Jak fungují softwarová rádia 1.

28. dubna 2016 v 5:34 | Petr |  Elektro
Nedávno jsem si dovolil hodně - pochválil jsem ubohé "Made in China" rádio SilverCrest z Lídlu a dokonce jsem prohlásil, že rádia založená na DSP - digitálních signálových procesorech a softwarové demodulaci rádiového signálu jsou ta nejmodernější a, že "superhet s dvojím směšováním" je mrtvá věc, která nás vede do minulosti - přestože předražené radiostanice tohoto typu, olepené milionem certifikátů, vyhrávají armádní zakázky. V diskusi se pak na mně sneslo krupobití o podvodných číňanech, a dokonce o zániku "bílých firem". Na konci sáhodlouhé diskuse ale jeden čtenář položil nevinnou avšak klíčovou otázku : " A jak vlastně ten Lídl-tranzistorák funguje ?"

Tedy nikdy jsem nestavěl softwarové rádio, ale některá moje robotická čidla mu byla tak blízko, že kdybych místo IR fotodiody přiletoval drát jako anténu, mohl bych chytat na krátkých vlnách.
Ergo zde je blokové schéma radiopřijímače, který je dle mně i mnoha dalších ten nejjednodušší a zároveň nejlepší možný, jaký dnes radioamatér může postavit ( bez ohledu jestli umí a chce motat cívky, nebo ne )

Tedy : Kmitočtová ústředna kmitá na 4 násobku přijímané frekvence. Signál z antény jde rovnou do spínaného mixéru který přepíná anténu postupně na 4 výstupy A, B, C, D, operační zesilovače reallizují analogově operaci I = A-C a Q = B-D, tím se nám signál dostává z RF frekvence do oblasti "nulové mezifrekvence" neboli "basebandu". I je "Immediate" neboli přímý signál. Q je "Quadrature" neboli kvadraturní signál - stejný ale oproti Immediate posunutý o 90 stupňů. Kouzlo je v tom, že I a Q signály obsahují veškeré informace o apmplitude a fázi, které obsahoval původní RF signál.

Za Operačními zesilovači, které jediné realizují nějaké analogové zesílení jsou Anti alias - filtry - dolní propusti které hrubě omezují propustné pásmo Tento filtr dává přijímači hrubou selektivitu, ale jeho hlavní úloha je zabránit, aby mixováním frekvence vzorkování AD převodníku a signálů I a Q vznikly nejaké artefakty. Obě dolní propusti mohou být velice ubohé klidně obyčejné RC filtry a dokonce unitř čipu. S tím se digitální část rádia většinou vyrovnává převzorkováním - např : potřebujeme digitalizovat signál do 10 KHz - dáme ubohý RC filtr, který propouští frekvence až ke 20 kHz takže tuto frekvenci AD převodu nemůžeme použít - tak vzorkujeme na 200 KHz kde už RC filtr nepustí ( skoro ) nic - tzv "oversampling" ale jako výstup z AD převodu vydáváme průměry skupin 10 hodnot na frekvenci 20 KHz - tvz. "decimace" - výsledek je, že data jsou stejně kvalitní jako bychom měli dobrý anti-alias filtr a 20kHz AD převod.

Ideální frekvence digitalizace v AD převodnícich je 4násobek maximální frekvence, kterou chceme použít. Dobré radiostanice používají ještě více 40-200 KHz. Pak následují bloky FIR I a FIR Q - to jsou Finite Impusle Response Filtry pro přímý i kvadraturní signál. Toto jsou "digitální" mezifrekvenční filtry - jejich vlastnosti určují příjmové vlastnosti celého rádia. Finite impulse response filtry pracují tak, že se vezme několit ( 4-16 ) za sebou jdoucích digitalizovaných hodnot - každá jedna se násobí koeficientem - jakousi váhou, která určuje vlastnosti filtru a pak se z celé skupiny spočte průměr. Pak se "okno" ze kterého se počítají průměry posune o jednu hodnotu dopředu a znovu a znovu. Koeficienty filtrů určují šířku propustného pásma a mohou se za běhu měnit.

Pro SSB demodulaci tam vidíte poznámku že jeden z filtrů dělá "Hilbertovu transformaci" - to je otočení všech frekvenčních složek signálu o 90 stupňů - je to něco jako fázové zpoždění každé frekvence v datovém toku o čtvrt periody, převod všech sinusových složek na kosinusové a naopak. Rozhodně to není zpoždení jenoho kanálu o 1/4 vzorkovací periody. Hilbertovy transformace se dosáhne úpravou koeficientů filtru - během demodulace není spojena s žádnými výpočty navíc oproti filtru bez Hilbertovy transformace.

Pak jdou I i Q signál do "černé skříňky" ve které probíhá vlastní demodulace, která pro základní modulace je dětsky jednoduchá, podle vzorečků na obrázku. Jenom pár poznámek :

U AM demodulace okamžitá hodnota závísí pouze na vstupních hodnotách I a Q - to je digitální ekvivalent "synchroní AM demodulace" která poskytuje nejkvalitnější možné audio. Digitální AM demodulace je dokonce o kousíček lepší, protože nemá problémy s nepřesnostmi vzorkovacího kmitočtu - to není jako analogová - frekvnenčně omezená a rušení chytající demodulace s diodou a kondenzátorem ve stylu krystalek.

U FM demodulace existuje jednodušší vzoreček než na obrázku - a to že výstupní signál je arcustangens podílu I / Q - počítat arcustangens je však složité, takže vzoreček na obrázku je vlastně fázová demodulace. Mimochodem si povšimněte, že ve jmenovateli je hodnota okamžité amplitudy - to je náhrada za limiter který u analogových FM demodulací odstraňuje pronikání parazitní AM modulace do audio-výstupu.

Tolik ktedy nejjednodušší rádio s DSP softwarovou demodulací - podotýkám že nejjednodušší neznamená v tomto případě ošizené. Nejenom Číňani u "SilverCrestu" ale i Japonci a dokonce Američani, pokud by chtěli udělat jednoduché rádio se softwarovou demodulací museli by to udělat přesně stejně. Kouzlo ( a poctivost ) Číňanů je v tom, že neobalili moderní princip milionem keců a cenovkou v desítkách tisíc, ale že jim není blbé postavit kolem signálového procesoru Lídl-tranzistoráček za 249.

Ačkoliv to nevypadá - když jsem začal rádia tohoto typu studovat - opakovaně jsem narazil na výroky zkušených radioamatérů ve stylu : "nejlepší přijímač, který jsem kdy postavil". Takže opravdu - i fórově udělané rádio na moderním principu porazí již mrtvý koncept klasických superhetů.

Poznámka při druhém čtení - pokud chcete stavět rádio typu "drát bez jakéhokoliv filtru jde z antény do čipu" - je nutné aby takové rádio mělo extrémní odlonost proti intermodulačnímu zkreslení - to uspínaných CMOS mixérů je splněno, protože mixér začíná být zahlcen až se napětí z antény blíží napětí napájení ( 1-2 V ) - přitom prakticky nejsilnější signály na radioamatérské stupnici - "9S" znamenají že z antény jde napětí 50 uV !! Přesto existují softwarová rádia staré koncepce používající Gilbertovy mixéry - které jsou notoricky známé tendencí k intermodulačnímu zkreslení. I u těch ale jde "drát rovnou do čipu". Bohužel smutným případem tohoto typu je dvojice integrovaných obvodů E4000 + RTL2832 které dohromady dávají oblíbenou USB klíčenku, alias přijímač digitální televize - známý z projektu RTL-SDR. I přes notorickou ne-odolnost gilbertových mixérů však toto softwarové rádio nemá zdaleka tak špatné reference.
 

1 člověk ohodnotil tento článek.

Komentáře

1 rvx rvx | 28. dubna 2016 v 16:23 | Reagovat

pěkně (=jednoduše a srozumitelně) napsané, gratuluji

2 jik jik | E-mail | 28. dubna 2016 v 19:10 | Reagovat

Děkuji za vysvětlení. Hezky popsán princip. To, o co mi šlo jsem jakž takž pochopil. Teď si říkám, že to bude asi podobný princip jako u rádia v mobilech/tabletech, ale nevím. V Lidlu se vyskytuje (tuším v květnu nebo červnu... - už jsem jednou psal v příspěvku) ještě jedno rádio - třeba jsem ho narychlo našel tady: http://offers.kd2.org/en/ie/lidl/pNfb/
Podle tlačítek usuzuji, že bude uvnitř asi stejné, držel jsem ho loni v ruce a nakonec nekoupil (říkal jsem si, že když to mé stávající přestavím do jiné skříňky, bude ještě lepší, ale dosud se tak nestalo). Má ještě tlačítko BASS, ale usuzuji, že reproduktor asi stejný. A napájení tuším 6 V. Jenom veliká škoda přeškoda, že nemají rotační enkódér. Automatické ladění (scanování) se bohužel zastavuje na každém rušení...

3 petr-kubac petr-kubac | 28. dubna 2016 v 19:49 | Reagovat

[2]: Kouzlo softwarových rádií je v tom, že hardware je velice podobný u všech - jediné zásadní rozdíly jsou pracovní frekvence kmitočtové ústředny a šířka anti-aliasingových filtrů před digitalizací - ta uršuje jestli maximální šířka pásma bude 10 kHZ - vhodné pro analogové audio na krátkých vlnách, nebo jestli to bude 50 MHz - vhodné pro WIFI.

Jinak rádio z odkazu bych tipoval, že bude ( téměř ) stejné - postavené na stejné rodině DSP.

4 JirkaK JirkaK | 4. května 2016 v 14:00 | Reagovat
5 Kamil Kamil | E-mail | 11. února 2017 v 23:40 | Reagovat

Předevčírem v Lidlu koupil ono rádio za 249 Kč. Při zběžném porovnání příjmu na zřetelnější zvuk oproti Sony ICF 7600GR. Na to, že má dost mizerný reproduktor, hraje překvapivě dobře. Velmi čistě. Jen na FM občas u některých stanic se po naladění skokově sníží hlasitost, většinou pomůže stažení antény.

Šlo by vylepšit nebo na základě jeho vnitřností postavit lepší. Lovíval jsem dálky, nyní je to špatné, mnoho rušení od spínaných zdrojů všehomožného.

Děkuji za dobrý tip a za celý inspirativní a osvícený blog.

Nový komentář

Přihlásit se
  Ještě nemáte vlastní web? Můžete si jej zdarma založit na Blog.cz.
 

Aktuální články

Reklama