BIULETYN INFORMACYJNY KLUBu Nr 3 KLUB KRÓTKOFALOWCÓW KLON SP3YPR Gorzów Wielkopolski jo72pr lipiec 2008 ** SDR czyli Software Defined Radio Magiczne słowa, które coraz częściej pojawiają się w literaturze, w internecie, w rozmowach o sprzęcie łączności i nie tylko. Dlaczego rośnie popularność SDR? Głównie dlatego, Ŝe cyfryzacja i komputeryzacja zagościła juŝ na stałe w kaŝdej dziedzinie naszego Ŝycia, a rozwiązania technologiczne programowe (czytaj: software'owe) są znacząco tańsze od rozwiązań sprzętowych (czytaj: hardware'owych). Czy lepsze "jakościowo", na razie chyba nie. Biorąc jednak pod uwagę moŝliwości i cenę, "technologie software'owe" juŝ dziś są wykorzystywane powszechnie. Przy tak dynamicznym rozwoju tej technologii moŝliwe, Ŝe za lat kilka, rozwiązania sprzętowe będą juŝ tylko dla wąskiego grona fanów, jak choćby dzisiejsze lampowe wzmacniacze audio. ** Co SDR ma wspólnego z krótkofalarstwem. Sporo. SDR to skrót nazwy technologii wykorzystywanej w radiokomunikacji. SDR to dzisiejsze telefony komórkowe, to łączność dla armii, telemetria, przesył danych itp. itd. Czy nam krótkofalowcom, od wielu lat nie marzy się by mieć tani i przyzwoity transceiver, by młodych adeptów naszej sztuki było stać na zakup urządzeń? Technologia SDR moŝe właśnie to umoŝliwić i czy chcemy czy nie, czy jesteśmy tego świadomi czy nie, w sprzedaŝy są juŝ amatorskie TRX oparte na technologii SDR. Celowo uŝywam określenia technologia SDR aby uświadomić, Ŝe jest to sprzęt oparty na zupełnie innej zasadzie działania, niŝ ta do której się przyzwyczailiśmy. Widzę czasami artykuły (nawet w fachowej prasie) w stylu "Radiowy odbiornik cyfrowy - czyli radio programowalne SDR", albo teksty w rodzaju: "czarna skrzynka bez gałek podłączona do komputera" i wtedy zastanawiam się czy autor wie o czym pisze. Nie będę polemizował z takimi wypowiedziami, ale wprowadzają one sporo zamieszania. MoŜe być radio cyfrowe, bo odbiera emisje cyfrowe, ale wcale nie musi być SDR. MoŜe być TRX podłączony do komputera (z gałkami lub bez) i teŝ nie będzie SDR. MoŜe takŝe być z wyglądu zupełnie "normalny" TRX (jak choćby rok temu wprowadzony na rynek FT- 450 - Yaesu) w którym wykorzystano właśnie technologię SDR. ** O co więc chodzi? Dla przykładu określmy kilka najprostszych parametrów odbiornika dla fal krótkich: modulacja odbierana, szerokość odbieranego pasma, zakres odbioru i przestrajania, czułość, automatyka wzmocnienia - wystarczy. Schemat blokowy superheterodynowego odbiornika analogowego. Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 1 -
Teraz po kolei w klasycznym odbiorniku: odbierana modulacja zaleŝy od detektora, który zastosujemy. Szerokość odbieranego pasma zaleŝy od filtru, który umieścimy na przykład w torze pośredniej częstotliwości. Zakres odbioru i przestrajania zaleŝy od zastosowanych obwodów i na przykład generatora VFO. Czułość i automatyka wzmocnienia od parametrów wzmacniaczy i automatycznej pętli wzmocnienia. Oznacza to, Ŝe w klasycznym odbiorniku chcąc cokolwiek zmienić musimy zmienić parametry układu "odpowiedzialnego", a czasami nawet przełączyć na inny układ. A teraz SDR. Wyobraźmy sobie, Ŝe zaraz za anteną podłączamy przetwornik analogowo-cyfrowy, a za przetwornikiem odpowiednio szybki procesor sygnałowy. Schemat blokowy odbiornika SDR. Odpowiednim programem określamy w jaki sposób otrzymany sygnał cyfrowy (tak zwane próbki) ma być zdekodowany (zdemodulowany). Program teŝ określi, ile tych próbek ma być branych pod uwagę, czyli szerokość odbieranego pasma. Program określi, które próbki analizować, czyli zakres odbioru. TakŜe program określi czy brać pod uwagę próbki z duŝym sygnałem, czy tylko z małym, a jeśli są małe czy je nieco wzmocnić. Skomplikowane? MoŜe trochę, ale jeśli się nam zamarzy odbierać coś innego, to wystarczy zmienić program. W odbiornikach SDR ten sam sprzęt moŝe odbierać SSB, FM, a takŝe modulacje cyfrowe np. DRM (Digital Radio Mondiale) bez przełączania choćby jednego kabelka. Podobnie z nadawaniem. MoŜna sygnał SSB otrzymywać we wzbudnicy, a następnie zmieszać z VFO, aby otrzymać poŝądaną częstotliwość nadawania. MoŜna takŝe od razu cyfrowo uformować jedną wstęgę na poŝądanej częstotliwości, przetwornikiem sprowadzić do postaci analogowej i wysłać w eter. Schemat blokowy analogowego nadajnika SSB. Schemat blokowy nadajnika SDR. Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 2 -
Mam nadzieję, Ŝe istotę technologii SDR wyjaśniłem. Oczywiście przy programowym sposobie formowania lub dekodowania sygnału radiowego konieczne są dodatkowe "narzędzia obsługujące", czyli odpowiedni system operacyjny. System taki "zarządza" programem głównym, steruje wyświetlaniem informacji i udostępnia dodatkowe usługi typu pamięci (w postaci komórek lub wielu wirtualnych VFO), skanowanie, klucz elektroniczny i wiele innych mniej lub bardziej przydatnych funkcji. Obsługiwać software'owo moŝna takŝe zwykłe radio, choćby w postaci zarządzania syntezą DDS. RóŜnicą pomiędzy klasycznym urządzeniem, a SDR będzie zawsze sposób tworzenia idekodowania sygnału. W rozwiązaniach sprzętowych załoŝenia projektowe określają sposób wykonania urządzenia. W SDR (Software Defined Radio), czyli radiu definiowanym programowo, funkcjonalność urządzenia jest wyznaczana programem i moŝna to zmieniać wielokrotnie juŝ po fazie, nazwijmy to, fizycznej produkcji. ** Technologia SDR rozwija się bardzo dynamicznie. Obecnie jednak SDR prawie w ogóle nie występuje w czystej postaci. Przyczyną jest głównie ekonomia i ograniczenia technologiczne (na razie). Za przykład niech posłuŝy wielopasmowy odbiornik KF. MoŜna zaraz za anteną włączyć szerokopasmowy przetwornik analogowo-cyfrowy przekształcający całe widmo od 1,8 do 30 MHz w próbki cyfrowe. Jeśli jednak z tego widma będziemy wykorzystywać tylko pasma amatorskie, to z prostego sumowania wynika, Ŝe prawie 90% próbek jest nam zupełnie niepotrzebne. Łatwiej (i o lepszych parametrach) moŝna wykonać przetwornik widzący, powiedzmy, 0,5 MHz, a przesunięcie pasma odbioru dla poszczególnych zakresów wykonać w sposób klasyczny (jak na przykład w premikserach). W takim rozwiązaniu technologia SDR zajmie się zarówno przestrajaniem wewnątrz pasma jak i obróbką sygnału z demodulowaniem. MoŜna takŝe przyjąć, Ŝe wszystkie moduły odbiornika występujące przed ostatnią częstotliwości pośrednią wykonane są jak w klasycznym TRX, a ostatnią pośrednią (tą z wąskimi filtrami) oraz układy demodulacji zastąpić technologią SDR. Właśnie tak jest zbudowana większość współczesnych transceiver ów z tak zwaną pośrednią DSP Za przykład niech posłuŝy rysunek reklamowy jednego z popularnych ostatnio na rynku urządzeń. Schemat blokowy odbiornika FT-450. (źródło: materiały reklamowe firmy Yaesu) Dwie pośrednie, pierwsza wysoka jak w klasycznym TRX, druga to DSP (lub jak kto woli SDR). Otrzymujemy w ten sposób za stosunkowo niewielkie pieniądze urządzenie z moŝliwościami transceverów wyposaŝonych w kilka zestawów filtrów pośredniej częstotliwości, z filtrami NOTCH, reduktorami szumów, a w torze nadawczym wyposaŝonymi w kompresory z kształtowaną charakterystyką m. cz. Oczywiście jak zawsze są zwolennicy i przeciwnicy takich rozwiązań, ale nie o tym jest to opracowanie. Fakt pozostaje faktem, coraz więcej powaŝnych firm wypuszcza na rynek sprzęt z wykorzystaniem technologii SDR, zarówno dla amatorów jak i komercyjnych uŝytkowników fal radiowych. Niedawno na rynku pojawił się odbiornik SDR Perseusz. Jednak prawdziwym liderem w dziedzinie amatorskich urządzeń nadawczo-odbiorczych SDR (i to nie tylko z powodu hasła reklamowego) jest FLEX-5000 amerykańskiej firmy Flex Radio Systems. Popularność "Flex'a" ostatnio bije na głowę takie produkty jak K2 czy ORION. FLEX-5000 jest następcą pierwszej pionierskiej konstrukcji SDR-1000. Jest amatorskim transceiverem krótkofalowym z pasmem 50 MHz i mocą 100W. W opcjach A, B, C, D dostępne są automatyczne skrzynki antenowe, wzmacniacz 300W, przełączniki antenowe i nawet moduł 144 MHz. Z tyłu, FLEX wygląda jak kaŝde współczesne radio: gniazda antenowe, sterowanie, zasilanie. Z przodu - nic, ani jednej gałeczki. Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 3 -
Tył i przód TRX'a FLEX-5000A (źródło: materiały reklamowe firmy Flex Radio Systems) Wszystkie funkcje tego transceivera sterowane (i kontrolowane) są za pomocą komputera PC. Na rysunku poniŝej przedstawiony jest wygląd ekranu jednej z wersji programu PowerSDR. Na ekranie jest wszystko co "rasowy" TRX mieć powinien. Screenshot programu PowerSDR sterującego Flex em ** Czy amator-konstruktor ma szansę eksperymentowania z technologią SDR? Ma i wcale nie musi być specjalistą od przetworników analogowo-cyfrowych, czy skomplikowanych procesorów Analog Devices. Dość mocno zaawansowana i powszechna technika komputerów domowych pozwala na wykorzystanie ich do odbioru (i nadawania) z wykorzystaniem technologii SDR. Systemem zarządzającym będzie system operacyjny naszego PC, za procesor sygnałowy będzie słuŝył procesor główny (podobnie jak przy np. odtwarzaniu MP3), a za przetwornik analogowo-cyfrowy (i cyfrowo-analogowy) - karta muzyczna. ** Jaki sygnał dostarczymy do karty muzycznej? Większość amatorskich konstrukcji SDR wykorzystuje moŝliwości komputerów domowych poprzez uŝycie prostych urządzeń z bezpośrednia przemianą częstotliwości. Podstawą są mieszacze kwadraturowe oraz przetwarzanie A/C w dwóch kanałach karty muzycznej. Mieszacze kwadraturowe pozwalają na stosunkowo proste przetworzenie sygnału analogowego, poprzez mieszanie cyfrowe i dekodowanie programowe. Stosując dodatkowo, juŝ na poziomie sygnału analogowego, mieszanie z przesunięciem fazy moŝna zmniejszyć wymagania dla przetworników analogowo-cyfrowych. Sposób Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 4 -
taki daje moŝliwość wykorzystania karty dźwiękowej. NaleŜy jednak pamiętać, Ŝe nawet bardzo dobra karta muzyczna nie przetwarza częstotliwości powyŝej kilkudziesięciu kiloherców co oznacza, Ŝe zakres przestrajania (przestrajania na poziomie cyfrowym) moŝe wynosić takŝe tylko te kilkadziesiąt kiloherców. W wielu zastosowaniach opartych na technologii SDR, wykorzystuje się bezpośrednią przemianę częstotliwości. Urządzenia wykorzystujące bezpośrednią przemianę nazywamy homodynowymi. Na potrzeby SDR przemiana ta działa w nieco inny sposób. Sygnał uŝyteczny jest mieszany dwutorowo tak aby na wyjściu otrzymać dwa sygnały (I oraz Q) o tej samej częstotliwości ale przesuniętych względem siebie o fazę 90 stopni. Tak otrzymane sygnały są przetwarzane na postać cyfrową i ponownie mieszane (w procesorze sygnałowym), ale juŝ w sposób cyfrowy. Zasada pracy SDR z mieszaczem kwadraturowym. Nie wgłębiając się w szczegóły, właśnie istnienie tych dwóch sygnałów I oraz Q związane jest z mieszaniem kwadraturowym i jest bardzo charakterystyczne dla technologii SDR. Przy nadawaniu, takŝe wykorzystuje się dwa ortogonalne sygnały I oraz Q. Część analogową urządzenia (tą z mieszaczem) naleŝy fizycznie zbudować, część obróbki cyfrowej, wykonuje komputer z wgranym oprogramowaniem. Wśród wielu programów, umoŝliwiających nadawanie i odbiór z wykorzystaniem technologii SDR, najpopularniejszy jest program Rocky. Działa on w systemach Windows ME, 2000, XP. Wymaga procesora P4 1GHz, RAM min. 256 MB i oczywiście potrzebna jest karta dźwiękowa, czym lepsza tym lepiej. Screenshot głównego okna, jednej z pierwszych wersji programu Rocky do sterowania SDR. Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 5 -
** Warto zacząć od prostych układów. Jak się okazuje aby zacząć odbierać fale radiowe za pomocą komputera wcale nie trzeba budować mieszacza IQ. W 1998 roku powstał światowy projekt cyfrowej emisji broadcastingowej na falach krótkich o nazwie Digital Radio Mondiale (DRM). Stał się on nowym standardem cyfrowych emisji. Oczywiście pojawiły się odbiorniki radiowe wyposaŝone w nowy standard odbioru, ale nie były one powszechnie dostępne i były bardzo drogie. W czerwcu 2001, na uczelni w Darmstadt, ruszają prace nad oprogramowaniem, które mogłoby pomóc w odbiorze DRM prostymi środkami (czyli znaną nam metodą - kartą dźwiękową i komputer PC). Powstaje DREAM, program oparty na licencji Open-Source. DREAM słuŝy nie tylko do dekodowania (i słuchania) rozgłośni radiowych DRM, ale moŝna nim równieŝ odbierać analogowe modulacje AM, FM, SSB, CW i to z regulacją szerokości pasma. Zasada pracy jest prosta. NaleŜy odbierany sygnał sprowadzić do częstotliwości 12 khz i podać go na wejście karty dźwiękowej. Program zrobi resztę. Jeśli generator na rysunku obok będzie miał częstotliwość 3,7 MHz to na widzianym poniŝej ekranie odbierana jest częstotliwość 3,715 MHz LSB, z pasmem o szerokości 2133 Hz. Do dyspozycji jest automatyka wzmocnienia, cyfrowe filtry szumów, a nawet magnetofon zapisujący audio bezpośrednio na dysku. Zakres przestrajania jak widać niewielki, ale prostota układu wyjątkowa. Wystarczy jeden układzik NE612 i kwarc. Zmieniając kwarc na 5,883 MHz Bezpośrednia przemiana do odbioru DRM moŝna próbować odbioru DRM z Niemiec. Screenshot programu DREAM w modzie odbioru emisji analogowych. Była to pierwsza moje przygoda z dekodowaniem SSB w sposób programowy. Proszę mi wierzyć kawałek anteny, kawałeczek płytki i słychać! Jest to łatwiejsze niŝ zbudowanie homodynki, a jeszcze niedawno wydawało mi się, Ŝe od homodyny nie ma juŝ nic prostszego. Parametry znacznie lepsze, choćby w racji, Ŝe tu nie słychać lustrzanego odbicia. Swobodna regulacja szerokości odbieranego Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 6 -
pasma (ze zboczami nie osiągalnymi nawet filtrami kwarcowymi budowanymi samodzielnie), takŝe redukcja zakłóceń. W Internecie moŝna spotkać wiele rozwiązań umoŝliwiających eksperymentalny odbiór DRM z uŝyciem programu DREAM. Większość z nich doskonale nadaje się takŝe do wykorzystania przy odbiorze amatorskich pasm, bez Ŝadnej przeróbki, po prostu kliknięciem w opcję programu i juŝ. Jedno z takich rozwiązań sprawdziłem z powodzeniem. Sposób odbioru DRM (a takŝe SSB, CW, FM) z wykorzystaniem odbiornika AM Ze zwykłego odbiornika analogowego naleŝy wyprowadzić sygnał częstotliwości pośredniej (występujący w torze odbioru AM przed detektorem). Sygnał ten naleŝy przenieść w obszar czytany przez kartę muzyczną. Ja w swoich eksperymentach zastosowałem odbiornik powszechnego uŝytku ELTA 3562N (cena około 50 zł). Wybór określiły dwa parametry. Jest to odbiornik z syntezą PLL wymaganą dla utrzymania stabilności przy odbiorze DRM oraz posiada zakres fal krótkich zaczynający się poniŝej 3 MHz, więc bez Ŝadnych przeróbek słuŝyć moŝe do słuchania pasma 80m. Oczywiście na rynku jest wiele urządzeń spełniających te parametry - ten był szybko osiągalny. Wyprowadziłem sygnał, podłączyłem dodatkowy mieszacz i dodatkowy filtr ceramiczny (choć filtr przy pierwszych eksperymentach nie jest niezbędny). Jeszcze podłączenie do laptopa i trochę zabawy ze skonfigurowaniem karty tak aby wejście mikrofonowe zamieniło się na liniowe i.. słychać, naprawdę słychać. Tak prostymi środkami moŝna odbierać CW, SSB i nawet DRM. ** DRM dla amatorów. Przy temacie DRM warto jeszcze wspomnieć, Ŝe rozwiązania oparte na technologii SDR umoŝliwiają radioamatorom wykorzystywanie do łączności emisji cyfrowych opartych na przekazie za pomocą widma rozproszonego (tak jest nadawane właśnie DRM). Są juŝ opracowania programów kodujących i dekodujących, a technologia SDR i domowy komputer PC pozwalają na eksperymenty w dziedzinie najnowocześniejszych sposobów łączności. Odbiornik ELTA z mieszaczem i dodatkowym filtrem o zwiększonej szerokości pasma ** Zamiast zakończenia. Niniejsze opracowanie miało na celu wstępne przedstawienie technologii SDR. Nie będę więc pisał o konkretnych rozwiązaniach, nie będzie teŝ gotowych schematów. Opisy moŝna znaleźć w internecie. MoŜna teŝ kupić kity prostych urządzeń, tworzących razem z komputerem PC pełnosprawny odbiornik Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 7 -
lub TRX (oczywiście SDR). Kit transceivera (płytka z kompletem części) na jedno lub dwa pasma amatorskie kosztuje około 100 złotych. PoniŜej zdjęcie jednego z takich zestawów w trakcie składania. Urządzenie zostało opracowane w USA i jest wersją 6.2 popularnego SoftRock 40 z modulatorem i demodulatorem kwadraturowym. Pracuje w paśmie 80 m lub 40 m z mocą 1 wata wykorzystując kartę dźwiękową komputera. Modulacja jest definiowana programowo wraz z odpowiednią szerokością pasma odbieranego i kompresją przy nadawaniu. W zaleŝności od jakości karty dźwiękowej TRX moŝna przestrajać w zakresie 40 khz. Kit działa zarówno z programem Rocky, PowerSDR jak i innymi przeznaczonymi do jednoczesnej obsługi sygnałów I i Q pochodzących z mieszacza oraz do niego wysyłanych. Płytka SoftRock v. 6.2 w budowie (foto: SP3NYR) Vy 73! Do usłyszenia na pasmach na sprzęcie SDR. http://www.amqrp.org/kits/softrock40/index.html http://paginas.terra.com.br/lazer/py4zbz/sdr/sdr.htm http://www.comsistel.com/ciaoradio/ciaoradio.htm http://www.comsistel.com/images/hardware.htm http://www.universal-radio.com/catalog/commrxvr/0014.html http://drm.sourceforge.net Tekst własny SP3HTF Rafał Stępień Rysunki SQ3MU Konrad Stępień Konsultacje Members of SP3YPR http://www.elexs.de/direktmix1.htm http://janucha.ovh.org/index.html http://www.b-kainka.de/drm.htm http://www.elektronikab2b.pl http://www.flex-radio.com www.sp3ypr.qrz.pl Broszura nieodpłatna, wyłącznie do uŝytku wewnętrznego. Wszelkie prawa autorów zastrzeŝone. Powielanie, kopiowanie i umieszczanie na stronach internetowych bez zgody autorów zabronione. Ulotka informacyjna - BIK nr 3 * lipiec 2008 * - 8 -