Каталог статей

Главная » Статьи » Мои статьи

Новый взгляд на PSK31

Новый взгляд на PSK31

В статье рассказывается о преимуществах и недостатках различных видов цифровых сигналов, применяемых радиолюбителями. Без формул, буквально “на пальцах”, даются основные понятия и закономерности из теории передачи сигналов, теории передачи информации, теории спектрального анализа. Предлагается оригинальный подход к реализации передатчика сигналов популярного цифрового вида модуляции - PSK31. Даются его теоретические основы и объясняется его эффективность.

Теория.

На тему радиолюбительских цифровых видов связи в последнее время написано довольно много. От года к году эти виды получают все большую популярность. Появляются новые их виды. Сейчас даже закоренелые DX - мены - телеграфисты вынуждены обращать на это внимание, не сознавая того, что всю жизнь использовали один из видов передачи двоичных сигналов - CW.

Вопрос, что можно считать цифровыми видами связи, не такой простой, как кажется. Цифровая техника от аналоговой отличается, в частности, тем, что в ней используется только два варианта величины одного из параметров сигнала. В радио для передачи информации используются электромагнитные колебания, которые имеют всего три основных параметра. Это - амплитуда, частота и фаза. Первые два параметра имеют абсолютные величины и удостоены именоваться персональными единицами измерения. Амплитуда - в Вольтах, частота - в Герцах. Фаза - величина относительная, получила безликое измерение в угловых градусах. Она измеряется по отношению к некоему колебанию с той же частотой, называемому опорным. Причем колебание с опорной частотой может и не существовать реально. Достаточно в некоторый момент времени определить фазу колебания и принять ее, как опорную, неизменную во времени. Использование двух крайних значений фазы несущего сигнала - 0 градусов и 180 градусов, то есть прямого и инверсного сигнала, дает простейший способ передачи двоичной информации известный как Бинарная Фазовая Манипуляция или BPSK. Существуют виды фазовой манипуляции с другими значениями угла сдвига фазы. Например, при значениях сдвига 90 градусов, получаем возможность иметь уже четыре градации фазы - квадратурная фазовая манипуляция или QPSK. Все же среди радиолюбителей получил наибольшее распространение наиболее простой вид с максимальной скоростью переключения фазы 31,25 раза в секунду - BPSK31. Такая странная цифра значения скорости, как для фазовой манипуляции, так и для других видов передачи цифровых сигналов традиционно получается путем многократного деления частоты 1024 КГц на два. Вид BPSK31 по популярности выходит на первое место, оттесняя телетайп - RTTY и конкурируя с неувядающим телеграфом - CW. Чем же объясняется такое положение с технической точки зрения? Известно, что полоса частотного спектра непрерывного сигнала несущей стремится к нулю. Это значит, что вся энергия сигнала сосредоточена, как бы, в одной частотной точке и имеет там бесконечно большое значение. Это, в свою очередь, теоретически означает, что такой сигнал может быть принят на бесконечно большом расстоянии. Но, пользы от такого сигнала с информационной точки зрения немного - фактом своего присутствия в эфире он передает всего один бит информации, да и для получения максимальной концентрации требуется сигнал идеально синусоидальной формы - чисто гармонический сигнал, что в реальной жизни не встречается. При амплитудной манипуляции несущей спектр сигнала расширяется и зависит от скорости манипуляции. Телеграфисты знают, что для уверенного приема сигнала требуется установить полосу приемника в десятки раз больше, чем скорость передаваемого сигнала. Например, при скорости 60 знаков в минуту средняя скорость манипуляции составляет около 240 нажатий ключа в минуту, или в информационном плане с учетом промежутков между нажатиями - около 8 бит в секунду. Однако минимальную полосу приемника для данной скорости желательно установить не менее 100 Герц. Иначе посылки будут как бы сливаться и прием будет не уверенным. Четкое разделение телеграфных посылок требует пропускания через приемный фильтр нескольких верхних гармонических составляющих частоты манипуляции, что приводит к проникновению через фильтр так же некоторой дополнительной доли бесполезного шума. Это, в свою очередь, ухудшает общее соотношение сигнал - шум принятого сигнала. Теоретически для приема амплитудноманипулированного цифрового сигнала необходима полоса не менее, чем в два раза шире частоты информационного потока. Все вышесказанное означает, что CW далек от оптимального вида передачи информации при котором полоса приема может совпадает со скоростью манипуляции. Но простота реализации передатчика и приемника, а так же возможность использовать самый совершенный на все времена компьютер - нашу голову, объясняет непроходящую любовь к этому виду связи.

Частотная манипуляция, на примере RTTY, обычно занимает полосу 170 Гц. В отличии от амплитудной манипуляции, во время передачи сигнал этого вида присутствует в эфире постоянно. Меняется только частота. Для декодирования принятого телетайпного сигнала ранее применялись разнесенные звуковые фильтры с последующим амплитудным детектированием сигнала с каждого из них. Подобный метод фактически сводил данный способ манипуляции к амплитудной манипуляции со всеми его минусами, главным из которых является необходимость динамически подстраивать порог срабатывания компаратора после детектора в зависимости от статистических свойств сигнала - наличия в сигнале длинных цепочек единиц или нулей. Естественно, при увеличении разноса частот достоверность определения принятых посылок возрастала. За это приходилось платить полосой. Сейчас для формирования сигнала RTTY для передачи и для его приема используется звуковая карта компьютера, работающая под управлением соответствующей программы. Этот вид манипуляции до последнего времени был настолько популярен, что был введен как отдельный режим передачи в большинство современных трансиверов промышленного изготовления. А в некоторых моделях осуществлена функция декодирования принятого сигнала с выводом текста на собственный дисплей. Частотная манипуляция более удобна для автоматизированного приема. Технически легче различить в шумах разные частоты, чем разные амплитуды. Но, RTTY так же как и CW, не является оптимальным по эффективности видом передачи цифровых сигналов.

Фазовая манипуляция – самый молодой способ переноса сигналом двоичной информации. Ранее ее развитие было затруднено более жесткими требованиями к характеристикам приемопередающей аппаратуры. Сейчас, с развитием элементной базы и, в частности, техники синтеза частот, она широко применяется, как в промышленной, так и в радиолюбительской связи. Только этому виду модуляции присуща особенность оптимального соотношения скорости передачи информации, полосы излучаемого сигнала и полосы приема. Другими словами, для простейшего вида фазовой манипуляции – BPSK, полоса сигнала численно равна скорости передаваемой информации. Это свойство выгодно отличает фазовую модуляцию по критерию соотношения сигнал - шум от двух других возможных видов модуляции. Напомню, что, например для RTTY, при стандартной скорости информационного потока в 45 Бод полоса в эфире определена глубиной девиации частоты и составляет 170 Гц. При меньшей девиации можно было бы получить более узкую полосу, но при этом сильно страдает помехоустойчивость сигнала на приемной стороне.

Микропередатчик PSK31.

Несколько лет тому назад я был в командировке и мне очень не хватало нашего любимого хобби в виде маленького трансивера. Там мне пришла в голову идея создания максимально простого, но, максимально эффективного средства радиолюбительской связи. Я уже хорошо был знаком с теорией и практикой PSK31. Активно работал в эфире этим видом излучения и на своем опыте убедился в его поразительных “пробивных” способностях. Мне ясно было, что при традиционном методе формирования сигнала с помощью компьютера, на выходе звуковой карты мы имеем продукты перемножения некоего исходного информационного сигнала и звуковой поднесущей. Информационный сигнал с опорной частотой 15,625 Герца подвергается программной косинусоидальной фазовой модуляции. То есть процесс смены фазы происходит начиная с пика сигнала и растягивается на пол периода (Рис.1).

Рис.1

Если бы фаза сменялась на противоположную по привычному нам синусоидальному закону, то есть в момент прохождения опорного сигнала нулевого напряжения (Рис.2), то это сопровождалось бы выбросом на спектральной диаграмме.

Рис.2

Другими словами в момент смены фазы сигнал занимал бы полосу в несколько сотен Герц. При косинусоидальном законе фазовой модуляции сигнал не расширяется по спектру, а наоборот сужается. Кроме этой “тонкой” особенности модуляции исходного сигнала, важно было еще во всех подробностях понять способ нанесения информации на него. Этот способ, предложенный SP9VRC, получил название алфавит VARICODE. Он заключался в том, что в информационном пакете, представляющем собой один знак и состоящем из нескольких переходов фазы исходного сигнала, нет двух подряд идущих нулей. За нуль принимается полупериодный интервал сигнала с частотой 15,625 Гц без изменения фазы. За единицу принимается так же полупериодный интервал той же частоты за который фаза плавно меняется на противоположную (Рис.3).

Рис.3

Таким оригинальным способом была решена проблема знаковой синхронизации. Как только в последовательности обнаруживается более двух подряд идущих нулей, это означает конец знака. Первая пришедшая единица означает начало следующего знака. Число битов в каждом знаке в данной системе кодировки переменно и зависит от статистики появления этого знака (буквы) в английской речи. Подобный подход использован в Азбуке Морзе. В процессе модуляции звуковой поднесуцей программа в компьютере осуществляет перемножение мгновенных амплитуд исхоодного сигнала и сигнала поднесущей. На осциллограмме резулитирующего сигнала, который появляется на выходе звуковой карты, сходный сигнал присутствует только в виде огибающей. (Рис.4)

Рис.4

Затем поднесущая переносится линейным SSB трактом передатчика на радиочастоту для передачи в эфир. При оптимизации системы можно заметить, что процесс формирования поднесущей и процесс переноса ее на рабочую частоту являются избыточными. Тот же результат можно достичь перемножая исходный информационный сигнал не с поднесущей, а сразу с высокочастотной несущей. Фактически сигнал BPSK есть ни что иное, как всем нам, радиолюбителям, знакомый сигнал DSB. Для его формирования необходимо иметь балансный смеситель (он же – перемножитель) с хорошим подавлением несущей и с хорошими динамическими параметрами. А так же источник самой несущей с хорошими параметрами по стабильности частоты и, что немаловажно, кратковременной стабильности фазы. На последний параметр как то не обращают особого внимания. Однако, очевидно, что в данном случае даже небольшая паразитная девиация фазы несущей неприемлема. Петлевые и комбинированные PLL-DDS синтезаторы не обеспечивали приемлемой фазовой стабильности. Я уж не говорю об обычных LC генераторах, но даже кварцевые генераторы на дискретных элементах были подвержены сильной фазовой девиации. Хорошие результаты были получены только при использовании DDS синтезатора. В нем впринципе отсутствует этот эффект. http://www.rx3akt.narod.ru/dds_akt1.html В микропередатчике (Рис.5) задачу формирования исходного сигнала, а так же осуществление функции интерфейса с входными управляющими сигналами такими, как компьютерная клавиатура и СОМ-порт, осуществляет микроконтроллер ATtiny26L. Исходные сигналы вырабатываются контроллером в виде двух противофазных ШИМ-сигналов с десятиразрядной разрешающей способностью. После интеграции этих сигналов RC цепочками, они усиливаются по мощности операционными усилителями AD8534 и в нужной фазе подаются на вход двойного балансного смесителя на микросхеме ADG774. С помощью такого смесителя получена возможность сразу получить достаточно мощный выходной сигнал, который можно подать непосредственно на антенну для передачи в эфир. На выходе смесителя стоит схема суммирования мощностей на широкополосных трансформаторах, намотанных на трех ферритовых колечках. С выхода сумматора сигнал подается на ФНЧ с полосой среза 30 МГц. Фильтр служит для предотвращения попадания нечетных гармоник сформированного сигнала в эфир. С выхода фильтра сигнал с двойной пиковой амплитудой неискаженного сигнала, равной 16 Вольт, попадает на 50-ти Оммную нагрузку в виде антенны или дополнительного усилителя мощности. Таким образом эффективная мощность с выхода смесителя составляет 0.64 Вт, что является беспрецидентным для перемножителей сигнала с подобной нагрузкой.

 

 

Рис.5

Немного истории.

Первую схему я собрал без операционника AD8532, на простеньком ключе К561КТ3. Просто взял противофазный ШИМ сигнал с контроллера и подал на смеситель. Выходной сигнал в диапазоне 40 м. с мощностью всего 0.3 милливата (!) подал сразу на простую антенну. Все это происходило на коллективной радиостанции под руководством RV3BC в Жулебино. Предварительно созвонился с UA3AIU, который живет от места проведения эксперимента на расстоянии около 10 км. На радость всех присутствующих на коллективке радиолюбителей, сигнал был принят! Так началась моя работа над созданием PSK31 трансивера. Надо сказать, что сам процесс создания устройства, которого нет на свете, очень увлекателен. Начинают “работать” все теоретические и практические знания полученные ранее и кое-что еще, чему нет названия. В результате рождает то, чего не может быть. Начался поиск более совершенных микросхем ключей. Критерий был такой: найти аналоговые ключи с максимально возможным быстродействием и минимальным сопротивлением в замкнутом состоянии. Такие микросхемы были обнаружены у фирмы ANALIG DEVICES. Ее марка - ADG774. Скорость срабатывания у нее около 3 наносекунд, а сопротивление замкнутого ключа равно 2 Ома. Кроме того необходимо было найти хорошие буферные усилители для исходного фазоманипулированного сигнала – проинтегрированного ШИМ от контроллера. Ведь вся выходная мощность теперь уже зависела не от микросхемы смесителя, а от этого буфера. Пригодились микросхемы той же фирмы - AD8532. В их маленьком корпусе спрятаны два замечательных операционных усилителя, способные работать “без зазора” между пиками входных и выходных сигналов и питающими напряжениями. Другими словами размах, или двойное амплитудное (пиковое) значение входного и выходного напряжений может достигать величины, равной напряжению питания. При этом выходной ток доходит до 250 мА. Таким образом появился первый вариант микропередатчика PSK31 на трех микросхемах, без компьютера и трансивера. (Рис.6)

Рис.6

Свойства передатчика.

Передатчик сразу задумывался, как многофункциональное устройство для передачи не только текста от подключенной компьютерной клавиатуры, но и файлов через СОМ-порт со скоростью 1200 Бод. А так же для работы с макросами или в качестве маяка. Информация в СОМ-порт может подаваться от любого источника с интерфейсом RS-232. Надо только преобразовать уровни в TTL. Для этого используется приставка на микросхеме MAX-232. Схема этой приставки показана на Рисунке …(СХЕМА). Такая приставка фирмы ICOM называется CT-17 и стоит более 100$. По этому каналу можно так же до 100000 раз записывать текст макроса или для циклической передачи в эфир в режиме маяка. Информация хранится во флэш памяти контроллера и не пропадает при выключении питания - как бы "винчестер в чипе". Длина текста 128 знаков из них собственно текстом служат только первые 109 байт (адрес 00 - 6D). Последний байт (адрес 7F) это длительность паузы между повторениями записанного сообщения в секундах от 0 до 255 или 00 до FF в шестнадцатиричном коде. Запись файла производится с помощью какой-либо терминальной программы. Я использую TELEMAX из DOS-овского Нортон-Командера версия 5. Пересылка файла должна производиться в формате ASCCI и начинаться после нажатия кнопки F12 на подключенной к контроллеру клавиатуре. После окончания передачи файла следует нажать кн. F9. Передача записанного в EEPROM сообщения начинается после нажатия кнопки F1 или, если клавиатура не подключена, после нажатия кнопки “Пуск маяка” на плате устройства. Остановка передачи сообщения происходит при нажатии клавиши F9 или в случае, когда клавиатура не подключена и информация передается из макроса или через СОМ-порт, нажатием кнопки “NX ON/OFF”на плате микропередатчика. Эта же кнопка включает передачу. Она действует через раз. Этой кнопкой удобно пользоваться при работе без подключенного борда, через терминал, так как все 256 кодовых комбинации заняты и использовать их для управления передатчиком невозможно. Начало передачи текста с клавиатуры (передача) начинается при нажатии любой клавиши. В ОЗУ контроллера программно организована кольцевая очередь входной информации. Это позволяет печатать на клавиатуре даже быстрее, чем идет передача информации в эфир. Это же позволяет после нажатия клавиши F9 заканчивать передачу не мгновенно, а после окончания набранного текста в очереди. Отключение клавиатуры во время работы устройства в режиме повторяющегося вызова не изменяет режима работы и не нарушает функционирования устройства. Другими словами - однажды запустив режим циклической передачи, можно отключать все источники ввода инф. и идти домой - передатчик продолжит свою работу самостоятельно. Устройство так же переходит в режим передачи при поступлении первого байта по СОМ-порту. Кнопка переключения кодировки WIN/ASCCI пригодится когда будет реализован режим приема. Тогда этот, уже трансивер, можно будет использовать как радиоудлинитель между СОМ портами двух компьютеров.

Результаты.

За период работы в эфире моего передатчика в качестве маячка, по приведенному в тексте электронному почтовому адресу мне пришло масса откликов и "скриншотов". Это неоспоримое доказательство эффективности самой конструкции, начиная с идеи, и самого принципа BPSK31. Вот некоторые картинки…

 

Грустные размышления.

Теперь задача всех состоит в "освоении" этой идеи. Не удивлюсь, что увижу устройство с таким принципом, изготовленное где ни будь зарубежом, и продаваемое у нас в России! “Соотечественники” ко мне "подкатывали" много раз. Но, узнав, что своровать прошивку просто так не получится, интерес пропадал. Даже был такой забавный случай - Один большой начальник, занимавшийся оснащением междугородних автобусов спутниковой системой определения их местоположения, заинтересовался моим микропередатчиком, как средством передачи GPS информации на базу. Но, потом он просто перестал звонить. Я сам ему позвонил. В ответ он откровенно сказал, что мое устройство слишком дешево стоит, а применение дорогих спутниковых каналов и аппаратуры связи, для тех же целей, позволило ему получить от иностранных производителей закупленного оборудования "небольшое" вознаграждение! В результате за прошедшие несколько лет это устройство с его широкими возможностями http://www.cqham.ru/psk31rek.htm

так и небыло востребовано ни разу. Только в последнее время появился интерес к нему и то, как всегда, из за рубежа. Мною высланы комплекты микросхем и “прошитый” контроллер во Францию (F0EQE) и в Грузию (4L1FP). Радиолюбители там организуют сеть PSK31 маяков для контроля прохождения радиоволн.

Перспективы.

Постепенно подхожу к этапу создания приемного модуля с идеологией сходной той, что применил для передатчика. Использую приемник прямого преобразования с гетеродином в виде DDS синтезатора на микросхеме AD9952. Выходной сигнал смесителя на ADG774 фильтруется ФНЧ по несложной схеме на RC элементах. Выделяется тот самый исходный сигнал с полосой от нуля до 15, 625 Гц. Этот сигнал усиливается “хитрой” схемой с прямым и обратным переносом на звуковую поднесущую. В этом каскаде используются смесители на ADG774 и УНЧ с АРУ на микросхеме BA3308. Общий коэффициент усиления получается около +120 дБ, а глубина АРУ – около 90 дБ. Кстати, этот промежуточный сигнал звуковой поднесущей можно подавать на звуковую карту компьютера для анализа привычными методами, например с помощью программы MIX. Усиленный сигнал подается сразу на встроенный компаратор AVR контроллера. Контроллер под действием программы анализирует пришедший сигнал, управляет частотой и фазой DDS в режиме захвата станции. Контроллер так же отображает принятый текст на ЖКИ индикаторе в виде бегущей строки и выдает его ASCCI коды на совй СОМ-порт для внешних потребителей. Таким образом в приемнике осуществляется принцип цифровой, программноуправляемой ФАПЧ.

Сергей Макаркин (RX3AKT)

07.07.2007

Категория: Мои статьи | Добавил: rx3akt (03.12.2014)
Просмотров: 2830 | Рейтинг: 0.0/0
Всего комментариев: 0
Имя *:
Email *:
Код *: