- Укв Конференция

Особенности использования
технологии SDR при работе в УКВ
соревнованиях
Some articles of use of SDR technology at work in VHF contests
RA3WDK 2013
Специально для конференции радиолюбителей УКВ
Волга-2013
Especially for VHF conference on the Volga region
ra3wdk.qrz.ru/SDR.htm
Общие положения
•
•
Уже около 10 лет радиолюбители активно используют технологии SDR
как в диапазонах КВ, так и в диапазонах УКВ. Основа технологии SDR (Software
Defined Radio -программно определяемое радио) лежит в области прямого
преобразования сигналов и цифровой обработки сигналов.
Радиолюбителями всего мира с появлением возможности
использования вычислительных средств компьютера была подхвачена
эстафета по освоению технологии SDR. Трудно перечислить весь список
УКВистов : SM5BSZ, YU1LM, S53MV, RA3AAE, I2PHD и многие другие, кто имеет
много разработок в области SDR и ТПП (техники прямого преобразования)
для УКВ.
Требования к параметрам SDR трактов в УКВ и СВЧ диапазонах во многом
повторяют требования к аналогичным трактам для КВ диапазона, причем
реализовать динамический диапазон, селективность по соседнему или
зеркальному каналу на УКВ и СВЧ намного сложнее. Многие УКВисты
используют самостоятельно разработанные SDR тракты по ПЧ УКВ
трансвертеров [прим. WSE SM5BSZ], что значительно упрощает реализацию
высоких параметров аппаратуры. Многие используют готовые
коммерческие решения (Flex-xxxx, SunSDR), но больших отличий в стратегии
их использования по сравнению с самодельными нет.
•
•
•
Теперь рассмотрим, какие же параметры приемной части SDR тракта
важны при работе в УКВ соревнованиях :
Динамический диапазон
Селективность по зеркальному каналу
Селективность по соседнему каналу
КШ (коэффициент шума), полоса обзора, стабильность частоты и другие
параметры менее важны, так как КШ определяется входным устройством
(МШУ, трансвертер), а максимальная полоса обзора ограничена
возможностями не SDR тракта, а оператора визуально принять информацию с
панорамы и принять решение при дефиците времени в контесте.
Стабильность частоты также не является важным фактором, пока цифровые
виды связи не будут разрешены в соревнованиях на УКВ (кроме MS и EME).
Вначале рассмотрим селективность по зеркальному каналу. Известно, что у
SDR традиционного типа (ТПП с нулевой ПЧ со смесителем Тэйлора)
зеркальный канал расположен симметрично относительно нулевой частоты и
может быть подавлен фазовым и программным методом до -60-70 дб. У
полностью цифровых SDR (DDC) зеркальный канал приема подавлен на 90 дб
и более. Важно не забыть о входных фильтрах для DDC SDR, чтобы подавить
помехи и мешающие сигналы из нерабочей зоны Найквиста .
Но помехи по зеркальному каналу не являются большой проблемой
для оператора, как показывает практика, основные сражения происходят
вблизи вызывных частот 144 050 , 144 300 , 432 200 и т.д. И только в Европе
во время теста занят участок от 144 150 до 144 350, но и это не является
препятствием для SDR аппаратуры.
•
Рассмотрим селективность по соседнему каналу. Используя мощные средства
цифровой обработки сигналов, можно получить фильтр с высокой
прямоугольностью , и ,казалось бы ,проблема с селективностью по соседнему
каналу не должна входить в список серьезных для рассмотрения. Но на
практике, применяемые генераторы, синтезаторы в SDR с нулевой ПЧ и DDC
SDR (опорный генератор для АЦП) далеки от идеала.
И тут я немного расскажу о своем знакомстве с SDR. Большую часть
своего времени, проведенного на УКВ, я использовал классическую
аппаратуру (трансиверы с трансвертерами УКВ). В 2008 году я приобрел
приемник SDR Soft66ADH , неплохой приемник для знакомства с SDR ! Но
сразу заметил ряд недостатков, основой которых был примененный DDS
синтезатор частот. В дальнейшем я решил отказаться от перестраиваемого
синтезатора или гетеродина, использовать SDR по ПЧ 28 МГц с ключевым
смесителем Тейлора. Для реализации идеи была взята структурная схема
SDR тракта SoftRock и YU1LM с разбивкой полос приема, равными 96 кГц. В
качестве опорных генераторов были выбраны высококачественные
кварцевые генераторы Юрия UA3AOH , имеющие очень низкие фазовые
шумы (менее -150дб/Гц при отстройке 10 кГц) и полное отсутствие побочных
колебаний вблизи основной частоты. Я получил очень неплохие результаты и
хорошую панораму в помощь своему основному УКВ комплексу. В первом
варианте своей схемы я использовал квадратурный смеситель на диодах,
впоследствии заменил смесителем на 74HC4066. На следующем слайде
представлена одна из моих схем SDR для трансвертера с ПЧ 28 МГц.
Так как же качество гетеродина может повлиять на селективность ?
Спектральная плотность мощности фазовых шумов и спектральная
плотность шума (СПШ) при заданной отстройке от несущей в одиночной
боковой полосе связаны прямо пропорциональным отношением.
Фазовый шум гетеродина при взаимодействии с сигналом помехи преобразуется
в промежуточную частоту, но так как преобразование производится с шумовым
сигналом, то результат – шум вместо полезного сигнала, поэтому одним из
параметров ,входящих в расчет эквивалентной полосы приемника, входит СПШ.
Ниже представлены упрощенные ситуационные рисунки, объясняющие
необходимость иметь ВСЕ гетеродины приемного тракта надлежащего качества.
Вывод : используемые в тракте SDR гетеродины должны иметь настолько низкий
фазовый шум, чтобы при наличии сильной внеполосной помехи они создавали
шумы, меньше уровня шума приемника, который, как мы знаем, на УКВ очень
важен!
Так же, как селективность по соседнему каналу , так и полный динамический
диапазон (ДД) приемной системы зависит от качества гетеродинов, упрощенно
можно констатировать, что происходит уменьшение нижней границы ДД за счет
ухудшения соотношения сигнал/шум.
Подведем некоторые итоги : для работы в условиях индустриального города при
наличии большого количества передающих средств (TV, BC FM, VHF) и наличии
большого количества мощных сигналов в полосе пропускания входных полосовых
фильтров (условия соревнований) необходимо :
• Иметь качественные гетеродины приемного тракта (передающего также  )
• Иметь качественные входные полосовые фильтры, для уменьшения нагрузки на
последующие каскады
• Для согласования шума местного эфира с предельной чувствительностью тракта
необходимо вводить в схемы аттенюаторы, что позволит найти оптимальный
баланс в коэффициенте передачи тракта, тем самым расширяя динамический
диапазон.
Рассмотрим практическую реализацию трактов SDR на УКВ.
Наиболее распространены на данный момент несколько схем SDR на УКВ
Схема А
Недостатки : более сложная схема,
необходимость применять
элементы с высокой динамикой,
классические проблемы супергетеродинов
Достоинства: меньшая стоимость
гетеродинов с высокими параметрами.
Схема В
Недостатки: необходим опорный
гетеродин с высокими параметрами,
работающий на частоте, превышающей
приемную, сложность обеспечения
постоянного фазового сдвига для
смесителей (подавление зеркального
канала).
Достоинства : более простая схема, большой выбор готовых решений.
Третий вариант – полностью цифровой SDR DDC – в качестве примера SunSDR2
(использование для УКВ диапазона второй зоны Найквиста), Anan-10, Hermes и
аналогичные по схеме варианты с работой АЦП непосредственно на частоте 144
или 432. Это наиболее перспективный вариант построения SDR. Скажу о
недостатках этого варианта : дорогостоящий чип АЦП, необходимость в
качественном опорном генераторе , работающем на высокой частоте, сложность
реализации устройства в непромышленных условиях. Использование генератора,
работающего ниже частоты преобразования, в зонах Найквиста выше третьейчетвертой , имеет так же свои недостатки, ввиду ухудшения соотношения
сигнал/шум системы. Квадратурный преобразователь в DDC/DUC трактах
полностью цифровой, что решает проблему зеркального канала и помехи на
нулевой частоте. Однако на сегодняшний день радиолюбителям недоступны
самые современные типы чипов АЦП, поэтому динамический диапазон
ограничен 105-110 дб, а если говорить об УКВ диапазоне, то и 100 дб. Один из
часто используемых АЦП 16 разр. LTC2208, и подобные 14 разр. LTC2248/2255 .
Самому разработать и изготовить тракт DDC возможно, но при этом некогда
будет работать в УКВ соревнованиях.  Но можно и купить .
Я остановился на первом варианте, напомню, это трансвертер 144/28 (432/28,
1296/28), SDR с нулевой ПЧ , 24 разряда АЦП , паспортный ДД АЦП 100 дб с
частотой дискретизации 96 кГц (звуковая карта Delta44)
•
•
Можно дать универсальные рекомендации по улучшению параметров SDR
трактов всех типов:
МШУ должен иметь коэффициент усиления, не превышающий суммарные потери
в кабеле, BPF и смесителе + 4-5 дб .
КУ МШУ = А каб + А BPF + А смес. +5 db , т.е. не выше 23-24 db
• При этом на выходе МШУ необходим аттенюатор, которым нужно установить
уровень прироста шума на выходе системы не более 4-5 дб при включении
питания МШУ.
Это значение может показаться странным, действительно, для работы Tropo, MS,
EME уровень прироста шума на входе тракта при включении МШУ можно сделать
выше, уменьшится верхняя граница динамического диапазона, что незаметно при
отсутствии мощных помех в полосе пропускания. Но для работы в сложных
контестовых условиях необходимо очень внимательно относиться к балансу усиления
на всем протяжении приемного тракта.
• ( для работы с классическими трансивером УКВ формула примет вид:
КУ МШУ = А каб + КШRX +5 db , т.е. так же не выше 23-24 db , это
соотношение было проверено на практике неоднократно)
• Полосовой фильтр должен иметь полосу по уровню -3 дб , примерно 1,5-2 МГц (в
диапазоне 144 МГц), это позволит ослабить внеполосные помехи от TV , BC FM и
ведомственных УКВ станций, а значит, облегчить режим работы смесителя.
•
•
•
При использовании трансвертера перед SDR трактом необходимо
согласовать их уровни для достижения оптимального динамического
диапазона системы в целом. Для этого необходимо предварительно
согласовать уровни в тракте МШУ- трансвертер, о чем было сказано ранее, и ,
подключив к выходу трансвертера SDR , добиться такого же прироста шума
(4-5 дб) на выходе SDR тракта при включении питания тракта МШУ +
трансвертер (можно использовать для измерения панораму SDR). В итоге
получается сбалансированная система, когда общий КШ тракта не увеличен, а
динамический диапазон уменьшен не до критических значений.
Часто SDR в УКВ соревнованиях используется как панорама и приемник, а его
передающий тракт не используется. Это связано с тем, что пока немного SDR
аппаратов могут работать на УКВ с достаточно подавленным зеркальным
каналом и нулевой несущей, ввиду невозможности обеспечить аналоговыми
квадратурными преобразователями точные соотношения амплитуды и фазы
сигналов. Если это DDC/DUC трансивер, то работа не в первой зоне Найквиста
и ограничение разрядности АЦП, работающей на высокой частоте
дискретизации также вносит в выходной спектр при передаче немало
побочных сигналов или шума. Сейчас ищутся оптимальные алгоритмы,
вносящие предыскажения в передаваемый сигнал для уменьшения
продуктов интермодуляции на выходе DUC/DDC трансивера.
Очень полезным является использование САТ-системы, связывающей
трансивер и ПО для SDR, что увеличивает оперативность при работе на поиск.
•
При работе на CQ CW в участке 144 030 – 144 100 на основном аппарате в
паузах между передачей целесообразно с помощью SDR просматривать
частоту 144 300 , где сейчас активность даже превышает активность в CW
участке, это связано с большим уровнем помех от системы кабельного ТВ
вещания и Интернета в участке от 144 000 до 144 200 в городских условиях.
Для станций, работающих из полевых условий , не всегда понятно, почему на
144 300 работает несколько станций одновременно, при этом не слыша друг
друга – можно только посочувствовать операторам этих станций – они
работают в ужасной помеховой обстановке и вынуждены работать на
вызывной частоте в надежде быть услышанными и самим услышать. Вот на
скане пример моей обстановки на частоте CW участка.
•
•
•
•
•
Какие элементы для изготовления SDR я бы порекомендовал ?
Для МШУ диапазонов 144, 432, 1296 МГц сейчас на рынке представлен
широкий выбор как готовых чипов (SPF 51xx , MSAxxxx) , так и
высокодинамичных транзисторов с малыми шумами ATFxxxx , FH1G и др.
Для BPF диапазона 144 и 432 наилучшими сейчас являются спиральные
фильтры и перестроенные четвертьволновые резонаторы от коммерческих
систем. Спиральные фильтры представлены фирмами Toko, Temwell.
В качестве смесителей по ПЧ можно использовать CMOS мультиплексоры
4066,4053 и FSTxxxx , для ПЧ 28 МГц они все справляются с квадратурным
преобразованием сигнала. А вот системе сдвига фазы на 90 градусов
необходимо уделить отдельное внимание, работать триггерам и счетчикам
приходится на учетверенной частоте ПЧ (или удвоенной).
От качества звуковой карты в SDR технологии зависит очень много, как и от
качества вычислительной системы, настоятельно рекомендуется
использовать для комфортной работы двухядерные системы с объемом
памяти от 2 ГГб. Но и к изготовлению звуковых кабелей надо отнестись
внимательно, они должны иметь идентичные и стабильные АЧХ/ФЧХ.
Обязательно наличие набора сетевых и развязывающих фильтров в общей
системе шека ! Их отсутствие - причина различных наводок, которые легко
проникают в эфир через SDR тракт при передаче и наоборот , при приеме.
В соревнованиях важна каждая секунда, поэтому очевидно, что для
работы с SDR аппаратурой необходим отдельный компьютер, который
никоим образом не связан с логом, Интернет-поддержкой, сетью с другими
компьютерами в подгруппах Multi-Multi. В этом есть определенный
недостаток применения SDR техники в контестах, хотя при работе в
повседневных связях все можно успевать делать на одном компьютере.
Причем этот фактор обусловлен не мощностью компьютера, а скорее
вероятностью конфликта многочисленного ПО и оператора.
Как показывает опыт, работа на SDR требует тренировки, после
многолетней работы на “классике” в контесте трудно привыкнуть к
необходимости постоянного переключения в компьютере между окном
самого трансивера и окнами вспомогательных программ. Это
дополнительный стресс для оператора, особенно при работе в диапазоне
144 МГц, где рейтинг QSO достигает трех в минуту. Есть неудобство в самом
принципе настройки на станцию, даже при наличии дополнительного
валкодера – это чисто психологическая особенность и дело привычки
отрабатывать на изменение тона вызываемой станции включением кнопки
RIT или ручкой расширения полосы фильтра.
Однако к пользе от постоянного контроля за полосой быстро
привыкаешь, я уже не включаю основной трансивер без включения SDR – это
и быстрый анализ помеховой обстановки и активности на диапазоне, и
контроль работоспособности всех систем !
•
•
•
•
В топовых контест аппаратах при практически любой ситуацию в эфире
достаточно одного действия с трансивером, часто вслепую-автоматом.
Многие не задумываются, что , работая телеграфом одной рукой и передавая
рапорт, другой рукой уже меняешь макрос в трансивере или компьютере,
меняешь азимут на слышимого второго оператора.
Возможно, многие со мной не согласятся… это хорошо… возможно, техника
SDR достигла действительно необходимого “комфорта” для работы в
контесте. Я использую SDR как панорамный индикатор, как второй приемник
– обязательно. Но я не использую SDR как основной аппарат. Пока …
Возможно, вызовет удивление, но я прихожу к выводу, что старый
классический трансивер с одним преобразованием частоты, кварцевым
фильтром и высокоуровневым смесителем типа “Урал”, RA3AO или
подобный им импортного производства в комплексе с качественным
трансвертером будут пока лучшим основным аппаратом для работы как в
очных, так и в заочных подгруппах.
Мнение многих европейских УКВистов совпадает с моим, они предпочитают
топовые КВ трансиверы прошлого века, приводят параметры в
сравнительных таблицах, ссылаются на неприятную окраску низкочастотного
спектра после обработки DSP современными трансиверами. Вопрос остается
открытым….
Тем не менее, SDR технология завоевывает все большее количество шеков,
является прогрессивной и вносит много необходимого в оборудование
контест позиции. Нельзя стоять в стороне от прогресса – надо идти вперед !