Статья 'Обзор приемников WiNRADiO'

Компания WiNRADiO является подразделением группы Radixon Robotron, которая была зарегистрированная в 1991 году с целью коммерциализации результатов многолетних исследований в области радиосвязи.

Подразделение WiNRADiO Communications, полностью посвящено исследованию современных технологий связи, и было создано в 1996 году в результате успеха ассортимента новейших радиоприёмников под маркой «WiNRADiO».
Группа R & D Radixon имеет большой инженерный опыт в проектировании радиочастотных и цифровых изделий, DSP и развитого прикладного программного обеспечения.

Главный офис компании расположен в городе Мельбурне, Австралия. Миссия компании заключается в развитии радиосвязи путем тесной интеграции радиосвязи с современными технологиями вычислений и программирования.

В дополнение к спектру стандартных инновационных продуктов WiNRADiO также производит индивидуальные решения для специализированного надзора, промышленности и мониторинга. Компания по размеру достаточно большая, чтобы иметь необходимое ноу-хау, но так же достаточно мала, чтобы быть гибкой и заботиться о клиентах.
WiNRADiO Research Labs (на фото) находится в современном здании в Оклей, около 30 минутах езды от Мельбурна и её деятельность посвящена инновациям и новейшим решениям в области связи. Производство компании осуществляется на современном заводском оборудовании завода в местечке Брисайд, в промышленном районе Мельбурна.

К концу 90-х годов ХХ века на страницах известного журнала «Радио» стали появляться статьи о совершенно новом приёмнике для того времени – «Компьютерный радиоприёмник WiNRADiO». На тот момент это стало большой новостью, чем то из ряда вон выходящим, т.к. до того времени приёмник считался чем то отдельным, а компьютер – вообще относящийся к радио весьма приблизительно. Ситуация усугублялась тем что приёмники были не просто бытового назначения – а базировался как высокоскоростной сканирующие приёмники очень широкой полосою, вплоть до 2 ГГц. Одним из самых больших новшеств, стало применение оцифровки и обработки сигнала на низкой промежуточной частоте. Это только через несколько лет гиганты трансиверостроения начали внедрять технологию IF DSP (оцифровка и демодуляция на низкой ПЧ) в свои конструкции топ-класса. Постепенно со временем технологии развивались и наконец, пришла эра DDC – приёмников. Это когда сигнал оцифровывается сразу с антенны и передаётся в компьютер для последующей обработки. Аббревиатура DDC расшифровывается как Digital Down Conversion – т.е. цифровое преобразование вниз по частоте. Более подробно о эволюции технологий в приёмниках можно почитать в русской инструкции на приёмник DDC от компании WiNRADiO.

Фирма WiNRADiO стала в числе лидеров, выпускающих DDC-приёмники. Она выпустила первой широкополосные компьютерные приёмники, и первой качественные DDC приёмники. До WiNRADiO были попытки выпуска «урезанных», а значит где то «ущербных», с не очень хорошими характеристиками приёмников с прямой оцифровкой сигнала. Продукты компании WiNRADiO широко пользуются популярностью у промышленных, специальных и военных служб в качестве безальтернативных качественных широкополосных приёмных средств, для мониторинга и контроля радиочастотного спектром.

Одной из главных особенностей программного обеспечения приёмников от компании WiNRADiO – это способность не только быстрого сканирования диапазона, но так же возможность записывать на жесткий диск компьютера целые участки радиоэфира и его последующий анализ и обработка. Развитое программное обеспечение позволяет не только в пост-процессе анализировать и обрабатывать принятые сигналы, но и в реальном времени производить нужную цифровую обработку сигналов, а так же производить визуализацию сигналов в нужном виде. С приходом технологии DDC-приёма, Возможности приёма расширились неимоверно. Самым главным и интересным событием с приходом эры DDC – стала возможность видеть весь принимаемый спектр целиком, а также возможность записи целого куска радио эфира полосою до 2 МГц. Для примера, ниже приводится скриншот программного приёмника WiNRADiO G-31DDC

Для увеличения нажмите на рисунок.

На скриншоте показана программа WiNRADiO с максимально доступными для просмотра спектрами. Нижнее основное поле – полосою 50МГц, левое верхнее поле – максимальная полоса 2МГц, которую уже можно писать на диск, и правое верхнее поле – где отображается самый маленький масштаб принимаемого спектра или спектр демодулированного сигнала.

В данном обзоре рассмотри подробно два аппарата от компании WiNRADiO. DDC приёмник WR-G31DDC и WR-305e. Будет рассмотрено их внутреннее наполнение и проведён технический анализ применяемой элементной базы. Схемотехника приёмников с первого дня выпуска остаётся сильно засекреченной, потому придётся рассматривать блоки приблизительно и опираться на собственный опыт. Первое, что бросилось в глаза при открытии аппаратов – это то, что собраны они на одном «шасси». Это значит, что каждое поколение приёмников собирается на одной универсальной плате, а количество элементов на плате варьируется от сложности и соответственно стоимости приёмника.

WiNRADiO WR-G31DDC "EXCALIBUR"

Основные технические характеристики приёмника:

• Диапазон частот: 9 кГц - 49,995 МГц
• Тип приемника: DDC-приемник с прямой оцифровкой в/ч сигнала
• Минимальный шаг перестройки: 1 Гц
• Виды демодуляции: AM, AMS, LSB, USB, CW, FMN, FSK, DRM (опция)
• Подавление зеркального канала:90 дБ
• Интермодуляция 3-го порядка: +31 дБм
• Аттенюатор: 0 - 21 дБ, с шагом 3 дБ
• Динамический диапазон по SFDR: 107 дБ
• Коэффициент шума: 14 дБ
• Минимальный уровень детектируемого сигнала (MDS): -130 дБм (на 10 МГц)
• Полоса пропускания: 10 Гц - 2 МГц
• Аналого-цифровой преобразователь: 16 бит, 100 MSPS
• Спектроанализаторы:

Входной спектр/водопад, шириной 30 или 50 МГц, с разрешением 1,5 кГц

Спектр после цифрового понижающего конвертера, макс. ширина 2 МГц, разрешение 1 Гц

Канальный спектр макс. ширина 62,5 кГц, разрешение 1 Гц

Спектр демодулированного аудиосигнала, ширина 16 кГц, разрешение 1 Гц

• Чувствительность:

АМ -98 дБм (2.8 мкВ) @ 10 дБ S+N/N (30% модуляция)

SSB -116 дБм (0.35 мкВ) @ 10 дБ S+N/N

CW -123 дБм (0.16 мкВ) @ 10 дБ S+N/N

FM-106 дБм (1.1 мкВ) @ 12 дБ SINAD, девиация 3 кГц

• Фильтр MW: Частота среза 1,8 МГц (по уровню -3 дБ, ослабление в полосе -60дБ )
• Антенный вход: 50 ом (разъем SMA)
• Выход: 24-бит цифровой сигнал I&Q через USB-интерфейс
• Интерфейс: USB 2.0
• Напряжение питания: 12 В пост.тока (500 мА)

Как принято у самых крупных брендовых компаний компьютерных комплектующих коробка на оборудование превышает размер самого изделия раз в 5 или 10. Но радует то что всё очень хорошо упаковано внутри самой коробки. Блок питания и все провода аккуратно сложены по своим кулёчками отсекам. В комплекте идёт сам приёмник. Трансформаторный блок питания со шнуром 220В. Заметьте, не импульсный и не миниатюрный, а полноценный стабилизированный блок питания с настоящим трансформатором судя по габаритным размерам блока питания рассчитанный на хороший потребляемый ток. Провод USB для подключения к компьютеру, переходник SMA-BNC и маленькая антенна.

Корпус приёмника выполнен из дюралевых пластин и для большей жесткости и защиты помещён в фирменный пластиковый корпус. Такой корпус был задуман изначально на всём оборудовании компании WiNRADiO. Да же PCI-платы приёмников выполнены в подобном стиле. Главным отличием конструктива приёмника является метод подключения приёмника к компьютеру. Тут инженера WiNRADiO решили пойти на хитрость или специально так задумали применять не стандартный шнур USB A -> USB B, а свой шнур с оригинальным разъёмом на защёлках.

Точно такая же комплектация и конструкция корпуса выполнены у приёмника WR-G305e.

Что бы открыть корпус – пришлось изрядно потрудиться. Конструкция так хитро задумана, что для открытия без последствий нужно хорошо поломать голову и использовать несколько приспособлений. Весь пластиковый корпус состоит из защёлок, и что бы их все аккуратно открыть – нужно быть предельно осторожным и использовать приспособления для поддержки уже открытых защёлк. Корпус приёмника выполнен из нескольких однотипных дюралевых перегородок, которые крепятся методом «сустава». Дополнительную жесткость им предаёт крепление крышек и пластиковый корпус. Таким образом получился очень дешёвый корпус с хорошими параметрами жесткости и прочности при низкой стоимости изготовления и плюс к тому же хорошо пылезащищён. Таким методом можно набрать корпус разных размеров, при этом сегментировать внутренние отсеки как это сделано в приёмнике WR-305e.

Первое что мы видим – правильное расположение и разводка элементов на плате. Каждый функциональный узел приёмника имеет полностью законченную конструкцию и помещён в свой жестяной экран – необходимое и безусловное требование к производству высококачественных радиоприёмных устройств. Этим достигнута высокая помехозащищённость от собственных помех по цифровым линиям и линиям питания.

Другая сторона приёмника в модификации G-31DDC несколько бедна на количество деталей. Если хорошо присмотреться, то можно понять, что это шасси для продвинутой версии DDC -приёмника Excalibur Pro, на котором располагается аттенюатор, предварительный усилитель, высокостабильный генератор и фильтры.

В бюджетной версии приёмника мы можем видеть только 3х уровневый аттенюатор, ФВЧ на средневолновый диапазон и предварительный усилитель. Для избавления от возможных помех со стороны мощных вещательных радиостанций средневолнового и УКВ диапазонов по входу стоит отключаемый ФВЧ с полосою 1.6МГц и неотключаемый ФНЧ с полосою 50МГц.

Так выглядит структурная схема приёмника и расположение фильтров.

Переключается эти элементы миниатюрными, высококачественными ВЧ-реле фирмы OMRON, которые имеют нормированные параметры в широкой полосе частот.

В продвинутой версии приёмника Excalibur Pro всё не запаяное место заполнено своими деталями, которые заметно улучшают все параметры приёмника, увеличивают селективность, избавляют от помех и тем самым улучшают его технические и эксплуатационные характеристики. Во остальной плате, версия Pro точно такая же.

Снимем с платы и экраны и посмотрим чем богато это радио и что делает его таким большим эксклюзивом среди подобных…

Опять же бросается в глаза применение при производстве приёмника новейших технологий. Кроме грамотной разводки и расстановки элементов по функциональному признаку сразу видно применении BGA технологии пайки элементов. Такое может в промышленных масштабах паять только автомат. Так же применены 2 платы, разделённые по функциональному признаку, а не одна. Плата фильтрации и предварительной селекции выполнена на многослойной плате с применением слоя «общая земля» и прикрепляется винтами к плате цифровой обработки, которая так же имеет хорошую «радиоизоляцию» по земляной шине.

Рассмотрим функциональные узлы приёмника более подробно.

В отдельный экранированный узел выведены стабилизаторы питания всего приёмника. Особенность работы микросхем АЦП и цифровой обработки требует применения 3х различный напряжения, которые кроме стабильного уровня, должны быть ещё и сверхмалошумящими. Т.е. для обеспечения высоких параметров приёмника в целом необходимо было задать очень жесткие параметры по подводящему питанию. К сожалению кроме того что применены полупроводниковые элементы с номером С59739 болшего найти не удалось. Можно предположить два варианта построения этого блока – применение импульсных высокоэффективных стабилизаторов, либо применение обычных параметрических стабилизаторов. И первые и вторые, при грамотном подходе к конструированию способны выдать очень чистое и стабильное питание.

Самый дорогой и ответственный узел приёмника – микросхема АЦП. От неё завися все основные параметры приёмного тракта: чувствительность и динамика. Его можно назвать сердцем приёмника.
Инженеры компания WiNRADiO решила пойти на компромис между ценою и качеством и выбрали себе в конструктив АЦП микросхему фирмы Linear Technology LTC2217. Более подробно с ней можно ознакомиться в даташите, тут.

Ну, а коротко если, то вот параметры LTC2217:

• Частота дискретизации: 105 МГц /80 МГц /65 МГц
• 80.4dB SNR до 70 МГц входной частоты
• 92dB SFDR до 70 МГц входной частоты
• Малое потребление: 1190 мВт /970 мВт /700 мВт
• 85 fs RMS джиттер
• диапазон входных напряжений 2.75 Vпитания
• Опцилональный встроенный помехоподавитель
• Опциональный рандомизатор данных
• LVDS или CMOS выходы
• 400 МГц полоса пропускания на полной мощности S/H
• Монопольный источник питания 3.3 В
• Диапазон CMOS: от 0.5 В до 3.6 В
• Режим отключения
• Стабилизатор тактовой частоты
• Корпус 64-pin, 9mm x 9mm QFN

Микросхема Linear Technology LTC2217 представляет собою малошумящий, высокопроизводительный 16-ти битный, 105 МГц аналогово-цифровой преобразователь (АЦП) с отношением сигнал/шум (SNR) - 81.2 dBFS и безошибочным динамическим диапазоном (SFDR) 100dBc. Сверхмалый джиттер помогает сохранять высокое отношение сигнал-шум на высоких частотах, 80.4 dBFS на 70 МГц, в дополнение высоко линейная цепь выборки и хранения позволяет достигать малого искажения 92dBFS при 70 МГц. Монопольный источник питания с напряжением 3.3 В требует меньшей обвязки чем у альтернативных АЦП требующих двух источников. При частота дискретизации 105 МГц LTC2217 обеспечивает лучший в классе SNR и SFDR при потреблении мощности 1190 мВт, что в два раза меньше чем у конкурентных решений.

LTC2217 может быть соединен с широким спектром цифровых систем через LVDS, низковольтный LVDS, обычный CMOS и демультиплексированный CMOS шинами. В дополнение, наличие интегрированного рандомизатора цифровых выходов значительно уменьшает эффект обратной наводки от цифровых каналов на аналоговые. Дополнительный источник питания выхода позволяет достигать перепада выходного напряжения на CMOS выходах менее чем 0.5 В что дополнительно уменьшает шумы. LTC2217 так же имеет встроенную цепь подавления помех для улучшения SFDR для малых сигналов. Оба решения используются только в АЦП Linear Technology, что позволяет использовать LTC2217 в высоко чувствительных приемниках.

Если АЦП – это сердце приёмника, то вторая микросхема – ПЛИС – это явно мозги приёмника. Применена микросхема фирмы Altera Cyclon III. Цифровой поток со скоростью 105МГц*16бит=6,5626 Гбит/с передаётся в микросхему ПЛИС, где происходит выборка спектра необходимой полосою, понижение скорости – т.н. DDC преобразование вниз и передача этого потока в компьютер по шине USB. В качестве USB порта используется микросхема быстродействующего периферийного контроллера CY7C68013. Рядом видим микросхему маленького тактового генератора частотою 100МГц.

О программных возможностях приёмника хорошо описано в русском описании на приёмник.

WiNRADiO WR-305e

Это приёмник другого уровня, класса, и назначения. Это классический супергетеродинный приёмник с двойным преобразованием частоты и оцифровкой сигнала на низкой ПЧ. Его особенность – это очень быстрая перестройка частоты гетеродина. Соответственно его предназначение - это сканирование нескольких диапазонов в широкой полосе частот.

Основные технические характеристики приёмника:

• Полоса частот: 9 kHz - 1800 MHz
• Шаг настройки: 1 Гц – 100МГц
• Виды модуляции: AM, AMN, AMS, LSB, USB, CW, FMN
• Ослабление паразитных каналов приёма: 60 дБ
• IP3: 0 дБм
• MDS: -135 дБм
• SFDR: 90 дБ
• Скорость сканирования: 60 каналов/сек
• Промежуточная частота: 1я ПЧ: 109.65 МГц, 2я ПЧ: 12 кГц
• Руфинг-фильтр: 2 x 4-элементных фильтра полосою 20 кГц
• Стабильность частоты: 10 ppm (от 0 до 60° C)
• Антенный вход: SMA-разъём 50 Ом
• Выход демодуляции: Выход 2ой ПЧ 12кГц
• Интерфейс связи: USB (совместимый со стандартом 1.0 или 2.0)

По способу изготовления корпус этого приёмника точно такой, как и корпус приёмника G31DDC. Такая же «суставная» конструкция с дополнительными перегородками по отсекам. Все соединения между отсеками выполнены коаксиальным серебряным кабелем. В каждом отсеке располагается свой функционально – законченный блок. Такая конструкция очень удобна в ремонте и оперативной модификации аппаратуры.

В этом приёмнике так же видна хорошая проработка печатного монтажа и универсальность «шасси». На одной большой плате располагаются все элементы управления и взаимодействия с внешним миром. Это USB-порт, разъём питания и внутренние интерфейсные шины.

Сердцем приёмника является микроконтроллер фирмы Microchip – PIC16F877A – микроконтроллер достаточно старинный, но за то имеющий очень хорошие вычислительные ресурсы и достаточно дешев. Изначально приёмник базируется как USB – управляемый. Но вот мы видим рядом с разъёмом микросхему MAX242 – это RS-232 интерфейс управления приёмником. Соответственно есть и выход ПЧ – 12кГц. Основной способ управления режимами приёмника является всё же управление по USB-интерфейсу. По нему же идёт и оцифрованный сигнал ПЧ – 12кГц. USB-интерфейс реализован на микросхеме TUSB 3200. Это универсальный контроллер периферийных устройств, т.н. стрим-контроллер. На нём кроме шин управления реализован универсальный аудио-кодек АС'97. Даташит на эту микросхему, тут.

Соответственно где то рядом должен быть и АЦП для этого кодека. АЦп выполнен на микросхеме от Analog Device AD73311. Даташит смотрим тут: Это дешовый 16-битный АЦП предназначенный для НЧ устройств и параллельным интерфейсом, имеющим при этом совсем не плохие параметры. Если предположить, что АРУ в приёмнике формируется по ВЧ, то применение дешового АЦП в таком конструктиве вполне оправдано.

Все остальные ВЧ каскады приёмника выполнены на другой стороне корпуса приёмника и разделены по функциональному признаку. Каждый из каскадов имеет полностью законченную конструкцию и помещён в свой отсек. Этим достигается очень хорошая помехозащищённость и стабильность работы всех каскадов. Их влияние друг на друга минимально. Это особенно важно, когда достаточно широкополосное устройство выполнено в очень маленьком корпусе.

На антенном входе приёмника мы видим достаточно плотный СВЧ монтаж. Тут присутствуют несколько ключей фирмы Hittite, которые применяют в основном для СВЧ устройств. Тут на них выполнены несколько коммутаторов входных фильтров. Ниже представлены найденные в интернете даташиты на эти ключи. Оконечный ключ представляет собою универсальный смеситель. Ссылка-1, Ссылка-2

Синтезатор частоты выполнен на 2х микросхемах TSA5059, AD9835 и представляет собою 2х петлевую схему ФАПЧ. Первая микросхема – это малошумящий синтезатор частоты на основе ФАПЧ, который способен работать вплоть до 2.7ГГц. Эта микросхема обеспечивает перестройку гетеродина с большими шагами – порядка 0,1-1МГц во всей полосе частот. Внутри большого «окна» микросхема AD9835 обеспечивает малую сетку частот с шагом 1Гц и имеет очень высокую стабильность частоты и низкий уровень шума. Это DDS синтезатор в котором синусоида строиться математическим методом. Эта технология построения синтезаторов на сегодняшний день считается устаревшей, но для перекрытия очень широких частот распространённой и дешовой альтернативы ей пока что нету.

Блок промежуточной частоты содержит в себе несколько фильтров и усилители на 2-х затворных полевых транзисторах BF998. Конструкция так же выполнена с учётом требований СВЧ-монтажа и помещена в отдельный отсек.

Блок ПЧ заканчивается предварительным усилителем на монолитной микросхеме ERA-5+, несколькими ключами фирмы Hittite и парой операционных усилителей с маркой 1508/1509. Дальше сигнал идёт на вход АЦП, расположенный на плате общего управления. Вероятнее всего тут применено некое подобие SDR технологии, где оцифровываются 2 канала сдвинутые на 90 град. Таким образом, очень легко программным методом реализовать демодуляцию абсолютно любых сигналов. Если это не SDR, то просо 12кГц сигнал уже программно так же обрабатывается, но с помощью уже других алгоритмов.

Пустой сегмент в корпусе приёмника предназначен для установки опционального модуля приёма широкополосного ФМ – сигнала (данная опция устанавливается исключительно на заводе производителя. Код для заказа Wide-FM опции: WR-G305i/WFM (PCI версия) или WR-G305e/WFM (USB версия).

Программа на приёмник WG-G305e выполнена в несколько староватом стиле, но это объясняется тем, что оболочка программы приёмника сильно не обновлялась с момента его выпуска, т.к. в принципе полностью удовлетворяет всем принципам эргономики управления параметрами приёмника. С развитием и изменением принципов построения приёмного тракта, так же поменялись и принципы отображения. Это можно наблюдать в программной оболочке приёмника G31DDC.

Из рассмотренного анализа можно понять, что приёмник G31DDC может быть использован для высококачественного мониторинга радиодиапазона. Технология DDC даёт потрясающие возможности в плане визуального наблюдения за эфирной обстановкой, а так же записи и пост обработки широких полос частот. При этом, DDC приёмник избавлен от множества пораженных частот в следствии отсутствия гетеродинов и фильтров. Для широкополосного приёма на УКВ, ДЦВ и СВЧ диапазонах в бюджетном сегменте на сегодня базируется приёмник WR-G305e/305i. Отличаются они внешним расположением или внутренней установкой в компьютер. Эти приёмники могут с быстрым шагом мониторить широкие полосы частот и вести запись на запрограммированных частотах.

Единственное на сегодня ограничение DDC приёмников – полоса обзора 50МГц на линейке приёмнике приёмников G31/G33 уже преодолено в более дорогой модели WiNRADiO WR-G39DDCe "EXCELSIOR".

radioexpert.ru,

Статьи по теме:

radioexpert.ru,в гостях у FlexRadio Systems

Интервью с основателем FlexRadio Systems

Как в кино