Mjukvarudefinierad radio (SDR)

I en mjukvarudefinierad radio (SDR) sköter datorn det som förr gjordes av filter och demodulatorer. Här ser du hur den är uppbyggd, hur du läser ett vattenfallsdiagram, vad som begränsar dynamiken och vad som gäller när du lyssnar.

Fördjupning14 min läsningGranskad 24 oktober 2026

Innehåll

Från analog radio till programvara
Två arkitekturer
1. A. Blandning till basband före ADC:n
2. B. Direktsampling
Utrustning i olika klasser
Så arbetar programmet
Vattenfallsdiagrammet
Dynamik och begränsningar
Att lyssna lagligt
Kontrollfrågor

I en traditionell radiomottagare är filter, demodulator och förstärkningsreglering fysiska kretsar. I en mjukvarudefinierad radio (SDR, eng. software-defined radio) digitaliseras signalen så tidigt som möjligt, och resten sköts av ett program. Samma maskinvara kan då bli en FM-mottagare, en kortvågsmottagare eller en analysator, bara genom att byta program. Du ser hela frekvensbandet på en gång, kan spela in det och gå tillbaka i tiden. Det har gjort radio tillgänglig för många fler.

Från analog radio till programvara#

Titta på blockschemat för en superheterodynmottagare i mottagaren. Allt efter blandaren, alltså MF-filter, förstärkare, detektor och AGC, består av kretsar som gör en enda sak. I en SDR flyttas gränsen mellan analogt och digitalt närmare antennen. Ofta finns bara kvar ett filter, en förstärkare och en blandare, och sedan följer ADC:n (analog-digitalomvandlaren), som omvandlar spänningen till tal. Resten ligger i en dator, en processor eller en programmerbar krets (FPGA).

Fördelarna är flexibilitet och kvalitet. Ett digitalt filter kan ha en flank som är omöjlig att bygga med spolar och kondensatorer, det går att ändra bandbredd på ett ögonblick, och det finns inga tillverkningstoleranser eller åldrande. Priset är att allt beror på ADC:n: den måste ha tillräckligt många bitar och tillräckligt hög samplingshastighet, och allt som är starkt nog att överstyra den förstör mottagningen av det svaga.

Två arkitekturer#

Figur 1 visar de två vanligaste uppbyggnaderna.

Figur 1. A: en tuner flyttar den önskade delen av spektrumet till basbandet innan ADC:n. B: ADC:n samplar hela kortvågsbandet direkt, och nedblandningen sker i digital form. Den streckade linjen visar var signalen blir digital.

A. Blandning till basband före ADC:n#

En tuner (ofta ett enda integrerat chip) blandar ner det önskade frekvensområdet till nära noll hertz med två blandare och en lokaloscillator, precis som i en direktomvandlande mottagare (se direktomvandling). Resultatet är två signaler, I (i fas) och Q (kvadratur), som digitaliseras var för sig. Tillsammans bildar de en komplex signal $z = I + j Q$ som innehåller både positiva och negativa frekvenser, så att programmet kan skilja signaler ovanför och under lokaloscillatorns frekvens åt (se I/Q-signaler, sampling och digital signalbehandling).

En komplex signal som samplas med $f_{s}$ sampel per sekund täcker ett frekvensområde som är ungefär $f_{s}$ brett. Med 2,4 miljoner sampel per sekund (2,4 MS/s) kan alltså ca 2 MHz övervakas samtidigt, där kanterna sparas för filtrets flanker. Tunern bestämmer frekvensområdet, ofta från några tiotal MHz till över 1 GHz. Nackdelarna är de som gäller alla direktomvandlare: en spik vid noll hertz (likspänningsavvikelse), en svag spegelbild på grund av att I och Q aldrig är exakt lika, och att blandare och förstärkare lägger sin egen distorsion på signalen.

B. Direktsampling#

I en direktsamplande mottagare, vanlig i amatörradiotransceivrar och i HF-mottagare, finns ingen blandare före ADC:n. Antennsignalen går genom ett lågpassfilter, en inställbar förstärkare eller dämpsats och sedan direkt till en snabb ADC, ofta 14 eller 16 bitar och 100 MS/s eller mer. En FPGA gör sedan nedblandningen digitalt (DDC, digital down conversion): den multiplicerar med en matematiskt exakt oscillator, filtrerar och minskar samplingshastigheten. Lågpassfiltret före ADC:n är ett anti-aliasfilter som stoppar signaler över halva samplingshastigheten, annars viks de ned i det band du tittar på (se samplingsteoremet).

Eftersom allt efter ADC:n är matematik kan filtren göras godtyckligt branta, och hela HF-bandet 0–30 MHz kan visas på en gång. Begränsningen är ADC:ns förmåga att hantera starka signaler i hela bandet samtidigt, eftersom alla stationer, starka som svaga, samsas om samma omvandlare.

Utrustning i olika klasser#

SDR-utrustning finns i många prisklasser. Här beskrivs den i klasser i stället för efter märken.

Tabell 1. Några typiska klasser av SDR-utrustning. Siffrorna är storleksordningar, och varje enskild produkt har egna värden.

Klass	Typiska egenskaper	Användning
Enkla USB-mottagare	Tuner av den typ som finns i digital-tv-mottagare, ca 25 MHz till 1,7 GHz, 8-bitars ADC, några MS/s, tiotals ppm frekvensfel	Lära sig, FM-rundradio, flyg- och fartygssändningar, experiment
Mellanklassens mottagare	12–14 bitar, bandbredd på några tiotals MHz, täcker från låga frekvenser till flera GHz	Mer krävande lyssning och mätning
Sändtagande plattformar	Både mottagare och sändare, bandbredd upp till tiotals MHz	Forskning och utbildning; sändning kräver tillstånd
Direktsamplande HF	14–16 bitar, över 100 MS/s, kortvågsbandet	Amatörradio, kortvågslyssning
Professionella system	Hög bandbredd och stabil klocka (ofta GNSS-styrd)	Spektrumövervakning, forskning, myndigheter

Utrustningen styrs av program. Det finns program som visar spektrum och vattenfall och demodulerar de vanligaste modulationerna, samt ramverk för öppen källkod där man själv bygger en signalkedja av färdiga block (ett exempel är GNU Radio). Dessutom kan man lyssna via fjärrmottagare på nätet, där någon annan delar sin SDR över internet.

Så arbetar programmet#

När samplen kommer in från ADC:n bearbetas de i en kedja (figur 2). Samma ström av sampel används både för ljudet och för bilden på skärmen.

Figur 2. Bearbetningen av en FM-station i programvara. Samplingshastigheten sänks i två steg, från 2,4 MS/s via 240 kS/s till 48 kS/s, så att varje steg bara arbetar på så många sampel som behövs.

Digital blandning. En digitalt skapad oscillator (NCO) multiplicerar I/Q-strömmen så att den önskade stationen hamnar på noll hertz.
Filtrering och decimering. Ett lågpassfilter tar bort allt utom stationens bandbredd, och sedan kastas sampel bort (decimering) så att samplingshastigheten blir lägre. Kvar blir färre sampel som är enklare att räkna på.
Demodulering. För AM tar programmet absolutvärdet $| z | = \sqrt{I^{2} + Q^{2}}$ . För FM tar det fram frekvensen från fasändringen mellan två på varandra följande sampel (se frekvensmodulation). För SSB används den ena sidan av spektrumet.
Ljud. Samplingshastigheten sänks till ljudkortets, till exempel 48 kS/s, och signalen filtreras för att ge det du hör.

Räkneexempel: en FM-station i en SDR med 2,4 MS/s

Stationen sänder på 98,0 MHz. Du ställer mottagaren på 97,6 MHz. Stationen hamnar då 400 kHz över mittfrekvensen, och inte på själva likspänningsspiken, vilket är en vanlig metod för att undvika den. Samplingshastigheten är 2,4 MS/s, så det finns inom bandet ca 2,4 MHz att titta på.

Programmet multiplicerar varje sampel $z [n]$ med $e^{- j 2 π \cdot 400 000 \cdot n / f_{s}}$ , vilket flyttar stationen till noll hertz. Efter lågpassfiltret (ca 100 kHz) kan samplingshastigheten sänkas med 10 till 240 kS/s. Den räcker för FM-kanalens ca 200 kHz bredd. Efter demodulering finns bara ljudet (upp till 15 kHz för mono) kvar, och en decimering med 5 ger 48 kS/s, lämpligt för ljudkortet. I FFT-visningen med 4096 punkter blir frekvensupplösningen $f_{s} / N = 2 400 000 / 4096 \approx 586$ Hz per punkt.

import numpy as np
from scipy.signal import decimate

fs = 2_400_000                                   # samplingshastighet, sampel/s
offset = 400_000                                 # stationen ligger 400 kHz över mitten
n = np.arange(len(iq))                           # iq = komplexa I/Q-sampel (I + jQ)
z = iq * np.exp(-2j * np.pi * offset * n / fs)   # flytta stationen till 0 Hz
z = decimate(z, 10)                              # 2,4 MS/s -> 240 kS/s (lågpass + decimering)
dphi = np.angle(z[1:] * np.conj(z[:-1]))         # fasändring per sampel
freq = dphi * (fs / 10) / (2 * np.pi)            # momentan frekvens i Hz = ljudsignalen
audio = decimate(freq, 5)                        # 240 kS/s -> 48 kS/s

Vattenfallsdiagrammet#

Det bästa med en SDR är att se hela bandet på en gång. Spektrumet visar nivån som funktion av frekvensen (en FFT av samplen, se tidsdomän, frekvensdomän och Fourieranalys), och i vattenfallsdiagrammet läggs varje nytt spektrum som en ny rad, där färgen visar nivån (figur 3).

Figur 3. Spektrum (överst) och vattenfall (nederst) för ett 100 kHz brett område, beräknade för illustrationen. En stadig bärvåg ger en lodrät linje, tal ger block som börjar och slutar, och morsetelegrafi ger korta och långa streck.

Du lär dig snabbt att känna igen signaler på sitt utseende:

En lodrät linje är en stadig bärvåg: en fyr, en störning eller en oscillator.
Block som kommer och går är samtal, där blockets bredd är signalens bandbredd.
Korta och långa streck är morsetelegrafi, och snabbt blinkande streck kan vara digitala överföringar.
Sneda linjer är signaler som driver i frekvens.

FFT-storleken ger en avvägning: fler punkter ger bättre frekvensupplösning men sämre tidsupplösning, eftersom hela blocket om $N$ sampel tar tid att samla in.

Dynamik och begränsningar#

Hur starka signaler tål en SDR? ADC:n har ett begränsat antal bitar $N$ . För en ideal ADC med sinusformad insignal över hela omfånget är förhållandet mellan signal och kvantiseringsbrus $SNR = 6,02 N + 1,76$ dB (förutsatt att kvantiseringsfelet beter sig som slumpbrus). Varje extra bit ger alltså 6 dB.

Men kvantiseringsbruset är jämnt fördelat över hela bandet $0$ till $f_{s} / 2$ . När programmet bara tar ut en liten del $B$ av det bandet hamnar mindre brus i den delen. Vinsten, processvinsten, är

G_{p} = 10 \log_{10} \frac{f_{s}}{2 B} dB

(för komplexa I/Q-sampel som täcker bandbredden $f_{s}$ blir det $10 \log_{10} (f_{s} / B)$ ).

så att dynamiken i det smala bandet är ca $86 + 43 = 129$ dB (figur 4). En enkel 8-bitars mottagare med I/Q-sampling vid 2,4 MS/s får bara $6,02 \cdot 8 + 1,76 \approx 50$ dB över hela bandet och ca 80 dB i en 2,4 kHz-kanal. Det är därför en stark närliggande sändare lätt döljer svaga signaler på en enkel mottagare.

Figur 4. Idealt signal-brusförhållande för en ADC som samplar med 100 MS/s. Varje bit ger 6 dB, och en smalare bandbredd ger ytterligare processvinst. Verkliga ADC:er når inte riktigt dessa värden (effektivt antal bitar är lägre än antalet bitar).

Det här är ideala värden. I praktiken sätter andra saker gränsen:

Överstyrning. Om summan av alla signaler vid ADC:n överstiger dess fulla omfång klipper den hårt och skapar distorsion över hela bandet. Därför specificeras ADC:er med SFDR (spuriousfritt dynamiskt omfång) i stället för IP3 som analoga steg¹. Starka sändare, till exempel FM-rundradio och mobilnät, kan överstyra en enkel SDR. Då hjälper ett filter, en dämpsats eller ett bandspärrfilter som tar bort det starka bandet (se linjäritet, intermodulation och dynamik).
Frekvensnoggrannhet. Enkla enheter har en klocka med tiotals ppm fel. Vid 98 MHz ger 50 ppm ett fel på $98 \cdot 10^{6} \cdot 50 \cdot 10^{- 6} = 4,9$ kHz. Det räcker för att FM-mottagningen ska fungera, men inte för smalbandiga digitala trafiksätt utan korrigering. En bättre klocka, TCXO eller en GNSS-styrd referens, hjälper (se tidssignaler och frekvensnormaler).
Egen störning. Datorer och USB-kablar skapar störningar som kan synas i spektrumet. Använd kort kabel, ferritkärnor och håll mottagaren borta från datorn.
Spegelbild. I/Q-obalans ger en svag spegelbild av starka signaler, några tiotals dB under.

Att lyssna lagligt#

Att ta emot radiosignaler är i Sverige tillåtet och kräver inget tillstånd. En SDR som bara tar emot är därför fri att använda. Men det finns regler om vad du får göra med det du hör. Lagen om elektronisk kommunikation innehåller ett förbud mot avlyssning m.m., och det finns bestämmelser om tystnadsplikt och skydd för meddelanden som inte är avsedda för allmänheten. I korthet: att höra är en sak, men att röja, sprida eller utnyttja innehållet i sådana meddelanden är en annan. Vad som gäller i detalj, och vad som skiljer rundradio, flygradio och marin radio från privat kommunikation, förklaras i Får man lyssna? Sekretess och tystnadsplikt i radio. Kunskapsbanken ger inga anvisningar för att ta del av krypterad eller skyddad trafik.

Tänk också på dessa saker:

Sändning är något annat. En SDR som kan sända kräver att du har rätt till de frekvenser och den effekt du använder. För amatörradio krävs certifikat och anropssignal (se bli radioamatör), och för andra användningar tillstånd eller utrustning som uppfyller villkoren (se tillståndsfri radio). Störsändare är förbjudna att använda och sälja i Sverige.
Ställ in rätt matning. Många enheter kan skicka likspänning på antenningången (så kallad bias-T) för att driva en förstärkare. Slå på den bara när du vet att den anslutna förstärkaren ska ha den, annars kan utrustningen skadas.
Börja med sändningar som är avsedda att tas emot av alla. Rundradio, amatörradions fyrar och anrop, fartygens AIS-sändningar och flygplanens ADS-B-sändningar är exempel på detta.

Kontrollfrågor#

Vad är den viktigaste skillnaden mellan en SDR och en traditionell superheterodynmottagare?

I en SDR digitaliseras signalen (eller en nedblandad version av den) tidigt, och filtrering, demodulering och visning görs i programvara. I en traditionell mottagare görs det med fysiska kretsar, som MF-filter och detektor.

Varför behövs både I och Q i en direktomvandlande SDR?

En enda blandare kan inte skilja frekvenser över lokaloscillatorn från frekvenser under den, eftersom båda ger samma differensfrekvens. Med I och Q (två blandare med 90° fasskift) fås en komplex signal som innehåller tecknet på frekvensen, så att båda sidorna kan skiljas åt.

Hur stor bandbredd kan en SDR med I/Q-sampling vid 2,4 MS/s ungefär överblicka?

Ungefär lika mycket som samplingshastigheten, alltså ca 2,4 MHz. I praktiken är de yttre delarna av bandet försvagade av filtret, så kanske 2 MHz är användbart.

Hur många dB ideal SNR har en 12-bitars ADC över hela bandet?

$6,02 \cdot 12 + 1,76 = 74$ dB.

En 14-bitars ADC samplar vid 100 MS/s. Hur stor är processvinsten för en 200 kHz bred kanal?

$G_{p} = 10 \log_{10} (100 \cdot 10^{6} / (2 \cdot 200 \cdot 10^{3})) = 10 \log_{10} (250) \approx 24$ dB.

Du ställer en SDR på 145,500 MHz med en klocka som har 20 ppm fel. Hur stort är frekvensfelet?

$145,5 \cdot 10^{6} \cdot 20 \cdot 10^{- 6} = 2 910$ Hz, alltså ca 2,9 kHz. En smalbandig FM-signal skulle ligga för långt från den inställda frekvensen utan korrigering.

Vad är skillnaden mellan att ta emot och att sända med en SDR enligt reglerna?

Mottagning kräver inget tillstånd i Sverige, men det finns regler för vad man får göra med det man hör. Sändning kräver tillstånd, amatörradiocertifikat eller att utrustningen används inom de villkor som gäller för tillståndsfria band.

Vad visar färgen i ett vattenfallsdiagram?

Signalens nivå. Frekvensen ligger vågrätt och tiden lodrätt, och en starkare signal får en kraftigare färg.

ADC:er klipper hårt när insignalen överstiger fullt omfång. Därför är IP3, som beskriver svag olinjäritet i analoga steg, inte en användbar specifikation. ADC:er anges i stället med SFDR (Analog Devices MT-012, Kester, rev. A 2008). ↩