SDRの勉強をしてみました
私はコリンズの真空管無線機を弄るのが大好きで、未だアナログ世代の王道を行っている人間です。しかし、日々変化する技術には少なからず興味をもっており、その中でＳＤＲはディスクリート回路（注１）を、自由度が高いソフトウェアで代替できる究極の無線機として注目をしていました。この中で、先日３．５ＭＨｚでお馴染み局と交信をした折にＳＤＲが話題となり、次のような疑問が出てきました。
- 話題のＦＬＥＸ１５００は従来のＳＤＲと何が違うか？
- ＳＤＲ本体とパソコンの役割分担は？
- ＤＳＰ無線機もソフトをアップグレードできるがＳＤＲと何が違うか？
そこで、ＳＤＲの勉強をしてみました。
ＷＥＢで参考資料を探しましたが、意外と日本語の資料が少ない事に気がつきました。
このため、調べた資料をベースにFlex
Radio Systrems 社の製品を例に引き、まとめて見ることにしました。私は実際にＳＤＲを使用しておらず、「俄か知識」をベースとした内容ですので、至らない点があるかと思います。しかし、これにより僅かでも読んで頂いた方の理解の一助となれば幸いと思います。お気づきの点があれば、ご一報下さい。
なお、内容を簡単にする為に主に受信系を中心に解説していますので、この点をご留意ください。
注１：半導体・抵抗・コンデンサ等の部品を使った回路
２．歴史
まずは、軽くＳＤＲの歴史に触れてみたいと思います。
Software Radioという言葉は、E-System Inc.のGarland Texas Division （現在はRaytheon）で１９８４年より使われ始め、当初はブロードバンド通信の信号を多重処理する為に、分離するフィルタをソフトウェアで実現する技術を指していました。
１９９２年にJoseph MitolaがＩＥＥＥ（注２）で現在のＳＤＲ（Software Defined Radio） の概念を発表しました。最初のＳＤＲ実現への取り組みは１９９２年から始まった米軍のSpeakEeasyプロジェクトでPHASEⅠ、PHASEⅡがありました。PHASEⅠでは、２～２，０００ＭＨｚの軍用通信機のＳＤＲ化が目標となり、そこではVHF AM、VHF FM、HF SSB等、我々アマチュアになじみが深い技術のベースが構築されました。PHASEⅡではＳＤＲに使用するソフトウェアのオープン化（注３）が図られました。
注２：米国電気電子学会
注３：誰もが利用、開発できるように標準化して公開すること
３．ＤＳＰ無線機とＳＤＲ
双方とも一部のディスクリート回路をソフトウェアで実現する点では同じです（図１）。
当初のＳＤＲ（SDR-1000）はパソコンのサウンドカードをインターフェースとして、パソコンでＡＦ信号処理を行っていました。この為、Ｍｉｘｅｒ回路でダイレクトコンバージョンを行い、ＲＦ信号をパソコンで扱えるＡＦ信号に変換しています。最新のＳＤＲ（FLEX-1500）は、Ａ／Ｄ変換をＳＤＲ本体内で行い、デジタル変換された信号（データ）をＵＳＢ２．０インターフェースでパソコンと接続します。
ＤＳＰ無線機はこの全ての処理を無線機内のＤＳＰチップとファームウェアで行っています。ファームウェアはメーカー独自に開発され、機能向上はメーカーの開発力如何にかかっています。一方、ＳＤＲはオープン化されたソフトウェアを使用している為、利用者のニーズに従い機能向上が簡単にできるのが大きな利点といえます。
図１
４．ＳＤＲの構成
◆ＢＰ Ｆｉｌｔｅｒ
受信性能を左右するＭｉｘｅｒ回路の性能を補完する為にＢＰ Ｆｉｌｔｅｒ を前段に配置しています。
◆Ｍｉｘｅｒ回路
Ｍｉｘｅｒ回路は受信信号をＳＤＲに内蔵されているＡ／Ｄ変換チップが扱える信号周波数に変換する役割をします。また、受信性能を決める最も重要な部品で、ダイナミックレンジが受信性能を左右します。FLEX-1500では Quadrature Sampling Detector を採用し、3rd IP は +20dB を得ています。近接妨害に強く２KHｚセパレーションの近接妨害排除能力は最近のトップレベルの受信機に迫ります。この比較は、 Sherwood Engineering Inc. のサイトで参照できます。この外の重要な性能要素として、ローノイズ、高い選択性があげられます。
◆Ａ／Ｄ変換
Ｍｉｘｅｒ回路で変換された信号はサンプリングレート４８ＫＨｚのＡ／Ｄ変換チップでパソコンが扱えるデジタル信号（データ）に変換されます。変換後のデータはＵＳＢ２．０インターフェースでパソコンに転送されます。
◆ＰｏｗｅｒＳＤＲ
ＳＤＲ本体から転送されたデータは、パソコンに導入されたＰｏｗｅｒＳＤＲで処理されます。その主な機能として、変調、復調、フィルタリング、音声処理（グライコ、エキスパンダー、等）、モニタースコープ等のアクセサリーで、必要に応じてソフトウェアのアップグレードがなされます。ＰｏｗｅｒＳＤＲは
FlexRadio
Systems のダウンロードサイトからフリーソフトとして入手できます。
◆Ｄ／Ａ変換
ＰｏｗｅｒＳＤＲで処理されたデータは再びＵＳＢ２．０インターフェースでＳＤＲのＤ／Ａ変換チップに転送されＡＦ信号に変換されます。その後、ＡＦアンプで増幅されヘッドフォンやスピーカーを鳴らします。
◆送信系
以上、受信系を中心に解説して来ましたが、送信系は概ねこの逆とお考え下さい。FLEX-1500本体のマイク端子に入力された音声信号は本体でＡ／Ｄ変換され、ＵＳＢ２．０インターフェースでパソコンに転送され、ＰｏｗｅｒＳＤＲで処理されます。その後、再びＵＳＢ２．０インターフェースで本体に戻り、Ｄ／Ａ変換が行われた後にQuadrature Sampling Exciter でＲＦ信号に変換され、ＲＦアンプ、ＢＰ Ｆｉｌｔｅｒを経て送信されます。
５．現在のＳＤＲの課題
ＳＤＲの信号処理は音声通信の性格上、高速リアルタイム処理が要求されます。最近のパソコンは処理速度が速くなったとはいえ、汎用に作られているため、リアルタイム処理専用に作られているＤＳＰ無線機に搭載されている専用チップとファームフェアの様なわけには行きません。この為、処理遅延が発生します。また、ＵＳＢもパソコンメーカーのドライバーにより速度に差があり、遅延を助長する場合があります。これらを克服し、性能を十分に引き出すためにはＯＳ（Windows等）の設定変更をする必要があり、時によってはこの作業が煩雑を極めます。これを解決する為に、FlexRadio Systems 社ではFlexReadyというカスタムメイドのパソコンを準備している様です。また、eHam.net の Product Review ではWindows7で問題が多いとの書き込みがありました。ＳＤＲを使っている方より、「ＰｏｗｅｒＳＤＲは完全に安定しているとはいえず、パソコンがフリーズして送受信が出来なくなる事があるので、常に予備の無線機をスタンバイしています」との実態をお聞きしました。未だ黎明期の技術なので、当分は従来の無線機は手放せない様です。
６．ＳＤＲの今後
２００５年に米国でＨＰＳＤＲ（High Performance Software Defined Radio）プロジェクトが複数の有志により立ち上がりました。ここでは高速Ａ／Ｄ変換チップを採用して、DC～５０MHｚのＲＦ信号を直接デジタル信号に変換する機能を有するＳＤＲシステム開発を目指していました。既にMercury社から１６ｂｉｔ １３２ＭＩＰＳ（注４）の高速チップを使用したＨＰＳＤＲボードが発売されています。これにより、Ｏｚｙインターフェースボードを使いＵＳＢ２．０でパソコンと接続し、信号処理ソフトウェアはＰｏｗｅｒＳＤＲを使用するシステムが構築できます。
図２
注４：ＭＩＰＳ（Mega Instructions Per Seconds）はコンピュータが決められた命令を単位時間に処理できる回数を表し、処理速度の速さの目安となる数字。１３２ＭＩＰＳという数字は一昔前のオフィースコンピューターの計算能力と同じ！
７．ＦＬＥＸ-１５００を使ったシステムの一例
最後に、FLEX-1500を使い１００Ｗで運用出来るシステムの一例を紹介します。
- 出力１００Wを得るために入力５Ｗ、出力１００Ｗのリニアアンプを使います。
- TCXOが内蔵されていますが、外部基準発信が入力できるので、ルビジューム発信器等を用い更なる周波数精度向上を図ります。
- アクセサリーのＶＦＯコントロールノブを使用すると操作性が向上出来ます。
- 更に、操作パネルを使用すると従来の無線機ライクな操作性を得ることが出来ます。
図３
参考資料
・Answers.comのSDR、HPSDRの資料
・Sherwood Engineering Inc.の受信機性能比較
・FlexRadio Systems社のFLEX1500の解説、ＳＤＲの解説
・eHam.net の FLEX1500のProduct Review
