно-задаваемое радио по самой природе своей может быть достаточно гибким, чтобы эффективно преодолевать те жесткие требования о разграничениях спектра, что принимались для радиосистем прежних типов. Для этого уже сейчас имеется множество разных способов, вполне реализуемых и в рамках SDR.

В частности, известные технологии размазанного спектра и сверхширокого диапазона (spread spectrum, ultrawideband) позволяют нескольким передатчикам успешно работать в одном и том же месте на одних и тех же частотах с очень незначительной интерференцией.

Еще одна технология под названием программно-определяемая антенна позволяет адаптивно «пристегивать» устройство к направленному сигналу, благодаря чему приемники лучше отсекают помехи интерференции от других направлений и выявляют полезные сигналы в более слабых передачах.

Далее, новые технологии «когнитивного радио» реализуют схему, при которой каждая радиостанция сама измеряет спектр в доступных ей диапазонах, постоянно сообщая эту информацию другим радиостанциям сети. Благодаря этому передатчики могут избегать взаимной интерференции, выбирая для связи никем не используемые частоты.

Наконец, так называемые ячеистые (mesh) беспроводные сети устроены так, что каждый добавляемый в нее узел увеличивает общую пропускную способность системы и при этом сокращает мощность передачи, требуемую для каждого конкретного узла. Каждый узел здесь передает лишь настолько громко, насколько это нужно для передачи сообщения ближайшему узлу в нужном направлении. Благодаря чему вся сеть работает предельно тихо и с минимальными помехами узлов друг для друга...

В заключение описания этой захватывающей дух картины будущего осталось только определить: какой же все-таки год правильнее будет называть Годом Начала Эпохи SDR – уже прошедший или только грядущий? Но, наверное, с ответом на этот вопрос пока лучше подождать.