Статья 'Технология SDR в общих чертах'

Введение

Развитие технологий происходит всё время, и с каждым годом компьютер всё больше и больше входит в наш обиход. Применение компьютера в радиолюбительской практике на протяжении последних 15 лет ограничивалось ведением аппаратного журнала, управлением трансивера по RIG-интерфейсу да обработкой сигнала в цифровых видах связи. Со стремительным увеличением вычислительных мощностей и миниатюризацией интегральных схем, стало возможно встраивать микрокомпьютеры, в классические трансивера.  Сначала  обрабатывали детектированный НЧ сигнал, потом стали оцифровывать сигнал  уже на низкой ПЧ – 12..48кГц, и уже программно кодировать \ декодировать любые виды модуляции. На этом до недавнего времени и остановилось развитие всех трансиверов. Где то начало 2000-х годов. За последние 10 лет основные киты трансиверостроения, дальше этой планки не прыгнули. Осталась всё  та же технология основной фильтрации и обработки сигнала на промежуточной частоте. Весь упор делается на расширении сервиса управления и отображения. Красивые цветные экраны и множество кнопочек, заменяющие ручки, современная элементная база… Вроде бы всё это круто! Но принципы обработки сигнала остались всё те же, что и 80 лет назад, когда появилась сама идея принципа обработки сигнала на промежуточной частоте. Остались всё те же проблемы с побочными каналами приёма, нелинейность множества каскадов обработки сигнала, проблемы качественной фильтрации и задачи правильного баланса усиления по каскадам и связанными с этим шумами. На протяжении десятилетий разные фирмы стараются решить эти задачи теми или иными способами наращивая сложность и стоимость этой чудо-коробочки, что стоит у каждого радиолюбителя на столе.

Новое веяние

И вот, в где то в 2004…2006 году, на рынке появилась фирма Flex-radio, которая подошла к вопросу конструирования с новой… хотя, с какой новой? Со старой, давно забытой стороны. Flex-ы применили принцип прямого преобразования сигналов. В этом принципе, спектр сигнал с радио частоты переносится сразу в низкочастотную область спектра и тут же обрабатывается. В нашей стране, этот принцип в начале 80-х годов применил и начал широкопопуляризировать ВладимирТимофеевич Поляков,RA3AAE. С его простых схем, многие юные начинающие радиолюбители начинали свой путь в радио, в том числе и Я. Но тогда этот принцип не получил широкого распространения. Связано это было с тем, что требовалось мотать множество катушек и точно настраивать каскады фильтрации, что бы получить высокие характеристики трансивера. Было много и других технологически сложных моментов.
С широким распространением компьютера, стало возможным оцифровать нужную полосу спектра и уже в программе фильтровать и обрабатывать сигналы, что избавило от необходимости мотать множество катушек. Основной особенностью  принципа прямого преобразования, является наличие 2-х каналов обработки сигнала, сдвинутых друг относительно друга на 90 градусов. Т.н. метод квадратурной обработки сигналов. Получается, технология прямого преобразования подразумевает 2 приёмника прямого преобразования в одном корпусе – они и составляют основу всего метода. Flex Radio же, пошел дальше. В одной программе они реализовали не только обработку сигналов, но и управление трансивером. Технологически, это позволило избавиться от множества каскадов классического трансивера, и свести к минимуму количество узлов обработки сигнала. В железе остались всего несколько узлов. Синтезатор частоты, управляемый от компьютера, смеситель приёма и передачи, малошумящий широкополосный УНЧ, узлы коммутации приёма\передачи и ещё усилитель передатчика. Так появился на свет первый трансивер FlexSDR-1000.
SDR (SoftwareDefineRadio) – программно определяемое радио, буквально. Всё хорошо! Непревзойденно качественный звук, высокие динамические характеристики трансивера далеко отбросили назад классику.Но были и трудности. Те, кто начинал освоение технологии SDR 5-7 лет назад, помнят, сколько стоило сил подобрать нужную звуковую карту для компьютера, настроить программное обеспечение. Звуковая карта Delta-44 стала легендой!
И сегодня, если раньше в качестве оцифровки сигнала мы были ограничены качеством звуковой карты, то теперь этой проблемы не существует. За последние 5 лет произошел очередной прорыв в области миниатюризации и интеграции микросхем, стало возможным вынести весь низкочастотный тракт обратно в корпус трансивера. Фирма Flex radio, применила самые передовые и лучшие микросхемы АЦП. Встроив их в трансивер, Flex-ы избавили нас от необходимости искать «правильную» звуковую карту и освободили стол от множества проводов. Теперь стало возможным управлять трансивером по одному FireWare - кабелю. Так появились на рынке флагманский трансивер Flex SDR-5000 и его младший аналог – Flex SDR-3000. Выбор в качестве управляющего, столь экзотического интерфейса - IEEE-1394a (FireWare),был вызван необходимостью пропустить по одному шнуру максимально широкий цифровой поток, который позволяет обработать применяемые АЦП и ЦАП. Flex SDR-5000 и Flex SDR-3000 на сегодня являются передовыми трансиверами по качеству обработки сигнала, оцифровываемой полосе сигнала и имеют максимально возможные динамические характеристики. Один недостаток у них – трансиверы получились дюже дорогие. Тогда фирма Flex-radio решила выпустить бюджетный вариант трансивера Flex-1500. Он появился совсем недавно – в 2010 году. Его параметры немного поскромнее, чем старшие аналоги. Но скромность касается только ширины полосы обработки сигнала и применяемым интерфейсом. Теперь это USB 2.0! Ну и мощность трансивера сделали поменьше. Получился очень удобный QRP-аппарат. С моей точки зрения – самый оптимальный!

Понимаем… сравниваем.

Рассматривая характеристики классических настольных аппаратов, обычно уделяют внимание следующим характеристикам: динамика – способность принимать сигнал на данной частоте, когда рядом в стороне на другой частоте включается другая мощная станция; избирательность по соседнему каналу – параметр характеризующий, способность приёмника выделить нужный сигнал на данной частоте в заданной полосе; чувствительность – способность принимать слабые сигнал. Это основные характеристики которые могут интересовать среднестатистического радиолюбителя. Обычные люди мало знакомы с кучей определений и величиной циферок – это уже удел профессионалов, потому все остальные характеристики я опущу, а обсуждаемые постараюсь описать в понятной форме.

Сидит, скажем,  радиолюбитель Вася…. Нет, не Вася, пускай это будет Петя. Сидит, скажем, радиолюбитель Петя вечером  после работы дома и общается на 80-ке с Васей. Обсуждают они конструкцию новой антенны «Базука» или «мурыжат» какой-нибудь несчастный диполь или треугольник. (Ну много есть начинающих в эфире …) И тут включается где-нибудь рядышком по частоте Витя, сосед Пети. Он включился, допустим, в стороне на килогерц так  50. У Пети хороший новый трансивер, и нет еще усилителя. Но вот беда – Петя живёт в соседнем доме от Виктора. У Пети недорогой, бюджетный трансивер с достаточно скромными параметрами. И вот, в моменты, когда Витя будет давать общий вызов, Петя будет переставать принимать Васю. Почертыхавшись минут пять-десять, Петя вынужден попрощаться с Васей, выключит трансивер и пойдет пить чай или общаться с женою о ценах на картошку, в мыслях проклиная Витю, свой трансивер и еще кого-нибудь за компанию.

Достаточно известная история, правда? Так вот, параметр, который показывает, насколько у Пети притухнет стрелка, когда включится Виктор – и есть динамический диапазон приёмника. Этот параметр зависит в комплексе от того, как спроектирован трансивер, какие у него узлы по качеству и как они сбалансированы по характеристикам.
Если сравнивать цифры – то для обывателя, наверное, ближе будет сказать так. Вот когда Витя включается на один трансивер – то Петя не чувствует его присутствия на диапазоне. А как только Витя включит свой Аком-1000 – то Пете можно снова идти пить чай. Это значит трансивер у Пети хороший. И да же если бы у Виктора стоял не Аком, а какой-нибудь самодельный усилитель, типа на 4х ГУ-50 или на паре ГУ-29, и Петя продолжал бы слышать Васю и пускай с несколько притухшим уровнем, то можно сказать, что у Пети трансивер очень хорош по динамике!

Рассматривая трансивер Flex SDR по параметру динамика, могу сказать, что я уверенно принимаю всех корреспондентов при том, что вокруг меня в радиусе 1 км проживает около 8 активных радиолюбителей с мощностями от 100 до 500Вт, и находиться около 3-х баз такси на 27МГц, с такими же мощностями. Это соответствует динамике цифрой примерно 90дБ. Для сравнения, имея такой известный трансивер как Kenwood TS-870s, я все же пары людей имел дискомфорт, когда они включались с усилителями. На Flex SDR, я вижу их включения на экране, но это никак не мешает мне слышать своего корреспондента. 
Если рассматривать схемотехнику, то в СДР динамика зависит, прежде всего, от аналого-цифрового преобразователя. Общая динамика аппарата, легко высчитывается из разрядности АЦП. Для 16-битной АЦП – это 96 дБ. Реально около 90 дБ. Для 24-битного АЦП – 144 дБ, реально – 130-136 дБ. От смесителя СДР – эта цифра практически не зависит, т.к. он выполнен на практически «идеальных» аналоговых пере множителях, выполненном на основе цифровой микросхемы. Динамика «цифрового» смесителя, переваливает за цифру 150 дБ и прежде чем смеситель выйдет из линейного режима – перегрузятся все другие каскады.

Избирательность – так же один из важных параметров, который мы воспринимаем непосредственно своими ушами.
Допустим Петя всё же разжился хорошим  трансивером среднего класса, Виктор больше его не донимает, да и Аком свой он продал почему то. Теперь Петя может спокойно по вечерам тарахтеть с Васей об антенне «Базука», всячески расхваливая её, и хвастаясь как его трансивер волшебным образом, стал меньше шуметь и теперь Петя может принимать горячо любимых «нулевиков», правда они его до сих пор  не могут услышать. И всё же временами Пети приходится понервничать, т.к. Константин, живущий в соседнем районе, временами пристраивается всего в паре килогерц и начинает «цикулять» дальних.  Нет отстроиться подальше и «алёкать», да ведь не прогонишь этого… Приходится Пете на трансивере вертеть ручки DSP фильтров, изощряться всячески, да бы этот любитель DX-ов не мешал вести беседы с Васей на около-научные темы и в итоге – покидать тепло-насиженную частоту.

В трансивере с классической схемотехникой супергетеродинного типа, избирательность определяется качеством Фильтра Основной Селекции (ФОС). И даже в самом современном, полу цифровом трансивере типа ICOM серии Pro, 7хххили Yaesu FT-ХХХХ не поможет никакая цифровая обработка сигнала, если мощная помеха пролезет в полосу ФОС. Зачастую это одна из самых дорогих опций для трансивера. И для того что бы трансивер на столе начал достойно звучать – нужно прилично разориться на несколько качественных фильтров. В СДР-трансивере Flex-1500 и старших моделях SDR-3000 и SDR-5000 все эти недостатки отсутствуют изначально! Программно можно настроить фильтр ЛЮБОЙ полосы! Можно настроить не только  полосу, но и характеристики скатов фильтра. И даже такие можно сконфигурировать фильтры, – которые в железе реализовать в принципе нельзя. Т.е. как таковое понятие ФОС в СДР уже теряется. В СДР фильтруется сигнал сразу, практически из эфира и с очень высокими характеристиками. Всё это позволяет очень эффективно отстраиваться от мешающих соседей, т.н. «свистулек» - тональных помех. Применяя современные сложнейшие математические алгоритмы DSP, стало возможно очищать от шума исходные принимаемые  сигналы. И если вдруг кто то пристроиться буквально в 2х килогерцах рядом и начнет разговор, то он уже не будет так мешать как раньше. В старом трансивере единственным выходом из такой ситуации было отстроиться в сторону или качнуть свой сигнал до такой степени, что бы выгнать всех в полосе 5-7кГц по сторонам. В СДР-трансивере теперь можно просто подвинуть скат фильтра на 500-700Гц и надоедливого соседа больше не слышно. Мы его видим на экране, но нам он уже не мешает общаться.

Чувствительность – способность приемника различать самые слабые сигналы принимаемые антенной. Этот параметр определяется собственными шумами приёмника. В классическом трансивере, это опять же комплексная характеристика, зависящая от правильности проектирования. Кроме того, на чувствительность завязана, получается, еще и динамика и избирательность.

Наконец Петя разжился вертикальной антенной GAP-titan и теперь связи с «нулевыми районами» у него выходят чуть ли не каждый день. Мало того, Петруха теперь может докричаться не только до «нулевиков», но и до самих Штатов. Европу он более-менее обрабатывает понемногу. Они тут относительно рядом все. Всего то каких-нибудь 2000-4000 км. Да и валят с такой силой сигналов, что и коллегу с ближнего региона запросто перебивают. Но вот незадача теперь, по вечерам трепаться с Васей стало не интересно. Более стали захватывать душу  вечерние, ночные и утренние прохождения. Петя сидит в эфире каждый вечер и ночь, пытаясь выловить острова тихого океана, Австралию… Однажды на уровне шумов Петя услышал острова Полинезии, а однажды едва различимые сигналы с тихого океана. Эххх… думал Петя, жить бы где-нибудь в деревне… Чувствительности трансивера хватает услышать всех, но вот помехи. Чтобы их так! Или антенну направленную поставить на крышу. Тогда любой бы DXбыл в кармане.

В супергетеродинном трансивере чувствительность определяется сбалансированным усилением по всем трактам, начиная от антенного входа и заканчивая УНЧ. В СДР-приёмнике такого  жесткого подхода к балансу усиления нет. Смеситель, благодаря тому, что используется двойная балансная схема, вносит минимум потерь. Так же благодаря тому, что в качестве элементов смесителя используются аналоговые высокоскоростные ключи – такой смеситель практически не шумит. Всё усиление происходит на низкой частоте и обеспечивается новейшими  специализированными сверх малошумящими широкополосными микросхемами.  Для того что бы сохранить высоким параметр динамики АЦП, усиление МШУ УНЧ выбрано минимальным и фактически оно компенсирует потери в смесителе и входных цепях. После АЦП цифровой поток отправляется в программу, где и осуществляется основное усиление и обработка сигнала уже программным методом.

На ВЧ-диапазонах начиная от 10МГц и выше, есть смысл реализовать дополнительное усиление, т.е. обеспечить повышенную чувствительность. Благодаря относительно малому уровню атмосферных помех, меньшей плотности сигналов и меньшему их уровню  на частотах выше 10МГц можно увеличивать чувствительность трансивера предусилителями не боясь перегрузить каскады усиления и ФОС. В известных трансиверах ICOM, 756 серии Pro Х, предварительных усилителей ставят даже по 2 штуки. В трансиверах Flex SDR, стоит один высоко динамичный предварительный усилитель с нормированным усилением 20дБ. Дополнительное усиление осуществляется регулировкой МШУ по НЧ. Даже без предусилителя чувствительность трансиверов Flex SDR, составляет -116дБм – это соответствует  0.35мкВ. С включенным предусилителем в среднем положении чувствительность улучшается до значения -127дБм или 0.099мкВ, с максимальным усилением чувствительность составляет уже -139дБм или 0.025мкВ и ограничена уже шумами самого предусилителя. Если сравнивать по чувствительности классический трансивер с SDR трансивером, то тут SDR выигрывает сразу не только по чувствительности, но и по такому параметру как «ШУМНОСТЬ». Этот параметр совсем не очевиден на первый взгляд и не фигурирует ни в одном рейтинге. Но, зачастую он является самым главным из субъективных оценок качества работы трансивера. В случае если человек достаточно долгое время проводит в эфире, да ещё и в наушниках – то фактор шумности становится просто одним из главных. Это разница проявляется, когда снимаешь наушники и голова «гудит» от шума или снимаешь наушники «полностью отдохнувшим от мирских забот». Согласитесь – цель нашего хобби – это отвлечься от мира и отдохнуть душою! В параметре «шумность» SDR-трансивер оставил далеко позади классику, включая навороченные ICOM IC-7x00 и Yaesu FT-X000. Как пример, сейчас, когда я пишу эту статью, у меня на столе одновременно стоит включенный  Yaesu FT-897D и Flex-1500. Я их по очереди слушаю и замечаю, что Yaesu FT-897D имеет характерный шум даже в отсутствии сигнала (это не шумы QRN\QRM) и я от него не могу ни чем избавиться. Это так спроектирован трансивер. Переключая звук на Flex-1500,я могу так настроить звук, что даже в условиях сильных индустриальных помех (а они у меня до 9+20дБ доходят) я могу вытянуть слабый сигнал буквально над уровнем шума, очистить его, и комфортно прослушать. Т.е. качественно повышаем параметр сигнал\шум. Ни один обычный трансивер так не умеет!

Тут я могу ещё привести пример моего старшего товарища, Николая Николаевича, R7CC (Ex. RZ6BA), Коля - любитель вылавливать DX-станции.  Долгое время он пользовался одними из лучших классических трансиверов: Kenwood TS-870s и Kenwood TS-950dsp. Когда Коля приобрел на пробу SDR-трансивер, он не стал продавать сразу Кенвуда. Почти год он в разных условиях, при разных прохождениях и антеннах придирчиво сравнивал их и СДР. И через год он продал с радостью всё лишнее железо в лице 2-х больших тяжелых коробок фирмы Кенвуд.

Что бы был понятен порядок шумных цифр, приведу примеры.
Уровень шума в деревне вдали от города на 14МГц – 0.01…0.1мкВ
Шум в пригороде мегаполиса на 14МГц – 0.1…3мкВ
Шум в городе варьируется в очень широких пределах – от 10 мкВ до 1 мВ и сильно зависит от плотности населения, наличия проводного интернета, компьютерных сетей,  а так же положения звёзд в каждой конкретной квартире.
Что бы стало еще понятнее – можно представить, что:
Когда вы слышите какие-нибудь острова на грани чувствительности – это антенна ловит сигналы уровнем  0.5-5 мкВ (1…3 балла S-метра);
«Нулевики» из-за Урала идут  с уровнями 10-50 мкВ (5...9 баллов S-метра);
Соседний регион 500-1500 км – 50-500 мкВ (9…9+40дБ баллов);
Сосед по району – 1-100 мВ (стрелка S-метра полностью ложится вправо);
Контестовая позиция неподалёку или сосед-радиолюбитель в вашем же доме – запросто могут навести до нескольких вольт на вашу антенну.
В последнем варианте уже не спасёт ни аттенюатор, ни сверх дорогой трансивер, а вот бутылочка горячего с огурчиком в пятницу вечером или после соревнований легко поможет сгладить  испорченные выходные и\или наладить крепкую дружбу до конца жизни.

Исходя из вышенаписанного видно, что СДР-трансивер реально превосходит обычную классику по качеству приёма. Взяв Flex SDR-1500  с собою с ноутбуком на дачу или в поле, мы обеспечиваем себе более комфортный приём, нежели тот же Yaesu FT-817. Flex SDR-1500 мал, лёгок, и экономичен. Не шибко дорогой вариант – Flex SDR-3000 вполне подойдет среднему радиолюбителя без «закидонов». И DX-а отловить, и комфортно за круглым столом в выходные посидеть и автоматический тюнер есть. Ну а если вы любитель соревнований, то тут уже есть смысл разориться на Flex SDR-5000. Тут и 2 приёмника, причём, не такие убогие как в Yaesu FT-x000, а полностью идентичные и конфигурируемые на разные антенные входы, и высококлассные УКВ и ДЦВ режимы. Тут уже вообще ни один трансивер не идёт в сравнение!!! Аналогов просто не существует!

Как говориться «В бочке мёда…», соблюдаем гармонию.

В предыдущей главе я постарался доступным языком описать главные характеристики трансиверовFlexSDRи сравнить его с качеством работы классических трансиверов.
Для сравнения чувствительности в чистых цифрах откроем последнюю таблицу характеристик известных трансиверов опубликованную в американском журнале для радиолюбителей QST. Взято тут:

Вопросы, касающиеся динамического диапазона по блокированию, предлагаю вниманию выборку из обзора параметров современных DSPтрансиверов. (По материалам измерений лаборатории ARRL при журнале QST.)   Условия измерений:  УВЧ трансивера выключен, установлен и включен CW фильтр 500 Hz (опция или DSP),  Разнос полезного и мешающего сигналов- 20 kH

Совсем неоднозначная и спорная таблица, не правда ли?  Лично мне кажется что цифры, явно завышены. 
Но это, все же, цифры. Если сравнивать по цифрам, то даже самый простой Flex SDR-1500, обходит практически все аппараты из пятерки лучших по чувствительности. Но, проигрывает малость по динамике. Динамика АЦП AIC33 в 16-битном режиме едва достигает 90 дБ. Тут есть явный проигрыш большим собратьям, но в обычном повседневном использовании это практически не заметно. И если у вас соседнем доме живёт друг – радиолюбитель, то довольно часто придётся пользоваться аттенюатором и\или внешним преселектором.

Кроме перечисленных 3-х важных параметров приёмного тракта трансиверов, существует  так же несколько параметров, которые совсем не очевидны для обывателя, этими параметрами практически не интересуются, но они имеют место быть. Это избирательность по побочным каналам, по зеркальным каналам, точка компрессии.  В SDR-трансиверах точка компрессии обычно имеет высокий уровень. Избирательность по зеркальному каналу в SDR-технологии обеспечивается правильной симметрией и точностью квадратурных сигналов гетеродина и каналов обработки по НЧ. Фактически это обеспечивается технологичностью сборки печатной платы, правильностью разводки принципиальной схемы  и правильностью проектирования схемы. Все неточности технологического цикла автоматически компенсируются уже в программе обработки цифрового потока.

Наиболее важным, но совсем не очевидным параметром в структуре SDR-трансивера является параметр «избирательность по побочным каналам». А основных побочных каналов тут целых 5, а в особо тяжелых случаях 7! Это приём на 3,5,7,9,11,13 и 15 гармониках от основного сигнала. Их природа кроется в принципе работе «цифрового смесителя». Управление смесителем происходит прямоугольными импульсами (меандром) – который содержит в себе нечётные гармоники с уровнями обратно пропорциональными номеру гармоники. И если вдруг, на частоте гармоники в непосредственной близости от вас будет находиться вещательный передатчик, и не дай бог ещё и телевизионный с полосою 8МГц, то избавиться от широкополосной помехи будет очень тяжко. Печальным тому примером является наш уважаемый Алексей, RK4FB. Он долго воевал с помехой от радиовещательной УКВ-станции на 20-метровом диапазоне. Так же это проявилось и у меня. Я живу всего в паре километров от Краснодарской телевышки. Вещает она киловатты, да ещё и на многих частотах.  Представляете, какой у меня «ахтунг» на диапазонах? Но я справляюсь!
Если в вашей местности отсутствует теле или радиовещательные  передатчики, то вам особо можно не беспокоиться. Селективности входных фильтров хватает что бы эффективно подавить помехи УКВ и ДЦВ диапазонов.  Если вам всё же «повезло», то придётся придумывать фильтры-пробки, делать качественные цепи предварительной селекции или покупать.

В следующей статье, я познакомлю вас с младшей моделью из линейки трансиверов фирмы Flex Radio,это будет Flex-1500.
P.S.: «Все совпадения имен в тексте, события или расположений операторов случайны, если вы узнали в операторах себя, то я рад за вас, так вам и надо! Ни один Петя, Вася, Виктор и Константин за всю свою радиолюбительскую карьеру не пострадали и являются до сих пор хорошими друзьям, а Петя с женою уже нянчат внуков.»

radioexpert.ru,

Вопросы и мифы об SDR >>>