Канун революции

Концепция под названием Software Defined Radio — это одна из тех крайне заманчивых по красоте, но одновременно и очень сложных в реализации идей, что занимают умы инженеров и ученых на протяжении десятилетий.

Суть SDR проста и элегантна: создать единственное компактное устройство, позволяющее избавиться от всей специализированной электроники (отдельные чипы GSM, GPS, Bluetooth, Wi-Fi и так далее), применяемой для работы с радиосигналами разных типов, и вместо этого делать всю необходимую обработку сугубо программными методами в одном процессоре.

Результатом таких перемен, как видится, стало бы универсальное беспроводное устройство, способное без всяких проблем работать в самом широком диапазоне частот, с любыми техниками модуляции и схемами кодирования сигнала.

Подобно тому, как персональный компьютер заменил собой печатную машинку, математический калькулятор, телефон, телевизор и еще кучу всяких вещей, точно так же и SDR однажды придет в сотовые телефоны, радио- и телеприемники, платежные и интернет-терминалы, а также в любые другие устройства беспроводной связи, которые когда-либо могут понадобиться современному человеку.

Вполне очевидно, что смартфон на основе программно-задаваемого радио был бы не только легче, меньше и дешевле нынешних, но и более эффективным в смысле потребления энергии. Более того, он был бы гораздо круче и в смысле обеспечения звонков: вместо того чтобы застревать на одной частоте или даже на одном операторе сотовой связи, умный SDR-аппарат был бы способен автоматически отыскивать самый лучший и наименее дорогостоящий способ соединения с нужным абонентом.

При этом и изготовители подобного чудо-оборудования явно не остались бы внакладе. При такой постановке дела им уже не надо будет постоянно заморачиваться подстраиванием своей продукции под всякий новый стандарт радиокоммуникаций. Что же касается провайдеров беспроводной связи, то они получили бы небывалые возможности для быстрого и легкого разворачивания всевозможных новых сервисов. А проблема ремонта технических глюков решалась бы тривиальным скачиванием очередного патча.

Короче говоря, на бумаге и в проектах будущее радиосвязи выглядит просто замечательно. И хотя на сегодняшний день мы еще явно не достигли надлежащего технического уровня для повсеместного распространения SDR, по мнению большинства специалистов, уже вполне определенно «грядет эпоха программно-задаваемого радио».

Однако не следует ожидать, что наступит данная эпоха одним мигом и сразу. Революции этого типа происходят через последовательность отнюдь не гигантских, но по-своему очень важных шагов.

⇡#Проблемы реализации

Для того чтобы вся сложность технических проблем, связанных с SDR, стала более понятной, полезно прояснить несколько важных моментов относительно технологий радиосвязи вообще. Практически любой цифровой радиоаппарат, будь то портативная рация для радиопереговоров, пейджер, сотовый телефон или простой радиоприемник AM/FM, работает по большому счету совершенно одинаково.

У каждого из этих аппаратов непременно имеется так называемый RF front-end — оконечное радиоустройство, состоящее из антенны и радиочастотного приемника, которое принимает аналоговые радиоволны, отфильтровывает нежелательные участки спектра и преобразует остальное в сигнал более низкой частоты, подаваемый на аналого-цифровой преобразователь.

После этого результирующий базовый сигнал обрабатывается для извлечения из него собственно информации. То есть цифровой сигнал подвергается демодуляции, декомпрессии или декодированию разными прочими подобающими методами, что обычно осуществляется либо с помощью микросхемы специального назначения, либо цифровым сигнальным процессором (DSP), либо чипом перепрограммируемой логики (FPGA), либо, наконец, той или иной комбинацией из трех перечисленных основных компонентов. В итоге же всех этих преобразований и получается нужный поток выходных битов — будь это голос, картинка или любые другие данные.

Технология программно-задаваемого радио, или SDR, нацелена на то, чтобы избавиться, в идеале, от большинства перечисленных аппаратных устройств. Множество компаний давно и не без успехов работают над созданием реконфигурируемых радиочастотных чипов, способных напрямую преобразовывать любой аналоговый радиосигнал в цифровой — причем делать это в гигантском диапазоне частот, простирающемся от сотен мегагерц до нескольких гигагерц.

Но задача радикального преобразования front end радиосистемы чисто программными методами по ряду принципиальных причин является чрезвычайно сложной. Одна из главных проблем — чрезвычайная трудность разработки единой антенны с хорошим приемом в широком диапазоне частот.

Главное препятствие тому — законы физики. Обычно конструкция антенны построена на основе резонанса частот с одинаковой или кратной длиной волны. Иначе говоря, физический размер антенны естественным образом пристегивает ее к довольно узкому диапазону длин волн, при которых она способна эффективно резонировать. Естественно, для обхода этой проблемы придумано немало альтернатив, среди которых одной из наиболее перспективных считается фазированная антенная решетка, однако сделать на этом пути предстоит еще немало.

Если же говорить о тотальной идее полного накрытия с помощью SDR всех коммерчески интересных волновых диапазонов, то круг проблем оказывается значительно шире. Так как диапазон рабочих частот огромен, задачи фильтрации принимаемых сигналов, эффективного усиления мощности сигналов передачи и быстрых, эффективных аналогово-цифровых преобразований все еще решаются весьма трудно.

⇡#Военно-промышленное освоение

Историю зарождения и становления технологий программно-задаваемого радио вкратце принято излагать примерно так.

Вплоть до начала 1990-х годов идеи SDR если и выдвигались кем-то, то лишь в абстрактно-отвлеченной форме по причине того, что в те времена подавляющее большинство радиоаппаратов обычно не имело в себе вообще никакого программного обеспечения. А если и имели, то с весьма ограниченными возможностями перепрограммирования.

Переломным моментом стал 1992 год, когда Джозеф Майтола (Joseph Mitola III), инженер американской компании E-Systems (ныне подразделение корпорации-гиганта Raytheon), выдвинул весьма новаторскую по тем временам идею о возможности создания цифрового по своей сути радио, которое можно было бы многократно реконфигурировать, просто изменяя код программы, работающей в устройстве. В четко сформулированной статье, которую Майтола написал в тот год для доклада на конференции IEEE National Telesystems Conference, впервые появился и соответствующий новый термин — SDR, или «софтверно-определяемое радио».

Идея SDR была сразу принята с огромным интересом, так что в том же 1992-м военными США был запущен и первый проект по реализации многообещающей технологии. Он получил название SpeakEasy, а его столь стремительный старт объяснялся тем, что в различных родах войск традиционно применяется множество очень разных и принципиально несовместимых друг с другом радиосистем. Ну а аппаратура SpeakEasy, нацеленная на самостоятельную обработку десятка существенно разных волновых форм, сулила появление небывалой радиостанции с возможностями для всех родов войск впервые связываться друг с другом напрямую.

Самое удивительное, что всего через несколько лет визионерские идеи Джозефа Майтолы стали воплотившейся в жизнь реальностью. Благодаря однозначно успешной разработке SpeakEasy уже в середине 1990-х годов в вооруженных силах началось массовое внедрение новых радиосистем, в которых программное обеспечение стало управлять большинством операций по цифровой обработке сигналов. Естественным следствием стало то, что один и тот же набор электроники позволял работать на множестве самых разных частот и в различных коммуникационных протоколах.

Были, впрочем, тут и существенные «но»: новая технология поначалу оказалась очень недешевой и крайне громоздкой. В частности, первые аппараты такого рода занимали несколько внушительных стоек, так что «мобильными» их можно было считать достаточно условно — перевозить с места на место такую махину было возможно лишь в кузове грузовика.

Еще одним существенным тормозом была недостаточная гибкость конструкции. Разработчики SpeakEasy сконструировали свою систему вокруг микросхемы Texas Instruments TMS320-C40, по тем временам считавшейся самым передовым из всех коммерчески доступных чипов сигнальной обработки. Изготовленная в итоге радиостанция действительно делала все то, ради чего создавалась, но при этом аппаратура SpeakEasy в принципе не поддавалась апгрейду. Хотя программное обеспечение в своих функциональных аспектах было совершенно замечательным, написано оно было на языке низкого уровня и могло работать только с процессором TI C40 и больше ни с каким другим.

Но прогресс в области интегральных микросхем и не думал останавливаться, и в новом столетии технологии SDR стали распространяться из военной техники в область коммерческих приложений. Ибо и здесь один лишь список множества разных, несовместимых и при этом широко используемых протоколов-аббревиатур способен озадачить кого угодно: BGAN и BT (Bluetooth), DECT и EDGE; GSM и CDMA; IMT-A и UMTS; WiBro, Wi-Fi, WiMax и еще многое-многое другое.

Провайдеры беспроводной связи одними из первых начали использовать SDR-решения в своих приемопередатчиках для базовых станций сотовой телефонии. Такой подход был сочтен самым естественным в условиях, когда для одной и той же аппаратуры крайне желательно умение работать с существенно разными сотовыми протоколами.

Уже понятно, в принципе, что следующим шагом должны стать портативные SDR-устройства, умещающиеся на ладони. Особо же интересно то, что заметный вклад в этот поступательный процесс вносят энтузиасты-хакеры.

⇡#Хакерские подходы и снова военные

Для хакерского сообщества технология SDR несла в себе некую политическую подоплеку «борьбы за свободу» практически с самого начала. Объясняется это тем, что около десятилетия тому назад некоторые из самых ранних любителей-энтузиастов программного радио всерьез заинтересовались дебатами, которые шли в ту пору во властных структурах Вашингтона вокруг «флага вещания» (broadcast flag).

С помощью данной технологии, можно напомнить, Голливуд хотел принудительно заставить все компании бытовой электроники заниматься выявлением в эфирных передачах HDTV особых метаданных. А эти метаданные, соответственно, бытовые ТВ-приемники должны были воспринимать как команды для безусловного выполнения, жестко диктующие то, что телезрителям разрешено и что запрещено делать с принимаемым из эфира телевизионным контентом.

Эрик Блоссом (Eric Blossom), основатель открытого проекта под названием GNU Radio, решил, что предпринятая им реализация ресивера HDTV в программном виде и сопутствующая публикация его в виде открытых исходных кодов должны наглядно продемонстрировать бесперспективность запретительных подходов индустрии к проблеме контроля за контентом. Даже если бы правительство все-таки сделало обязательным для исполнения свой проект о реализации флага вещания, доказывал он, любому человеку будет достаточно совсем немного поколдовать с кодом программы, чтобы отключить обработку флага вещания, а затем перекомпилировать программу обработки сигнала.

Следует отметить, что усилия хакеров по созданию программного приемника для телевизионного формата вещания ATSC в конечном итоге были успешными. Но что еще важнее, этот позитивный опыт привел к рождению более масштабных проектов — ориентированных как на более широкий спектр аппаратного обеспечения, так и на значительно более широкий диапазон частот, включая способности к работе сразу с несколькими разными антеннами одновременно.

На базе GNU Radio за прошедшее десятилетие удалось создать немало любопытных SDR-изделий, нацеленных на удешевление и общедоступность перспективной технологии. Однако действительно регулярно, примерно раз в квартал, такого рода новости стали приходить лишь в 2012 году.

Минувшей весной один любознательный радиолюбитель обнаружил (точнее, рассказал общественности на reddit.com), что 20-долларовый DVB-тюнер с цифровой частью Realtek и аналоговой от Elonics E4000 — это, в действительности, уже практически готовый SDR-аппарат. То есть с помощью одной незадокументированной изготовителем инструкции, ноутбука и ПО GNU Radio этот USB-модуль можно превращать в весьма интересный комплекс SDR с внушительным диапазоном рабочих радиочастот от полусотни мегагерц до почти двух гигагерц (Не обольщайтесь — такие штуки мгновенно раскупили энтузиасты со всего мира, и нынче такой USB-брелок с нужной связкой чипов стоит уже совсем других денег. — прим. ред.).

Эксплуатационные характеристики столь дешевого устройства, естественно, годятся скорее для начальных экспериментов с технологией, чем для решения серьезных задач. Однако к лету 2012 на рынке уже появился готовый и тоже доступный по цене SDR-продукт куда более серьезного уровня — компьютерная плата расширения Phi от небольшой американской фирмы Per Vices. Цена этой платы, правда, уже отнюдь не бросовая — порядка 750 долларов.

И хотя данный сектор пока еще остается весьма узким, в нем вполне отчетливо наметилась конкуренция. К осени 2012-го стало известно, что уже почти готов и совсем скоро появится в продаже SDR-аппарат HackRF от компании из Колорадо Great Scott Gadgets — реализованный 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 — при немыслимо низкой еще лет пять назад цене порядка 300 долларов.

В проекте HackRF наиболее любопытным представляется следующий факт. Эту сугубо хакерскую по своей природе разработку на основе GNU Radio в ее финальной решающей фазе взялось профинансировать DARPA — Агентство передовых военных исследований правительства США. Для завершения проекта его родоначальник и бессменный руководитель Майкл Оссмен (Michael Ossmann) получил от DARPA ощутимую поддержку в размере 200 000 долларов.

В прошлом Оссмен был специалистом по защите беспроводной связи в одной из крупных ИТ-корпораций. Однако его ничуть не смущает тот факт, что невиданные прежде возможности изделия HackRF и общедоступная цена могут ощутимо подорвать нынешние модели безопасности для беспроводных систем связи (нередко построенные на закрытости и «неясности» протоколов). Он уверен, что лучше уж пусть дешевые SDR-системы окажутся в руках честных людей, занимающихся тестами на проникновение и демонстрирующих уязвимость таких сетей, нежели та же технология попадет в руки более богатых злоумышленников.

Оссмен очень надеется, что подешевевшая техника SDR будет освоена и взята на вооружение намного более широким сообществом хакеров и исследователей, готовых использовать технологию для экспериментов и творческих целей, которые сам он даже не способен пока предсказать: «Если кто-нибудь сделает с помощью HackRF нечто действительно крутое, то я лишь подумаю, что это здорово, я-то о таком никогда и не помышлял. И вот тогда я буду точно знать, что наш проект — это успех».

⇡#Неожиданные последствия

Чтобы приблизительно представить масштабы тех открытий и сюрпризов, которые в недалеком будущем сможет преподнести нам SDR, полезно вспомнить сюрпризы таких технологий, как радиосвязь и компьютерные сети.

Любители фантастической литературы с удивлением не раз отмечали, что практически никому из великих (а также и рядовых) писателей-фантастов в своих картинах грядущего не удалось предсказать такие важнейшие на сегодня вещи, как сотовый телефон и Интернет.

В изобилии имелись предсказания миниатюрных устройств мобильной радиосвязи или информационных терминалов для запросов любых сведений из «всепланетарной базы данных», но при этом фантастов почему-то никак не осеняло, что быстрая и легкая индивидуальная радиосвязь может быть не только с Центром, но и вообще со всяким отдельным человеком в любом месте планеты. А информация из компьютерной сети, оказывается, может быть не только конценитроваться в центральном Информатории, но и эффективно распределяться (в сочетании с удобными средствами ее поиска) среди всех участников Интернета.

Иначе говоря, по умолчанию всеми предполагалась централизованная схема управления информацией, в то время как реальность преподнесла нам принципиально распределенные схемы с равноправными участниками.

Если же вернуться к технологии SDR и ее неисчерпаемому потенциалу для работы с самыми разными частотами передач и при всевозможных протоколах кодирования информации, то и здесь нас могут ждать сюрпризы. К примеру, SDR-станции однажды могут научиться принимать сигналы оттуда, откуда их никто не ждет.

Для более доходчивого пояснения этой идеи удобно обратиться в прошлое, к жизни и делам известного шведского ученого и мыслителя Эммануила Сведенборга (1688–1772). Всем, кто захочет узнать об этом человеке побольше и в популярном изложении, можно порекомендовать содержательное эссе Татьяны Толстой. Здесь же достаточно изложить лишь суть «проблемы Сведенборга».

Как известно, главной особенностью этого ученого в последнюю треть его жизни было то, что он постоянно и много общался с усопшими и «ангелами» (как он их называл). Именно эти ангелы, как заверял Сведенборг, надиктовали ему огромное количество страниц с нравоучительными текстами и с описаниями картин загробной жизни. Ну а среди современников многие считали ученого явно свихнувшимся, хотя и совершенно безобидным старичком.

В общем, совершенно ничего экстраординарного в этой истории не было бы, если бы не один принципиальный момент. Невидимые собеседники Сведенборга довольно часто передавали ему сведения о таких вещах, о которых он в тот момент никак знать не мог, — однако все они впоследствии подтверждались. А поскольку эпоха-то уже была просвещенная, конец XVIII века, то для множества воистину необычных заявлений Сведенборга сохранилась масса перекрестных свидетельств, которым вполне можно доверять.

Один из великих современников Сведенборга, Иммануил Кант, был настолько задет сообщениями о небывалых способностях шведского феномена, что специально предпринимал поездку-расследование, дабы установить истину на месте. Однако в итоге и скептически настроенный Кант был вынужден признать, что даже самая невероятная из историй — о пожаре в Стокгольме — и та полностью подтверждается свидетелями. (Сведенборг был с визитом в Гетеборге, в 400 километрах от столицы, когда на одном из приемов он побледнел, вышел в сад, а вернувшись, сообщил всем, что в Стокгольме сейчас бушует сильный пожар, причем рассказал с подробностями о районе и уже пострадавших зданиях. Еще через некоторое время он с облегчением объявил, что пожар удалось-таки потушить, а его собственный дом не пострадал. Дня через два до Гетеборга добрались гонцы с известиями о пожаре, случившемся в шведской столице, причем детали бедствия совпали с описанием Сведенборга слово в слово.)

Иначе говоря, имеются многочисленные и веские основания полагать, что в какой-то момент организм Сведенборга стал работать как приемник (точнее сказать, «мобильный телефон»), улавливающий направленные лично к нему сигналы из потустороннего мира. В медицинской практике таких людей, как известно, в любые времена регистрируется немало, и все они проходят у нас по разряду сумасшедших. Ну а если проверяемые факты подтверждают наличие у психов собственных каналов связи с потусторонним — что ж, тем хуже для фактов и для психов. Как говорится, в «дурке» всех вылечат...

Но есть тут, однако, еще один момент — сугубо технический, абсолютно не зависящий от мнений светил медицинской психиатрии. Называется этот момент «древние мегалитические сооружения». И наиболее известен он тем, что историки по сию пору не способны внятно объяснить, с какой целью в самых разных точках планеты наши доисторические предки, еще не достигшие уровня цивилизации, массово и с завидным упорством возводили циклопические сооружения из многотонных монолитных камней.

Чтобы сделать длинную историю покороче, придется сразу перескочить к сути. Согласно результатам технических исследований мегалитов, их камни содержат в себе высокую долю кристаллов кварца — минерала с сильно выраженным пьезоэлектрическим эффектом, то есть свойствами преобразования одного вида энергии в другой. А основные конфигурации мегалитов — комплексы из множества столбов-менгиров или отдельно стоящие «домики»-дольмены — есть основания трактовать как антенны типа фазированной решетки (менгиры) или резонаторы Гельмгольца (дольмены). То есть как устройства для приема и демодуляции волн одного частотного диапазона в волны другой частоты — звуков, слышимых для человеческого уха. Иными словами, может оказаться так, что мегалиты по сути своей — это что-то типа «стационарных телефонов» для связи с потусторонним миром предков и духов.

При желании, если как следует порыться в Сети, можно найти косвенные тому подтверждения как в исследованиях антропологов, изучающих примитивные культуры, так и в экспериментах ученых, изучающих схемотехнику мегалитов и необычные частотные спектры излучений вокруг этих древних сооружений. Однако подобные поиски — дело долгое, да и убедительное лишь для того, кто заранее готов согласиться с итоговым выводом.

А теперь представим, что такого же рода экзотический приемник, но только уже для всех желающих, удалось бы реализовать в общедоступных SDR-системах — просто подбором подходящей антенны и скачиванием нужной программы демодуляции. На первый взгляд, конечно, идея совершенно дикая и фантастическая. Но если подумать, то для людей эпохи Сведенборга все наши нынешние хай-тек-штучки выглядели бы чем-то абсолютно сверхъестественным.

Однако при этом они вполне могли из сугубо практических соображений пойти к знакомому специалисту, общающемуся с потусторонним миром, дабы он отыскал там их недавно усопшего родственника и уточнил у него кое-какие важные детали вроде местонахождения ценного, но потерявшегося документа. И коль скоро канал этот действительно работал (как подтверждают многочисленные свидетельства очевидцев), было бы как-то глупо и недальновидно заведомо отвергать саму возможность для современных технических решений той же проблемы.

Вот так вот запросто, словно по мобильнику, пообщаться с усопшими дедушкой или бабушкой — это было бы уже и впрямь нечто действительно новенькое... Или, если угодно, подлинная революция в технологиях радиосвязи.