- SDR приемник с частотой гетеродина в два раза выше приемной

Простой SDR приемник с частотой гетеродина в два раза больше приемной на 40 метровый любительский диапазон

Практика для студентов. Мясищев А.А.

Общие понятия о SDR

Software-defined radio (SDR) — системы радиосвязи, в которой программное обеспечение используется как для модуляции, так и для демодуляции радиосигналов.

При использовании SDR практически весь объем работ по обработке сигнала перекладывается на программное обеспечение, которое запускается например, на персональном компьютере. Цель такого подхода — создать систему, которая может принимать и передавать практически любые радиосигналы с помощью программного обеспечения.

В режиме приема SDR может обеспечить более высокую эффективность, чем при использовании традиционных аналоговых методов, т.к. при цифровой обработке сигналов их фильтрация близка к идеальной. С помощью программных алгоритмов могут быть реализованы такие функции, которые очень сложно получить при аналоговой обработке.

Идеальный SDR-приемник — это подключение антенны непосредственно к аналого-цифровому преобразователю (АЦП), соединенному с мощным компьютером. Программное обеспечение компьютера, обеспечивало бы обработку поступающего потока данных и преобразовывало бы их в требуемую форму.

Сейчас реализация SDR возможна пока только на очень низких частотах (десятки килогерц). В реальных устройствах проблема высококачественной оцифровки принимаемых ВЧ сигналов решается их переносом на низкую частоту. С этой целью используются смеситель и опорный генератор. Поэтому требуется использование аналогового оборудования, для направления части спектра частот на обработку в компьютер.

В простых устройствах в аналоговой части широкое применение находит принцип прямого преобразования. Однако отсутствие односигнального приема в приемниках прямого преобразования (Direct Conversion Receiver — DCR) из-за наличия зеркального канала по низкой частоте, ограничивает область применения DCR.

Используя фазовый метод, зеркальный канал (нерабочую боковую полосу) в DCR можно легко подавить на 40 дБ. Однако добиться подавления ее на более 60 дБ, как в для супергетеродинных приемниках среднего класса, в DCR достаточно сложно. Здесь целесообразно использовать цифровую обработку сигнала.

В настоящее время традиционная схемотехника SDR выглядит так.

Аналоговая часть выполнена по принципу прямого преобразования. Принимаемый сигнал через диапазонный полосовой фильтр (ДПФ) поступает на два смесителя, на которые от опорного генератора приходят сигналы одинаковой амплитуды, но с относительным сдвигом фазы на 90 градусов. Относительный сдвиг фазы между сигналами I (in-phase) и Q (quadrature) на выходе смесителей также составляет 90 градусов, а частота сигналов - приблизительно от 0 до 30 кГц. Если подать эти сигналы на звуковую карту персонального компьютера, в котором низкочастотный фазовращатель реализован программно, то можно выделить используемую боковую полосу и подавить нерабочую. Этот принцип фазовой селекции реализован аппаратно в любительских однополосных DCR. Установлено, что для подавления нерабочей полосы на 40 дБ требуется высокая точность поддержания фазы и амплитуды сигналов I и Q. Отклонение фазы не должно превышать один градус, а амплитуды — 0,1 дБ. Для подавления нерабочей полосы на 60 дБ сигналы I и Q должны иметь точность 0,1 град. по фазе и 0,01 дБ по амплитуде.

Если применить в SDR опорный генератор (гетеродин), выходные сигналы которого формируются цифровым квадратурным фазовращателем(D-триггером), то в этом случае автоматически получаются точные фазовые соотношения между сигналами I и Q в широкой полосе частот, которые можно подавать на вход аудиокарты для дальнейшей обработки. В реальных устройствах на сигналы I и Q влияют многие дестабилизирующие факторы. Например, фазовый сдвиги, вызванные наводками от антенны, в ВЧ цепях, диапазонных полосовых фильтрах, смесителях, малошумящих предварительных НЧ усилителях, фильтрах низкой частоты. Это приводит к ухудшению фазовых и амплитудных соотношений между сигналами I и Q. Результат - плохое подавление нерабочей боковой полосы, следствие - ухудшение эффективности работы приемника.

Представленные проблемы устраняются в SDR программными методами. Для этого используется автоматическая или ручная коррекция амплитуды и фазы сигналов I и Q, что обеспечивает подавление нерабочей полосы до 90 дБ. Однако это эффективно работает только на очень узких участках (3 ... 4 кГц), далее вновь требуется коррекция. В результате процесс коррекции периодически повторяется при перестройке внутри диапазона, и при смене диапазона.

Для коррекции формируют встроенную в компьютерную программу таблицу, в которую заносится информация о расхождении фазовых и амплитудных соотношений между сигналами I и Q на определенных частотах (например, программа сканирует диапазоны и, выбирая некоторые мощные сигналы как опорные, подбирает наиболее оптимальные фазовые и амплитудные соотношения). При перестройке по диапазону или смене диапазона данные о требуемой коррекции фазы и амплитуды выбираются из таблицы, что позволяет программе поддерживать очень высокое подавление нерабочей полосы. Поэтому при включении SDR приемника, запуске программного обеспечения требуется некоторое время для его автоматической подстройке с целью максимального подавления нерабочей полосы.

Используя широкополосный спектр на входе звуковой карты, SDR программы формируют панорамный анализатор спектра. Далее происходит процесс выделения полезного сигнала, фильтрация по соседнему каналу, обработка, усиление, детектирование и т.д.. В качестве примера можно отметить, что простой однодиапозонный SDR приёмник с кварцевым задающим генератором на фиксированную частоту способен работать в участке диапазона шириной 48 для 16 битной звуковой карты. Также SDR приёмник способен обрабатывать и принимать практически все виды модуляции CW, LSB, USB, AM, FM, а с помощью дополнительного программного обеспечения и цифровые виды связи как радиолюбительские так и коммерческие, например DRM цифровое радиовещание.

Основная нагрузка в SDR приёмнике лежит не на входном смесителе, а на звуковой карте компьютера. Шумовые и динамические характеристики звуковой карты имеют важное значение в общих характеристиках приёмного тракта. Например, для серьёзного использовании SDR следует применять качественные звуковые карты обязательно с линейным входом.

Практическая часть

В SDR приемнике как правило используется опорный генератор (гетеродин), выходные сигналы которого формируются цифровым квадратурным фазовращателем(D-триггером). В этом случае автоматически получаются точные фазовые соотношения между сигналами I и Q в широкой полосе частот. Однако недостатком является то, что частота такого генератора должна превышать частоту приема в 4 раза. Например, если приемник настроен на 40 метровый любительский диапазон, то частота приема примерно равна 7100 кГц. Гетеродин должен работать на частоте 7100*4=28400кГц. Для 10 метрового диапазона частота гетеродина должна быть 27000*4=108000кГц. Такие частоты требуют использование быстродействующих микросхем - триггеров, коммутаторов, которые не легко достать и они не являются бюджетными. Да и повышение частот снижает стабильность работы генератора. Поэтому здесь рассматривается один из вариантов SDR приемника, который имеет частоту работы гетеродина в два раза ниже частоты приема. Идея заключается в использовании в делителе частоты гетеродина, ВЧ трансформатора -фазоинвертора переворачивающего фазу ВЧ напряжения гетеродина на 180 градусов.

На рисунке 1 представлена схема простого бюджетного SDR приемника, который работает на 40 метровом любительском диапазоне с шириной полосы для 16 битной аудиокарты 48кГц(CMI8738). Центральная частота приема 7132кГц, диапазон приема от 7132-24кГц до 7132+24кГц. Используется модернизированный кварц 14264кГц, полученный из стандартного с частотой 14318кГц методом осаждения серебра.

Рис.1 Схема SDR приемника

На управляющие входы 9,10 коммутатора подаются колебания с гетеродина с частотой 7132кГц, сдвинутые по фазе на 90 градусов. На рисунке 2 показана осциллограмма, полученная с 9,10 выводов коммутатора К561КП1.

Рис.2. Осциллограмма на управляющих выводах 9,10 К561КП1

На рисунке 3 показана иллюстрация работы коммутатора к561кп1.

Рис.3. Иллюстрация работы коммутатора к561кп1

В качестве программного обеспечения SDR приемника использовалась программа SDRSharp v.1361, которая работает под управлением ОС Windows xp. Скриншот программы при работе с любительскими станциями на центральной частоте 7132кГц показан на рисунке 4.

Рис.4. Скриншот программы SDRSharp v.1361 для частоты 7132кГц

Скриншот программы при работе с вещательными станциями на центральной частоте 7340кГц показан на рисунке 5.

Рис.5. Скриншот программы SDRSharp v.1361 для частоты 7340кГц

Из рисунков 4,5 видно хорошее подавление зеркального канала. Для ослабления мощных вещательных станций, которые находятся рядом с любительскими станциями значительно меньшей мощности использован диапазонный полосовой фильтр на основе катушек L1, L2 (рис.1) с конденсаторами на входе приемника. На рисунке 6 показано фото этого приемника.

Рис.6. Фото приемника

В качестве антенны использовался провод длиной ~10 метров с 3-го этажа на землю под углом 45 градусов. Конец антенны над землей закреплен на высоте 1.5 метра.

Чисто субъективно, не делая замеры по чувствительности, избирательности - этот приемник значительно лучше работает, чем приемник прямого преобразования.

Видео иллюстрация здесь.

Литература

1. Rel@x. SDR приёмники. Всё о них. [Electronic resource]. - 2010. – Mode of access: https://forum.cxem.net/index.php?/topic/76530-sdr-приёмники-всё-о-них/

2. Ходыкин И.А. ЧТО ТАКОЕ SDR. [Electronic resource]. - 2009. – Mode of access: http://www.ra4a.ru/publ/priemniki_peredatchiki_transivery/chto_takoe_sdr/14-1-0-23

Написано 12.07.2020г.