Bron: Artikel NRC. Geplaatst op dit forum met toestemming van de auteur; de heer Warna Oosterbaan.
Techniek Bijna alle radiozenders zijn via internet te ontvangen. Maar dat is niet waar dit verhaal over gaat. Met software defined radio kun je ouderwets radio luisteren via je laptop. Met een dwarrelend blauw watergordijn.
Auteur: Warna Oosterbaan
Gepubliceerd op 30 oktober 2024 om 14:23 in NRC
Leestijd: c.a. 7 minuten
Hé, daar is Radio Caroline, op 648 kHz. De voormalige etherpiraat zendt weer uit, legaal deze keer. En als ik verder draai hoor ik zenders uit Frankrijk, Polen en Rusland. De Nederlandse publieke omroep heeft de middengolf verlaten, maar op 1.008 kHz zendt Twente Gold de hele dag swing- en dansmuziek uit. Op de korte golf zijn radioamateurs uit Italië in druk gesprek, ik hoor het gepiep van telegrafiezenders en zo nu en dan stuit ik op ondefinieerbaar geratel. Het is alsof ik aan de afstemknop van een oude radio draai en de kosmische ruis tussen de stations versterkt die illusie. Maar wat ik hoor en zie is de radio van de toekomst: software defined radio. En om het nog futuristischer te maken: ik draai niet aan de knoppen van mijn eigen radio, maar aan een toestel dat zich op 150 kilometer van mijn huis bevindt – maar daarover later.
Het hart van de traditionele radio bestaat uit spoelen en condensatoren. Ze hebben een belangrijke taak: ze kunnen zó worden afgestemd dat je één zender uit de ether kunt vissen. Bij een bepaalde stand van de draaibare afstemcondensator en in combinatie met een bepaalde spoel krijg je een afstemkring die met de ethergolven op bijvoorbeeld 648 kHz mee-resoneert. De radio opent zich voor Radio Caroline, en sluit de deur voor zenders op andere frequenties. Wil je een zender op de lange golf beluisteren, of op een van de kortegolfbanden, dan moet een andere spoel worden ingeschakeld en moet je de afstemcondensator verdraaien. Vervolgens moet de uitgezeefde frequentie allerlei bewerkingen ondergaan voordat de muziek uit de luidspreker komt.
In een softwareradio zijn alle spoelen, condensatoren en de overige onderdelen voor de bewerking van het radiosignaal door software vervangen, door berekeningen. De complete softwareradio bevindt zich nog in een experimenteel stadium en is voorlopig een nicheproduct voor radiofans, maar in gewone radio’s worden ook al delen van de schakeling door software vervangen. Het centrale begrip is digital signal processing (DSP), de techniek die bij bijvoorbeeld beeldbewerking en geluidstechniek al ver is voortgeschreden. Het is de bewerking van signalen die in een analoog-digitaalomzetter (AD) een digitale vorm hebben gekregen. Ze kunnen dan onderworpen worden aan allerlei berekeningen. Ze kunnen verbeterd worden, gecomprimeerd en verstuurd. Daarna kunnen ze in een digitaal-analoogomzetter (DA) weer terugkeren naar hun analoge vorm, en weer muziek, geluid of beeld worden. Het uiteindelijke resultaat is gemak en kwaliteit. Foto’s en muziek gaan de wereld over, rode ogen worden weer wit, valse zangpartijen haarzuiver.
Onderdrukken van ruis en storing
En bij de radio? Om te beginnen kan een software defined radio kleiner en goedkoper zijn dan het gebruikelijke radiotoestel. Er zijn al voor een paar tientjes dongles in de handel, formaat forse usb-stick, die je in een usb-poort van je laptop steekt en die samen met uitgekiende software je computer omtoveren in een dure wereldontvanger. Zo’n softwareradio biedt ook allerlei andere voordelen: hij is bijvoorbeeld heel goed in het onderdrukken van ruis en van storing door andere zenders.
En dan is er iets waar de liefhebber die is opgegroeid met Het jongensradioboek alleen maar met verbijstering naar kan kijken: de waterval. Op het scherm van de laptop verschijnt een grafische weergave van de ether, een langzaam omlaag dwarrelend blauw watergordijn. In het gordijn zijn lichtgekleurde verticale linten zichtbaar: de zenders. Sommige zijn rafelig en breed, dat zijn sterke omroepzenders. Andere zijn smaller en zwakker. Weer andere linten worden voortdurend onderbroken: dat zijn de punten en strepen van telegrafiezenders. Als je met de muis naar zo’n lint beweegt, wordt de zender hoorbaar. Tegelijkertijd blijven links en rechts de naburige zenders naar beneden dwarrelen. Dit is een radio die niet op één smalle frequentie is afgestemd, maar op een heel spectrum. Je kunt niet alleen horen, maar ook zíén waar je bent en je kunt de activiteit om je heen volgen.
„Ik heb er gefascineerd naar zitten kijken toen ik het voor het eerst zag”, zegt Pieter-Tjerk de Boer. Hij is universitair hoofddocent aan de faculteit Elektrotechniek, Wiskunde en Informatica van de Universiteit Twente. We spreken elkaar op de campus van de universiteit, in een zaaltje op de bovenste verdieping van gebouw Carré. Overal staat meetapparatuur, het is de ruimte van de radioamateurclub van de universiteit. De Boer heeft een zendlicentie en in 2015 werd de gepromoveerde fysicus door radiovereniging VERON uitgeroepen tot ‘radioamateur van het jaar’. Het is De Boer ten voeten uit: een radiofan die zijn liefhebberij met wetenschappelijke precisie naar een hoger plan heeft gestuwd en in zijn universitair onderzoek zo nu en dan van zijn radio-expertise gebruikmaakt.Ik heb er gefascineerd naar zitten kijken toen ik het voor het eerst zag
Pieter-Tjerk de Boer —Universiteit Twente
„In een software defined radio probeer je zo snel mogelijk na de antenne de signalen te digitaliseren. Op de antenne zijn alle beschikbare radiozenders al als optelsom aanwezig, en die som wordt meteen naar een krachtige analoog-digitaalomzetter gevoerd. Die maakt daarvan 60 miljoen keer per seconde – de sample rate – een opname en elke opname wordt in een rijtje bits vertaald.”
Het is enigszins te vergelijken met de manier waarop een geluidsopname van een symfonieorkest wordt gemaakt: een microfoon pikt de geluidssignalen op, een AD-omzetter maakt er digitale signalen van die in een cd-speler of een telefoon weer tot geluid worden omgesmeed. Het verschil is dat de radiosignalen gecompliceerder zijn. „Bij muziek is het voldoende ongeveer 44.000 keer per seconde een sample van het geluid te maken en dat in bits te vertalen. Op die manier kun je geluid tot ongeveer twintigduizend hertz vastleggen en weer reproduceren – ongeveer de menselijke gehoorgrens. Dat volgt uit het theorema van Nyquist, dat laat zien dat voor de reconstructie van een signaal je het op tweemaal de hoogst weer te geven frequentie moet samplen.”
De signalen die een antenne uit de ether oppikt zijn niet alleen talrijker, ze hebben ook een veel hogere frequentie: tot wel dertig miljoen hertz als je je beperkt tot de lange-, midden- en kortegolfbanden (die lopen van ongeveer 100 kHz tot 30 MHz). „Dat betekent dat de sample rate in de softwareradio in ieder geval 60 miljoen hertz moet zijn. Zestig miljoen keer per seconde maakt de softwareradio een opname van al die bij elkaar opgetelde radiosignalen en legt die opname vast in 16 bits (enen en nullen). Die bitstroom ondergaat allerlei bewerkingen en wordt door middel van een operatie die bekendstaat als de Fourier-transformatie herleid tot de afzonderlijke frequenties.” En uiteindelijk tot de verticale linten in de blauwe waterval – en tot geluid.
Een onaanzienlijk gevalletje
Ik loop met De Boer een trap op, hij duwt een ijzeren deur open en we belanden op het dak van gebouw Carré. De Boer wijst op een grijs plastic buisje dat boven aan een metalen trapje is bevestigd. „Onze antenne.” Het is een onaanzienlijk gevalletje, maar de radiozenders die met de elektronica in het buisje uit de ether worden geplukt, gaan via een flinke desktopcomputer in het lab naar honderden luisteraars in de hele wereld. Want behalve de sdr-ontvanger is er tegenwoordig nóg een wonder: WebSDR. Het komt erop neer dat als je de website van De Boer bezoekt (websdr.ewi.utwente.nl:8901) je aan de knoppen van zíjn radio kunt draaien. Meestal zijn er een paar honderd luisteraars actief, de maximale capaciteit is drieduizend.
Het is begonnen, vertelt De Boer, toen een groep radioamateurs de oude radiotelescoop in Dwingeloo gingen gebruiken voor earth-moon-earth (EME) uitzendingen, waarbij de maan de radiosignalen terugkaatst naar de aarde. „Ik heb toen een programma geschreven waarmee meer amateurs via het web die schotel konden gebruiken.” Van het een kwam het ander en na een paar testversies had De Boer in 2011 een WebSDR die de hele lange, midden- en korte golf bestrijkt.
Zijn uitvinding heeft school gemaakt, er zijn nu overal ter wereld WebSDR’s gekomen die met zijn software zijn gemaakt. Zodat je nu via een Amerikaanse WebSDR de talkradio kunt beluisteren zoals die in Texas op de middengolf klinkt. Of omgekeerd, zodat ze nu in Brazilië kunnen luisteren naar de dansmuziek van middengolfzender Twente Gold. Die zender heeft maar een beperkt vermogen en staat in Hengelo, maar dankzij de website van De Boer kan hij de hele wereld bereiken. „Ik heb ook al van verschillende kanten gehoord dat mijn WebSDR wordt gebruikt door buitenlandse zenders, die benieuwd zijn hoe ze op grote afstand doorkomen.”
Bij al dat vernuft dringt zich wel een vraag op: is radio op de lange, midden- en korte golf nog nuttig? De meeste radiostations zijn uitgeweken naar de FM-band, waar de geluidskwaliteit beter is, maar het bereik geringer. En bijna alle radiostations zijn tegenwoordig via internet te beluisteren.
Maar is dat radio? De streams in studiokwaliteit missen de betovering van een ver radiostation dat je draaiend aan de afstemknop uit de kosmische ruis haalt, dat zo duidelijk van veraf komt en dat wordt omringd door de zenders die ook uit die regio komen. En belangrijker: radio is simpel. In gebieden waar geen internet is kun je met een goedkope kortegolfradio de halve wereld binnenhalen. De Boer: „Een overheid kan het internet lamleggen, of een gedeelte ervan afsluiten. Maar radiozenders zijn veel moeilijker te stoppen.”
Daarom zijn ze er nog steeds, ook voor schimmige doeleinden. Neem de number stations. Je hoort een toonloze stem die voortdurend getallen opleest. Waarschijnlijk zijn het gecodeerde mededelingen voor spionnen in het veld, die dan aan een simpele radio genoeg hebben. Voor veel gecodeerd geratel op de kortegolfbanden zorgt ook high-frequency trading. „Radiosignalen zijn een fractie sneller dan signalen die door glasvezel gaan. Dus is er in de wereld van de flits-beurstransacties iets te winnen als je je orders met een radioverbinding overbrengt.”
Een heel ander geluid vind je op 162 kHz: diepe stilte. „Dat is de oude langegolfzender Allouis, die het programma van France Inter uitzond. De uitzendingen zijn in 2016 gestopt, maar toen kwam een probleem aan het licht waar blijkbaar niet aan gedacht was. Allouis zendt ook tijdsignalen uit waarmee honderdduizenden elektrische klokken gelijk worden gezet. Dus je hoort er nu geen muziek meer, maar de zender is nog gewoon in de lucht, voor al die klokken.”Ik ben geen heel ervaren telegrafist
Pieter-Tjerk de Boer —Universiteit Twente
En dan zijn er die andere radioattracties. Zoals het verkeer tussen schepen, met vliegtuigen, en de communicatie tussen zendamateurs uit allerlei landen. Ze zijn op een WebSDR goed te volgen, want versleuteling is amateurs niet toegestaan. Er zijn ook nog steeds amateurs die morse gebruiken, De Boer doet dat ook zo nu en dan. „Ik ben geen heel ervaren telegrafist. Voor mij is het dus wel handig dat ik de punten en strepen in de waterval kan terugzien.”
Amateurs hebben belangrijke bijdragen aan de ontwikkeling van de radio geleverd, vertelt De Boer. „Zie de korte golf. Zo’n honderd jaar geleden was voor de lange afstanden alle hoop gevestigd op de lange golf, want al waren er hoge zendvermogens voor nodig, die lange golven buigen wel mee met de kromming van het aardoppervlak. Van de korte golf werd weinig verwacht en die werd daarom aan amateurs gegeven. Maar dat veranderde honderd jaar geleden, op 18 oktober 1924. Toen slaagden twee amateurs, Goyder en Bell, erin om op de korte golf een telegrafieverbinding te maken over de langst mogelijk afstand die op aarde te bereiken is: tussen Londen en Nieuw-Zeeland. Ze werkten met een gering zendvermogen en ze maakten gebruik van het feit dat de hogere frequenties van de korte golf worden teruggekaatst door de ionosfeer.” De liefhebbers wisten het eerder dan de profs.
