Интернет-магазин "Радиоэксперт" - радиотехника, радиооборудование, продажа средств и систем радиосвязи и оборудования для радио в Москве и Санкт-Петербурге

DDC-radio


ТОРЖЕСТВО ТЕХНОЛОГИЙ

2013 год подходит к концу. Прошли чуть больше ста лет с момента изобретения радио и вхождения его в широкие массы. Как полагается, началось с военных ведомств, потом и до простого люда добралось. Радиосвязь за сотню лет развилась достаточно сильно: началось с когерера из железных опилок, затем этап полупроводниковых детекторов, потом был длительный этап с преобразованиями сигналов; относительно быстро прошёл этап цифровой обработки сигнала после детектора; до сих пор ещё используется, но скоро уйдёт в небытие оцифровка сигналов на промежуточной частоте; и, наконец, пришли к фундаментальным основам обработки сигналов – непосредственной оцифровки сигнала с антенны.

Для тех, кто впервые читает статьи на нашем сайте, или радиолюбителем стал совсем недавно, мы дадим краткий экскурс в историю, в ходе которого вы пополните свои знание и обретёте понимание, что есть такое SDR и DDC\DUC-технология, чем она принципиально отличается от классического приёмо-передающего тракта и в чём её основные преимущества.

Краткий экскурс во времена былые…

Для того, чтобы у читающего сложилось правильное понимание всех преимуществ современных технологий обработки сигналов, необходимо более или менее чётко понимать как развивались эти методы. До сих пор удивительно слышать в эфире негативные отзывы о современных трансиверах и конкретно о том, что их цифровой звук режет ухо. Необходимо понимать, что такие суждения берут своё начало от непонимания процессов, неумения пользоваться современным трансивером, а главное – от таких предрассудков, как «цифра – это плохо». В нескольких предыдущих наших статьях тут и тут, мы уже рассказывали о современных SDR-трансиверах и мифах, связанных с этой технологией. Продолжаем развивать тему описания технологий в нашей новой статье.

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. В разные времена применялись разные методы выделения полезного сигнала из всего спектра рабочих частот.

На заре развития радиотехники предварительная селекция являлась основной и производилась в первых каскадах приёмного тракта.

Полоса приёма таких селекторов составляет примерно 8-20кГц и вполне справляется с задачами выделения радиовещательных станций ДВ-СВ диапазонов. На КВ-частотах такая однокаскадная селекция себя уже не оправдывает, т.к. полоса приёма получается относительно широкой – 30…70кГц, а подавление сигнала соседнего канала очень низкой – не больше 20дБ. Этот метод преселекции применяется в детекторных радиоприёмниках и приёмниках прямого усиления.

Следующим этапом развития, популярным и по сей день, стал перенос полезного сигнала на фиксированную промежуточную частоту (ПЧ), где проводится основная селекция сигнала. Полоса и качество селекции по соседнему каналу при такой структуре построения радиоприёмного тракта стали более качественными, задаваемыми при расчёте, более предсказуемыми при изготовлении (Полоса фильтра от 200Гц, уровни подавления соседнего канала до -60...-70дБ). Но этот метод обработки сигнала имеет недостаток - наличие побочных зеркальных каналов приёма, о которых мы отдельно упомянем ниже. Предварительная селекция по входу при такой структуре построения радиоприёмника имеет теперь основную задачу - подавление зеркальных каналов приёма.

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 50Гц, уровни подавления соседнего канала до -100дБ) 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 селекция 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 трансиверов «из кожи вон лезут», придумывая 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...-70дБ. Её достаточно для того, чтобы в современном перегруженном эфире более или менее находится комфортно.

Второй наиболее актуальной проблемой на сегодня, является максимальный уровень сигналов, которые могут обработать смесители, тракт ПЧ и тракт DSP. Сигналы с антенн в современном радиоэфире могут достигать уровней нескольких сот милливольт. В случае подачи внеполосных сигналов с запредельными уровнями на низкодинамичные узлы тракта - прием 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...100дБ 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.

Побочными последствиями применения классической структуры построения радиоприёмного тракта с одной или несколькими промежуточных частот являются повышенный уровень шумов на выходе радиоприёмника. Это шумы всех полупроводниковых элементов тракта. 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!

Избавится не от всех, но от большинства описанных выше проблем позволили методы прямого преобразования сигналов из радиодиапазона в спектр звуковых частот и обработка конечного сигнала фазовым способом. Поначалу этот метод не нашёл широкого развития в аналоговом трансиверо-строении из-за сложности реализации, но с широким внедрением персональных компьютеров фазовый метод обрёл свою вторую инкарнацию в технологии под названием SDR (программно-определяемое радио). На сегодняшний день этой технологии уже около 15 лет.

С помощью единственного смесителя сигнал переносится с радиодиапазона на низкую ПЧ (0-100кГц) и оцифровывается с помощью звуковой карты, а дальше программными методами демодулируется нужная полоса частот с нужным видом модуляции. Вот так, всё просто в теории.

В реальности, всё происходит немного сложнее. Для вычисления фазовым методом требуется пара максимально идентичных каналов приёма по фазе сдвинутых 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...140дБ. 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...-120дБ 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...2кГц. В программном фильтре подавление на -100дБ происходит при отстройке всего на 50-100Гц. 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 такого соседа примерно на 5...25 кГц. При использовании SDR-трансивера, сузив программный фильтр на 50-200Гц, 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 100кГц позволяет графически легко развернуть спектр полосой до 200кГц в реальном масштабе времени и сделать с ним то, что вам заблагорассудится. Никакая классика не способна на такое при аналоговой обработке сигналов!

Как бы то ни было, SDR-технология в классическом её понимании, имеет несколько недостатков. Как писалось выше, она позволяет решить множество проблем, присущих аналоговой схемотехнике обработки сигналов, но не до конца и не все. Во-первых, собственно от преобразований мы никуда не ушли, потому присутствуют побочные каналы приёма на многих гармониках гетеродина, в основном нечётных. Эта проблема решается применением полосовых фильтров на входе смесителя. Применение фильтров низкой частоты или диапазонных полосовых фильтров высоких порядков позволяют задавить практически все побочные каналы приёма на гармониках до -70...-90дБ. На практике, большинство пользователей ограничиваются применением простых диапазонных ФНЧ и ДПФ 3...5-ого порядков с подавлением -40...-60дБ.

Вторым технологически сложным моментом является необходимость обеспечить строгую идентичность IQ-каналов преобразования сигналов в достаточно широкой полосе частот и широком диапазоне температур. Так, расхождение параметров амплитуды или фазы всего в 1...2 градуса сказывается на ухудшении подавления зеркального канала на 20...30дБ. Благо, за 15 лет развития программного обеспечения SDR-трансиверов научились программно корректировать эти расхождения и в настоящий момент «зеркало давится в 0» автоматически практически во всех SDR программах.

Третьим недостатком, который возникает в достаточно редких случаях, но всё же имеет место быть, является динамический диапазон, который лимитирован в 2-х основных узких местах приёмного тракта. В первом месте - это ДД смесителя ограниченный сверху цифрой +20...+30дБм и его хватает с головой для 98% случаев. Во втором месте - ДД применяемой звуковой карты. И тут, всё зависит от того какую звуковую карту в вас есть возможность применить. Если звуковая карта дешёвая и простая, то общий ДД радиоприёмного тракта будет не выше 40...60дБ. А если дорогая и качественная - то легко можно и 100дБ получить.

Учитывая стремительное развитие алгоритмов ЦОС и железа микроэлектроники за последнее десятилетие, можно сказать, что первые SDR-трансиверы по новой технологии были тренировкой перед следующим шагом развития. Другими словами, SDR-приёмники и SDR-трансиверы с преобразованием на звуковую ПЧ, как класс, своё время уже отжили и в скором времени займут нишу бюджетного класса аппаратуры. На сегодня они могут с успехом использоваться как макет для изучения и отработки алгоритмов ЦОС студентами или материалом для тех, кто только-только оторвался от классики и устремил свои взгляды в сторону цифровых технологий.

Принцип архитектуры DDC\DUC.

К чему всё написанное выше? Чтобы понять все преимущества современных технологий. Необходимо чётко понимать, какими цифрами мы оперируем, что они значат и относительно чего нужно ориентироваться. Сейчас мы подходим к самому интересному и самому современному.

В этой главе, мы доступным языком, так сказать «на пальцах», расскажем о новом принципе обработки сигналов, без формул и на понятном для обывателя языке.

Технология SDR с аппаратным преобразованием вниз, была предвестником того, что будет использоваться в последующие несколько десятилетий. В последние годы – то, о чём лет 10 назад даже представить было сложно, - теперь стало реальностью и доступно любому радиолюбителю. Прямая оцифровка сигнала с антенны и прямое формирование сигнала из цифры - новый метод избавиться практически от всех видов проблем присущих как классике, так и SDR-технологиям с аппратаной обработкой сигнала. Это способ по новому не только услышать, но и увидеть радиоэфир в реальном формате времени. Это новая парадигма управления трансивером.

Радиоприёмники с прямой оцифровкой сигнала имеют аббревиатуру DDC от Digital Down-Converter. Обратное преобразование из цифры в аналог имеют аббревиатуру DUC от Digital Up-Converter. Речь идёт о цифровом преобразовании сигнала программным методом. Сразу нужно отметить, что аббревиатура SDR (Software Define Radio) - программно определяемое радио - это общее определение класса технологий обработки сигналов, куда входит и DDC - архитектура, как один из методов.

Архитектура обработки сигнала методом DDC по своей структуре во многом схожа с технологией аппаратной обработки SDR, но имеет принципиальное различие в методе реализации. Главное отличие DDC от SDR в классическом понимании обывателя заключается в следующем:

  • При использовании аппаратной технологии SDR, перенос спектра сигналов в низкочастотную область осуществляется с помощью смесителя и дополнительного гетеродина. В низкочастотной области спектра, сигнал оцифровывается с помощью звуковой карты или микросхемы АЦП внутри трансивера. При формировании сигнала передачи происходит обратный процесс. Полоса оцифровки получается ограниченной характеристиками звуковой карты, обычно это 48кГц, 96кГц и редко 192кГц. Иногда микросхема АЦП переносится на плату приёмника, что повышает качественные характеристики приёмного тракта. Но самое большое ограничение кроется в звуковом драйвере системы Windows, который в принципе не работает с цифровыми потоками сигналов шириной больше 192кГц.

Дальнейшая, и уже основная работа по демодуляции, очистки сигнала и прорисовке спектра происходит в компьютере. Тот же самый процесс происходит и при формировании сигнала на передачу только в обратном порядке. Из-за несовершенства аппаратной части преобразователей, приходится затрачивать много ресурсов для приведения конечных характеристик трансивера к заданным параметрам. Т.е. при кажущейся простоте реализации метода совсем не всё просто в реализации законченного устройства, готового к использованию.

  • В архитектуре DDC мгновенно оцифровывается весь спектр сигналов от 0Гц до частот, которые способна обработать микросхема АЦП. Самые современные микросхемы АЦП на сегодня могут работать в полосе до 1ГГц, но их стоимость сегодня пока очень высока. В тоже время, наиболее ходовые и относительно дешёвые микросхемы АЦП оцифровывают спектр полосой от 0Гц до 60...100МГц, что для радиолюбительских задач вполне подходит.

После оцифровки спектра сигналов в полосе 0Гц - 30...60МГц на выходе микросхемы АЦП получается очень большой цифровой поток данных, который протолкнуть в компьютер для обработки не представляется возможным, да это и не нужно в 98% случаев. Потому, непосредственно за микросхемой АЦП стоит высокоскоростная микросхема ПЛИС, которая способна обработать очень большие потоки информации. В ней программным способом реализован алгоритм DDC\DUC, т.е. цифровой понижающий или повышающий конвертер.

Цифровой понижающий конвертер производит выборку спектра необходимой полосы и передачу его в компьютер для обработки - т.е. создаётся цифровой поток существенно меньшей полосы и скорости. В компьютере происходит программная обработка потока методами ЦОС и конечная демодуляция сигнала.

В практической деятельности очень редко возникает необходимости работать со всем спектром сигналов в полосе 0Гц - 30...60МГц. Максимальные полосы, которые нам нужны для обработки - это 10...50 кГц для демодуляции АМ, ЧМ сигналов и 3...5 кГц для SSB сигналов.

Никто не мешает нам из общего цифрового потока выделить второй, третий, четвёртый и вообще, сколько необходимо малых потоков и передать их в компьютер, создав тем самым одновременно несколько каналов приёма. Таким методом реализуются два, три или сколько нужно «виртуальных приёмников» во всей полосе оцифровки.

Отдельный разговор касается прорисовки панорамы спектра. Здесь всё определяет математика в чистом виде, но мы опять обойдёмся без формул и раскроем словами суть для лёгкого понимания процесса.

Для начала необходимо знать, что 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. Потому, для отрисовки панорамы необходимой полосы, сначала в микросхеме ПЛИС алгоритмами DDC, делается деление всей полосы выбранного спектра на число блоков, равных необходимому количеству точек. Потом выбирается максимальное значение сигнала в этом блоке и отправляется дальше. Так формируется отдельный узкий поток данных для программы отображения спектра.

Соответственно, таких блоков может быть сформировано несколько. Вот вам отдельно панорама 40-м диапазона, вот 20-м диапазона, а вот и 15-шка и 10-ка вся как на ладони. О-па! А на 10-ке и 15-шке прохождение сейчас... а мы и не знали. Хорошо, что увидели! Вот так может помогать отображение панорамы состояние радиоэфира одновременно на разных диапазонах в реальном времени.

Все описанные выше функции выполняются во временной области сигналов, и способность обработки и формирования потоков зависит только от мощности микросхемы ПЛИС и фантазии программистов. В данном вопросе ограничений практически нет, кроме стоимости микросхем АЦП. Чем выше тактовая частота АЦП, - тем шире диапазон частот оцифровки. Правда, вот, цены растут в геометрической прогрессии.

Какие ограничения имеет архитектура DDC? Принципиальное ограничение есть, но оно одно - это разрядность АЦП. Если частотный диапазон работы АЦП сегодняшнего дня простирается до нескольких гигагерц, то разрядность АЦП - 16 бит – это практический потолок, доступный для покупки даже за очень большие деньги.

18-ти, а тем более 24-битные микросхемы АЦП с полосой больше нескольких сот килогерц - это что-то сильно секретное, т.е. военное, а значит для коммерческого применения закрытое. Напротив, чипы АЦП с разрядностью 10/12/14 бит и частотным диапазоном до 30...100МГц свободно можно найти на рынке за вменяемые деньги.

От разрядности АЦП напрямую зависит динамический диапазон. Верхняя цифра динамического диапазона привязана к напряжению питания микросхемы АЦП. Нижняя граница ДД - привязана к собственным шумам входных элементов микросхемы, от которых собственно зависит чувствительность приёмного тракта. Для 16-битного АЦП теоретический предел ДД составляет 96дБ. Это означает, что при пороговой чувствительности приёмника в 1мкВ максимальный уровень входного сигнала составляет всего 70мВ. Этот уровень ДД сверху соответствует радиоприёмному устройству не самого высшего класса и даже не среднего. Для радиоэфира сегодняшнего дня, где уровни сигналов с антенны может достигать сотен милливольт, а 70мВ – это посредственный уровень.

Для сравнения, ДД 14-битного АЦП составляет уже 84дБ, что при чувствительности в 1мкВ составляет максимальный сигнал 15мВ, а ДД 12-битного АЦП будет примерно 70дБ или 3мВ, что совсем печально. Выход их этого скверного положения есть - это понижение ДД снизу, используя методы программной передескретизации. Так можно улучшить эквивалентную динамику до 120...130дБ и чувствительность поднять примерно до 0,05мкВ. Причём, уже есть примеры, когда люди принимают сигнал по «водопаду» с большим количеством точек БПФ, хотя ни в наушниках, ни на панораме сигнала не видно, или другой пример, когда установив очень большое количество точек на БПФ фильтра телеграфа, удавалось прослушать такие сигналы, которые на экране панорамы не отображались.

Другой метод улучшения параметров, аппаратный - это применение на входе АЦП регулируемого блока усиления и ослабления - DVGA (Digital Variable Gain Amplifiers), связанный программно с блоком DSP. Особенно это актуально для «урезанных» в битах АЦП. А так же применение блоков узкополосной предварительной селекции.

Сейчас мы подошли к самой неоднозначной части, касающейся технологии DDC, - возвращаемся к предварительной селекции сигналов на входе.

Как говорилось выше, в архитектуре прямой оцифровки сигнала отсутствуют физические преобразования сигнала, а значит и побочные каналы приёма. В архитектуре DDC зеркальные каналы приёма, по идее, должны отсутствовать. И действительно, все побочные каналы приёма, присутствующие в радиоприёмниках супергетеродинного типа, - в DDC-приёмниках отсутствуют как класс. Однако, фундаментальный принцип оцифровки требует применение тактового генератора с частотой в 2 раза выше максимальной частоты оцифровки. (О теореме Котельникова и цифровой обработки сигналов в целом вы можете ознакомиться в учебниках по ЦОС, которые легко найти в интернете.)

Это влечёт за собой появление зеркальных каналов приёма относительно половины частоты дескритизации, 1.5 частоты дескритизации и т.д. до тех пор, пока паразитные реактивные элементы входного каскада АЦП не начнут давить входной сигнал или уровень преобразования не упадёт до пренебрежимо малых значений. Эти полосы приёма называются «полосами Найквиста». Каждая нечётная полоса имеет инвертированный спектр, а уровень преобразования падает на несколько дБ. Обычно, максимальная полоса ограниченна 5-ю...7-ю полосами Найквиста, и составляет 300-500МГц для микросхем, применяемых в DDC-приёмниках.

С одной стороны, наличие зеркальных полос - это недостаток. В любом случае - нужно ставить цепи предварительной селекции. Минимум - ФНЧ с частотой среза половины частоты тактирования, максимум – полосовые диапазонные фильтры. С другой стороны - этот недостаток предоставляет технологическую возможность простыми средствами реализовать не только приём на КВ диапазоне, но и на УКВ и даже на ДЦВ диапазонах. Необходимо всего лишь делать сменные диапазонные полосовые фильтры с МШУ, полосами равными половине тактовой частоты.

Т.к. понятие ДД относится ко всему спектру оцифровки, то значительно разгрузить вход АЦП можно, применив диапазонные полосовые фильтры на входе. Они могут дополнительно ослаблять сильные внеполосные сигналы, отстоящие от рабочей полосы достаточно далеко. При этом, правда, теряется возможность обзора всего диапазона оцифровки. Например, в некоторые DDC приёмники ставят отключаемый фильтр на СВ-ДВ диапазон, а в одном из DDC-приёмников компании WiNRADiO и DDC-приёмнике Perseus, есть гибко конфигурируемые узкополосные фильтры. Такие методы предварительной селекции оправданы, в случае, если планируется использовать DDC-приёмник совместно с большими антеннами или в местности со сложной помеховой обстановкой.

Перспективы DDC-технологий

Выше, мы рассмотрели основные принципы обработки сигналов. Описан минимум теории, который позволяет вникнуть в суть процессов; дальше, мы опишем различные функции DDC-трактов, которые уже реализованы как программы, а ведь в недавнем прошлом они звучали как фантастика.

20 лет назад ни о чём подобном мы не могли даже и мечтать, когда панорамная приставка к трансиверу была размером в 2 раза больше самого трансивера и стоила в 5-10 раза дороже. Про сервис с качеством и говорить не приходится.

Неожиданно появившаяся в начале 2000-ых годов технология SDR позволила взглянуть на эфир и услышать его совсем иначе. Мы увидели настоящий живой эфир! Не статическую «замороженную» картинку после медленного сканирования, а именно, живой эфир в реальном времени. Но, даже при наличии SDR-технологии с аппаратным преобразованием сигналов, для того что бы увидеть урезанную панораму других диапазонов, необходимо иметь отдельный приёмный тракт для каждого диапазона, что согласитесь, весьма накладно получается, да и не всем нужно.

Совсем другое дело - приёмный тракт, выполненный по технологии DDC. Любой из диапазонов виден как на ладони. И не только отдельные диапазоны стало возможно наблюдать, а любой участок оцифрованного радиоэфира, и даже весь радиоэфир сразу, и при этом параллельно с отдельными участками! Реализация всех этих возможностей возможна только благодаря методам ЦОС и прямой оцифровки сигнала.

Касательно радиолюбительской тематики, на наш взгляд, одной из самых востребованных функций в настоящее время и ближайшем будущем - это пространственная селекция сигналов и методы фазового подавления шумов. На сегодня существует фазовый метод селекции сигналов и подавления шумов, реализуемый аппаратно, но он достаточно сложен и ограничен. Используя математические алгоритмы, легко реализуемы любые функции по вычитанию мешающих и сложению полезных сигналов, образуемые парой, четвёркой или большим количеством АЦП.

Второй, наиболее интересной функцией будет простая возможность дистанционного управления трансивером и дистанционная работа в эфире. Современные способы передачи информации способны пропускать достаточно большие потоки данных практически с 0-м процентом потерь. Общий поток информации из/в трансивер совсем получается небольшой. Используя IP-стек, появляется возможность использовать трансивер как сегмент сети даже без использования компьютера. Установив трансивер за пределами большого города в достаточно тихой местности, - вы можете иметь доступ к чистейшему радиоэфиру не выходя из своей квартиры. Организовав гостевой доступ к трансиверу, вы предоставляете возможность друзьям поработать в эфире. На сегодня уже реализованы интернет-радиоприёмники по такому методу, их легко найти в сети, например, здесь.

Третьей функцией, больше применяемой специальными органами, чем радиолюбителями, является возможность записывать весь радиоэфир, или заданные куски радиоэфира, на винчестер компьютера с отсроченной обработкой. Эта функция позволяет быстро проводить статистическую обработку сигналов, вести поиск и наблюдение за целевыми сигналами, а также совершать множество операций, о которых знать обывателю не положено.

Новая парадигма метода настройки

А сейчас, давайте отвлечёмся от железа и рассмотрим одну единственную и основную функцию любого радио. Это настройка приёмника на нужную радиостанцию.

На протяжении столетия преобладал один единственный метод, ставший классическим, - это вращение ручки валкодера и перестройка какого-либо узла внутри радио (входной контур, гетеродин, синтезатор). То есть, настройка, связанная с механическим или электрическим изменением одного или нескольких параметров радиоприёмника.

Этот метод настройки накладывает одно принципиальное ограничение на использование радио, который уже «въелся» в мозг поколений. В один момент времени мы можем принимать только одну радиостанцию. Для того, чтобы послушать другую станцию, нам нужно, прежде всего, потерять предыдущую станцию и перенастроиться на новую. А это уже некий процесс, занимающий конечное 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. Даже в таких передовых трансиверах типа ICOM IC-756Pro3 и IC-7600 применяется метод последовательной развёртки спектра, что после живого спектра SDR-радио выглядит не столь захватывающе. Глазом заметен процесс обновления картинки - т.е. быстрое сканирование.

Первым шагом, изменившим описанную парадигму, было создание SDR-технологии. Совсем небольшой, но живой кусок спектра появилась возможность не только наблюдать, но и обрабатывать сигналы в комплексе, параллельно. Примеров тому множество, начиная от пары приёмников, модуля комплексного декодирования PSK сигналов в программе Ham Radio Deluxe и заканчивая программой CW Skimmer, которая одновременно декодирует все позывные в телеграфном участке любительского диапазона и складывает их по специальному адресу в интернет, где все могут наблюдать какая станция и где работает. Дальнейшее расширение этих функций уже реализовано в виде гугл-карты, на которой раз в несколько минут отражается активность на всех любительских диапазонах и в любом виде модуляции.

Совсем другой принцип настройки используется в DDC-технологии. Перестройка частоты происходим мгновенно программным методом. За счёт того, что оцифровывается сразу большой частотный участок 30...60МГц, не теряя настройку на текущую радиостанцию, появляется возможность увидеть что происходить на соседнем участке спектра. Мало того, вызвав второй виртуальный приёмник вы одновременно можете слышать о чём говорят на одном и втором диапазоне. Но и два приёмника это не предел. Три, пять, десять... сколько хотите приёмников - столько и вызывайте. Микшируя их звук определённым образом, вы в курсе происходящих событий на диапазонах. А графика «облаком» позволит быстро выбрать нужную станцию.

Тоже самое относится и к отображению спектра. На практике, редко когда нужен сразу весь участок 30...60МГц. Но довольно часто полезно наблюдать за несколькими диапазонами одновременно. Создаём отдельную панораму на 40-ку, отдельную на 20-ку, на остальные диапазоны..., размещаем их на отдельном мониторе и вот мы в реальном формате времени наблюдаем за прохождением радиоволн.

Кто, Что, Когда...

Итак, мы разобрали как работает DDC-радио, как к нему пришли и каковы его перспективы. Теперь настало время рассказать о том, кто и с какими проектами проводил в жизнь тему цифрового радио за последние 10 лет.

Первопроходцами на ниве цифрового радио стала известная американская компания Flex-Radio, которая в 2000-2001 годах начала активно осваивать ЦОС в приложении к любительскому радио. Летом 2002 года компания опубликовала свои первые статьи, подробно описывающие теорию работы SDR-технологии, свои идеи и концепцию в известном радиолюбительском журнале QEX. С этого момента технология SDR начала своё шествие по миру, начавшееся с трансивера SDR Flex-1000.

В течении десятилетия была выпущена линейка SDR-трансиверов, начиная от самого продвинутого класса - SDR Flex-5000 с разными модификациями, трансивер среднего класса SDR Flex-3000, а также бюджетный QRP трансивер для ознакомления с SDR-технологией SDR Flex-1500.

Примерно с 2005 года по всему миру сразу несколько компаний, а так же энтузиасты-одиночки начали производить клоны трансивера 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 за вменяемые деньги по Российским меркам, стал доступен 3-х платный, во многом улучшенный вариант-клон трансивера SDR Flex-1000, а так же 100 Ваттный полностью законченный вариант трансивера.

В «SDR гонку» включились и наши Российские производители. В городе Таганроге компания Expert Electronics в 2007 году начала выпускать свой вариант SDR-трансивера с именем SunSDR-1. Он является улучшенным клоном трансивера Flex-1000 и принципиально иной схемой управления. Если оригинальный трансивер Flex-1000 имел управление по старинному параллельному интерфейсу LPT, то разработчики SunSDR-1 управление трансивером реализовали через USB-интерфейс и полностью с нуля написали свою программу трансивера.

В 2005 году началась «эра DDC». Компанией RF SPACE был выпущен для радиолюбителей первый DDC приёмник. Называется он SDR-IQ. На борту этот приёмник имеет 14-битный АЦП и процессор от компании Atmel. Возможности приёмника по сегодняшним меркам, конечно, скромные, но возможность работы приёмника по IP-сетям и ориентированность на включение приёмника в тракты ПЧ многих моделей трансиверов сделали этот приёмник довольно популярным на Западе. На базе этого приёмника построены многие любительские интернет-приёмники, логгеры и репортеры.

Затем RF SPACE выпустили ещё несколько моделей приёмников, но по ценам они уже были совсем не гуманными, а потому мало востребованными радиолюбителями.

Вместе с компанией RF SPACE выпускает DDC-приёмники и компания Microtelecom со своим проектом PERSEUS. Этот радиоприёмник во многом похож на проект SDR-IQ, но имеет на борту ещё и преселектор. Он также мог работать с IP-сетями и имел своё полностью законченное программное обеспечение. В средине 2000-х - это был один из лучших DDC-радиоприёмников.

До недавнего времени компании RF SPACE и Microtelecom были единственными широко известными производители DDC-приёмников с хорошим программным обеспечением и поддержкой IP-сетей. Но, времена меняются...

В начале своего пути, компания FlexRadio не учла популярности своего проекта и программные коды трансивера PowerSDR 1.Х.Х выкладывались в открытый доступ вплоть до момента выхода второй версии программы. Этим воспользовались все, кому лень было писать программы с нуля – т.е. многочисленные конкуренты и энтузиасты радиолюбители-программисты. В результате, по сегодняшний день, по всему миру как грибы растут несколько десятков самостоятельных проектов, построенных на базе исходных кодов программы трансивера PowerSDR.

Самые известные в России - это проекты Tolking Box от Александра Буганова, Александра UR4QBP, Киевский проект от UT5UUR, проект SoftRock со своими многочисленными модификациями простого аппаратного железа, проект OpenHPSDR, новинка 2012 года - американский проект Peaberry SDR - бюджетный аналог трансивера Flex-1500 с интегрированной звуковой картой.

В конце 2012 года компания Flex-Radio принимает решение полностью прекратить поддержку трансивера SDR Flex-1000 в последующих версиях программы PowerSDR. Из кода программы полностью удаляются все модули, работающие с LPT-портом компьютера и звуковыми картами. Этим решением, одним махом прекращается бесплатное обновление программы для многочисленных «левых» производителей клонов трансивера SDR Flex-1000. Так же прекращена поддержка простых SDR-радиоприёмников. Прошлогодняя версия программы PowerSDR 2.4.4 становится последней, работающей с SDR-приёмниками и трансиверами SDR Flex-1000.

Кроме Flex-Radio одними из самых известных компаний в середине 2000-х стали компании TARP и HPSDR со своими коммерческими продуктами под именами Ozy, Janus, Alex, Atlas и другими. Их комплекты не только SDR, но и DDC-оборудования на базе сборных плат на подобии универсальных компьютерных модулей, если и были чем-то выдающимся по характеристикам, но в нашей стране по причине их дороговизны и функциональной незаконченности популярности не обрели.

Примерно в конце 2005 - начале 2006 года, происходит действительно эпохальное событие, с которого начался переворот в мире радио и широкое распространение архитектуры DDC.

Один из талантливых программистов, Фил Ковингтон (Phil Covington) начинает самостоятельный проект, который принёс ему славу в последующие 6-7 лет. Он разрабатывает полностью законченный DDC-радиоприёмник небольшой ценой и очень хорошими характеристиками. Назвал он проект QS1R, а радиоприёмник QuickSilver.

Буквально за год-два проект становится популярным по всему миру. Фил с нуля пишет свой шедевр - программу SDRMAX. Полноценный программный радиоприёмник с красивой панорамой и водопадом полосой до 60МГц, с возможностью работы на полосах Найквиста, несколькими виртуальными приёмниками и множеством полезных функций. «Пристёгивает» программно-аппаратный модуль CW Skimmer, о прелестях которого вкратце было написано выше.

До 2010 года у Фила практически нет серьёзных конкурентов. Благодаря относительно небольшой цене на радиоприёмник и хорошо написанному программному обеспечению о DDC-технологии и всех её возможностях узнало множество обычных радиолюбителей по всему миру. Радиоприёмники QS1R как горячие пирожки разлетаются не только по Штатам, но и в Европу, Азию и Австралию. Фил кушает красную икру с маслом... но не долго.

Дела у Фила идут хорошо, пока его изделия не попали в Украину и Россию. Пара умельцев налаживает производство клонов приёмника в Украине и в России, чем популяризирую радиоприёмник QS1R в нашей стране.

В Санкт-Петербурге один грамотный инженер ставит на поток полностью переделанный проект радиоприёмника под именем MAXUS. Он радикально улучшил шумовые характеристики приёмника, правильно переразведя печатную плату, переписал программу управления так, что появилась возможность к приёмнику подключить конвертер до 800МГц на базе модуля ТВ-тюнера, ввёл в управление приёмником САТ-протокол, которого нахватало многим пользователям, а также, сделал дополнительную плату преселектора с предусилителем.

Товарищ Ковингтон не учёл ошибок компании FlexRadio и выложил исходники программы SDRMAX II со схемами в интернет, на чём погорел.

В одно время с Филом Ковингтоном, тихо и незаметно для широкой общественности DDC-приёмники начинает выпускать крупный Австралийский промышленный концерн с известным именем WiNRADiO. Их первая модель имеет марку WR-G31DDC и по своим характеристикам он не уступает радиоприёмнику Фила. О DDC-приёмниках WiNRADiO мы уже писали, ознакомиться со статьёй можно тут. Учитывая специфику промышленного назначения - компания пишет программу для своего приёмника с нуля. Он заточен больше под специальные задачи, чем для радиолюбительства как такового, и оказывается, что архитектура DDC применяется компанией WiNRADiO достаточно давно в различных приёмниках специального назначения. У компании WiNRADiO есть и модели с преселектром и широкополосные модели DDC-приёмников с максимальной полосой приёма до 3,5 ГГц. Совсем недавно компания анонсировала новейший DDC-приёмник WR-G35DDC с возможностью записи спектра полосой до 50МГц на диск.

В заключении темы радиоприёмников стоит вспомнить ещё одного энтузиаста-одиночку из Израиля с Русскими корнями - это проект Александра Трушкина 4Z5LV с его проектом AFEDRI SDR. Александр самостоятельно наладил выпуск настоящих DDC-приёмников за очень небольшую цену - всего $200. Он не стал писать свое ПО, но написал драйвер к приёмнику, позволяющий подключать его ко многим популярным программным оболочкам-приёмников типа Winrad, HDSDR, SDR-Console, а так же реализовал IP-стек, позволяющий по сети эмулировать работу приёмников RFSPACE.

В конце 2010 - начале 2011 году как-то одновременно и резко вся радиолюбительская общественность заговорила о трансивере с архитектурой DDC/DUC. До этого все молчали-молчали, а тут - на тебе, подавай всем новый трансивер и побыстрее! Фил Ковингтон первым включается в гонку производства DDC/DUC-трансивера и обещает выпустить дополнительный модуль передачи, тем более, у него всё для этого было заложено ещё с самого начала проекта. Но, его обещания затянулись очень надолго, что сыграло с ним злую шутку. В начале 2012 года одновременно несколько компаний анонсируют выпуск полноценных трансиверов и Фил остался не у дел. Несколько месяцами позже, Фил всё же выпускает модуль передачи QS1E к своему приёмнику, но дополнительная плата передачи уже не пользуется такой популярностью. Так же упал интерес и к его приёмнику, на фоне более интересных предложений от других производителей.

Конец 2011 - начало 2012 года ознаменовался анонсами сразу от нескольких фирм. Все принялись разрабатывать новые трансиверы на базе технологии DDC/DUC. Самыми первыми, в феврале 2012 года, никому не известная команда разработчиков из Санкт-Петербурга выпускает трансивер под именем ZS-1.

Вторыми анонсируют новый трансивер HiQSDR команда из германии DB1CC и N2ADR. Изначально проект планируется как одноплатный малосигнальный тракт за скромные деньги.

Ещё одними производителями DDC/DUC-трансиверов которые включились в гонку стала известная команда из Индии - Apache Labs. Это авторы нашумевшего 8 лет назад проекта OpenHPSDR. Они анонсировали выпуск сразу нескольких трансиверов. Начиная от небольшого одноплатного малосигнального модуля с именем Hermes, его функционально-законченного 10-Ваттного варианта - ANAN-10 и полноценного 100-Ваттным трансивером ANAN-100.

Российская компания из Таганрога Expert Electronics весною 2012 объявляет о выпуске своего нового трансивера SunSDR-2. 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. И вот, буквально пару месяцев назад, вышел анонс о новой разработке - планируется выпуск нового 100-Ваттного DDC\DUC трансивера интегрированного в один корпус с компьютером и большим сенсорным экраном. Трансивер назвали SunSDR MB-1.

Начало 2012 года... уже все крупные игроки рынка SDR-техники анонсировали выпуск и приступили к производству новых трансиверов, начали писать ПО. И только пионеры SDR - компания FlexRadio молчит. Неужели те, кто начинал путь SDR, решил уйти с рынка? Все долго недоумевали. В Мае 2012 на крупнейшем радиолюбительском выставке мира, в Дейтоне, FlexRadio анонсирует выпуск очередного своего шедевра - линейку DDC\DUC трансиверов и приёмник Flex 6000 Signature Series.

По чистой случайности (наша поездка была запланирована за полгода), визит совпал с анонсом новой линейки продукции. У нас была уникальная возможность сразу после выставки HAMVENTION 2012, пообщаться с основателем компании Gerald Youngblood, который по совместительству является вдохновителем всех продуктов FlexRadio. Он поведал много интересного об истории компании. Конечно же, мы поинтересовались и новой линейкой.

Компания FlexRadio выпускает самый продвинутый в мире 100-Ваттный DDC/DUC трансивер Flex-6700, имеющий 2 высокопроизводительных радиоприёмных модуля, упрощённый вариант трансивера с одним радиоприёмным модулем - Flex-6500 и радиоприёмник Flex-6700R. Компания, учитывает ошибки и, используя все наработки прошлого, пишет с нуля новое программное обеспечение для трансивера, код программы полностью закрыт. В течение года Flex тянут с выпуском, откладывая первый релиз. Все силы компании брошены на производство трансиверов и написание новой программы. Выпуск трансивера затягивается не просто так. В трансивер заложено самое передовое железо на сегодняшний день. Что бы новый трансивер заработал, Flex пришлось очень и очень постараться, приложить очень много усилий, вложиться финансово. И, наконец, весною 2013 года выпускается первая партия трансиверов. Летом выпускается вторая партия, а в конце сентября выходит первая полностью законченная версия программы трансивера - SmartSDR 1.0.0

Заключение

На сегодняшний день, во всём мире, кроме больших компаний, технологией DDC/DUC занимается ещё с десяток мелких фирм и энтузиастов программистов. Спросите, почему так мало? Потому что тема DDC требует очень хороших и глубоких знаний математики и программирования, не только для компьютеров, но и микроконтроллеров, ПЛИС и DSP.
Исторически так сложилось, что архитектура DDC-приёма строится на прямом взаимодействии внешнего блока трансивера/радиоприёмника с компьютером. Следующим шагом развития технологии DDC будет интеграция блока радиоприёмника/трансивера и блока DSP-обработки с компьютером в один корпус. Попытки такой интеграции уже предпринимаются, но широкое внедрение полностью законченных устройств - это дело ближайшего будущего.
В заключении нужно отметить, что освоив тему DDC, мы очень быстро подошли к фундаментальным основам обработки сигналов. В ближайшие 20...50 лет вероятно не предвидится ничего революционного. Нужны какие-то принципиально новые методы передачи информации. Потому, уже в недалёком будущем нас ждёт интеграция разных блоков в единое устройство, дальнейшая миниатюризация блоков, расширение частотного диапазона работы чипов АЦП и увеличение их разрядности...

Radioexpert.ru

Возврат к списку











Kenwood TS-590
НОВЫЙ ТИП ОПЛАТЫ