Przez większą część XX wieku odbiornik lub nadajnik radiowy był budowany w konkretnym celu: dla określonego pasma częstotliwości, schematu modulacji i szybkości transmisji danych. Zmiana funkcji radia oznaczała wymianę sprzętu. Radio definiowane programowo (SDR) odwraca ten model — zachowanie radia jest determinowane przede wszystkim oprogramowaniem działającym na procesorze ogólnego przeznaczenia, podczas gdy sprzęt zapewnia jedynie szerokopasmowe funkcje analogowe: wzmacnianie, filtrowanie i przetwornik analogowo-cyfrowy. Rezultatem jest pojedyncza platforma sprzętowa, którą można rekonfigurować poprzez aktualizacje oprogramowania do pracy w szerokim zakresie częstotliwości i typów sygnałów.

W obronnych zastosowaniach SIGINT ta elastyczność ma strategiczne znaczenie. Przeciwnik może zmieniać częstotliwości, typy modulacji i protokoły komunikacyjne szybciej, niż pozwalają na to cykle zaopatrzenia w sprzęt. Platformy SDR do zbierania danych mogą być aktualizowane programowo w celu śledzenia tych zmian — niekiedy w ciągu kilku godzin od zaobserwowania nowej formy sygnału w terenie.

Jak SDR zmieniło zbieranie danych wywiadu sygnałowego

Tradycyjne zbieranie danych SIGINT opierało się na bankach dedykowanych odbiorników, z których każdy był dostrojony do określonego zakresu częstotliwości i zdolny do obsługi tylko tych typów sygnałów, do których został zaprojektowany. Furgon SIGINT mógł przewozić dziesiątki niezależnych odbiorników obejmujących różne pasma widma. Rozszerzenie zasięgu zbierania danych wymagało zakupu dodatkowego sprzętu. Adaptacja do nowych typów sygnałów wymagała opracowania nowego sprzętu lub oprogramowania układowego — proces mierzony w miesiącach.

Analogowy front-end SDR digitalizuje szeroki obszar widma — często dziesiątki lub setki megaherców — i przekazuje wynikający strumień danych IQ (sygnał rzeczywisty/urojony) do oprogramowania. Oprogramowanie wykonuje całe dalsze przetwarzanie: kanalizację, wykrywanie modulacji, demodulację, dekodowanie i analizę protokołów. Pojedyncza platforma sprzętowa SDR może zatem jednocześnie obejmować szeroki zakres widma, równolegle uruchamiając wiele kanałów przetwarzania dla różnych typów sygnałów.

Platformy sprzętowe: zastosowania obronne a badawcze

USRP (Universal Software Radio Peripheral). Rodzina USRP firmy Ettus Research — obecnie część NI (National Instruments) — jest dominującą platformą w badaniach, rozwoju i niektórych operacyjnych zastosowaniach obronnych. Urządzenia USRP obejmują zakresy częstotliwości od prądu stałego do 6 GHz (z odpowiednimi kartami córek) i obsługują chwilowe pasma od kilkudziesięciu MHz do kilkuset MHz w modelach wyższej klasy. Urządzenia USRP łączą się z procesorem hosta przez 10 GbE lub PCIe i korzystają z otwartego interfejsu programowego UHD.

HackRF One. HackRF obejmuje zakres od 1 MHz do 6 GHz z chwilowym pasmem 20 MHz i jest podłączany przez USB. W cenie poniżej 400 dolarów jest platformą badawczą i edukacyjną. Jego wartość dla organizacji obronnych polega na szkoleniu — analitycy i programiści uczą się koncepcji SDR, testują algorytmy przetwarzania i oceniają nowe oprogramowanie.

KiwiSDR. KiwiSDR obejmuje zakres 0–30 MHz (pasmo KF) z chwilowym pasmem 32 MHz — wyjątkowo szeroki zasięg KF dla kompaktowego urządzenia. Jego główne zastosowanie w kontekstach zbliżonych do obronnych to monitoring KF: radiolokacja kierunkowa KF (HFDF) i przechwytywanie łączności KF podczas ćwiczeń.

Platformy SDR klasy wojskowej. Platformy takie jak seria L3Harris Falcon III i systemy EW firmy Elbit integrują analogowe front-endy SDR z pancernymi obudowami, certyfikacją środowiskową MIL-SPEC i ekranowaniem EMI. Są przeznaczone do montażu w pojazdach, przenośnego użytku pieszego lub instalacji stacjonarnych.

Stos oprogramowania SDR

Abstrakcja sprzętowa: SoapySDR. SoapySDR zapewnia neutralne sprzętowo API w C++ do sterowania sprzętem SDR i wymiany próbek IQ. Każda aplikacja napisana dla interfejsu SoapySDR może pracować z dowolnym obsługiwanym sprzętem — USRP, RTL-SDR, HackRF, Airspy i innymi — bez modyfikacji.

Framework przetwarzania sygnałów: GNU Radio. GNU Radio jest de facto frameworkiem open-source do przetwarzania sygnałów SDR. Zapewnia graficzny edytor schematów blokowych (GNU Radio Companion) do konstruowania potoków przetwarzania oraz API Python/C++ do programowego budowania grafów przetwarzania. GNU Radio zawiera obszerną bibliotekę bloków przetwarzania sygnałów: filtry, kanalizatory, demodulatory dla AM/FM/SSB/FSK/PSK/QAM i innych modulacji.

Framework obronny: REDHAWK. REDHAWK to framework oprogramowania opracowany pierwotnie dla rządowych zastosowań SIGINT w USA i następnie udostępniony jako open-source. Tam gdzie GNU Radio jest zorientowany na indywidualne potoki przetwarzania sygnałów, REDHAWK zapewnia infrastrukturę dla wielkoskalowych, wielokanałowych, rozproszonych systemów przetwarzania SIGINT.

Kluczowa zasada architektoniczna: Obronne wdrożenia SDR zazwyczaj układają SoapySDR (abstrakcja sprzętowa) pod GNU Radio lub REDHAWK (przetwarzanie sygnałów) pod aplikacją misyjną (zarządzanie zbieraniem, interfejs analityczny, geolokalizacja). Każda warstwa jest niezależnie wymienialna — aktualizacja sprzętu do zbierania danych nie wymaga przepisywania oprogramowania do przetwarzania sygnałów.

Konfiguracje wdrożeń

Instalacje stacjonarne. Stałe punkty zbierania danych SIGINT mają dostęp do zasilania sieciowego, klimatyzacji i łączności szerokopasmowej. Umożliwia to stosowanie wydajnego sprzętu serwerowego do przetwarzania sygnałów z odpowiednio dużą liczbą kanałów i przepustowością przetwarzania.

Systemy przenośne. Systemy przenośne lub przewożone przez pojazdy poświęcają liczbę kanałów i moc obliczeniową na rzecz mobilności. Sprzęt przetwarzający to zazwyczaj pancerny laptop lub jednostka obliczeniowa o małym wymiarze. Frameworki oprogramowania są oparte na GNU Radio, a nie na pełnych wdrożeniach REDHAWK.

Systemy montowane w pojazdach. Furgonetki SIGINT i instalacje w pojazdach opancerzonych zajmują miejsce pośrednie pod względem możliwości między stacjonarnymi i przenośnymi. Zasilanie z pojazdu zapewnia wystarczającą energię dla wielu analogowych front-endów SDR i sprzętu serwerowego klasy średniej. Anteny montowane w pojazdach — w tym tablice radiolokacji kierunkowej — umożliwiają możliwości geolokalizacji niepraktyczne dla działań pieszych.

Aktualizacje oprogramowania i zarządzanie formami sygnałów

Jedną z operacyjnych zalet platform SDR jest możliwość zdalnego przesyłania nowych możliwości przetwarzania sygnałów do wdrożonego sprzętu. Nowy typ sygnału przeciwnika zaobserwowany i scharakteryzowany przez personel eksploatacji technicznej może być zakodowany jako nowy komponent przetwarzania GNU Radio lub REDHAWK i przesłany do wdrożonych systemów zbierania przez bezpieczne kanały aktualizacji — bez konserwacji sprzętu ani przeszkalania personelu na nowym sprzęcie.