Было как-то время, увлекался радио связью на КВ диапазоне, 160 и 80м, но когда переехал в город, все это отложил на верхнею полочку из-за не хватки времени и места где развернуть антенну, хотя 160-метровый диапазон «вымер». В свое время я за 25 гривен получил разрешение с позывным UU5JPP.
Но все равно тянет выйти в эфир, и тут я начал бродить по интернету искать новые схемы трансиверов, и наткнулся на данную схему, о которой пойдет речь, о которой расскажет автор данной схемы.
Возникло как-то желание сделать SDR трансивер. И начались поиски информации и схем по трансиверам SDR . Как оказалось законченных трансиверов практически нет,за исключением различных вариантов SDR-1000. Но для многих этот трансивер и дорог и сложен. Публиковались также различные варианты основных плат,синтезаторы и т.д. ,т.е. отдельные функциональные узлы. Очень много сделал в области развития и популяризации простой SDR техники Tasa YU1LM , который так же сделал законченный трансивер “AVALA” , и можно рекомендовать его конструкции для начинающих в этой области и желающих попробовать,что такое SDR с минимальными затратами.
В конце концов решил сделать свой,максимально простой и в то же время качественный SDR трансивер.При разработке использовались материалы YU1LM и другие публикации. Смеситель было решено сделать на 74HC4051 – делал когда-то приемник прямого преобразования Сергея US5MSQ ,со смесителем на этой микросхеме. А применение 74HC4051 в трансивере позволяет сделать очень простой смеситель - общий и для приемного и для передающего тракта. Качество работы этого смесителя вполне устраивает.
Трансивер построен по схеме прямого преобразования с рабочей частоты на звуковую частоту для обработки сигнала звуковой картой компьютера....Поэтому многое,что написано о технике прямого преобразования относится и к SDR. В частности необходимость подавления нерабочей боковой полосы (в SDR зеркальный канал) фазовым методом.
- Диапазон рабочих частот 14.140 – 14.230 МГц. (При использовании кварцевого резонатора на частоту 14.185 МГц и звуковой карты с частотой дискретизации 96 кГц)
- Чувствительность около 1 мкВ и сильно зависит от качества звуковой карты.
- Динамический диапазон по интермодуляции больше 90 дБ – точней нечем было измерить.
- Подавление несущей на передачу больше 40 дБ (у меня получалось 45 – 60 дБ) и зависит от конкретного экземпляра 74HC4051 ,а также от качества настройки.
- Подавление зеркального канала больше 60 дБ при программой коррекции.
- Выходная мощность около 5 Вт.
Понятно,что для SDR трансивера необходима управляющая программа,и мой выбор пал на программу M0KGK из-за возможности программой коррекции амплитуды и фазы во всем рабочем диапазоне звуковой карты и запоминания калибровочных точек. Это очень важно.Это свойство программы позволяет очень хорошо подавить зеркальный канал. Из-за отсутствия возможности запоминания в программе калибровок на нескольких частотах звуковой карты от ее использования отказался - эта программа прекрасно работает с SDR трансиверами со встроенными синтезаторами частоты,где перестройка по частоте идет именно синтезатором,а не частотой звуковой карты.
Для увеличения кликните на изображение
Принципиальная схема проста и описывать принцип работы не буду. Это можно почитать у Tasa YU1LM , правда на английском языке. Ошибок в печатной плате не обнаружено. Для удобства пайки подписал номиналы элементов на рисунке печатной платы,а не порядковые номера элементов.
Трансивер в настройке практически не нуждается,и при правильном монтаже начинает работать сразу.При правильных конечно настройках программы M0KGK .
Понятно,что у многих возникнут трудности с приобретением кварцевого резонатора. Поэтому в случае его отсутствия или же из-за желания иметь весь диапазон 20 м,можно просто использовать внешний ГПД или синтезатор на рабочую частоту,сигнал с которых нужно подавать на 1-й вывод 74HC04 через разделительный конденсатор 10нФ. Конденсаторы С63 и С64 не ставить.
Работать на этом трансивере очень приятно и удобно. Все управление компьютерной мышкой. Виден весь спектр в полосе 96 кГц,и простым указанием или «перетягиванием» фильтра программы мгновенно перестраиваемся на интересующую станцию.Очень оперативно и наглядно. После работы на этом трансивере, работая на обычном уже чего-то не хватает – зрительной информации об обстановке на диапазоне.
Фанаты группы ПЕЛАГЕЯ ("Полефаны") В Контакте
Концерт на площади Минина в Нижнем Новгороде 9 Мая 2013
Мини-концерт в Магасе (Ингушетия) 4 Июня 2014
Создайте тему (если она ещё не создана) на форуме http://ra3pkj.keyforum.ru
SDR HAM - Вводная информация
Внимание! В зимнее время возможен выход из строя микросхемы CY7C68013 из-за пробоя статическим электричеством, которое накапливается в воздухе и на окружающих предметах, а затем стекает по непредсказуемому пути. Необходимо, чтобы оборудование было заземлено, а земляная шина SDR была соединена с корпусом компьютера отдельным проводом. Прикосновение к платам и деталям на платах, которые подключены к оборудованию, производить только после снятия статического электричества с рук, например прикоснувшись к массивным металлическим предметам. НАСТОЯТЕЛЬНО рекомендую подключить корпус USB-разъёма (который на плате SDR) непосредственно к земляной шине SDR, для чего необходимо закоротить параллельную цепочку C239, R75 (около USB-разъёма).
По поводу приобретения чистых плат обращаться к Юрию (R3KBL) [email protected]
Скажу сразу - я не изготавливал этот трансивер, просто мне интересна сама тема и результаты. Тем более, что в трансивере применён синтезатор на AD9958 моей разработки, а также написана мной новая прошивка для интегрированного в плату USB-переходника, которая заменила исходную устаревшую прошивку "от немца" (об этом сказано ниже).
Общая информация
Трансивер SDR HAM является клоном SDR-1000, конструктивно разработан Владимиром RA4CJQ. В трансивере использованы известные схемные решения, наработанные многими радиолюбителями. Отличие от известного "киевского" клона SDR-1000UA довольно заметное. Краткое описание особенностей:
1. Одноплатная конструкция.
2. Усилитель мощности передатчика не менее 8 Вт (у кого есть талант, тот может выжать и больше).
3. Синтезатор частоты на микросхеме DDS AD9958 с низким уровнем спуров (синтезатор описан здесь: ).
4. Управление трансивером через USB (USB-переходник конструктивно описан здесь: , но для SDR-HAM прошивка специальная!!!).
5. Питание: +13,8В и двухполярное +-15В.
6. Двухступенчатый релейный аттенюатор на входе приёмника.
7. Измеритель КСВ и мощности.
8. Работа без тормозов в ЛЮБЫХ операционных системах Windows без установки драйвера (используется системный HID-драйвер самой Windows), что стало возможным после замены прошивки интегрированного в плату USB-переходника (об этом сказано ниже).
Информация о прошивках и программном обеспечении
Трансивер работает с официальными PowerSDR от FlexRadio Systems версий не выше 2.5.3 (начиная с версии 2.6.0 трансивер SDR-1000 и его клоны не поддерживаются), но работает с PowerSDR 2.8.0 от KE9NS, которая была в свою очередь адаптирована под SDR-1000 радиолюбителем Excalibur (последний писк моды). Здесь подробнее о этой версии 2.8.0 .
Контроллер AT91SAM7S (используемый для управления синтезатором на AD9958) следует прошивать как описано здесь: .
Теперь
поговорим о прошивке микросхемы
памяти 24C64, которая необходима для функционирования контроллера
CY7C68013 в качестве USB-переходника. Исторически, когда трансивер пошёл в
массы, в микросхему памяти "заливали" прошивку USB-LPT переходника от "немца"
(описан у меня на сайте ), но как
оказалось, в версиях Windows выше, чем Windows 7-32, прошивка
по-человечески не работает. Тормоза и проблемы с цифровой подписью драйвера!!!
(обладатели Windows XP и Windows 7-32 могут спать спокойно). Проблема
была решена после написания мной новой прошивки, которая работает в любых
операционных системах без тормозов и к тому же не требует установки драйвера
(Windows сама найдёт в своих закромах HID-драйвер). Прошивка создана мной в
содружестве с US9IGY.
Но есть нюанс - ПЕРЕпрошивка микросхемы памяти,
находящейся на
плате,
требует упражнений с паяльником, так как связана с поднятием одной ножки
микросхемы и подключением временного тумблера (об этом будет сказано
ниже). Прошитие в плате ЧИСТОЙ микросхемы (т.е. в свежеизготовленном
трансивере или когда микросхема памяти установлена их магазина) не требует
дополнительных упражнений с паяльником. Оба варианта Вашего поведения описаны
ниже:
1. чистую микросхему памяти 24C64 следует прошивать как описано здесь: , за исключением того, что используется специальная новая прошивка и не устанавливается упомянутый в конце указанной страницы основной рабочий драйвер. Скачать новую прошивку sdr_ham.iic: sdr_ham.zip . Прошивка прошивается в самом трансивере через USB (в этом же архиве лежит прошивка sdr_ham.hex для тех, кто пожелает прошить микросхему памяти вне трансивера, т.е. при помощи программатора). Перед прошиванием не забудьте переставить джампер на плате (который около 24C64) в положение разрешения программирования, а также не забудьте потом после прошивания вернуть его в первоначальное положение.
2. кто будет перепрошивать микросхему памяти 24C64 (которая имеет старую прошивку от "немца"), должен сделать всё тоже самое, что описано выше в пункте 1, но с учётом следующего: отпаять временно ножку 5 микросхемы 24C64 (делаем вид, что у нас чистая микросхема) и подключить её через тумблер, переставить джампер на плате (который около 24C64) в положение разрешения программирования и при разомкнутом тумблере подключить SDR к usb-гнезду компьютера. Далее включить питание SDR и запустить программу прошивальщика. Непосредственно перед прошиванием замкнуть тумблер. После прошивания выключить SDR и восстановить всё обратно.
Для справки. SDR (а точнее его USB-переходник) определяется компьютером как Устройство HID, в свойствах которого имеются следующие значения ID: VID_0483 и PID_5750.
После того, как все хлопоты по прошиванию завершены, можно смело выдохнуть и уже спокойно поместить в папку с PowerSDR файл Sdr1kUsb.dll от RN3QMP - cкачать sdr1kusb_rn3qmp.zip . В PowerSDR, в меню General -> Hardware Config поставьте галочку "USB Adapter".
Информация для обладателей различных других SDR-трансиверов!!! В прошивке микросхемы памяти 24C64 (для CY7C68013) я ограничился только тем, что необходимо для SDR HAM. Прошивка не предназначена для модернизации USB-переходников на CY7C68013 для SDR-1000 с DDS AD9854. Это подтверждается экспериментом UR4QOP в трансивере от UR4QBP - DDS AD9854 не работает! Так что констатирую, что прошивка предназначена только для SDR HAM. Что-либо адаптировать в прошивке для других применений (кроме как для SDR-HAM) не имею времени и мотивации.
Чистые платы от yuraws
Чистые платы с металлизацией отверстий, паяльной маской и маркировкой.
Прямая сторона:
Обратная сторона:
Схема
Скачать и распаковать схемы (а также чертежи платы с двух сторон) в формате PDF: sdr_ham_shema_pdf.7z Эти же схемы для общего ознакомления показаны ниже.
Входной аттенюатор, УВЧ:
Диапазонные полосовые фильтры (на схеме кольца Amidon указаны цветом - красные T50-2, жёлтые T50-6):
Смесители, усилители приёмника и передатчика:
Автоматика управления_1:
Автоматика управления_2:
Синтезатор частоты:
Переходник USB/LPT:
Микроконтроллер управления синтезатором частоты:
Усилитель мощности передатчика и АЦП измерителя КСВ и мощности:
Плата
Качественные чертежи платы в формате PDF находятся в том же документе, что и схемы (скачать в предыдущем параграфе). Ниже показан общий вид для ознакомления:
Дизайнерский проект
Скачать проект (со схемой и платой): project_sdr_ham.7z Просмотрщик AltiumDesignerViewer на официальном сайте: http://downloads.altium.com/altiumdesigner/AltiumDesignerViewerBuild9.3.0.19153.zip
Перечень элементов
Перечень от RA4CJQ сформирован автоматически программой разводки печатной платы, поэтому названия многих элементов носят не конкретный, а условный характер. Имейте в виду, что такие названия часто не пригодны для составления заказов на элементы в магазинах. Скачать перечень элементов в формате Excel 2007-2010 : sdr_ham.xlsx .
Перечень от Стива (KF5KOG). Этот перечень, кроме того, включает ссылки на магазины Mouser и Digikey (названия элементов кликабельны). Указаны названия по каталогу этих магазинов (они немного отличаются от названий самих производителей элементов): Parts List with Manufacturer part Numbers 18 Sep 2014.pdf
Ошибки и усовершенствования
Иногда от радиолюбителей поступают сообщения на форумах о замеченных ошибках, а также предлагаются различные усовершенствования. По мере возможности я буду здесь их публиковать.
#1. На плате перепутаны позиционные обозначения резисторов R90 и R94 в обвязке одного из транзисторов RD06 усилителя мощности. На рисунке правильное обозначение (резисторы помечены выделением):
#2. В схеме УВЧ, в цепи питания микросхемы DA1 AG604-89 резисторы R5 и R6 должны быть по 130 Ом каждый.
#3. Неоднократно сообщалось, что на чистых платах от производителя (ссылка на производителя вверху страницы) встречаются коротыши в зоне элементов ДПФ. Причём сопротивление коротышей может быть самым разным, например несколько Ом и выше. В режиме приёма это бывает не особо заметно на слух, а вот при передаче мала выходная мощность. Также коротыши встречались в зоне микросхем INA163, что выражалось в дисбалансе сигналов, подаваемых на левый и правый каналы звуковой карты. Часто коротыши не видны даже при большом увеличении. В таких случаях коротыши надо "выжигать" электрическим током небольшого напряжения, но достаточной мощности.
#4. Обратите внимание, что микросхема DD6 на плате изначально развёрнута на 180 град. по сравнению с микросхемами DD4, 8, 9. Это правильно! Можно машинально припаять DD6 аналогично DD4, 8, 9 и это будет не правильно.
#5. Трансивер требует для питания внешнее двухполярное напряжение +-15В (помимо напряжения +13,8В). В принципе можно питать от трансформаторного источника +-15В, но многие радиолюбители применяют микросхемы преобразователей DC/DC, мирясь с некоторым увеличением шумов от таких преобразователей. Для этого изготавливают платку, на которой распаивают микросхему и элементы обвязки, а саму платку размещают на плате трансивера. Используют микросхемы MAX743 (преобразователь из +5В в +-15В), ссылка на даташит http://datasheets.maximintegrated.com/en/ds/MAX743.pdf , в даташите есть рисунок печатной платы, обвязка микросхемы достаточно сложна. Также используют микросхемы P6CU-1215 (из +12В в +-15В) или P6CU-0515 (из +5В в +-15В), требующих меньше элементов обвязки, ссылка на даташит http://lib.chipdip.ru/011/DOC001011940.pdf . Также упоминаются микросхемы RY-0515D и NMV0515S (обе из +5В в +-15В), последняя шумит мало. Надо сказать, что при использовании преобразователей из +5В в +-15В требуется увеличенный радиатор на стабилизатор +5В, т.к. ток потребления преобразователей заметный.
#6. Для получения выходной мощности 10Вт (и более) следует заменить транзисторы RD06HHF1 на RD16HHF1. Ток покоя каждого транзистора выставить 250мА. Если размер радиатора позволяет, то можно сделать ток покоя значительно больше. Stew KF5KOG в yahoo-группе предлагает поменять номиналы элементов обвязки этих транзисторов. Конденсаторы C254,268 изменить на 0,1 мк, а резисторы R91,102 изменить на 680 Ом.
#7. ВЧ-трансформатор на бинокле BN-43-202 на выходе усилителя мощности сильно греется. Предлагается заменить сердечник на трубки 2643480102 FERRITE CORE, CYLINDRICAL, 121OHM/100MHZ, 300MHZ. Размеры Dвнешн.12,3мм х Dвнутр.4,95мм х Длина 12,7мм, материал-43. Даташит http://www.farnell.com/datasheets/909531.pdf (на фото справа лежит для сравнения прежний трансформатор на бинокле):
Stew KF5KOG в yahoo-группе предлагает заменить сердечник на BN43-3312. Конденсатор C261 изменить на 100пФ, при этом выходная мощность на диапазоне 6м получается не менее 8Вт (при использовании транзисторов RD16HHF1). Вторичная обмотка 3 витка!
По-другому решал проблему радиолюбитель с ником Lexfx (форум CQHAM). Он установил дополнительный дроссель (на схеме красным цветом), при этом средний вывод бинокля уже не используется. Сердечник дросселя 10х6х5мм (вероятно 1000НН), 7 витков в два провода диаметром 0,8мм:
#8. Информация из yahoo-группы. Чтобы уменьшить шум УВЧ необходимо отрезать в одном месте земляную дорожку (на рисунке - Bridge gap), а в другом месте добавить SMD-индуктивность, разорвав в этом месте проводник (на рисунке - Cut Trace):
#9. Для выравнивания шумовой дорожки на панораме PowerSDR рекомендуют уменьшить величину ёмкости конденсаторов C104, 107, 112, 113 (на выходах смесителя FST3253 приёмника) до 0,012мк или даже до 8200пф.
#10. Ошибка при разводке платы. Выводы 2,3 (исток, сток) транзистора VT2 IRLML5103, подающего питание на микросхему УВЧ, надо поменять местами. Как это сделать, решайте сами. Возможно проводочками. Даташит IRLML5103.pdf
#11.
Неудачная схема обхода усилителя мощности. При переходе на передачу кабель
обхода остаётся подключённым к входу усилителя, что приводит к возбуду усилителя
на частоте 50 МГц. Предлагается использовать свободные контакты реле K26 для
полного отключения кабеля обхода. Реле К26 имеет две группы контактов. Выпаиваем
К26 (если оно уже было впаяно) и выполняем согласно схеме и рисунку ниже.
Используем обмоточный провод ПЭВ для перемычек. Возможно придеться немного
подогнуть ножки реле перед запайкой. Будет почти не заметно. На фрагменте
платы белыми чёрточками показаны места перерезания дорожек, а тонкими
чёрными линиями показаны проволочные перемычки:
Радиатор - алюминиевая пластина толщиной 3...4мм, закреплённая снизу платы на стойках. Транзисторы усилителя мощности и стабилизатор +5В распаяны на обратной стороне платы и прикручены к радиатору.
Для многих радиолюбителей при выборе модели трансивера определяющим фактором является его цена, для других, менее стесненных в средствах, - высокие параметры и удобство пользования. Есть любители «поиграть» с новой моделью, а затем продать ее, есть «профессиональные» контестмены, которым требуются трансиверы с «супердинамикой», есть фанаты определенных фирм, на дух не переносящие аппаратуру других производителей.
Однако когда мы говорим о различных современных трансиверах, предназначенных для любительской KB радиосвязи, в первую очередь заострим внимание на выбранной производителем концепции таких устройств: «классические» супергетеродины с преобразованием вниз или вверх и только аналоговой обработкой сигнала; супергетеродины с преобразованием вниз или вверх со смешанной обработкой сигнала (аналоговой и цифровой); супергетеродины с преобразованием вниз или вверх и широким использованием цифровой обработки сигнала; программно-определяемые радиоустройства (SDR), в которых аналоговыми являются входные узлы и смеситель, а вся обработка сигнала - цифровая, осуществляемая с помощью персонального компьютера и/или быстродействующих АЦП и сигнальных процессоров. Многие параметры такого радиоустройства в основном определяются применяемыми алгоритмами обработки сигнала и, соответственно, могут быть улучшены по мере совершенствования программного обеспечения. Кроме того, в SDR-трансиверах автоматическая регулировка усиления также реализуется цифровыми методами.
Справедливости ради следует отметить, что под концепцию SDR подпадают и супергетеродины, в которых преобразование частоты используется для понижения частоты принятого сигнала, чтобы обеспечить его обработку сигнальными процессорами. Под обработкой сигнала подразумеваются: селекция, фильтрация, регулировка амплитудно-частотной характеристики, режекция несущих и тональных мешающих сигналов, подавление импульсных помех и фоновых эфирных шумов, визуализация (например, вывод спектра на графический дисплей) и т.д.
В сводной таблице наиболее популярные модели современных трансиверов расположены в порядке, определяемом совокупностью наиболее значимых электрических параметров (по результатам измерений, проведенных в лаборатории ARRL и публикуемых в журналах QST). Типичным представителем «классического» супергетеродина с преобразованием вверх и только аналоговой обработкой сигнала является трансивер Alinco DX-SR8T. Годами отработанные схемотехнические и конструкторские решения, повидимому, позволили создать один из самых недорогих трансиверов - «рабочую лошадку» для рядовых радиолюбителей.
В настоящее время трансиверы, в которых цифровая обработка сигнала играет второстепенную роль, а аналоговая - основную, уже редкость. И это понятно - мы являемся свидетелями процесса стремительного внедрения цифровых технологий практически в любой области радиоэлектроники. В приемных трактах современных супергетеродинов чаще всего применяется распределенная по каскадам селекция - сначала сигнал проходит через достаточно широкополосный аналоговый «руфинг»-фильтр, а дальнейшую требуемую избирательность обеспечивают дополнительные аналоговые или цифровые фильтры.
Современные устройства цифровой обработки сигнала позволяют создавать устройства обработки сигнала, близкие к идеальным, некоторые параметры которых значительно превосходят параметры аналоговых фильтров (кварцевых, электромеханических и т.д.) и других традиционных узлов приемо-передающей радиоаппаратуры (шумоподавители, notch-фильтры и т.д.). Наборы узкополосных (например, 2,4 и 1,8 кГц, 500 и 300 Гц) кварцевых фильтров применяются в некоторых моделях трансиверов для расширения динамического диапазона при малых расстройках от частоты принимаемого сигнала, чтобы максимально снизить уровень помех в приемном тракте.
В связи с необходимостью установки узкополосных фильтров для получения максимального динамического диапазона знаковым стало возвращение к преобразованию вниз в трансиверах, использующих супергетеродинную схему. Вновь «открыли» такое преобразование инженеры фирмы Elecraft, выпустив трансиверы К2 и КЗ, имеющие приемники с отличными параметрами по «динамике». Выгоду от применения низкой промежут очной частоты отметили не только радиолюбители, которые рублем (долларом, евро и т.д.) «проголосовали» за эти модели, но и разработчики фирм Yaesu и Kenwood - «китов», давно и успешно выпускающих связную радиоаппаратуру. В новинках этих фирм - трансиверах Yaesu FTdx5000 и Kenwood TS-590 применяется преобразование вниз (точнее смешанное, но об этом чуть ниже), и эти устройства действительно имеют отличные параметры (каждый в своей ценовой категории), а уж по соотношению «цена/ параметры» TS-590 пока явный фаворит. Кроме отличных динамических характеристик, этот трансивер выгодно отличают встроенная звуковая карта и универсальный USB-порт, обеспечивающий управление самыми разнообразными функциями - CW- и FSK-манипуляцией, САТ-системои и т.д. Правда, если в основном приемнике трансивера FTdx5000 на всех KB диапазонах применяется «честное» преобразование вниз (второй приемник этого трансивера имеет преобразование вверх), то в TS-590 преобразование смешанное - в тех диапазонах, где от приемника требуется максимальная динамика, используется преобразование вниз, а на незагруженных диапазонах, а также при работе с «широкими» кварцевыми фильтрами в загруженных диапазонах - преобразование вверх.
Получить сигнал гетеродина с низким уровнем фазовых шумов в системах с фазовой автоподстройкой частоты значительно сложнее, чем в устройствах прямого синтеза частоты, да и схемотехнически высококачественный синтезатор с ФАПЧ является весьма «навороченным» устройством.
Фирма Icom - третий «кит», производящий аппаратуру для любительской радиосвязи, - пока остается приверженцем супергетеродинов с преобразованием вверх. Однако, судя по основным электрическим параметрам даже «топовых» моделей этой фирмы, такой подход пока не позволяет создать транси- вер с максимальными динамическими характеристиками, и «топовые» модели Icom являются «крепкими середнячками».
Американскую фирму Flex Radio Systems с полным основанием можно назвать возмутителем спокойствия на рынке аппаратуры для любительской радиосвязи. Уже первая модель этой фирмы- программно-определяемый трансивер SDR-1000, с которым она вышла на рынок радиолюбительской аппаратуры, - произвела миниреволюцию в умах и предпочтениях многих радиолюбителей. Ведь, по сути, был предложен совершенно новый подход к конструкции трансивера и работе с ним: вместо передней панели с дисплеем и многочисленными ручками управления - экран персонального компьютера. Настройка на сигнал и управление режимами работы осуществляется с помощью компьютерной «мышки» и клавиатуры, в режиме реального времени на спектральном дисплее отображаются все сигналы в выбранном участке диапазона, настройка на любой из которых происходит практически мгновенно.
Фактически SDR-трансивер фирмы Flex Radio Systems - это «черный ящик» с минимальной аналоговой частью, обеспечивающей с помощью квадратурного смесителя перенос принимаемых сигналов на низкую частоту, на которой происходит обработка сигнала персональным компьютером. В настоящее время Flex Radio Systems выпускает SDR-трансиверы Flex-5000А и Flex-3000 - действительно современные высокоэффективные устройства.
Все трансиверы являются программно-определяемыми (исключение - Alinco DX-SR8T). Это значит, что их параметры в значительной степени зависят от применяемого программного обеспечения, новые версии которого радиолюбители могут «загрузить» в свои трансиверы с сайтов фирм-производителей. Практика показывает, что, как правило, новая версия программы может основательно улучшить качество работы трансивера, поэтому настоятельно рекомендуется проводить обновления программного обеспечения.
Традиционно, на протяжении последнего столетия преобладал один единственный метод, ставший классическим, - это вращение ручки настройки определённого узла внутри радиостанции (входной контур, гетеродин, синтезатор). То есть, настройка, связанная с механическим или электрическим изменением одного или нескольких её. Этот метод настройки накладывает ряд ограничений для операторов радиостанций. В один момент времени мы можем принимать передачу только от одной станции. Для того чтобы послушать другую станцию, нам нужно, прежде всего, потерять предыдущую станцию и затем настроиться на новую. А это уже некий процесс, занимающий определённое время и исключающий в принципе комплексное и полное восприятие радиоэфира как источника информации. Ограниченность этого метода такова, что мы не можем увидеть живой эфир. Сначала обязательно нужно просканировать определённый участок, а потом развернуть «замороженное» изображение, как это пока реализовано в большинстве трансиверов компании Yaesu.
Кроме того, как известно из теории построения современных радиоприёмных устройств, основное усиление в супергетеродинных приёмниках обеспечивает его усилитель промежуточной частоты (УПЧ), который и определяет реальную чувствительность приёмника, т. е. его способность принимать слабые сигналы.
Фильтры сосредоточенной селекции (ФСС) этого тракта обеспечивают селективность (избирательность) приёмника по соседнему каналу. Лучше всего с этой задачей справляются кварцевые фильтры, имеющие крутые скаты характеристики.
На приведённом рисунке показана характеристика фильтра. Его полоса пропускания (ПП) определяется по уровню 0,7·К, где К – коэффициент передачи фильтра. Из рисунка видно, что амплитуда помехи значительно ослаблена относительно амплитуды полезного сигнала: К2<К1.
Отсюда очевидно, что чем более пологие скаты характеристики, тем меньше подавляется сигнал мешающей помехи и наоборот. Селективность по соседнему каналу – это параметр характеризующий, способность приёмника выделить нужный сигнал на данной частоте в заданной полосе.
Помимо селективности по соседнему каналу в супергетеродинах существует такое понятие, как селективность по зеркальному каналу, которая определяется конструкцией входных цепей приёмника.
Но самая главная особенность супергетеродинных приёмников заключается в том, что чем ниже значение его промежуточной частоты, тем более прямоугольные скаты характеристики его полосовых фильтров можно получить и тем выше селективность по соседнему каналу. Но, чем ниже значение промежуточной частоты, тем хуже селективность по соседнему каналу. Поэтому, выбирали компромиссное значение промежуточной частоты 465 кГц для радиоприёмников, выпускавшихся в СССР и 455 кГц для современного радиооборудования. Чтобы улучшить селективность по зеркальному каналу, приходилось применять схемы с двойным и тройным преобразованием. Но, при этом, увеличивались собственные шумы приёмника, а увеличение количества смесителей приводило помимо этого ещё и к ухудшению динамического диапазона приёмника и к снижению устойчивости этих приёмников к интермодуляционным помехам. Динамический диапазон определяет способность принимать слабый сигнал на данной частоте, когда рядом в стороне на другой частоте включается другая мощная станция. Он определяется линейным участком характеристики и ограничен «снизу» собственными шумами приёмника, а «сверху»-нелинейностью элементов схем смесителей. В современном эфире уровень сигналов в антенне приёмника может достигать нескольких сотен милливольт. При таком уровне входного сигнала приём уже не возможен и фактически блокируется. Понятие «динамический диапазон» описывает максимальные уровни сигналов, подаваемых на вход приёмника при которых радиоприёмный тракт способен нормально работать и не перегружаться. Типовые цифры динамического диапазона для трансиверов сегодняшнего дня составляют 80...100 дБ и позволяют комфортно работать в эфире на одном диапазоне, даже если в радиусе до 1км от вас будет находиться соседняя радиостанция с мощностью 100 Вт.
Основной особенностью трансиверов, выполненных по классической схеме с несколькими преобразованиями, являются повышенный уровень тепловых шумов всех полупроводниковых элементов тракта на выходе радиоприёмника. Чем больше в тракте элементов преобразования и усиления, тем, соответственно, выше уровень шумов на выходе. Сюда же прибавляются шумы синтезаторов и других генераторов. Применение автоматической регулировки усиления слабо влияет на общий шум тракта, т.к. количество элементов усиления/преобразования остаётся постоянным. Проявляется эта проблема как постоянный назойливый шум в наушниках или динамике радиоприёмника даже с отключенной антенной. При подключении антенны - этот шум может маскироваться шумами радиоэфира, но при этом теряется самое главное - хорошо слышимая любым ухом прозрачность эфира!
С широким распространением в последние 20 лет цифровой техники и алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС или DSP по англ.), в тракт обработки ПЧ стали внедрять микропроцессоры DSP. Это позволило существенно улучшить качество основной селекции сигнала (Полоса фильтра от 50 Гц, уровни подавления соседнего канала до -100 дБ) и ввести множество дополнительных и полезных функций, начиная от отчистки спектра принимаемого сигнала от шумов и помех до декодирования цифровых видов модуляции.
Внедряя в один корпус несколько радиоприёмных трактов с несколькими трактами ПЧ и DSP, производители научились реализовывать такую новую и популярную функцию, как отображение панорамы спектра на рабочем диапазоне. Больше всех в использовании этой технологии преуспела компания ICOM.
Однако, когда с применением DSP максимально улучшилась селекция по соседнему каналу приёма, на первый план вышло несколько проблем, которые в предыдущих реализация тракта ПЧ были решены примерно на одном уровне с трактом ПЧ и не были так актуальны. Это избирательность по побочным каналам приёма и динамический диапазон принимаемых сигналов.
В любом варианте построения приёмного тракта с одной или несколько промежуточных частот всегда будут присутствовать побочные каналы приёма. Это так называемые зеркальные каналы от частот ПЧ и каналы от преобразования на гармониках. Их появление связано как с математикой преобразования сигналов, так и с нелинейностью элементов преобразования, без которых обойтись нельзя в принципе. Количество побочных каналов приёма может быть очень большим и зависит от количества ПЧ и их номинала. Производители пытаются решить возникающие проблемы самыми разными способами и ухищрениями, придумывая новые способы подавления побочных каналов приёма. Это и минимизация количества ПЧ, и выбор ПЧ намного выше частоты принимаемых сигналов, и применение сложных схем предварительной селекции. На сегодняшний день, типовая цифра подавления зеркальных каналов составляет примерно -60...-70 дБ. Её достаточно для того, чтобы в современном перегруженном эфире более или менее находится комфортно.
Избавится если не от всех, то хотя бы от большинства описанных выше проблем позволили методы прямого преобразования сигналов из радиодиапазона в спектр звуковых частот и обработка конечного сигнала фазовым способом, где основное усиление и обработка сигнала происходит не на промежуточной, а на низкой (звуковой) частоте.
Принцип прямого преобразования был известен ещё в 30-х годах прошлого века. Но в то время, при той элементной базе получить приемлемое качество приёма было невозможно. Радиолюбители вернулись к приёмникам и трансиверам прямого преобразования уже в 70 года прошлого века. У нас в стране пионером в этой стал Владимир Тимофеевич Поляков, который написал множество статей и выпустил книги по технике прямого преобразования. Опубликованные им практические схемы приёмников и трансиверов, работающих на принципе прямого преобразования, повторили многие радиолюбители, в том числе и начинающие. Но в то время элементная база не позволяла добиться ощутимого преимущества, кроме себестоимости по сравнению с супергетеродинами. В настоящее время, с появлением компьютеров, имеющие современные звуковые карты, на которых производится основная обработка сигналов, техника прямого преобразования переживают своё второе рождение.
Сегодня компьютер всё больше и больше входит в нашу жизнь. Если раньше, ещё каких-то 15 лет назад применение ПК ограничивалось только ведением аппаратного журнала, управлением трансивера по САТ-интерфейсу да обработкой сигнала в цифровых видах связи, то уже сейчас все производители современного оборудования стремительно внедряют самые передовые инженерные решения в схемотехнику современных трансиверов. Со стремительным увеличением вычислительных мощностей и миниатюризацией интегральных схем, появилась возможность широкого внедрения микропроцессоров. Сначала обрабатывали детектированный НЧ сигнал, потом стали оцифровывать сигнал уже на низкой, приближенной к звуковой ПЧ – 12..48 кГц, и уже программно кодировать/декодировать любые виды модуляции. Осталась всё та же технология основной фильтрации и обработки сигнала на промежуточной частоте. Весь упор делается на расширении сервиса управления и отображения, пока в 2004-2006 годах на рынок радиосвязи не вышла компания Flex-radio, начавшей серийной производство трансивера Flex SDR-1000 (Software Define Radio - программно определяемое радио), работающего по принципу прямого преобразования. Технологически, это позволило значительно упростить схему и снизить себестоимость по сравнению с классическими трансиверами. В конструкции осталось только несколько узлов: синтезатор частоты, управляемый от компьютера, смеситель приёма и передачи, малошумящий УНЧ, узлы коммутации приёма/передачи, усилитель мощности передатчика и диапазонные фильтры.
Примерно с 2005 года по всему миру сразу несколько компаний, а так же энтузиасты-одиночки начали копировать трансивер SDR Flex-1000 со всякими модификациями и без оных. Самым известным и популярным в России стал клон трансивера от г-на Тарасова, UT2FW. Только благодаря его усилиям для многих россиян стал доступен 3-х платный, во многом улучшенный вариант-клон трансивера SDR Flex-1000, а так же 100 Ваттный полностью законченный вариант трансивера.
В России SDR трансиверы стали известны благодаря таганрогской компании Expert Electronics, которая в 2007 году начала выпускать свой вариант SDR-трансивера под наименованием Sun SDR-1 . Он является улучшенной копией трансивера Flex-1000 и принципиально иной схемой управления. Если оригинальный трансивер Flex-1000 имел управление по морально устаревшему параллельному интерфейсу LPT, то разработчики Sun SDR-1 управление трансивером реализовали через USB-интерфейс и полностью с нуля написали свою программу трансивера. Примерно в конце 2005 - начале 2006 года, происходит действительно эпохальное событие, с которого начался переворот в мире радио и широкое распространение архитектуры DDC.
Российская компания из Таганрога Expert Electronics весною 2012 объявляет о выпуске своего новой рации Sun SDR2 .
В конце лета 2012 года они выпускают в продажу свои первые готовые трансиверы. Таганрогцы выпуситили не просто относительно дешевый и функционально законченный DDC/DUC трансивер на КВ диапазон, но ещё смогли реализовать в нём работу на УКВ-диапазоне, сделали беспроводную связь с трансивером - полное управление по Wi-Fi, а также все ПО для трансивера написать сами с нуля.
Смесители, применяемые в современных приёмниках, выполненных по SDR технологии, построены по двойной балансной схеме и вносят минимум потерь. Благодаря тому, что в качестве элементов смесителя используются аналоговые высокоскоростные ключи – такой смеситель практически не шумит. Всё усиление происходит на низкой частоте и обеспечивается специализированными малошумящими микросхемами. Для того, чтобы сохранить высокое значение динамического диапазона АЦП, усиление УНЧ выбрано минимально возможным. Оно только компенсирует потери в смесителе и входных цепях. С выхода АЦП оцифрованный сигнал обрабатывается уже программным методом.
Например, в трансиверах Flex SDR это усиление соответствует 20 дБ. Дополнительное усиление осуществляется регулировкой малошумящего усилителя (МШУ) по низкой частоте. Даже без предусилителя чувствительность трансиверов Flex SDR, составляет -116 дБм – это соответствует 0,35 мкВ. С включенным предусилителем в среднем положении чувствительность улучшается до значения -127 дБм или 0,099 мкВ, с максимальным усилением чувствительность составляет уже -139 дБм или 0,025мкВ и ограничена уже шумами самого предусилителя.
По сравнению с обычными трансиверами, SDR выигрывает не только по чувствительности, но и по «шумности», что является одним из главных субъективных оценок качества работы трансивера.
Структурная схема распределения усиления по основным блокам приведена ниже.
Итак, одной из самых главных характеристик радиоприёмного тракта является его способность выделять полезный сигнал необходимой полосы на любой из рабочих частот с минимальными искажениями и минимальной неравномерностью.
Даже самый простой SDR трансивер семейства Flex, практически превосходит все аппараты по чувствительности, хотя и уступает по динамическому диапазону. Динамический диапазон АЦП AIC33 в 16-битном определяется его избирательностью по побочным каналам, по зеркальным каналам, и точкой 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.
В SDR трансиверах сигнал с помощью единственного смесителя переносится с радиодиапазона на низкую ПЧ (0-100 кГц) и оцифровывается с помощью звуковой карты, а дальше программными методами демодулируется нужная полоса частот с нужным видом модуляции. Для вычисления фазовым методом требуется пара максимально идентичных каналов приёма сдвинутых по фазе на 90 градусов. В результате преобразования сигнала в 2-х каналах мы имеем зеркальный канал, отстоящий на 180 градусов относительно прямого канала и легко задавливаемый программными методами на -100...140 дБ. Ещё проще получается селекция сигнала по соседнему каналу. При использовании ЦОС, уровень подавления соседнего канала примерно равен динамическому диапазону АЦП DSP - т.е. легко укладывается в цифры -100...-120 дБ с коэффициентом прямоугольности фильтра очень близким к 1.
Достичь подобных цифр подавления при использовании аналоговых фильтров в принципе невозможно. Для сравнения, подавление соседнего канала хорошим кварцевым фильтром на уровне -60дБ происходит при отстройке на 1...2 кГц. В программном фильтре подавление на -100 дБ происходит при отстройке всего на 50-100 Гц. Это разница хорошо заметна в случае, когда соседний сигнал идёт с уровнем 9+40...+60дБ. На классическом аналоговом трансивере вы теряете эфир, пока не отстроитесь от соседней станции примерно на 5...25 кГц. При использовании SDR-трансивера, сузив программный фильтр на 50-200 Гц, вы мешающий сигнал практически перестаёте слышать.
Наличие всего одного смесителя в тракте обработки сигнала, существенно повышает «прозрачность» эфира. Вы слышите самые слабые сигналы и легко их разделяете с самыми сильными, вы слышите ушами «глубину» и чувствуете «динамику» радиоэфира. А комплексная работа со всеми сигналами в полосе 100 кГц позволяет графически легко развернуть спектр полосой до 200 кГц в реальном масштабе времени и сделать с ним то, что вам заблагорассудится. Никакая классика не способна на такое при аналоговой обработке сигналов!
Блок-схема трансивера Sun SDR2 приведена ниже.
Отдельный разговор касается прорисовки панорамы спектра. Максимальное разрешение экрана монитора, на котором отображается спектр, составляет всего 1080 точек. В продвинутых видеокартах есть возможность растягивать спектр на 2 монитора - видео драйвер системы Windows это позволяет сделать. В итоге получается максимум 2160 точек. Из всего количества точек полную ширину зачастую используют очень редко, небольшую часть точек занимают бордюры и обрамления окна программы, и достаточно часто окно спектра панорамы держат развёрнутым не на весь экран, а лишь небольшую её часть, т.е. используется 30...60% от максимального количества точек.
При расчёте спектра и фильтров используются сложные математические алгоритмы функций быстрого преобразования Фурье (БПФ). Количество точек отсчётов при БПФ-обработке обычно берут с небольшим избытком - 4096, 8192 и совсем редко для специфических задач больше 16384 точек. Чем больше используется точек - тем визуально спектр выглядит красивее и позволяет более детально рассмотреть элементы сигнала при его увеличении. Однако, увеличивается и количество расчётов, время расчёта, время прорисовки спектра. Но, даже 32768 тысячи точек - это сущий мизер по сравнению 30...60 миллионами отсчетов, которые поступают из АЦП.
Помимо основной программы (Expert SDR2), можно открыть окна других программ, например, аппаратный журнал (UR5EQF Log 3) и т.п.
Ниже приведена фотография печатной платы трансивера
Управление с компьютера в нём можно осуществлять при помощи отдельного WI-FI модуля, который приобретается отдельно.
2013 год замечателен тем, что у любителей SDR наконец-то появился выбор, а не просто метания от 20-долларового RTL-SDR к 700-долларовому USRP. Сразу несколько девайсов позволяют подобрать трансивер под конкретную задачу. Давай посмотрим на сильные и слабые стороны каждого.
Самое доступное полноценное SDR. Это уже не первый удачный продукт Майкла Оссмана, в прошлом выпустившего первый бюджетный Bluetooth-снифер Ubertooth (см. статью «Хакерский чемоданчик» в августовском «Хакере» за прошлый год). Майкл уже провел успешную кампанию на Kickstarter, собрав на производство HackRF около 600 тысяч долларов. Первые 500 предпродажных образцов уже были выданы бета-тестерам, и на основе их отзывов будут исправлены недочеты в финальном продукте.
HackRF’у из коробки доступен достаточно широкий диапазон частот, от 30 МГц до 6 ГГц, что сравнимо с более дорогими устройствами из семейства USRP (50 МГц - 6 ГГц). Частота дискретизации составляет 20 МГц. Это значит, что с помощью приемника можно будет анализировать, например, Wi-Fi-сигнал на частоте 5 ГГц и высокоскоростные LTE-передачи. В более дорогой комплектации идет конвертер Ham It Up, с помощью которого можно будет улавливать сигнал на частоте от 300 кГц.
Среди недостатков можно отметить то, что HackRF работает только в режиме полудуплекса, то есть в один момент можно либо отправлять, либо принимать сигнал. Для переключения между режимами каждый раз придется отправлять соответствующую команду, что может добавить нежелательную задержку. Однако при желании можно объединить два приемника и получить поддержку полного дуплекса. Также, в отличие от bladeRF и более дорогих USRP, HackRF использует USB 2, а не USB 3. Кроме того, в HackRF используется 8-битный АЦП (у bladeRF - 12 бит), что негативно сказывается на точности срабатывания.
Еще один успешный проект с Kickstarter’а. BladeRF работает с меньшим по сравнению с HackRF диапазоном частот, от 300 МГц до 3,8 ГГц, так что 5-гигагерцовый Wi-Fi-сигнал ему недоступен. Также ведется работа над дополнительной платой, которая должна позволить прием сигнала на частоте от 10 МГц.
Отличительная особенность bladeRF - возможность работы в режиме полного дуплекса. По сравнению с HackRF данный приемник имеет большую частоту дискретизации (28 МГц), большую разрядность АЦП (12 бит) и поддержку USB 3.0. С использованием USB 3 в SDR-приемниках связаны определенные опасения, так как это может вносить помехи на частоте 2,4 ГГц, поэтому bladeRF поставляется с дополнительным экранированием чувствительных элементов.
UmTRX
Устройство от Fairwaves не вписывается в обзор по цене, но достойно упоминания просто потому, что было разработано российской командой. Это единственный полноценный (не MIMO) двухканальный приемопередатчик в этом обзоре. В качестве радиочипов используются два чипа LMS6002D, поэтому частотный диапазон и разрядность ЦАП/АЦП полностью совпадают с bladeRF, использующим тот же чип. Трансивер разрабатывался с большим фокусом на телеком, поэтому и частота дискретизации совпадает с таковой у GSM и составляет 13 МГц. Заменой опорного генератора можно довести частоту дискретизации до 20 МГц, а в будущих версиях UmTRX - до 40 МГц. Кроме стандартной прошивки, есть прошивка, поддерживающая четыре канала приема без передачи.
Кроме двухканальности, отличительная черта UmTRX - это индустриальное исполнение, использование «взрослого» 1Gb Ethernet вместо USB и наличие на борту приемника GPS - для обеспечения высокой точности опорного генератора, требуемой для таких стандартов, как GSM. Всеми этими наворотами и объясняется высокая цена устройства.
USRP B100 Starter/B200
Сразу два устройства в семействе USRP можно приобрести по одной и той же цене. При этом B100 значительно уступает более дешевым HackRF и bladeRF. Ему доступен диапазон частот от 50 МГц до 2,2 ГГц, а частота дискретизации составляет 16 МГц. При этом для подключения в B100 используется USB 2. В обеих моделях доступен режим полного дуплекса.
B200 работает с более широким диапазоном частот, от 50 МГц до 6 ГГц. Частота дискретизации составляет 61,44 МГц. Для подключения в B200 используется USB 3. Более дорогая (1100 долларов) версия B210 оснащена двумя передатчиками.
Сильная сторона USRP заключается в том, что эти продукты существуют на рынке с 2006 года и за это время успели обрасти огромным количеством стороннего софта и наработок.
Вывод
Будущее SDR выглядит как никогда позитивно: на рынок выходит сразу несколько доступных трансиверов. HackRF, благодаря своей цене, возможностям и открытости, станет хорошим выбором для начинающих пользователей. Более мощный bladeRF с его навороченным FPGA и поддержкой USB 3 лучше подойдет для автономных проектов, ну а многофункциональные USRP B100 и B200 вплотную приближают любительский сегмент рынка к «взрослым» решениям уровня N210.