что такое ddc sdr комплексные сигналы и квадратурная обработка
Что такое ddc sdr комплексные сигналы и квадратурная обработка
О комплексных сигналах и квадратурной обработке
В аналоговую эру радиолюбители обходили комплексные сигналы стороной, предпочитая бороться с зеркальными каналами в своих трансиверах при помощи многократного преобразования частоты. Причина этого в том, что пользу от квадратурной обработки можно получить лишь при достаточно точном выполнении операций, что при аналоговой реализации приводит к непропорционально большим издержкам. В конце прошлого века тему квадратурной обработки в трансиверах прямого преобразования активно продвигал В.Т. Поляков, где она применялась для подавления зеркального канала и формирования однополосного сигнала. Но только с появлением SDR, где большая часть обработки сигнала стала выполняться в цифровом виде, комплексные сигналы по-настоящему вошли в любительскую технику.
A = SQRT ( Re * Re + Im * Im ),
Ф = arctg ( Im / Re ) + С.
Эти соотношения позволяют в любой момент времени непрерывно и точно извлекать из принятого вещественного сигнала информационные компоненты: огибающую A и полную фазу Ф (по модулю 2 пи), если известны действительная и мнимая части комплексного сигнала. То есть, выполнять демодуляцию.
Обратные соотношения: Re = A Cos Ф, Im = A Sin Ф позволяют выполнять модуляцию.
Из аналитического сигнала можно получить комплексную огибающую (и наоборот) путем сдвига спектра в соответствующую сторону, т.е. простым умножением на комплексную экспоненту. Вещественный сигнал восстанавливается из аналитического простым отбрасыванием мнимой части. Примеры спектров обеих разновидностей комплексных сигналов можно посмотреть в следующем сообщении по теме о преобразовании спектров. Схема 3 в случае сдвига спектра вправо выполняет преобразование комплексной огибающей к аналитическому сигналу. Там же на схеме 4 дан пример восстановления вещественного сигнала из комплексной огибающей через промежуточное (но неполное) преобразование его к аналитическому сигналу.
Конечно, сами понятия положительной и отрицательной частоты, а также двустороннего спектра существуют только теоретически, когда мы рассматриваем сигналы через призму комплексных математических моделей. Но они нам дают в руки мощный инструмент анализа, который позволяет обобщить множество частных случаев.
О спектральных преобразованиях вещественных и комплексных сигналов
Для того, чтобы преобразовать (т.е. линейно сдвинуть по оси частот вправо или влево на величину Wo = 2 пи Fo рад/сек) симметричный спектр вещественного сигнала s(t), этот сигнал нужно умножить на комплексную экспоненту соответственно положительной или отрицательной частоты Wo:
Схема 2 применяется в классическом SDR, DDC, DFT и т. д.
Схема 1 применяется, если требуется инвертировать спектр комплексной огибающей.
Все рассмотренные преобразования при условии их точного выполнения не приводят к появлению зеркальных каналов. Однако, опасность зеркального канала имеется в схеме 4 в случае, если перед отбрасыванием мнимой части спектр комплексного продукта (как бы вычисляемого по схеме 3) не будет состоять целиком из частот одинакового знака.
Если все наши сигналы являются дискретными (цифровыми), то функциональные схемы преобразователей остаются прежними. Однако при этом все спектры на картинках должны быть нарисованы периодическими в обе стороны по частоте. Период повторения спектра дискретного сигнала равен частоте дискретизации.
Спектральные преобразования вещественного сигнала
Спектральные преобразования комплексного сигнала
О зеркальном канале в традиционном SDR и DDC SDR
В SDR приемниках применяется квадратурное преобразование частоты, это значит, что теоретически зеркального канала в них быть не должно. Но почему же в традиционном SDR (см. рис.) всё-таки присутствует зеркальный канал, несмотря на комплексный выходной сигнал квадратурного преобразователя?
— неидентичность амплитуд синуса и косинуса у генератора LO;
— отличие разности фаз синуса и косинуса у генератора LO от требуемых 90 градусов;
— неидентичность аналоговых перемножителей между собой;
— неидентичность АЧХ и ФЧХ аналоговых фильтров в цепях синфазного и квадратурного каналов преобразователя;
— неидентичность каналов звуковой карты.
При цифровой же реализации квадратурного преобразователя в DDC SDR, построенном по принципу «АЦП к антенне», все операции обработки сигнала в нём выполняются в цифровом виде и выполняются точно (с учетом погрешности вычислений из-за ограниченной разрядности) и абсолютно идентично в обоих каналах I и Q. Синус и косинус в блоке DDS (direct digital synthesizer) также формируются достаточно точно. Поэтому в DDC SDR приемнике зеркальный канал подавлен более чем на 100 дБ, и его не видно под шумами. Зеркальный канал появится, если в такой преобразователь искуственно внести погрешность, например, изменить порядок фильтра в одном из каналов. Или внести любую другую погрешность в вычисления.
Но в DDC SDR есть другие причины побочных каналов приема. Они появляются как следствие неграмотного проектирования дециматора и в принципе устранимы.
Принцип работы SDR приемника с DDC дециматором
Рассмотрим типовую структуру КВ цифрового приемника с DDC дециматором.
Для конкретности пусть частота дискретизации АЦП будет 100 МГц, а ширина целевой полосы выходного сигнала 2 МГц. Берем «с потолка» запас 0,5 МГц на неидеальность децимирующего фильтра, итого получаем частоту дискретизации комплексного выходного сигнала 2,5 МГц. Таким образом, в процессе обработки требуется понизить (децимировать) частоту дискретизации в 40 раз. Вся обработка принятого сигнала (после АЦП) выполняется вычислительными алгоритмами цифровой обработки сигналов (ЦОС), то есть, достаточно точно.
На выходе АЦП мы имеем вещественный дискретный сигнал с симметричным относительно нуля периодическим спектром (период 100 МГц). Квадратурный преобразователь (DDS и два умножителя) формирует из этого вещественного сигнала комплексный дискретный сигнал и линейно сдвигает его спектр по оси частот так, чтобы центральная частота целевой полосы стала нулевой промежуточной частотой. При этом периодичность спектра сохраняется, но он перестает быть симметричным (это и понятно, сигнал стал комплексным), см. рисунок.
На картинке красным цветом показаны полосы частот, которые нас не интересуют вообще и где АЧХ может быть абсолютно любой (это и не целевая полоса и не алиасы), зеленым цветом близ нулевой частоты показана половина 2-мегагерцовой целевой полосы, также зеленым цветом вокруг провалов на частотах кратных новой частоте дискретизации 10 МГц (10, 20, 30, 40, 50 МГц) показаны 2-мегагерцовые участки «алиасов». К сожалению, эти провалы АЧХ не столь широки как нам хотелось бы, и на краях полезной полосы алиас первого порядка будет подавлен всего на 19 дБ. Это очень плохо.
Второй FIR каскад выгодно раздробить на подкаскады, например, из полудиапазонных фильтров. Это нам даст в целом ещё бОльшую экономию по умножителям.
Если общий коэффициент децимации DDC должен быть небольшим (менее 8-10, т.е. на выходе нам нужна широкая полоса), то CIC уже не подойдет, и надо будет раскошеливаться на FIR с умножителями, который также выгодно дробить на каскады.
DDC можно реализовать и без использования ПЛИС и избежать связанных с этим граблей, временнЫх и материальных затрат освоения программных пакетов разработки прошивок FPGA. Промышленность супостатов выпускает готовые микросхемы DDC, которые можно извне программировать в рамках выполняющейся функции (программировать фильтры, настраивать коэффициенты децимации каскадов, перестраивать синтезатор и т. д.). В этом случае структура DDC ЦРПУ будет состоять из УРЧ, входного ФНЧ, АЦП, микросхемы DDC, контроллера и интерфейса с ЭВМ.
О подводных камнях.
1. Если ошибиться с выбором параметров децимирующих фильтров, то можно нарваться на внеполосные каналы приема, которые получаются из недостаточно подавленных алиасов.
2. Не надо забывать, что каждый каскад децимации должен сопровождаться расширением разрядности данных. Чем уже полоса, тем больше требуется разрядов для понижения шума округления (здесь действует принцип обмена разрядности на ширину полосы сигнала, см. подробнее в теме о выборе разрядности АЦП).
3. Не надо скупиться на разрядности умножителей в квадратурном преобразователе по входу LO опорного сигнала. И сам опорный сигнал, формируемый методом прямого цифрового синтеза DDS (Direct Digital Synthesizer), должен быть точным, насколько это возможно. Для повышения его точности часто применяют интерполяцию по-Тейлору, если в ПЛИС есть лишние умножители. Иногда недостаточно точный опорный сигнал искусственно зашумляют (dithering, дизеризация) для уменьшения спуров, при этом мощность спуров размазывается по частоте, незначительно повышая шумовой пьедестал. Чтобы сэкономить память ПЛИС и не хранить в ней таблицу значений функции косинуса, для вычисления этих значений иногда применяют итерационный алгоритм CORDIC.
Конечно, в таком коротком очерке нельзя рассмотреть все тонкости и нюансы реализации DDC и особенности аппаратной реализации ЦОС на ПЛИС. Но основной принцип и основные грабли должны быть понятны.
Ликбез про нерекурсивные (FIR, КИХ) и рекурсивные (IIR, БИХ) фильтры: http://www.dsplib.ru/content/filters/ch10/ch10.html
X(n) = [ x(k) exp (-i Wn k) ]
Не забываем, что спектр дискретного сигнала периодический, а период спектра N здесь равен нормированной частоте дискретизации 2 пи. Отсюда легко вычисляются все частоты Wn как в нормированном, так и в натуральном виде.
Что мы здесь видим? А видим то, что в этой модели есть много общего с DDC (т.е. это немного не доделанный DDC):
Можно ли побороть этот недостаток? Да, можно. Для этого нужно заменить прямоугольную взвешивающую (weighting) оконную функцию на такую, спектр которой обладал бы нужными нам свойствами. Подобных окон напридумано много разных (оконные функции Чебышева, Хэмминга, Ханна, Кайзера, Блэкмана и т.д. и.т.п.), для всех их характерно плавное спадание по краям во временной области и сильное подавление боковых лепестков спектра в частотной области. Иными словами, перед выполнением FFT каждый блок входного сигнала надо бы умножать на такого рода плавное взвешивающее окно. При этом АЧХ всех частотных каналов будут абсолютно идентичными и зависеть только от формы выбранной оконной функции (точнее, от модуля ее спектра).
Таким образом, при помощи вычислительно эффективного ядра N-точечного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform), реализуется как бы «многоканальный DDC» в виде банка полосовых фильтров WOLA, в котором все N частотных каналов (а их могут быть сотни и тысячи), вычисляются совместно и одновременно. При этом фильтр, формирующий АЧХ всех каналов, является общим и вычисляется только один раз при взвешивании блока входного сигнала. Всё это в отличие от традиционного DDC, в котором каждый частотный канал вычисляется отдельно и должен иметь собственный децимирующий фильтр.
Рассмотрим один парадоксальный вопрос из области цифровой обработки сигналов, по которому неспециалисты часто впадают в заблуждение.
Существенным в этой авантюре является то, что в процессе поэтапной обработки высокоскоростного и низкоразрядного сигнала с АЦП, с переходом на каждом этапе к более узкой полосе и более низкой частоте дискретизации (эта операция называется децимацией), мы не должны забывать о соответствующем повышении разрядности данных при их цифровой фильтрации перед выполнением непосредственно прореживания данных.
Но не надо забывать, что в частотной области мощность шума квантования равномерно распределена по всей полосе Найквиста. И чем шире эта полоса по отношению к нашей полезной целевой полосе, тем меньшая доля мощности шума квантования попадёт в эту нашу полезную полосу. И тем выше будет итоговое отношение сигнал-шум. Как видите, всё просто.
В этом и заключается принцип обмена разрядности АЦП на частоту дискретизации, позволяющий гибко подходить к выбору аппаратной части. Если мы хотим сэкономить на одном параметре, то должны повысить требования к другому. И наоборот.
О работе приемника DDC и передатчика DUC в высших зонах Найквиста
Из теории дискретных сигналов известно, что:
2. При дискретизации и восстановлении вещественного видеосигнала (спектр которого ограничен только сверху) частота дискретизации Fs по-Котельникову должна быть больше удвоенной ширины спектра этого сигнала. Если сигнал комплексный, то требования к Fs смягчаются в два раза. Спектр видеосигнала должен целиком находиться в первой зоне Найквиста. Восстановление выполняется фильтром нижних частот, полоса пропускания которого целиком должна находиться также в первой зоне Найквиста.
3. При дискретизации и восстановлении вещественного радиосигнала (спектр которого ограничен и снизу и сверху) частота дискретизации Fs также должна быть больше удвоенной ширины спектра этого сигнала. Спектр радиосигнала должен целиком находиться в любой выбранной зоне Найквиста. Восстановление выполняется полосовым фильтром, полоса пропускания которого также должна целиком находиться в любой (возможно, что и другой) зоне Найквиста.
Этот случай (п. 3) называется субдискретизацией, при этом частота дискретизации не удовлетворяет условию Котельникова для видеосигнала, а может быть во много раз ниже. Применяя только операции дискретизации и восстановления, можно из видеосигнала получить радиосигнал и наоборот, а также гонять радиосигнал между разными зонами Найквиста. Это свойство дискретных сигналов позволяет нам использовать цифровой DDC КВ приемник для приема УКВ радиосигналов. А также непосредственно формировать УКВ радиосигнал в DUC КВ передатчике.
В реальных АЦП и ЦАП дискретизирующий импульс далек от идеала, т. к. имеет конечную ненулевую длительность ( To ) и форму, отличную от прямоугольной. Это приводит к искажениям АЧХ преобразователей ЦАП/АЦП, потере энергии сигнала в высших зонах Найквиста, ухудшению отношения сигнал-шум приемника.
На рисунке приведены нормированные спектры дискретизирующего прямоугольного импульса для трех случаев:
— идеальный дискретизирующий импульс дельта-функция (зеленый);
— неидеальный импульс с длительностью в четверть интервала дискретизации To = Ts / 4 (синий);
— наихудший случай, когда длительность дискретизирующего импульса равна интервалу дискретизации To = Ts (красный). Этот случай характерен для ЦАП со ступенчатым выходным сигналом и для интегрирующих АЦП.
Мы видим, что в наилучшем случае идеальный дискретизирующий импульс имеет постоянный единичный спектр (зеленый график с бесконечно широким главным лепестком спектра), и его умножение на спектр исходного сигнала не приведет ни к малейшим искажениям АЧХ.
В наихудшем случае (красный график с узкими лепестками спектра) даже при работе только в первой зоне Найквиста мы будем иметь подавление сигнала на частоте Найквиста 4 дБ. О работе в других зонах Найквиста здесь и речи быть не может, т.к. в них затухание сигнала может быть очень большим или даже бесконечным.
Выводы. Для работы в высших зонах Найквиста:
1. Следует выбирать АЦП с малой длительностью дискретизирующего импульса (АЦП с малой апертурой). В этом смысле качество АЦП определяет та его аналоговая часть, которая называется устройством выборки и хранения (УВХ, sample and hold circuit), выборка сигнала в котором должна выполняться очень быстро, в течение малой доли интервала дискретизации.
2. ЦАП должен формировать на выходе (перед полосовым фильтром) не ступенчатый дискретный сигнал, как это обычно происходит, а сигнал в виде коротких прямоугольных импульсов.
Зачем нужна рандомизация выходного кода АЦП в приемнике DDC-SDR
Зачем это нужно? А нужно это затем, чтобы в некоторой степени нивелировать последствия плохой развязки аналоговых и цифровых цепей АЦП из-за неудачной разводки печатной платы.
Рандомизация нужна для того, чтобы убрать периодичность переключения разрядов выходного кода и сделать их случайными. При этом наводка никуда не девается, но она перестает быть периодичной, и мощность шпор ровным тонким слоем размазывается по спектру в частотной области. Естественно, это приводит к небольшому повышению шумового пьедестала и соответствующему ухудшению чувствительности приемника.
Нужна ли дизеризация в DDC-SDR приемнике
Ранее мы уже рассматривали применение дизеризации в цифровом синтезаторе частоты DDS для декорреляции ошибки квантования выходного сигнала синтезатора. Зачем же дизеризация нужна в АЦП? Ведь на первый взгляд зашумление полезного сигнала может только всё ухудшить. На самом деле резон есть.
Этот прием применяется в случаях, когда при эксплуатации устройств допустимо наличие на входе одного или нескольких периодических сигналов, а собственные шумы устройства малы. Например, в измерительных приборах, спектроанализаторах, профессиональной звуковой аппаратуре.
В цифровом приемнике применять дизеризацию не требуется, если, конечно, этот приемник использовать по назначению, а не в качестве измерительного прибора. Но дизеризация окрашенным шумом нужна при измерении технических параметров цифрового приемника, когда эфирного шума нет, а испытательные сигналы подаются от генератора. При этом спектр вносимого шума выносят за пределы рабочего диапазона частот приемника.
Об инверсии спектра дискретного (цифрового) сигнала
На практике часто возникает потребность проинвертировать спектр дискретного сигнала. Например, преобразовать сигнал USB в LSB. Или устранить нежелательные последствия спектральной инверсии после операций преобразования спектра или дискретизации в четных зонах Найквиста.
С учетом того, что спектр дискретного сигнала является периодическим, то для инверсии спектра вещественного сигнала нужно его сдвинуть вправо или влево (без разницы) на величину сдвига, равную частоте Найквиста FN. Для этого наш сигнал надо умножить на комплексную экспоненту с частотой Найквиста. При этом спектральная составляющая нулевой частоты переходит на частоту Найквиста и наоборот. А спектр в целом инвертируется относительно центральных частот каждой зоны Найквиста.
DDC-radio
ТОРЖЕСТВО ТЕХНОЛОГИЙ
2013 год подходит к концу. Прошли чуть больше ста лет с момента изобретения радио и вхождения его в широкие массы. Как полагается, началось с военных ведомств, потом и до простого люда добралось. Радиосвязь за сотню лет развилась достаточно сильно: началось с когерера из железных опилок, затем этап полупроводниковых детекторов, потом был длительный этап с преобразованиями сигналов; относительно быстро прошёл этап цифровой обработки сигнала после детектора; до сих пор ещё используется, но скоро уйдёт в небытие оцифровка сигналов на промежуточной частоте; и, наконец, пришли к фундаментальным основам обработки сигналов – непосредственной оцифровки сигнала с антенны.
Для тех, кто впервые читает статьи на нашем сайте, или радиолюбителем стал совсем недавно, мы дадим краткий экскурс в историю, в ходе которого вы пополните свои знание и обретёте понимание, что есть такое SDR и DDC\DUC-технология, чем она принципиально отличается от классического приёмо-передающего тракта и в чём её основные преимущества.
Краткий экскурс во времена былые…
Для того, чтобы у читающего сложилось правильное понимание всех преимуществ современных технологий обработки сигналов, необходимо более или менее чётко понимать как развивались эти методы. До сих пор удивительно слышать в эфире негативные отзывы о современных трансиверах и конкретно о том, что их цифровой звук режет ухо. Необходимо понимать, что такие суждения берут своё начало от непонимания процессов, неумения пользоваться современным трансивером, а главное – от таких предрассудков, как «цифра – это плохо». В нескольких предыдущих наших статьях тут и тут, мы уже рассказывали о современных SDR-трансиверах и мифах, связанных с этой технологией. Продолжаем развивать тему описания технологий в нашей новой статье.
Итак, одной из самых главных характеристик радиоприёмного тракта является его способность выделять полезный сигнал необходимой полосы на любой из рабочих частот с минимальными искажениями и минимальной неравномерностью. В разные времена применялись разные методы выделения полезного сигнала из всего спектра рабочих частот.
На заре развития радиотехники предварительная селекция являлась основной и производилась в первых каскадах приёмного тракта.
Полоса приёма таких селекторов составляет примерно 8-20кГц и вполне справляется с задачами выделения радиовещательных станций ДВ-СВ диапазонов. На КВ-частотах такая однокаскадная селекция себя уже не оправдывает, т.к. полоса приёма получается относительно широкой – 30…70кГц, а подавление сигнала соседнего канала очень низкой – не больше 20дБ. Этот метод преселекции применяется в детекторных радиоприёмниках и приёмниках прямого усиления.
Внедряя в один корпус несколько радиоприёмных трактов с несколькими трактами ПЧ и DSP, производители научились реализовывать такую новую и популярную функцию, как отображение панорамы спектра на рабочем диапазоне. Больше всех в использовании этой технологии преуспела компания ICOM.
Однако, когда с применением DSP максимально улучшилась селекция по соседнему каналу приёма, на первый план вышло несколько проблем, которые в предыдущих реализация тракта ПЧ были решены примерно на одном уровне с трактом ПЧ и не были так актуальны. Это селекция по побочным каналам приёма и динамический диапазон принимаемых сигналов.
Избавится не от всех, но от большинства описанных выше проблем позволили методы прямого преобразования сигналов из радиодиапазона в спектр звуковых частот и обработка конечного сигнала фазовым способом. Поначалу этот метод не нашёл широкого развития в аналоговом трансиверо-строении из-за сложности реализации, но с широким внедрением персональных компьютеров фазовый метод обрёл свою вторую инкарнацию в технологии под названием SDR (программно-определяемое радио). На сегодняшний день этой технологии уже около 15 лет.
С помощью единственного смесителя сигнал переносится с радиодиапазона на низкую ПЧ (0-100кГц) и оцифровывается с помощью звуковой карты, а дальше программными методами демодулируется нужная полоса частот с нужным видом модуляции. Вот так, всё просто в теории.
Вторым технологически сложным моментом является необходимость обеспечить строгую идентичность IQ-каналов преобразования сигналов в достаточно широкой полосе частот и широком диапазоне температур. Так, расхождение параметров амплитуды или фазы всего в 1. 2 градуса сказывается на ухудшении подавления зеркального канала на 20. 30дБ. Благо, за 15 лет развития программного обеспечения SDR-трансиверов научились программно корректировать эти расхождения и в настоящий момент «зеркало давится в 0» автоматически практически во всех SDR программах.
Учитывая стремительное развитие алгоритмов ЦОС и железа микроэлектроники за последнее десятилетие, можно сказать, что первые SDR-трансиверы по новой технологии были тренировкой перед следующим шагом развития. Другими словами, SDR-приёмники и SDR-трансиверы с преобразованием на звуковую ПЧ, как класс, своё время уже отжили и в скором времени займут нишу бюджетного класса аппаратуры. На сегодня они могут с успехом использоваться как макет для изучения и отработки алгоритмов ЦОС студентами или материалом для тех, кто только-только оторвался от классики и устремил свои взгляды в сторону цифровых технологий.
Принцип архитектуры DDC\DUC.
К чему всё написанное выше? Чтобы понять все преимущества современных технологий. Необходимо чётко понимать, какими цифрами мы оперируем, что они значат и относительно чего нужно ориентироваться. Сейчас мы подходим к самому интересному и самому современному.
В этой главе, мы доступным языком, так сказать «на пальцах», расскажем о новом принципе обработки сигналов, без формул и на понятном для обывателя языке.
Архитектура обработки сигнала методом DDC по своей структуре во многом схожа с технологией аппаратной обработки SDR, но имеет принципиальное различие в методе реализации. Главное отличие DDC от SDR в классическом понимании обывателя заключается в следующем:
Дальнейшая, и уже основная работа по демодуляции, очистки сигнала и прорисовке спектра происходит в компьютере. Тот же самый процесс происходит и при формировании сигнала на передачу только в обратном порядке. Из-за несовершенства аппаратной части преобразователей, приходится затрачивать много ресурсов для приведения конечных характеристик трансивера к заданным параметрам. Т.е. при кажущейся простоте реализации метода совсем не всё просто в реализации законченного устройства, готового к использованию.
Никто не мешает нам из общего цифрового потока выделить второй, третий, четвёртый и вообще, сколько необходимо малых потоков и передать их в компьютер, создав тем самым одновременно несколько каналов приёма. Таким методом реализуются два, три или сколько нужно «виртуальных приёмников» во всей полосе оцифровки.
Отдельный разговор касается прорисовки панорамы спектра. Здесь всё определяет математика в чистом виде, но мы опять обойдёмся без формул и раскроем словами суть для лёгкого понимания процесса.
Соответственно, таких блоков может быть сформировано несколько. Вот вам отдельно панорама 40-м диапазона, вот 20-м диапазона, а вот и 15-шка и 10-ка вся как на ладони. О-па! А на 10-ке и 15-шке прохождение сейчас. а мы и не знали. Хорошо, что увидели! Вот так может помогать отображение панорамы состояние радиоэфира одновременно на разных диапазонах в реальном времени.
Это влечёт за собой появление зеркальных каналов приёма относительно половины частоты дескритизации, 1.5 частоты дескритизации и т.д. до тех пор, пока паразитные реактивные элементы входного каскада АЦП не начнут давить входной сигнал или уровень преобразования не упадёт до пренебрежимо малых значений. Эти полосы приёма называются «полосами Найквиста». Каждая нечётная полоса имеет инвертированный спектр, а уровень преобразования падает на несколько дБ. Обычно, максимальная полоса ограниченна 5-ю. 7-ю полосами Найквиста, и составляет 300-500МГц для микросхем, применяемых в DDC-приёмниках.
Т.к. понятие ДД относится ко всему спектру оцифровки, то значительно разгрузить вход АЦП можно, применив диапазонные полосовые фильтры на входе. Они могут дополнительно ослаблять сильные внеполосные сигналы, отстоящие от рабочей полосы достаточно далеко. При этом, правда, теряется возможность обзора всего диапазона оцифровки. Например, в некоторые DDC приёмники ставят отключаемый фильтр на СВ-ДВ диапазон, а в одном из DDC-приёмников компании WiNRADiO и DDC-приёмнике Perseus, есть гибко конфигурируемые узкополосные фильтры. Такие методы предварительной селекции оправданы, в случае, если планируется использовать DDC-приёмник совместно с большими антеннами или в местности со сложной помеховой обстановкой.
Перспективы DDC-технологий
Выше, мы рассмотрели основные принципы обработки сигналов. Описан минимум теории, который позволяет вникнуть в суть процессов; дальше, мы опишем различные функции DDC-трактов, которые уже реализованы как программы, а ведь в недавнем прошлом они звучали как фантастика.
20 лет назад ни о чём подобном мы не могли даже и мечтать, когда панорамная приставка к трансиверу была размером в 2 раза больше самого трансивера и стоила в 5-10 раза дороже. Про сервис с качеством и говорить не приходится.
Третьей функцией, больше применяемой специальными органами, чем радиолюбителями, является возможность записывать весь радиоэфир, или заданные куски радиоэфира, на винчестер компьютера с отсроченной обработкой. Эта функция позволяет быстро проводить статистическую обработку сигналов, вести поиск и наблюдение за целевыми сигналами, а также совершать множество операций, о которых знать обывателю не положено.
Новая парадигма метода настройки
А сейчас, давайте отвлечёмся от железа и рассмотрим одну единственную и основную функцию любого радио. Это настройка приёмника на нужную радиостанцию.
Этот метод настройки накладывает одно принципиальное ограничение на использование радио, который уже «въелся» в мозг поколений. В один момент времени мы можем принимать только одну радиостанцию. Для того, чтобы послушать другую станцию, нам нужно, прежде всего, потерять предыдущую станцию и перенастроиться на новую. А это уже некий процесс, занимающий конечное время и исключающий в принципе комплексное и полное восприятие радиоэфира как источника информации.
Первым шагом, изменившим описанную парадигму, было создание SDR-технологии. Совсем небольшой, но живой кусок спектра появилась возможность не только наблюдать, но и обрабатывать сигналы в комплексе, параллельно. Примеров тому множество, начиная от пары приёмников, модуля комплексного декодирования PSK сигналов в программе Ham Radio Deluxe и заканчивая программой CW Skimmer, которая одновременно декодирует все позывные в телеграфном участке любительского диапазона и складывает их по специальному адресу в интернет, где все могут наблюдать какая станция и где работает. Дальнейшее расширение этих функций уже реализовано в виде гугл-карты, на которой раз в несколько минут отражается активность на всех любительских диапазонах и в любом виде модуляции.
Тоже самое относится и к отображению спектра. На практике, редко когда нужен сразу весь участок 30. 60МГц. Но довольно часто полезно наблюдать за несколькими диапазонами одновременно. Создаём отдельную панораму на 40-ку, отдельную на 20-ку, на остальные диапазоны. размещаем их на отдельном мониторе и вот мы в реальном формате времени наблюдаем за прохождением радиоволн.
Кто, Что, Когда.
Итак, мы разобрали как работает DDC-радио, как к нему пришли и каковы его перспективы. Теперь настало время рассказать о том, кто и с какими проектами проводил в жизнь тему цифрового радио за последние 10 лет.
Первопроходцами на ниве цифрового радио стала известная американская компания Flex-Radio, которая в 2000-2001 годах начала активно осваивать ЦОС в приложении к любительскому радио. Летом 2002 года компания опубликовала свои первые статьи, подробно описывающие теорию работы SDR-технологии, свои идеи и концепцию в известном радиолюбительском журнале QEX. С этого момента технология SDR начала своё шествие по миру, начавшееся с трансивера SDR Flex-1000.
Примерно с 2005 года по всему миру сразу несколько компаний, а так же энтузиасты-одиночки начали производить клоны трансивера SDR Flex-1000 со всякими модификациями и без оных. Самым известным и популярным в России стал клон трансивера от г-на Тарасова, UT2FW. Только благодаря его усилиям для многих Россиян за вменяемые деньги по Российским меркам, стал доступен 3-х платный, во многом улучшенный вариант-клон трансивера SDR Flex-1000, а так же 100 Ваттный полностью законченный вариант трансивера.
В «SDR гонку» включились и наши Российские производители. В городе Таганроге компания Expert Electronics в 2007 году начала выпускать свой вариант SDR-трансивера с именем SunSDR-1. Он является улучшенным клоном трансивера Flex-1000 и принципиально иной схемой управления. Если оригинальный трансивер Flex-1000 имел управление по старинному параллельному интерфейсу LPT, то разработчики SunSDR-1 управление трансивером реализовали через USB-интерфейс и полностью с нуля написали свою программу трансивера.
В 2005 году началась «эра DDC». Компанией RF SPACE был выпущен для радиолюбителей первый DDC приёмник. Называется он SDR-IQ. На борту этот приёмник имеет 14-битный АЦП и процессор от компании Atmel. Возможности приёмника по сегодняшним меркам, конечно, скромные, но возможность работы приёмника по IP-сетям и ориентированность на включение приёмника в тракты ПЧ многих моделей трансиверов сделали этот приёмник довольно популярным на Западе. На базе этого приёмника построены многие любительские интернет-приёмники, логгеры и репортеры.
Затем RF SPACE выпустили ещё несколько моделей приёмников, но по ценам они уже были совсем не гуманными, а потому мало востребованными радиолюбителями.
До недавнего времени компании RF SPACE и Microtelecom были единственными широко известными производители DDC-приёмников с хорошим программным обеспечением и поддержкой IP-сетей. Но, времена меняются.
В конце 2012 года компания Flex-Radio принимает решение полностью прекратить поддержку трансивера SDR Flex-1000 в последующих версиях программы PowerSDR. Из кода программы полностью удаляются все модули, работающие с LPT-портом компьютера и звуковыми картами. Этим решением, одним махом прекращается бесплатное обновление программы для многочисленных «левых» производителей клонов трансивера SDR Flex-1000. Так же прекращена поддержка простых SDR-радиоприёмников. Прошлогодняя версия программы PowerSDR 2.4.4 становится последней, работающей с SDR-приёмниками и трансиверами SDR Flex-1000.
Кроме Flex-Radio одними из самых известных компаний в середине 2000-х стали компании TARP и HPSDR со своими коммерческими продуктами под именами Ozy, Janus, Alex, Atlas и другими. Их комплекты не только SDR, но и DDC-оборудования на базе сборных плат на подобии универсальных компьютерных модулей, если и были чем-то выдающимся по характеристикам, но в нашей стране по причине их дороговизны и функциональной незаконченности популярности не обрели.
Один из талантливых программистов, Фил Ковингтон (Phil Covington) начинает самостоятельный проект, который принёс ему славу в последующие 6-7 лет. Он разрабатывает полностью законченный DDC-радиоприёмник небольшой ценой и очень хорошими характеристиками. Назвал он проект QS1R, а радиоприёмник QuickSilver.
До 2010 года у Фила практически нет серьёзных конкурентов. Благодаря относительно небольшой цене на радиоприёмник и хорошо написанному программному обеспечению о DDC-технологии и всех её возможностях узнало множество обычных радиолюбителей по всему миру. Радиоприёмники QS1R как горячие пирожки разлетаются не только по Штатам, но и в Европу, Азию и Австралию. Фил кушает красную икру с маслом. но не долго.
Дела у Фила идут хорошо, пока его изделия не попали в Украину и Россию. Пара умельцев налаживает производство клонов приёмника в Украине и в России, чем популяризирую радиоприёмник QS1R в нашей стране.
В Санкт-Петербурге один грамотный инженер ставит на поток полностью переделанный проект радиоприёмника под именем MAXUS. Он радикально улучшил шумовые характеристики приёмника, правильно переразведя печатную плату, переписал программу управления так, что появилась возможность к приёмнику подключить конвертер до 800МГц на базе модуля ТВ-тюнера, ввёл в управление приёмником САТ-протокол, которого нахватало многим пользователям, а также, сделал дополнительную плату преселектора с предусилителем.
Товарищ Ковингтон не учёл ошибок компании FlexRadio и выложил исходники программы SDRMAX II со схемами в интернет, на чём погорел.
Вторыми анонсируют новый трансивер HiQSDR команда из германии DB1CC и N2ADR. Изначально проект планируется как одноплатный малосигнальный тракт за скромные деньги.
По чистой случайности (наша поездка была запланирована за полгода), визит совпал с анонсом новой линейки продукции. У нас была уникальная возможность сразу после выставки HAMVENTION 2012, пообщаться с основателем компании Gerald Youngblood, который по совместительству является вдохновителем всех продуктов FlexRadio. Он поведал много интересного об истории компании. Конечно же, мы поинтересовались и новой линейкой.
