Чисто цифровой приемник

Грядет эра, которая перевернет все привычные представления о схемотехнике приемного тракта. Предвестником этой эры является принцип SDR. В чем же заключается суть работы SDR? Если объяснять совсем просто, не для специалистов – профессионалов, а для радиолюбителей, то суть заключается в следующем: Внешняя схема, состоящая из входных антенных цепей, гетеродина и смесителя переносит участок спектра принимаемого сигнала в область ультразвуковых частот с полосой от нуля до некоторой верхней частоты, определяемой возможностями применяемой звуковой карты компьютера. Обычно эта частота лежит в пределе 40…100 КГц. Именно в данной полосе компьютер “видит” все, что там “шевелится”. А уж, что с этим он делает – разберемся ниже. Хотелось бы, что бы участок обзора был пошире, но, как раз здесь и кроется “Ахиллесова пята” данного метода. Ведь компьютер просто не предназначен для обработки частот выше спектра качественного звука. Для бытовых нужд качественным считается звук с полосой от 20 Гц до 20 КГц. Для профессиональных нужд делается запас до, примерно, 100 КГц. Но, расчет все равно идет на слышимый звук. Вот, если бы мы применяли вместо звуковой карты какое либо специальное устройство для оцифровки сигнала с большей полосой. Тогда бы мы смогли “видеть” участок не в несколько десятков килогерц, а хотя бы в несколько мегагерц. А такие устройства уже есть! И они вполне доступны и дешевы.

http://www.analog.com/processors/tigersharc/

http://www.analog.com/processors/blackfin/

Эти Цифровые Процессоры Сигнала (DSP). Они способны, например, обрабатывать спектры видеосигналов. А это полосы, примерно, в 5…8 МГц.

Вернемся к SDR. Что же делает программа? В простейшем случае, без функции фазового подавления зеркального канала, программа производит преобразование ФОРМЫ (временное представление) сигнала, поступающего на вход звуковой карты, в СПЕКТР (спектральное представление) или осуществляет ПРЯМОЕ преобразование Фурье. После такого преобразования программа “знает” какая в данный момент амплитуда сигнала в каждом элементарном, достаточно узком, участке всей полосы принимаемого спектра. Для звуковых нужд ширина каждого такого “лоскутика”, на которые “разрывается общее одеяло” всего спектра от нуля до, примерно, 40 КГц, должна составлять от 1 до 10 Гц. Программа просто интересуется некоторым набором смежных частотных полос, которые и образуют принимаемый спектр сигнала. Заметьте, при этом она ничего не фильтрует, она просто ИНТЕРЕСУЕТСЯ!

Например, рассмотрим участок спектра сигнала, после гетеродинирования, подаваемого на вход звуковой карты, с частотами, предположим, от 25,300 КГц до 28,000 КГц. То есть, с полосой одного канала SSB от 300 Гц до 3 КГц. В процессе работы программы на выходе звуковой карты формируется искусственный, синтезированный звуковой сигнал с той же полосой, в котором начальной элементарной полосой с частотой в 300Гц является спектральная полоса с той же амплитудой, что была у первой элементарной полосы обрабатываемого спектра 25300 Гц. Далее, программа выставляет “палки” с соответствующей амплитудой вплоть до 3 КГц. Таким образом осуществляется перенос участка спектра из ультразвуковой области в звуковую, слышимую, область частот. Обратное преобразование Фурье с переносом спектра. Этот процесс, осуществляемый программно, полностью аналогичен процессу ДЕМОДУЛЯЦИИ в последнем смесителе тракта приема однополосного сигнала. Причем, в нашем примере частота подавленной несущей (25000 Гц) будет соответствовать частоте восстановления, равной 0 Гц. Таким образом мы получаем принимаемый сигнал со строго определенной полосой частот и определенным качеством. Все зависит от программы и возможностей “железа” компьютера. Очевидно, что в примере речь идет о SSB сигнале с верхней боковой (USB). В случае же, когда мы подаем на звуковую карту сигнал с нижней боковой, тогда при формировании демодулированного сигнала мы просто переставляем местами частотные полоски.

Например имеем LSB спектр с той же частотой подавленной несущей, что в первом случае т.е. 25000 Гц. Частоты спектра от 24700 до 22000 Гц. Элементарную полоску вблизи частоты 24700 Гц переставляем на частоту 300 Гц, а полоску 22000 Гц – на частоту 3 КГц. Все это легко производится программой.

Как было уже упомянуто, в данном случае для простоты мы уходим от проблемы подавления зеркального канала приема, которая в SDR осуществляется путем использования двух квадратурных каналов на уровне внешнего “железа”. В приведенных примерах мы имеем как бы старинный, простенький приемник прямого преобразования, который принимает сразу две боковые сигнала - рабочую и побочную, зеркальную. Но, это сделано не только из за простоты! Зададим себе вопрос: “Нужно ли спускать спектр принимаемого сигнала в область НЧ или, в случае SDR, в область ультразвуковой ПЧ, если мы вдруг будем иметь возможность “прожевать” весь спектр сигнала, поступающего непосредственно с антенны? Предположим, в полосе с верхней частотой в 5…10 МГц.” А, ведь, это уже возможно сейчас! В таком случае отпадает необходимость переноса спектра принимаемого сигнала в удобоваримую область частот. Это значит, что отпадает необходимость в применении гетеродина (ГПД) и смесителя. То есть, тракт такого SDR абсолютно не будет нуждаться во внешнем “железе”. Максимум – входной ФНЧ 0…30 МГц и предусилитель. Далее сигнал поступает на ножку чипа DSP, а с другой ножки выходит готовый, демодулированный и отфильтрованный НЧ сигнал. Причем, при применении современных DSP, можно обойтись вовсе без компьютера и других микросхем. Все сделает один чип! Фактически мы возвращаемся в эпоху приемников прямого усиления, где появилась возможность получить избирательность по соседнему каналу не хуже, чем в супергетеродинном тракте.

Возможно, все изложенное пока не совсем практически реализуемо на современном этапе развития микроэлектроники. Но, стремительное наступление техники SDR показало, что это и есть тот самый путь по которому надо двигаться вперед. Тем более, что возможности современных микросхем увеличиваются с неимоверной быстротой. То, что невозможно было решить “в лоб” еще вчера, сегодня не вызывает затруднений.

13.05.2008

То, о чем здесь написано, уже реализовано в виде конкретных конструкций приемников с прямой оцифровкой диапазона PERSEUS SDR (до 40 МГц) с закрытм ПО и QS1R (до 62 МГц) с открытым ПО (ищите в интернете по этим ключевым словам). На очереди создание чисто цифрового ТРАНСИВЕРА, где в качестве драйвера передатчика будет использоваться DDS синтезатор с быстрым управлением всеми тремя параметрами сигнала - частотой, амплитудой и фазой. Это позволит легко сформировать сигнал с ЛЮБЫМ видом модуляции прямо на рабочей частоте, без смесителей, кварцевых фильтров и гетеродинов. В современных DDS это можно сделать на частотах от нуля до, примерно 500 МГц. (AD9910, AD9912). Управляющие воздействия должен формировать блок DSP, анализирующий мгновенные параметры звукового сигнала от микрофона или другого источника. Еще одна задача - "оторвать" SDR от компьютера. Она и сейчас вполне реализуема. Достаточно к USB разъему присоединить не компьютер, а блок управления и индикации.

24.02.2010

Вот примерное ТЕХНИЧЕСКОЕ ЗАДАНИЕ на разработку ПО и железа SSB цифрового приемника... Блок-схема: Как и в прототипах (PERSEUS) с антенны сигнал идет через управляемый аттенюатор, гребенку полосовых или НЧ фильтров, предусилители. Затем поступает на оцифратор. С него цифровой поток идет на высокопроизводительный микроконтроллер или систему параллельно работающих (для увеличения скорости обработки) микроконтроллеров. Их функция - прямое преобразование Фурье. После каждого цикла такого преобразования в некотором объеме ОЗУ остаются N-разрядные отсчеты (амплитуды) частотных полосок (предположим, один герц) всего диапазона обзора (у PERSEUS-а от нуля до 40 МГц). Мы можем "интересоваться" одной, двумя или заданным числом таких полосок для восстановления (демодуляции) НЧ сигнала. Выбирая число полосок мы таким образом можем менять полосу принимаемого сигнала с шагом 1 Гц. Теперь демодуляция... Ее можно осуществлять многими способами. Прелагаю способ "В ЛОБ"... Конкретный пример... Имеем SSB сигнал с верхней боковой на частоте подавленной несущей 10 МГц. Полоса сигнала 2,7 КГц. Полоса в эфире от 10 000 300 Гц до 10 003 000 Гц (USB 2,7 КГц). Программно "интересуемся" (выбираем из ОЗУ отсчеты) с мгновенными амплитудами только 2700 полосок по 1 Гц. (Таким образом, перестройка по частоте приемника с шагом 1 Гц заключается только в сдвиге по адресам ОЗУ). На выходе "демодулятора" имеем некоторое колличество виртуальных (программных) НЧ генераторов синуса с разницей частот 1 Гц. Амплитуда каждого генератора зависит от отсчета для данной полосы из ОЗУ. Таким образом мгновенная амплитуда эфирной частоты 10 000 300 Гц (эта частота равна адресу в ОЗУ общих отсчетов) модулирует амплитуду локального генератора с частотой 300 Гц т.е.переносится по спектру в область НЧ. Амплитуда полосы с частотой эфира 10 000 301 Гц модулирует генератор с частотой 301 Гц. И так до НЧ генератора номер 3000. При инверсии полосы приема (LSB) Отсчет из ячейки ОЗУ с адресом (верхней частотой спектра) 10 003 000 модулирует самый низкочастотный НЧ генератор 300 Гц и т.д... Сигналы с выходов всех НЧ генераторов виртуально суммируются, образуя исходный модулирующий НЧ сигнал. Таким образом происходит обратное преобразование Фурье со сдвигом спектра, что, по сути, и является процессом демодуляции SSB сигнала. Далее сигнал идет на НЧ УМ и на динамик. Система индикации частоты и управления функциями приемника не представляет сложности. Всю конструкцию можно уместить на одном кристалле ПЛИС. Замечу, что ВСЕ описанные здесь процессы осуществляются ТОЛЬКО на уровне программы. Это значит, что все параметры такого приемника могут быть легко изменены в широчайших пределах, что невозможно в аналоговых трактах ПП. Еще замечу, что ни каких аналогий с привычными процессами в аналоговых трактах прямого преобразования здесь нет. Нет смесителей, нет квадратурных каналов, нет гетеродина, нет фильтра... Отклики прошу присылать на мой почтовый ящик: rx3akt(A)mail.ru

16.08.2010

Сергей Макаркин (RX3AKT)