Софтуерно радио

Последна редакция 18.12.2007 © Ч.Левков

Софтуерно радио

Софтуерното радио е приемник с директно преобразуване на честотата – изходът му се подава на входа на звуковата карта на компютъра. Входният сигнал се преобразува в нискочестотен сигнал в работния диапазон на звуковата карта. За да се получи едносигнално приемане трябва да се премахне огледалният канал. Затова приемникът е двуканален, като се формират 2 дефазирани на 90 градуса канала - т.нар. I и Q канали. ( за тези 2 сигнала също се употребяват термините ортогонални или квадратурни). Филтрацията и демодулацията се извършват цифрово със софтуер. . Това е известният фазов метод за премахване на огледалния канал, но реализиран цифрово. Самият софтуер е работи в Windows или Linux среди.

Принцип на работа

Един и същ сигнал от антената се подава на два идентични смесителя. Задаващия генератор работи на честота 2 пъти по-висока от приеманата. Специална схема наречена I/Q (квадратурен) генератор формира два опорни правоъгълни цифрови сигнала дефазирани на 90 градуса един спрямо друг. Честотата вече е разделена на две и е точно в средата на приемания спектър. Цифровите сигнали управляват два ключови смесителя, на чиито изходи се получават два идентични низкочестоти спектъра I и Q , които са дефазирани на 90 градуса. Ширината на приемания и обработван НЧ спектър е сравнително голяма и е равна на ½ от честотата на дискретизация на звуковата карта. В тези спектри обаче има информация за 2 пъти по-широк спектър от високочестотния входен сигнал, тъй като се приема едновременно и огледалният канал - т.е. двата канала се припокриват честотно. Този широк спектър се усилва от нискошумящ предусилвател.

I и Q сигналите са подават на двата АЦП (входни) канала на звукова карта за по-нататъшна цифрова обработка. На входа звуковата карта има два аналого-цифрови преобразувателя (АЦП), а на изхода има два цифро-аналогови преобразувателя (ЦАП). В АЦП аналоговият сигнал се превръща в цифров с честота на дискретизация например 48 KHz. Цифровата обработка премахва припокриването и извършва преместване на огледалния канал, така че да се получи общо 48 KHz лента - +- 24KHz около опорната честота. Допълнително може се извършва теснолентова филтрация, АРУ , дисплей на спектрите и т.н. На изходите на ЦАП на картата обработеният сигнал се възстановява в аналогов вид. Ясно е, че този вид приемници приемат и обработват една широка честотна лента, равна на честотата на дискретизация на АЦП. При типичните карти максималната честотата е 48 KHz и приеманата лента е приблизително 48 КHz.Hhhhhh

Най-добрите карти в момента достигат до 192 KHz. Настройката на избран сигнал в рамките на тази лента може да стане софтуерно. Например с фиксиран кварцов осцилатор може да са настройваме на произволен сигнал в рамките на приеманата лента. По-подробно по този въпрос може да се прочете в приложения списък публикации.

Схема

Смесител Сигналът от антената се подава на двуканален двойно-балансен ключов смесител (Фиг.1).

Фиг.1 Фиг.2

Като смесител се използува аналогов мултиплексор 1:4. В 74НС4052 има 2 такива мултиплексора. На управляващите входове на мултиплексора се подават 2 дефазирани на 90 градуса цифрови сигнали с честотата на приемане и коефициент на запълване 1:1. Управляван по този начин, мултиплексорът последователно преминава през всички положения, като във всяко положение стои 1/4 от периода на управляващия сигнал . На изходът мултиплексорите са натоварени с кондензатор, така цялата система работи като комбинация от смесител и филтър с превключваеми кондензатори (sampling detector). От стойността на този кондензатор до известна степен зависи аналоговата ширината на честотната лента на приемане, която трябва да е равна на 1/2 от честотата на дискретизация. Този тип смесител се нарича още Tayloe detector (Dan Tayloe N7VE го е предложил).

НЧ Предусилвател Нискочестотният I/Q сигнал се усилва 230 пъти (Фиг.2) от операционните усилватели и се подава на двата входа на звуковата карта. Има филтър на 22 KHz за работа с 48KHz дискретизация. (Ако се използува 96 КХц честота на дискретизация филтриращите кондензатори трябва да се намалят на 100 pF.)

Генератор В случая задаващ генератор е VFO (Фиг.3). То работи на честота 28 МНz и след това се дели с брояч в зависимост от това кой банд искаме да използуваме.

Фиг.3 Фиг.4

Може да се използува и кварцов генератор (Фиг.4), но това фиксира приеманата лента до +-24КHz около честотата на кварца.

I/Q формировател (Фиг.5) Аналоговият сигнал се преобразува в правоъгълни импулси от единия гейт на 74НС86 ( логическо „изключващо или”) работещо като компаратор в линеен режим. След това сигналът се разцепва на два канала, взаимно дефазирани на 180 градуса, които се подава на два D-тригера. На изходите им се получават два сигнала дефазирани на 90 градуса и с двойно по-ниска честотата. Схемата трябва да притежава пълна симетрия за двата канала, за да не се получават неконтролирани взаимни временни закъснения между двата изходни квадратурни сигнала.

Фиг.5

Захранващ блок Приемникът се захранва от 2 напрежения +5 и -5 волта. Консумираният ток от +5 V е значителен заради цифровата част и е от порядъка на 80 мА. От -5 V, консумацията е около 10-20 мА. Консумацията е пропорционална на честотата на която работи приемника. Може да се използува малък мрежов изправител. На (Фиг.6) е показана схема за формиране на отрицателно напражение от +5V с помоща на Charge pump преобразувател ADM7660 (Analog Devices). Използувал съм този чип защото работи със сравнително висока честота на генерациите (30KHz) и има по-висока товароспособност от стандартния популярен чип ICL7660. Със стандартния чип честотата на преобразувателя (5KHz) паразитно влиза в звуковия диапазон и практически не е възможно да бъде филтрирана. Филтрацията е по вход и изход и е с дросели. Елементите с изключение на чипа са от магазин на Комет.

Фиг.6 Фиг.7

Понякога е удобно де се използува само едно захранване. Схемата може да се преправи и за еднополярно захранване, (Фиг.7) но ще се загубят до 6 dB от динамичният диапазон на звуковата карта – особено ако е 24 битова. Освен това 74НС4052 е по-линейна и по-бърза при 10 V (двуполярно) захранване. При еднополярно захранване трябва да се използуват операционни усилватели от типа rail-to-rail, които работят само с едно захранване от 5 V. Например MCP6022 на Microchip е добър за тази цел с 10 nV/Hz^-2 спектрална плътност на шума. (магазин Комет)

Всички чертежи, но с по-високо разрешение за добър печат се намират във файл sdr-sch.zip.

Настройки

Генератор Настройва се честотата задаващият генератор, ако се използува VFO. Диапазонът на разстройка след всяко делене се стеснява 2 пъти. В случая разстройката е от 28000 до 28800 KHz.

Смесител Добре е използуваната антена да има импеданс близо до 50 ома на приеманата честота, тъй като смесителят е свързан директно с антената. При странни антенни импеданси смесителят ше работи в неизгоден режим и е възможно да се получат лоши резултати. В такъв случай препоръчвам да се сложи към антенния вход един резистор от 330 ома към земя. Аз използувам стандартен антенен тунер за съгласуване на радиото със случайна антена.

I/Q формировател В I/Q формирователя може да се наложи да се контролира нивото на входния аналогов сигнал за да може компараторът да дава точно симетрични 1:1 правоъгълни импулси на изхода си. Това е основно условие за използуването на 2 пъти по-висока честота за формиране на квадратурни сигнала. Несиметричният коефициент на запълване ще доведе до лошо потискане на огледалния канал. Поради тази причина доста по-често се използува схема с делене на 4. Асиметричен цифров сигнал разделен на 2 с тригер става абсолютно симетричен. Така, че това ще бъде проблем само на 14МХц, на всички по-нискочестотни обхвати сигналът вече е симетричен поради цифровото делене.

Звукова карта и софтуер

Включете приемника към входа Line-in и слушалки към изхода Speaker на звуковата карта. В Windows има програма която се нарича Mixer. Тя наглася режима на всяка инсталирана звукова карта (кой вход/изход се използува, какви нива се подават и т.н.)

Извиквате миксера „за възпроизвеждане” (Volume Control), изберете Line-in вход, нагласете усилването и трябва да чуете сигнал който директно се прехвърля от изхода на радиото. В момента вие имате обикновен приемник с директно преобразуване, но в слушалките сигналите са дефазирани на 90 градуса и се получава известен пространствен ефект ( т.нар. бинаурално слушане). В този режим звуковата карта се използува само като един усилвател.

Сега трябва да се настрои усилването на звуковата карта по вход.От миксера „за запис”(Recording Control ) изберете Line-in вход и нагласете усилването по средата. Забранете Line-in входа в (Volume Control). Ако не направите забрана на входа за възпроизвеждане ще чувате едновременно директния сигнал и цифрово обработения сигнал. Стартирайте някоя от предложените програми, като преди това все пак прочетете как се работи с тях. На екрана ще се появи спектралния дисплей. Махнете антената на приемника. Забележете какво е нивото на шумовия спектър. Сега махнете кабела от входа на Line-in. Нивото на шума трябва да спадне с 3 до 10 dB. Това означава, че собствения шум на радиото превишава шума на звуковата карта и ще можете да получите максималната възможна чувствителност. Възстановете връзките и включете антената. Вече трябва да се чуят и видят сигнали. Това което веднага ще забележите е, че има забавяне между входа и изхода дължащо се на цифровата обработка. Най-малко забавяне дава програмата Rockie. Копчето на VFO-то трябва да се върти много бавно, защото слуховата обратната връзка е забавена, а и настройката е доста груба - особено на 14MHz. По- добре е настройката да става софтуерно в рамките на цялата приемана лента, а VFO-то да се използува само за груба настройка. Начинът за софтуерна настройка на определена честота за всяка програма е различен.

На фигурата е показано как изглежда спектъра на 40 м обхват една събота след обед в София (кв. Борово). Антената е улук на сградата, съгласуван с антенен тунер. Това е дисплей „водопад” (waterfall). Телеграфните станции се виждат ясно. Около 7030-40 KHz се виждат множество RTTY станции. Най.горе има една SSB станция. Ширината на лентата на приемника е 48 KHz. На слух обаче се приема само лентата при червения маркер в дясната част на прозореца (7026 KHz).

Резултати

Приемникът няма входен кръг, а само един широколентов трансформатор. Въпреки привидната простота на радиото, това е един много качествен и чувствителен приемник с теснолентови възможности от ранга на най-добрите трансивъри. Широколентовите му възможности нямат аналог. Консумацията на всички модули при захранване само от един 5 волтов източник на 14 MHz е около 85 мА. На 7 MHz тя е 50 мА, на 3,5 - 35мА и т.н. Консумират цифровите чипове работещи на висока честота.

- Чувствителността: 0.1 uV @ 3 dB S/N. лента 500 Hz. ( -128 dBm)

- Нелинейни изкривявания от 2-ри порядък: IP2 >= +58dBm.

- Нелинейни изкривявания от 3-ри порядък: IP3 >= +15dBm.

- Максимален сигнал при който картата влиза в насищане: -28 dBm (приблизително 59 + 50dB)

Измерваният са правени на 14 MHz с 24 битова звукова карта Creative Audigy SE при 48 KHz честота на АЦП. Динамичният диапазон е измерван с едносигнален тест при входен сигнал -3 dBc от максималния сигнал, при който картата влиза в насищане. Реалният динамичен диапазон на практика се определя от използуваната звукова карта и грубо е равен на динамичния диапазон на картата минус 6 до 10 dB. Имайте предвид че тези цифри се отнасят за радио без АРУ, което означава, че става дума за едно много линейно устройство. В тези измервания има известна неточност, поради това, че не разполагам с прецизна апаратура. Какво представляват тези параметри може да се прочете на много други места (вижте например в http://www.cqham.ru/lib.htm книжката на Поляков). В друга статия ще публикувам начина за измерване на тези параметри. В долната таблица са дадени тези параметри измерени за някои по-известни трансивъри. Данните са от ARRL или каталог.

Параметри на трансивери на 14МХц обхват
TRX	MDS dBm pre.amp=off	IP2 dBm	IP3 dBm	IP3 dBm @5KHz
Alinco DX70	-129	55	8	-
IC 706mk2g	-136	55	4	-
IC 756pro	-128	64	15	-17
IC 756pro2	-131	75	20	-19
IC 746	-132	60	14	-
IC 746pro	-132	72	20	-
IC 7800	-	-	40	-
FT1000 mk V	-127	68	25	-
TS 950SDX	-126	-	17	-
TS 2000	-129	59	19	-15
Flex5000	-123	-	30	30
SDR lz1aq	-128	58	15	10

Сравнението не е много коректно, защото методиката за измерване на IP е различна, но може да служи за ориентиране. В последната колона са дадени стойностите за IP3 при разстройка само 5 KHz от честотата на приемане. Данни има само за по-новите трансивъри. Забележете обаче огромното преимущестнво на IP3 за СР (последните 2 реда) спрямо стандартните трансивъри. IP2 е много важен параметър за СР и не толкова съществен за стандартните суперхетеродинни приемници.

Използувани елементи

Чувствителността на приемника зависи директно от шума на входния ОУ. Този чип е удобно е да се сложи цокъл, за да могат да се изпробват различни усилватели. Най-евтиното решение е TL072 с шум 18nV/ÖHz спектрална плътност на шума. Аз използувам ТS462 с шум 4nV/ÖHz, цената на такъв усилвател е около 1 USD (чрез фирма Комет от Farnell). MCP6022 на Microchip също добър с 10 nV/ÖHz. (магазин Комет). Двата последни ОУ са от типа rail-to-rail и могат да работят с еднополярно 5в захранване.

Мултиплексорът 74НС4052 работи до честоти 18 MHz. С този приемник може да се работи от средни вълни до 14 MHz на честоти F/2, F/4, ….. и т.н. в зависимост от това какъв коефициент на делене се избере. Горната граница се ограничава от бързината на мултиплексора и останалите цифрови схеми. Ако се използуват схеми от серията 74AC за генератора може да се достигнат честоти до 60-70 MHz. За смесител може да се използува много бързият мултиплексор FST3253, но захранването му трябва да се ограничи само на +5 волта.

Входният широколентов трансформатор е навит на ферит 10х6х4 проницаемост 1000, 3 проводника се усукват заедно и се навиват 5 навивки.

Осцилаторът работи на 28 MHz - за да е стабилен трябва всички кондензатори в трептящия кръг да са с нулев температурен коефициент. Използувани са SMD кондензатори тип C0G или NP0 размер 1206. Само с такива кондензатори се постига прилична стабилност. Променливият кондензатор е въздушен, от концертно радио, като се използува секцията за УКВ диапазона. На Фиг. 8 е показана снимка на конструкцията на експерименталната платка.

Звукова карта

Динамичният диапазон на радиото до голяма степен зависи от качествата на звуковата карта. Масови са 16 битовите карти ( 16 бита е разрядността на АЦП/ЦАП на картата). Теоретичният динамичен диапазон на 16 битова карта е 96 dB. Реалният диапазон е 60-70 dB за вградените на дъното , до 80- 85 dB за по-качествените външни карти. Това означава 13-15 ефективни разряда на АЦП. При 24-битовите карти теоретичният динамичен диапазон е 144 dB. Реално тези карти имат 17 - до 19 ефективни разряда. Аз използувам евтината 24 битова карта Creative Audigy SE (цена 50 лв). Динамичният и диапазон по каталог е 100 dB. На практика тази карта е с 17 битов АЦП. Сигналът от радиото трябва да се подаде на вход Line-in. Максималното върхово напрежение на този вход съответстуващ на максималният обхват на АЦП е около 1 до 2 волта (при 16 битовите карти), от 4 до 10 волта (при 24 битовите) и зависи от фирмата производител. Ако искате да получите максималната чувствителност от радиото усилванията така трябва така да са нагласени , че при включване на радиото (без антена) шумът на изхода на звуковата карта да се повиши поне с 3-10 dB. По-подробно за оптимална настройка на радиото към звуковата карта прочетете в сайта на SM5BSZ.

Подобрения

Добре е да се сложи на входа лентов или нископропускащ филтър, ако се работи само на един банд. Този тип смесители са чувствителни към честоти кратни на нечетните хармонични на осцилатора.

Усилването на ОУ може да се промени така, че да съотвества на динамичният диапазон на използуваната звукова карта. Изследвайте внимателно звуковата си карта, шум, динамичен диапазон и т.н. Ключът към голямата динамика е в точното съгласуване на хардуера с картата. За 16 битова звукова карта вероятно е необходимо около 10 dB по-голямо усилване на предусилвателя. За тази цел променете резисторите на Фиг.2 от 33К на 47К.

VFO - за по-висока стабилност може да се използува кварцов генератор или DDS. DDS трябва да работи на 2 пъти по-висока честота. Подаваното ниво на компаратора трябва да е достатъчно за да се получат симетрични правоъгълни импулси. Входният компаратор работи и с по-ниски нива – до 0.2 V, но не съм правил измервания за симетричност. При ниски входни нива може би е по-добре да се работи с 4 пъти по-висока честота за да се получат симетрични импулси на входа на I/Q формирователя.

По какво се различава схемата от други публикации?

Помъчил съм се да намеря просто решение без да се влошават параметрите.

1. Двойнобалансен смесител като се използува и втория мултиплексор в 74НС4052. Не се използува инструментален усилвател (с 3 ОУ за всеки канал).

2. Симетрично захранване с +- 5 волта. Увеличава се динамичния диапазон на 4052 и първият ОУ. С прост преобразувател от +5 на -5 V става възможно приемникът да се захранва само от +5 V или 4 акумулатора 1.2 V .

3. Използване на 2 пъти по-висока честота за формиране на квадратурен осцилатор, а не 4 пъти както е в повечето публикации.

Софтуер

Има 5 програми, които работят добре.. Лично аз ползувам най-много Rockie и Winrad. Програмите са свободни за копиране и могат да се изтеглят от посочените адреси. В таблицата са дадени минималните необходими компютри за честота на АЦП 48KHz – при по-високи честоти на АЦП трябва да се използуват по-мощни компютри. Например Rockie консумира 75% от компютърните ресурси при процесор Р4, 866MHz, Win XP, 48KHz sampling rate.

	Програма	Компютър	Операц.система	Автор	Адрес
Rockie		>800 MHz	Win XP	VE3NEA	http://www.dxatlas.com/Rocky/
Winrad		>800 MHz	Win XP,98se	I2PHD	http://www.weaksignals.com/
SDR		>500 MHz	Win XP,98se	I2PHD	http://www.weaksignals.com/
KSKGR		>1200 MHz	Win XP	M0KGK	http://www.m0kgk.co.uk/sdr/index.php
SDR1000		>800 MHz	Win XP	Flex radio	http://www.flex-radio.com
Linrad		>500 MHz	Linux, Win XP	SM5BSZ	http://www.sm5bsz.com/index.htm

Публикации

В момента има изключително много публикации по тази тема в интернет. Тя се развива много бурно и всеки ден излиза нещо ново. Вече има публикувани софтуер и хардуер за СР трансивър. За това тук не се задълбочавам в дълги и подробни обяснения - който се интересува сериозно ще намери достатъчно информация.

73 LZ1AQ юни-август-декември 2007