WebSDR pre každého: Architektúra 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 tranzistorov zostáva hlavným nástrojom pre vysielanie, technológia softvérovo definovaného rádia (SDR) kompletne zmenila spôsob, akým monitorujeme rádiové spektrum.

S nástupom distribuovaných prijímačov 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 ktorým stojí vývojár George Bozouris (gbozo). Tento systém prináša vysoko optimalizovanú viacpoužívateľskú architektúru pre cenovo dostupný hardvér RTL-SDR bez nutnosti inštalácie akýchkoľvek klientskych aplikácií alebo pluginov.

Pre aktívnych operátorov pracujúcich v náročných režimoch SO2R alebo 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 alebo vzdialené monitorovacie stanovište (QTH) s minimálnymi hardvérovými nákladmi.

Unikátna výhoda no-sdr

Hlavná a celkom zásadná výhoda no-sdr spočíva v jeho schopnosti premeniť obyčajný USB dongle RTL-SDR na plnohodnotný, sieťovo distribuovaný prijímač s vysokým rozlíšením spektra, ktorý dokáže obslúžiť viacero nezávislých klientskych relácií súčasne. Tradičné SDR aplikácie často uzamykajú hardvér pre jedného lokálneho používateľa alebo vyžadujú prenos masívnych dátových tokov surových vzoriek cez sieť, čo paralyzuje bežnú infraštruktúru. Projekt WebSDR pre každého: Architektúra a technické možnosti open-source projektu no-sdr implementuje plnú paralelizáciu príjmu. Viacerí používatelia sa pripájajú cez bežný webový prehliadač, pričom každý z nich má k dispozícii vlastné nezávislé virtuálne VFO, voľbu šírky pásma a demodulačného módu. To všetko prebieha bez toho, aby sa klienti navzájom ovplyvňovali alebo menili stredovú frekvenciu fyzického tunera.

Systém bol od začiatku navrhnutý s dôrazom na vysokú vernosť reprodukcie (High Fidelity), spracovanie extrémne slabých signálov na hranici šumu (weak signal processing) a takmer bezstratový prenos dát pri minimálnych nárokoch na sieťové pásmo. Vďaka presunu signálového spracovania (DSP) priamo na stranu klienta prostredníctvom čistého TypeScriptu bežiaceho v prehliadači dochádza k efektívnemu rozloženiu výpočtového výkonu. Serverová časť vďaka tomu vykazuje nízku réžiu a je plne optimalizovaná pre prevádzku na energeticky nenáročných ARM platformách, ako sú jednodoskové počítače Raspberry Pi či procesory Apple Silicon (Mac), rovnako ako na štandardnej architektúre x86. Ak operátor v danom momente nedisponuje pripojeným VF hardvérom alebo vhodnou anténou, no-sdr obsahuje integrovaný simulátor signálu (demo mode), ktorý generuje realistické spektrum na testovacie, vývojové a demonštračné účely.

Čo robí no-sdr

Z hľadiska architektúry funguje no-sdr ako inteligentná vrstva medzi analógovo-digitálnym prevodníkom (ADC) prijímacieho hardvéru a koncovým klientskym rozhraním. Serverová časť, napísaná v kombinácii jazykov Go a Node.js, zachytáva surový prúd IQ vzoriek z RTL-SDR zariadenia. Tento prúd spracováva, vykonáva spektrálnu analýzu pomocou rýchlej Fourierovej transformácie (FFT) a generuje dáta pre plynulý spektrálny vodopád (Waterfall) a spektrálny analyzátor v reálnom čase.

Distribúcia dát smerom k používateľom je realizovaná prostredníctvom protokolu WebSocket. Server dynamickým spôsobom vyjednáva kompresné kodeky pre spektrálne aj IQ toky na základe profilu a sieťovej kapacity každého pripripojeného klienta. Aby sa predišlo zahlcovaniu pamäte servera pri pomalšom sieťovom pripojení používateľov, no-sdr striktne implementuje riadenie toku (WebSocket backpressure) na základe monitorovania stavu bufferedAmount. Významným optimalizačným prvkom je takzvaný „Audio-gated IQ“ režim, kedy server odosiela špecifické IQ dáta pre daného používateľa až vo chvíli, keď klient vo svojom prehliadači skutočne aktivuje prehrávanie zvuku. Tým sa eliminuje zbytočná sieťová záťaž generovaná neaktívnymi kartami prehliadača. Na klientskej strane rozhranie prijíma tieto komprimované toky, dekóduje ich, vykresľuje grafické prostredie a prostredníctvom lokálneho DSP reťazca extrahuje výsledný audio signál, na ktorý aplikuje používateľom definované parametre filtrovania a úpravy zvuku.

Podporované módy, hardware a infraštruktúra

Flexibilita projektu no-sdr sa prejavuje v jeho širokej podpore modulačných prevádzok a v detailných možnostiach konfigurácie VF hardvéru.

Podporované modulačné módy

Systém integruje celkovo 8 analógových demodulačných režimov bežiacich priamo v prehliadači, ktoré pokrývajú spektrum potrieb pre monitorovanie pásiem:

• WFM (Wideband FM): Širokopásmová frekvenčná modulácia s PLL detekciou 19 kHz pilotného tónu a DSB-SC demoduláciou zložky L-R pre plnohodnotné stereo. Obsahuje klientsky dekodér systému RDS, ktorý extrahuje názov stanice (PS), rádiotext (RT), typ programu (PTY), kód PI a synchrónny čas s priamym zobrazením nad vodopádom.
• NFM (Narrowband FM): Úzkopásmová frekvenčná modulácia pre sledovanie prevádzky na VHF/UHF kanáloch a prevádzačoch, vrátane podpory klientskeho vyhodnocovania subaudio tónov CTCSS.
• AM (Amplitude Modulation): Klasická amplitúdová modulácia s podporou synchrónneho AM sterea a automatickou detekciou prevádzky podľa štandardu C-QUAM.
• SSB prevádzka (USB a LSB): Jednopostranné pásma, nevyhnutné pre monitorovanie krátkovlnnej prevádzky na klasických aj WARC pásmach. Hoci no-sdr natívne neobsahuje integrované dekodéry pre pokročilé digitálne módy ako FT8, FT4, JT65, MSK144, RTTY, PSK31 alebo SSTV, čistá demodulácia postranných pásiem spolu s Raw IQ režimom umožňuje smerovať audio výstup alebo dátový tok do externého softvéru (napr. WSJT-X, Fldigi). To zjednodušuje monitorovanie šírenia, sledovanie majákov v sieťach RBN (Reverse beacon Network) a WSPR, ako aj sledovanie aktivity počas hromadných pile-upov.
• CW (Continuous Wave): Príjem telegrafie, kde systém využíva úzkopásmové klientske resamplery a filtre na vyčistenie signálov od okolitých interferencií.
• Raw IQ: Výstup surových komplexných vzoriek pre ďalšie spracovanie rádioamatérskymi aplikáciami.

Hardvérová podpora a nízkoúrovňová konfigurácia

Projekt je primárne optimalizovaný pre USB dongle s čipsetom RTL2832U (napr. RTL-SDR v3 alebo v4). Prostredníctvom konfiguračného súboru YAML má správca systému priamu kontrolu nad registrami tunera a parametrami ADC prevodníka:

• directSampling: Umožňuje aktiváciu priameho vzorkovania (I alebo Q vetva) pre príjem na krátkych vlnách pod 24 MHz bez nutnosti zaradiť externý 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: Softvérové spínanie napájania po koaxiálnom kábli pre predzosilňovače alebo 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: Eliminácia jednosmerného jednosmerného hrbu (DC offset) v strede spektra a definovanie hardvérovej šírky pásma protokolu.

Pre aplikácie vyžadujúce absolútnu frekvenčnú stabilitu a elimináciu teplotného driftu je možné hardvér doplniť o externý referenčný Oscilátor riadený GPS (GPSDO).

Infraštruktúra a sieťové kompresné mechanizmy

Infraštruktúrna vrstva podporuje priamu integráciu 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 zabezpečujú prispôsobenie), zatiaľ čo samotný no-sdr server beží v hamshacku alebo v cloude a komunikuje s ním cez TCP linku, čím sa minimalizujú straty vo VF kábli.

Sieťový podsystém využíva viac-kodekovú kompresiu (Multi-codec compression) s vyjednávaním pre každého pripojeného klienta:

• FFT Stream (Spektrum): Prenos spektra prebieha buď bez kompresie (Uint8, pomer 4:1), pomocou ADPCM (pamer ~8:1), alebo prostredníctvom predvolenej kombinácie Delta+Deflate, ktorá dosahuje bezstratový kompresný pomer v rozsahu 7.5:1 až 10:1. Vďaka tomu klesá dátový tok spektrálneho vodopádu na hodnotu 12-15 kB/s pri zachovaní obnovovacej frekvencie 12 až 30 FPS s veľkosťou FFT 8192 binov.
• IQ Stream (Audio): Surové dáta sa prenášajú buď ako nekomprimované Int16, cez ADPCM (4:1, predvolené), alebo prostredníctvom serverovej demodulácie s kódovaním Opus VBR (32 kbps mono / 64 kbps stereo) či Opus HQ (128 kbps mono / 192 kbps stereo) s využitím WebAssembly knižnice opusscript.

Server akumuluje IQ vzorky do fixných 20-milisekundových blokov, čím garantuje konštantné doručovanie WebSocket správ bez jitteru. Na klientskej strane lineárny resampler interpoluje úzkopásmové signály (SSB s 24 kHz vzorkovaním a CW s 12 kHz vzorkovaním) na štandardnú frekvenciu 48 kHz zvukovej karty.

Vlastnosti no-sdr

Používateľské rozhranie no-sdr je navrhnuté s ohľadom na ergonómiu a estetiku tradičného prístrojového vybavenia. Ponúka tri vizuálne témy, ktoré evokujú klasické rádioamatérske indikátory: LCD tému v azúrovej farbe, CRT tému s fosforovo zeleným zobrazením a VFD tému v jantárovom prevedení. Rozhranie je plne responzívne a prispôsobené pre stolné počítače aj mobilné dotykové zariadenia.

Klientsky audio DSP reťazec zahŕňa nasledujúce funkcie:

• 5-pásmový parametrický ekvalizér: S pevnými stredovými frekvenciami na 80 Hz (LOW), 500 Hz (L-MID), 1.5 kHz (MID), 4 kHz (H-MID) a 12 kHz (HIGH) s rozsahom regulácie ±12 dB pre každé pásmo, čo umožňuje potlačiť nízkofrekvenčný hluk alebo naopak zvýrazniť výšky pre lepšiu čitateľnosť modulácie.
• Vyváženie a Loudness: Riadenie panorámy v rozsahu -100% vľavo až +100% vpravo spolu s dynamickou kompresiou a predbežným zosilnením slabých signálov (pre-boost).
• Inteligentný Squelch: Nastaviteľná šumová brána reagujúca na úroveň signálu. Obsahuje algoritmus, ktorý po každej zmene frekvencie na VFO nakrátko premostí útlm (500 ms bypass), vďaka čomu operátor okamžite počuje akustickú charakteristiku šumu na novom kmitočte.

WFM Demodulátor disponuje unikátnou vlastnosťou dynamického miešania kanálov (stereo blend) v závislosti od aktuálneho pomeru signálu k šumu (SNR). Ak úroveň signálu klesá, podiel stereo zložky sa plynule znižuje smerom k mono príjmu. Tým sa predchádza prudkému nárastu šumu, ktorý je typický pre slabé FM stereo stanice. Všetky tieto matematické operácie prebiehajú výhradne na strane klienta, čo zaručuje minimálne vyťaženie procesora na serveri.

Prevádzka na KV vyžaduje neustále sledovanie parametrov šírenia ako MUF, K-index a A-index. Keď zachytíte vzácny spot v DX clustri alebo 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 prijímač 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 stiahnuť

Projekt no-sdr je vyvíjaný ako plne open-source softvér distribuovaný pod slobodnou licenciou MIT, čo zaručuje úplnú transparentnosť kódu, možnosť modifikácie a bezplatného komunitného či súkromného nasadenia. Zdrojové kódy, dokumentácia k architektúre (SPEC.md) a zoznam aktívnych úloh (tasks.md, TODO.md) sú verejne dostupné na platforme GitHub v repozitári autora:

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

Najefektívnejším spôsobom nasadenia no-sdr v rádioamatérskej praxi je využitie technológie Docker. Projekt automaticky zostavuje a publikuje produkčné obrazy do registra GitHub Container Registry (GHCR). Vzorový konfiguračný súbor docker-compose.yml pre rýchle spustenie kontajnera s priamym prístupom k lokálnemu USB tuneru vyzerá nasledovne:

version: '3.8'

services:
  no-sdr:
    image: ghcr.io/gbozo/no-sdr:latest
    ports:
      - "3000:3000"
    environment:
      - NODE_ENV=production
      - LOG_LEVEL=info
    privileged: true
    devices:
      - /dev:/dev
    restart: unless-stopped
    volumes:
      - ../config:/app/config

Pre správnu funkciu tunera na strane hostiteľa je potrebné zabezpečiť správnu konfiguráciu nízkoúrovňového prístupu k USB zbernici. Nižšie je uvedený základný príklad konfiguračného súboru config.yaml, ktorý definuje lokálny RTL-SDR dongle a základný profil pre monitorovanie spektra:

server:
  host: "0.0.0.0"
  port: 3000
  adminPassword: "changeme"
dongles:
  - id: dongle-0
    deviceIndex: 0
    name: "RTL-SDR #0"
    source:
      type: local
      autoStart: true
    profiles:
      - id: fm-broadcast
        name: "FM Broadcast"
        centerFrequency: 100000000
        sampleRate: 2400000
        fftSize: 2048

Po úspešnom spustení kontajnera stačí otvoriť webový prehliadač a zadať IP adresu servera s príslušným portom 3000. Správa profilov, frekvenčných rozsahov a hardvérových parametrov sa vykonáva priamo editáciou YAML konfigurácie. Vďaka tomu je integrácia no-sdr do infraštruktúry moderného hamshacku otázkou niekoľkých minút. Či už hľadáte spoľahlivý spôsob, ako monitorovať lokálne prevádzače v pásmach DMR a D-Star, alebo chcete poskytnúť vzdialený prístup k prijímaču pre SWL krúžok, no-sdr predstavuje technologickú špičku v oblasti webovo orientovaného SDR príjmu.