Uusi ohjelmistoradio toimii kännykkänä, tutkana tai lähiverkon päätteenä - vaihdat vain ohjelmaa.


- vaihdat vain ohjelmaa.


Julkaistu Tiede-lehdessä 8/2006



Kun ennen puhuttiin radiosta, se oli yleisradiovastaanotin. Nyt radiolaitteista tutuin on kännykkä. Se on jo tätä nykyä monipuolinen tietotekniikan yleiskone mutta radioteknisesti vielä varsin rajoittunut laite. Tämän päivän älypuhelimet ovat huomisen idiootteja.

Esimerkiksi GSM-kännykkäni osaa tulkita vain GSM-standardin mukaisia signaaleja. Jos tukiasema lähettäisikin jo vaienneen NMT:n tai uuden UMTSin mukaista signaalia, kännykkäni ei saisi siitä mitään tolkkua. Sama pätee muihin radioihin: yleisradiovastaanotin on kuuro GPS-signaalille, eikä GPS:llä onnistu sävelradion kuuntelu.
Tavallisessa radiossa on antennin jälkeen suodattimia, vahvistimia, sekoittimia ja ilmaisin.

Suodattimella poistetaan väärillä taajuuksilla olevia signaaleja, vahvistimella saadaan heikkoon signaaliin ytyä, ja sekoittimella signaali siirretään matalammalle taajuudelle, jolloin sen käsittely helpottuu. Ilmaisin eli demodulaattori erottaa lopulta signaaliin liitetyn informaation, jonka avulla muodostetaan ääni tai kuva.

Tällainen radio on viritetty juuri tietynlaiselle signaalille: kaikista ympärillään risteilevistä radioaalloista se pystyy tulkitsemaan järjelliseen muotoon vain pienen osan.


Laite = antenni + tietokone

Ohjelmistoradion periaate on yksinkertainen: muutetaan antennista tuleva signaali, joka on kaikenlaisten radiolähetteiden summa, digitaaliseksi ja hoidetaan signaalin jatkokäsittely laskemalla.

Suodatus, sekoitus ja ilmaisu tehdään ohjelmien avulla bittien maailmassa. Radio on kuin suoraan antenniin liitetty tietokone, joka pystyy tulkitsemaan kaiken, mitä antenni vastaanottaa.

Ohjelmistoradio ei hetkahda tietoliikennestandardeista. Jos sitä käytetään kännykkänä, se toimii kaikissa matkapuhelinverkoissa. GSM-verkosta voi siirtyä UMTSiin vain vaihtamalla ohjelmanpätkää. Standardit on helppo päivittää, koska taajuuksien muuttaminen ei tee puhelimesta mykkää.

Uutta laitetta voi käyttää paitsi puhelimena myös navigointivastaanottimena ja lähiverkon päätteenä. Tarpeen vaatiessa radiosta saa etäisyyttä tai nopeutta mittaavan tutkan. Kutakin käyttötarkoitusta varten on omat ohjelmansa.

Niin, ja kuuluvathan siitä myös radio-ohjelmat.


Älyantenni parantaa yhteyttä

Myös antennit kehittyvät. Antennin rakenne ratkaisee suuntakuvion eli sen, mihin suuntiin antenni säteilee tai mistä suunnista se vastaanottaa säteilyä tehokkaasti. Jos antenni koostetaan useista elementeistä, suuntakuviota pystytään muokkaamaan. Elementtien signaalit summataan, ja kun tämä tehdään laskennallisesti tehokkaalla prosessorilla, antenniryhmään saadaan älyä ja omatoimisuutta.

Älyantenni osaa kohdentaa keilansa vastaanottimen suuntaan ja pystyy myös torjumaan muista suunnista tulevat häiriöt. Tehoa ei siis roiskita turhiin suuntiin, ja yhteyden laatu paranee.

Jotta suuntakuvion muokkaus onnistuisi hyvin, antennin on oltava tarpeeksi kookas. Siksi kovin älykkäät antennit eivät mahdu pieneen kannettavaan laitteeseen, mutta esimerkiksi tukiaseman antenniin älliä on ympättävissä paljonkin.


Radiot toimivat kimpassa

Sähkömagneettiset häiriöt, ympäristön heijastukset tai katveet estävät usein radion toiminnan. Ohjelmistoradio, jossa on älykäs antenni, pärjää paremmin. Se tietää, millaisia signaaleja on tulossa ja mistä suunnista. Koska se myös tietää jatkuvasti sijaintinsa sieppaamiensa navigointisignaalien perusteella, se voi tallentaa tiettyyn paikkaan liittyvät kokemuksensa. Tutussa ympäristössähän on helpointa toimia.

Lähekkäiset älyradiot voivat jutella keskenäänkin. Ne voisivat vaihtaa kokemuksiaan ja sopia esimerkiksi taajuuksien jaosta. Keskenään kommunikoivat radiot muodostaisivat lauman, joka auttaa katveeseen tai heikkoon kenttään joutunutta lajitoveriaan. Jos tukiasemaan ei saa suoraa yhteyttä, kaverin kautta viestin saa ehkä perille. Jos oma äly ei riitä, lainataan naapurilta.


Malta vielä muutama vuosi

Täysiverisen ohjelmistoradion tekeminen ei vielä onnistu, sillä digitalisoinnin suorittavat AD-muuntimet eivät ole tarpeeksi hyviä. Digimuotoisen esityksen pitäisi olla huipputarkka, jotta kaikki heikotkin signaalit saataisiin kaivettua siitä esiin. Tällä hetkellä on tyydyttävä puoliveriseen malliin, jossa signaali digitoidaan vasta sekoituksen jälkeen matalamalla taajuudella.

Tarvitaan sekä tehokkaampia integroituja piirejä että tarkempia laskenta-algoritmeja. Kehitys on kuitenkin nopeaa, ja muutaman vuoden päästä älyradiot saattavat putkahtaa laboratorioista maailmalle.

Matkaviestinnässä ja erityisesti sotilaallisissa sovelluksissa, joissa sähkömagneettinen ympäristö on karikkoinen, ympäristöstään tietoinen älyradio on toivottu tulokas. Älykkyyden myötä radiotaajuuksien spektrin käyttö tehostuu ja palvelujen laatu ja luotettavuus paranevat. Todennäköisesti myös syntyy aivan uusia sovelluksia.



Arto Lehto on radiotekniikan dosentti Teknillisessä korkeakoulussa.

Kätevä sana on valunut moneen käyttöön.

Makea vesi kuuluu elämän perusedellytyksiin. Siksi tuntuu itsestään selvältä, että vesi-sana kuuluu suomen kielen vanhimpiin sanastokerroksiin.

Se ei kuitenkaan ole alun perin oma sana, vaan hyvin vanha laina indoeurooppalaisista kielistä, samaa juurta kuin saksan Wasser ja englannin water.

Suomensukuisissa kielissä on toinenkin vettä merkitsevä sana, jota edustaa esimerkiksi saamen čáhci, mutta sen vastine ei syystä tai toisesta ole säilynyt suomessa. Ehkäpä indoeurooppalainen tuontivesi on tuntunut muodikkaammalta ja käyttökelpoisemmalta.

Tarkemmin ajatellen vesi-sana on monimerkityksinen. Luonnon tavallisimman nesteen lisäksi se voi tarkoittaa muunkinlaisia nesteitä, kuten yhdyssanoissa hajuvesi, hiusvesi tai menovesi.

Vesiä voi erotella käsittelyn tai käyttötarkoituksen mukaan, vaikka Suomen oloissa juomavesi, kasteluvesi ja sammutusvesi ovatkin usein samaa tavaraa. Sade- ja sulamisvesistä tulee varsinkin asutuskeskuksissa viemäröitävää hulevettä. Murteissa hulevesi tarkoittaa tulvaa tai muuta väljää vettä, esimerkiksi sellaista, jota nousee sopivilla säillä jään päälle.

Luonnon osana vesi voi viitata erilaisiin vedenkokoumiin, etenkin järviin. Suomen peruskartasta löytyy satoja vesi-loppuisia paikannimiä, joista useimmat ovat vesistönnimiä, kuten Haukivesi, Hiidenvesi tai Puulavesi.

Useat vesien rannalla olevat asutuskeskukset ovat saaneet nimensä vesistön mukaan. Vesi-sana ei enää suoranaisesti viittaa veteen, kun puhutaan vaikkapa Petäjäveden kirkosta tai Ruoveden pappilasta.

Vesi-sanasta on aikojen kuluessa muodostettu valtava määrä johdoksia ja yhdyssanoja. Näistä suuri osa on vanhoja kansanomaisia murresanoja, kuten vetelä, vetinen, vetistää ja vettyä.

Vesikosta on muistona enää nimi, sillä tämä vesien äärellä ja vedessä viihtyvä näätäeläin on hävinnyt Suomesta 1900-luvun kuluessa. Myyttisiä veden asukkaita ovat olleet vetehinen ja vesu eli vesikyy, jotka mainitaan myös Kalevalassa.

Antiikista 1700-luvun loppupuolelle asti uskottiin veden olevan yksi maailman alkuaineista. Sitten selvisi, että se onkin vedyn ja hapen yhdiste. Oppitekoinen uudissana vety tuli suomen kielessä tarpeelliseksi kuitenkin vasta 1800-luvun puolimaissa, kun luonnontieteistä alettiin puhua ja kirjoittaa suomeksi.

Kaisa Häkkinen on suomen kielen emeritaprofessori Turun yliopistossa.

Julkaistu Tiede-lehden numerossa 11/2018

Hirmun anatomia on selvinnyt sääsatelliittien mikroaaltoluotaimilla. Ne näkevät pilvien läpi myrskyn ytimeen ja paljastavat ukkospatsaat, joista myrsky saa vauhtinsa. Kuva: Nasa/Trimm

Pyörivät tuulet imevät energiansa veden lämmöstä.

Trooppiset rajuilmat tappoivat vuosina 1995–2016 lähes 244 000 ihmistä, koettelivat muuten 750 miljoonaa ihmistä ja tuhosivat omaisuutta runsaan 1 000 miljardin dollarin arvosta, enemmän kuin mitkään muut mullistukset, esimerkiksi tulvat tai maanjäristykset.

Näin arvioi maailman luonnonkatastrofeja tilastoiva belgialainen Cred-tutkimuslaitos raporteissaan, joissa se laskee katastrofien pitkän aikavälin inhimillistä hintaa.

Myrskytuhot ovat panneet myrskytutkijat ahtaalle. Kaikki tahtovat tietää, mistä näitä rajuilmoja tulee. Lietsooko niitä ilmastonmuutos?

Lämpö alkaa tuntua

Näihin asti tutkijapiireissä on ollut vallalla käsitys, jonka mukaan hirmuista ei voi syyttää ilmastonmuutosta vielä kotvaan. Se alkaa voimistaa myrskyjä vasta pitkällä aikajänteellä.

Nyt hurjimpia myrskyjä on kuitenkin alettu kytkeä ilmaston lämpenemiseen. Esimerkiksi alkusyksystä 2017 Maailman ilmatieteen järjestö WMO arvioi, että lämpeneminen todennäköisesti rankensi elokuussa Houstonin hukuttaneen Harvey-myrskyn sateita.

Jotkut tutkijat ovat puhuneet kytköksistä jo vuosia.

Esimerkiksi Kerry Emanuel, Massachusettsin teknisen yliopiston myrskyspesialisti, laski 2005, Katrinan runnottua New Orleansia, että Atlantin ja Tyynenmeren myrskyt ovat nykyään 60 prosenttia voimakkaampia kuin 1970-luvulla.

Keväällä 2013 Nils Bohr -instituutin Aslak Grinsted raportoi, että lämpenemiskehitys vaikuttaa myrskyissä syntyviin tulva-aaltoihin.

Kun maapallon keskilämpötila nousee 0,4 astetta, myrskytulvien määrä tuplaantuu. Tämä rajapyykki on jo ohitettu. Kun lämpötila nousee kaksi astetta, tulvat kymmenkertaistuvat. Silloin superrajuja myrskyjä hyökyy Atlantilta joka toinen vuosi. Tähän asti niitä on nähty kerran 20 vuodessa.

Meri lämpenee otollisesti

Tärkein myrskyjä ruokkiva muutosvoima löytyy sieltä, mistä myrskyt ammentavat energiansa ja mihin ilmastonmuutoksen nähdään vaikuttavan: meriveden lämpötilasta. Se kehittyy myrskyille otolliseen suuntaan.

Esimerkiksi Meksikonlahdella, hurrikaanien voimanpesässä, on mitattu jopa pari astetta tavallista korkeampia meriveden lämpötiloja.

Kun Haiyan, yksi kaikkien aikojen kovimmista taifuuneista, marraskuussa 2013 jätti kaksi miljoonaa filippiiniläistä kodittomiksi, meri oli myrskyn syntyalueella vielä sadan metrin syvyydessä kolme astetta normaalia lämpimämpi.

Meressä tapahtuu muutakin epäedullista: pinta nousee. Se kasvattaa myrskyjen nostattamia tulva-aaltoja, jotka usein saavat aikaan pahinta tuhoa.

 

Näin hirmumyrsky kehittyy

Hirmun syntymekanismi on sama kaikkialla, vaikka nimitykset vaihtelevat. Atlantilla ja Amerikan puoleisella Tyynellämerellä puhutaan hurrikaaneista, Aasian puolella taifuuneista ja Intian valtamerellä ja Oseaniassa sykloneista. Grafiikka: Mikko Väyrynen

 

Trooppisia hirmumyrskyjä syntyy päiväntasaajan molemmin puolin 5. ja 25. leveyspiirin välillä. Päiväntasaajalla niitä ei muodostu, sillä sieltä puuttuu coriolisvoima, jota myrsky tarvitsee pyörimiseensä

Kehittyäkseen myrsky vaatii tietynlaiset olot. Suursäätilan pitää olla laajalla alueella epävakaa ja ukkossateinen ja meriveden vähintään 26 asteista 50 metrin syvyydeltä. Lisäksi tuulien pitää puhaltaa heikosti 12 kilometrin korkeuteen asti. Voimakkaissa virtauksissa myrskynpoikanen hajoaa.

1. Merestä nousee lämmintä, kosteaa ilmaa. Se kohoaa nopeas­ti ja tiivistyy ukkospilviksi, jotka kohoavat 10–15 kilometrin korkeuteen. Samalla vapautuu lämpöä, mikä ruokkii matalapainetta.

2. Fysiikan säilymislakien mukaan ylös kohoavan ilman tilalle virtaa ympäriltä korvausilmaa, jolloin ilmanpaine alueella laskee.

3. Lämpöä kohoaa ylös yhä laajemmalti, ukkospilvien jono venyy, ja ilman virtausliikkeet voimistuvat. Ilmanpaine laskee lisää, ja alueelle syntyy liikkuva matalapaineen keskus.

4. Paine-ero tuottaa voiman, joka alkaa pyörittää tuulia kiihtyvää vauhtia. Maan pyörimisliikkeestä aiheutuva coriolisvoima kiertää niitä spiraalin lailla vastapäivään kohti matalan keskusta. Kun tuulen sekuntinopeus nousee yli 33 metrin, on syntynyt trooppinen hirmumyrsky.

Hurjimmissa myrskyissä tuulen nopeus nousee 70–90 metriin sekunnissa. Pyörteen halkaisija vaihtelee puolestaan 400 kilometristä 1 000 kilometriin.

5. Myrskyn voimistuessa sen ylle muodostuu korkeapaine, joka pyörii tuulia vastaan. Laskeva ilmavirtaus kuivattaa ja lämmittää keskusta, ja se seestyy myrskynsilmäksi.

6. Silmää kiertävät tuulet sekoittavat tehokkaasti meren pintaa 50–100 metrin syvyydeltä. Kun lämmintä vettä painuu syvyyksiin ja viileää kohoaa pintaan, ”lämpövoimala” jäähtyy ja hitaasti liikkuva myrsky voi heikentyä. Nopeaan myrskyyn jarru ei ehdi vaikuttaa, ja silloin kumpuava vesi voi loppumatkasta muuttua vaaralliseksi.

7. Kun ranta lähestyy ja meri madaltuu, tuulet pakkaavat vettä myrskyn tielle tulva-aalloksi, joka syöksyy myrskyn mukana maalle tuhoisin seurauksin.

Maalle saavuttuaan myrsky laantuu, kun se ei enää saa käyttövoimaa meren lämmöstä.

 

Tuula Kinnarinen on Tiede-lehden toimitussihteeri.

Julkaistu Tiede-lehdessä 1/2014. Päivitetty 12.9.2018.