WebSDR pro každého: Architektura a technické možnosti open-source projektu no-sdr

Budovanie moderného rádioamatérskeho stanovišťa (hamshack) prešlo za posledné desaťročia radikálnou transformáciou. Zatiaľ čo klasický stolný transceiver (TCVR) vybavený pokročilými obvodmi automatického riadenia zosilnenia (AGC), obmedzovačmi ALC, medzifrekvenčnými filtrami a koncovými stupňami na báze robustných MOSFET či moderných LDMOS tranzistorů zůstává hlavním nástrojem pro vysílání, technologie softwarově definovaného rádia (SDR) kompletně změnila způsob, jakým monitorujeme rádiové spektrum.

S nástupem distribuovaných přijímačů typu WebSDR sa zrodil koncept zdieľaného príjmu, ktorý umožňuje viacerým operátorom nezávisle ladiť pásma cez webové rozhranie. V tomto segmente sa etabloval nový open-source projekt s názvom no-sdr (odvodený od Node-SDR), za kterým stojí vývojář George Bozouris (gbozo). Tento systém přináší vysoce optimalizovanou víceuživatelskou architekturu pro cenově dostupný hardware RTL-SDR bez nutnosti instalace jakýchkoli klientských aplikací nebo pluginů.

Pre aktívnych operátorov pracujúcich v náročných režimoch SO2R nebo SO2V, lovcov diplomov v programoch DXCC, IOTA, SOTA, POTA či WWFF, ako aj pre poslucháčov (SWL) monitorujúcich preteky (contest) a digitálnu prevádzku, predstavuje no-sdr mimoriadne flexibilný nástroj. Umožňuje vybudovať sekundárny prijímací reťazec nebo vzdialené monitorovacie stanovište (QTH) s minimálnymi hardvérovými nákladmi.

Unikátní výhoda no-sdr

Hlavní a zcela zásadní výhoda no-sdr spočívá v jeho schopnosti přeměnit obyčejný USB dongle RTL-SDR na plnohodnotný, síťově distribuovaný přijímač s vysokým rozlišením spektra, který dokáže obsloužit několik nezávislých klientských pořadů současně. Tradiční SDR aplikace často uzamykají hardware pro jednoho lokálního uživatele nebo vyžadují přenos masivních datových toků surových vzorků přes síť, což paralyzuje běžnou infrastrukturu. Projekt WebSDR pro každého: Architektura a technické možnosti open-source projektu no-sdr implementuje plnou paralelizaci příjmu. Mnozí uživatelé se připojují přes běžný webový prohlížeč, přičemž každý z nich má k dispozici vlastní nezávislé virtuální VFO, volbu šířky pásma a demodulačního módu. To vše probíhá, aniž by se klienti navzájem ovlivňovali nebo měnili středovou frekvenci fyzického tuneru.

Systém byl od začátku navržen s důrazem na vysokou věrnost reprodukce (High Fidelity), zpracování extrémně slabých signálů na hranici šumu (weak signal processing) a téměř bezztrátový přenos dat při minimálních nárocích na síťové pásmo. Díky přesunu signálového zpracování (DSP) přímo na stranu klienta prostřednictvím čistého TypeScriptu běžícího v prohlížeči dochází k efektivnímu rozložení výpočetního výkonu. Serverová část díky tomu vykazuje nízkou režii a je plně optimalizována pro provoz na energeticky nenáročných ARM platformách, jako jsou jednodeskové počítače Raspberry Pi nebo procesory Apple Silicon (Mac), stejně jako na standardní architektuře x86. Pokud operátor v daném momentě nedisponuje připojeným VF hardwarem nebo vhodnou anténou, no-sdr obsahuje integrovaný simulátor signálu (demo mode), který generuje realistické spektrum pro testovací, vývojové a demonstrační účely.

Co dělá no-sdr

Z hlediska architektury funguje no-sdr jako inteligentní vrstva mezi analogově-digitálním převodníkem (ADC) přijímacího hardwaru a koncovým klientským rozhraním. Serverová část, napsaná v kombinaci jazyků Go a Node.js, zachycuje surový proud IQ vzorků z RTL-SDR zařízení. Tento proud zpracovává, provádí spektrální analýzu pomocí rychlé Fourierovy transformace (FFT) a generuje data pro plynulý spektrální vodopád (Waterfall) a spektrální analyzátor v reálném čase.

Distribuce dat směrem k uživatelům je realizována prostřednictvím protokolu WebSocket. Server dynamickým způsobem vyjednává kompresní kodeky pro spektrální i IQ toky na základě profilu a síťové kapacity každého připojeného klienta. Aby se předešlo zahlcování paměti serveru při pomalejším síťovém připojení uživatelů, no-sdr striktně implementuje řízení toku (WebSocket backpressure) na základě monitorování stavu bufferedAmount. Významným optimalizačním prvkem je takzvaný „Audio-gated IQ“ režim, kdy server odesílá specifická IQ data pro daného uživatele až ve chvíli, kdy klient ve svém prohlížeči skutečně aktivuje přehrávání zvuku. Tím se eliminuje zbytečná síťová zátěž generovaná neaktivními kartami prohlížeče. Na klientské straně rozhraní přijímá tyto komprimované toky, dekóduje je, vykresluje grafické prostředí a prostřednictvím lokálního DSP řetězce extrahuje výsledný audio signál, na který aplikuje uživatelem definované parametry filtrování a úpravy zvuku.

Podporované módy, hardware a infrastruktura

Flexibilita projektu no-sdr se projevuje v jeho široké podpoře modulačních provozů a v detailních možnostech konfigurace VF hardwaru.

Podporované modulační módy

Systém integruje celkem 8 analogových demodulačních režimů běžících přímo v prohlížeči, které pokrývají spektrum potřeb pro monitorování pásem:

• WFM (Wideband FM): Širokopásmová frekvenční modulace s PLL detekcí 19 kHz pilotního tónu a DSB-SC demodulací složky LR pro plnohodnotné stereo. Obsahuje klientský dekodér systému RDS, který extrahuje název stanice (PS), radiotext (RT), typ programu (PTY), kód PI a synchronní čas s přímým zobrazením nad vodopádem.
• NFM (Narrowband FM): Úzkopásmová frekvenční modulace pro sledování provozu na VHF/UHF kanálech a převaděčích, včetně podpory klientského vyhodnocování subaudio tónů CTCSS.
• AM (Amplitude Modulation): Klasická amplitudová modulace s podporou synchronního AM sterea a automatickou detekcí provozu podle standardu C-QUAM.
• SSB provoz (USB a LSB): Jednopostranná pásma, nezbytná pro monitorování krátkovlnného provozu na klasických i WARC pásmech. Přestože no-sdr nativně neobsahuje integrované dekodéry pro pokročilé digitální módy jako FT8, FT4, JT65, MSK144, RTTY, PSK31 nebo SSTV, čistá demodulace postranních pásem spolu s Raw IQ režimem umožňuje směrovat audio výstup nebo datový tok do externího softwaru (např. WS. To zjednodušuje monitorování šíření, sledování majáků v sítích RBN (Reverse beacon Network) a WSPR, jakož i sledování aktivity během hromadných pile-upů.
• CW (Continuous Wave): Příjem telegrafie, kde systém využívá úzkopásmové klientské resamplery a filtry k vyčištění signálů od okolních interferencí.
• Raw IQ: Výstup surových komplexních vzorků pro další zpracování radioamatérskými aplikacemi.

Hardwarová podpora a nízkoúrovňová konfigurace

Projekt je primárně optimalizován pro USB dongle s čipsetem RTL2832U (např. RTL-SDR v3 nebo v4). Prostřednictvím konfiguračního souboru YAML má správce systému přímou kontrolu nad registry tuneru a parametry ADC převodníku:

• directSampling: Umožňuje aktivaci přímého vzorkování (I nebo Q větev) pro příjem na krátkých vlnách pod 24 MHz bez nutnosti zařadit externí upconvertor či transvertor. V minulosti stavba prijímača vyžadovala namotávanie cievok na toroid, prácne ladenie filtrov LPF a HPF na plošnom spoji (PCB) s diskrétnymi súčiastkami, osadzovanie výkonových prvkov ako MOSFET a LDMOS, a integráciu riadiacich podsystémov cez rozhrania ako I2C s mikrokontrolérmi Arduino Nano, displejmi LCD a externou pamäťou EEPROM. S no-sdr a priamym vzorkovaním sa táto bariéra odbúrava na softvérovej úrovni.
• biasT: Softwarové spínání napájení po koaxiálním kabelu pro předzesilovače nebo LNB konvertory, čo je ideálne pre príjem satelitných signálov (napr. AO-10) alebo sledovanie prevádzky na nízkych obežných dráhach (LEO).
• digitalAgc a ifGain: Presné nastavenie zosilnenia medzifrekvencie na potlačenie intermodulačného skreslenia (IMD) a optimalizáciu dynamického rozsahu.
• offsetTuning a tunerBandwidth: Eliminace stejnosměrného stejnosměrného hrbu (DC offset) ve středu spektra a definování hardwarové šířky pásma protokolu.

Pro aplikace vyžadující absolutní frekvenční stabilitu a eliminaci teplotního driftu lze hardware doplnit o externí referenční Oscilátor řízený GPS (GPSDO).

Infrastruktura a síťové kompresní mechanismy

Infrastrukturní vrstva podporuje přímou integraci s utilitou rtl_tcp. Hardvérový dongle tak môže byť umiestnený na vzdialenom mieste priamo pri napájači smerovej antény (napr. yagi, quad, hexbeam, spiderbeam či dlhý rhombic, kde transformátor alebo balun zajišťují přizpůsobení), zatímco samotný no-sdr server běží v hamshacku nebo v cloudu a komunikuje s ním přes TCP linku, čímž se minimalizují ztráty ve VF kabelu.

Síťový podsystém využívá vícekodekovou kompresi (Multi-codec compression) s vyjednáváním pro každého připojeného klienta:

• FFT Stream (Spektrum): Přenos spektra probíhá buď bez komprese (Uint8, poměr 4:1), pomocí ADPCM (paměr ~8:1), nebo prostřednictvím výchozí kombinace Delta+Deflate, která dosahuje bezztrátového kompresního poměru v rozsahu 7.5:1 až 10:1. Díky tomu klesá datový tok spektrálního vodopádu na hodnotu 12-15 kB/s při zachování obnovovací frekvence 12 až 30 FPS o velikosti FFT 8192 binů.
• IQ Stream (Audio): Surová data se přenášejí buď jako nekomprimovaná Int16, přes ADPCM (4:1, výchozí), nebo prostřednictvím serverové demodulace s kódováním Opus VBR (32 kbps mono/64 kbps stereo) či Opus HQ (128 kbps mono/192 kbps).

Server akumuluje IQ vzorky do fixních 20milisekundových bloků, čímž garantuje konstantní doručování WebSocket zpráv bez jitteru. Na klientské straně lineární resampler interpoluje úzkopásmové signály (SSB s 24 kHz vzorkováním a CW s 12 kHz vzorkováním) na standardní frekvenci 48 kHz zvukové karty.

Vlastnosti no-SDR

Uživatelské rozhraní no-sdr je navrženo s ohledem na ergonomii a estetiku tradičního přístrojového vybavení. Nabízí tři vizuální témata, která evokují klasické radioamatérské indikátory: LCD téma v azurové barvě, CRT téma s fosforově zeleným zobrazením a VFD téma v jantarovém provedení. Rozhraní je plně responzivní a přizpůsobené pro stolní počítače i mobilní dotyková zařízení.

Klientský audio DSP řetězec zahrnuje následující funkce:

• 5pásmový parametrický ekvalizér: S pevnými středovými frekvencemi na 80 Hz (LOW), 500 Hz (L-MID), 1.5 kHz (MID), 4 kHz (H-MID) a 12 kHz (HIGH) s rozsahem regulace ±12 dB pro naopak pásmo, což umožňuje potlačit čitelnost modulace.
• Vyvážení a Loudness: Řízení panoramatu v rozsahu -100% vlevo až +100% vpravo spolu s dynamickou kompresí a předběžným zesílením slabých signálů (pre-boost).
• Inteligentní Squelch: Nastavitelná šumová brána reagující na úroveň signálu. Obsahuje algoritmus, který po každé změně frekvence na VFO nakrátko přemostí útlum (500 ms bypass), díky čemuž operátor okamžitě slyší akustickou charakteristiku šumu na novém kmitočtu.

WFM Demodulátor disponuje unikátní vlastností dynamického míchání kanálů (stereo blend) v závislosti na aktuálním poměru signálu k šumu (SNR). Pokud úroveň signálu klesá, podíl stereo složky se plynule snižuje směrem k mono příjmu. Tím se předchází prudkému nárůstu šumu, který je typický pro slabé FM stereo stanice. Všechny tyto matematické operace probíhají výhradně na straně klienta, což zaručuje minimální vytížení procesoru na serveru.

Prevádzka na KV vyžaduje neustále sledovanie parametrov šírenia ako MUF, K-index a A-index. Keď zachytíte vzácny spot v DX clustri nebo cez Reverse Beacon Network (RBN), či už ide o expedíciu pracujúcu v režime Fox/Hound alebo klasický split v hustom pile-upe na KV pásmach, spoľahlivý sekundárny sieťový přijímač pomáha analyzovať situáciu na celom pásme. Na ochranu vstupných obvodov pred statickou elektrinou sa na anténne vstupy dopĺňa transil. Na strane príjmu cez no-sdr nás však zaujíma predovšetkým dosiahnuté SNR a schopnosť zachytiť maximálny ODX a QRB pri náročných podmienkach, ako je meteor scatter či EME prevádzka.

Kde stáhnout

Projekt no-sdr je vyvíjen jako plně open-source software distribuovaný pod svobodnou licencí MIT, což zaručuje naprostou transparentnost kódu, možnost modifikace a bezplatného komunitního či soukromého nasazení. Zdrojové kódy, dokumentace k architektuře (SPEC.md) a seznam aktivních úkolů (tasks.md, TODO.md) jsou veřejně dostupné na platformě GitHub v repozitáři autora:

https://github.com/gbozo/no-SDR

Nejefektivnějším způsobem nasazení no-sdr v radioamatérské praxi je využití technologie Docker. Projekt automaticky sestavuje a publikuje produkční obrazy do registru GitHub Container Registry (GHCR). Vzorový konfigurační soubor docker-compose.yml pro rychlé spuštění kontejneru s přímým přístupem k lokálnímu USB tuneru vypadá následovně:

verze: '3.8' služby: no-sdr: image: ghcr.io/gbozo/no-sdr:latest ports: - '3000:3000' prostředí: - NODE_ENV=production - LOG_LEVEL=info privileged: true devices: - /dev:/de ../config:/app/config

Pro správnou funkci tuneru na straně hostitele je třeba zajistit správnou konfiguraci nízkoúrovňového přístupu k USB sběrnici. Níže je uveden základní příklad konfiguračního souboru config.yaml, který definuje lokální RTL-SDR dongle a základní profil pro monitorování spektra:

server: host: '0.0.0.0' port: 3000 adminPassword: 'changeme' dongles: - id: dongle-0 deviceIndex: 0 název: 'RTL-SDR #0' 100000000 sampleRate: 2400000 fftSize: 2048

Po úspěšném spuštění kontejneru stačí otevřít webový prohlížeč a zadat IP adresu serveru s příslušným portem 3000. Správa profilů, frekvenčních rozsahů a hardwarových parametrů se provádí přímo editací YAML konfigurace. Díky tomu je integrace no-sdr do infrastruktury moderního hamshacku otázkou několika minut. Ať už hledáte spolehlivý způsob, jak monitorovat lokální převaděče v pásmech DMR a D-Star, nebo chcete poskytnout vzdálený přístup k přijímači pro SWL kroužek, no-sdr představuje technologickou špičku v oblasti webově orientovaného SDR příjmu.