Uživatelské nástroje

Nástroje pro tento web


cs:sdrx

Softwarově definovaný přijímač SDRX01B

Jde o SDR přijímač zkonstruovaný původně pro účely amatérské radioastronomie. Ale je použitelný i pro radioamatéry, například jako přehledový přijímač. Zvláště se ale hodí pro různé experimentální konstrukce, kde je vyžadována velká variabilita systému.

Blokové schéma základního systému s přijímačem SDRX01B

Od jiných řešení SDR přijímačů, jako SoftRock, Lima SDR, UHF SDR, RTL-SDR a dalších, se liší především tím, že je vhodný nejen pro radioamatérské, ale i pro radioastronomické aplikace. Neboť díky svojí variabilitě umožňuje použití v konfiguraci interferometru a dalších komplexních systémech, které umožňují pokročilé směrové zpracování signálu. V rozsahu cca 100kHz až minimálně do 200MHz.

Konstrukční dokumentace k SDRX01B je k dispozici na serveru MLAB.

Možnosti použití

  • Radioastronomická pozorování (Slunce, Jupiter, Meteory..)
  • Poslech letecké radiokomunikace
  • Přijímač pro kosmickou komunikaci, ISS, Amsat, ARISsat.
  • Přehledový přijímač pro radioamatérská pásma.

Primárně byl přijímač vyvíjen hlavně pro požití v nižších radioastronomických pásmech, ale díky svým parametrům našel i uplatnění v jiných způsobech použití. Více o jeho aplikacích se můžete dočíst na http://radio.astronomie.cz/.

V současné době je jeho aktuální verze SDRX01B, SDRX01A byl prvním testovacím prototypem a existuje v jednom exempláři, který se nachází na Úpické hvězdárně.

Napájení přijímače

Napájení přijímače SDRX01B

Přijímač pro svojí správnou funkci potřebuje několik napájení:

Symetrické napájení analogové části

Analogová část přijímače je obvykle napájena symetricky +12V a -12V. Což je zatím realizováno použitím dvou síťových adaptérů zapojených v sérii. Využívá se k tomu modul UNIPOWER02A, který kromě vypínače obsahuje i základní EMI filtr.

Protože spínané zdroje nemají vyvedenou zem, tak vytváří napěťový potenciál proti zemnícímu kolíku zásuvky. Někdy až 100V a tento potenciál je proto nutné eliminovat připojením zemnící svorky na kovovou desku přijímače. (Jinak by mohlo dojít k poškození některých citlivých zařízení, jako například vstupního LNA)

Tato možnost napájení ale přesto není úplně ideální. Protože vytváří zemnící smyčku, pro citlivé aplikace je proto vhodné použít bateriové napájení, nebo modul SymPower01A.

Napájení digitální části směšovače

Digitální část přijímače obsahuje integrovaný lineární stabilizátor, který je možné napájet přímo +5 V (napájecí napětí se interně stabilizuje na +3,3 V). Digitální část přijímače není výrazně citlivá na šum v napájení proto je možné použít například napájecí napětí z USB přivedené z kmitočtového syntezátoru.

Digitalizace zvukovou kartou

Ačkoli je SDRX01A softwarově definovaným přijímačem, tak signál z přijímače je na výstupu stále analogový a je třeba jej digitalizovat. To lze nejsnadněji realizovat připojením vhodné zvukové karty. Vhodné parametry zvukovy jsou například tyto:

  • Stereo vstup
  • Odstup signál/šum cca >80dB (ovlivňuje MDS přijímače a šumové parametry systému)
  • Dynamický rozsah >16bit (hlavní činitel omezení dynamického rozsahu systému)
  • Vzorkovací frekvence (limituje šířku pásma přijímače) záleží na požadované šířce pásma přijímaného signálu. Zde je třeba poznamenat, že vzorkovací frekvence je přímo šířkou pásma (díky kvadraturnímu I/Q formátu)

U moderních zvukových karet jsou tyto parametry díky různým marketingovým trikům těžko ověřitelné, proto zde uvedeme ještě příklady externích zvukových karet u kterých máme ověřenu jejich korektní funkčnost.

  1. Creative SoundBlaster External Live! USB 24bit Externí zvuková karta s výbornými parametry - už se nevyrábí.
  2. Creative Sound Blaster X-Fi Surround 5.1 Pro USB Nástupce předchozího typu, nemá stereo mikrofon, lze ale použít linkový vstup.
  3. BERINGHER U-CONTROL UCA222, její zřejmou nevýhodou je nižší šířka pásma (48kHz), která je však pro některé aplikace (jako je třeba detekce meteorů) dostatečná. Výhodou je nižší cena. Používá čipset PCM2902E

Připojení antény

Long wire antenna

Přijímač SDRX01B je standardně vybaven přímým SMA F konektorem (SMA zásuvka do PCB), na který se například základní LW anténa připojuje dost těžko. Proto je dobré použít redukci. Vhodnou kombinací je například redukce BNC/SMA Z/V a následně redukce BNC/banánek V/2xZ. Pod svorky je pak možné přímo našroubovat dlouhý kus drátu (řádově jednotky až desítky metrů) nebo PK. Na takovouto anténu lze pak bez problémů přijímat velké množství krátkovlnných vysílačů a v podstatě je tato konfigurace základním testem správně fungujícího přijímače SDRX01B.

Tento způsob zapojení slouží pouze k základnímu ověření a není jej možné provozovat trvale. Viz. odstavec vyzařování

Tato anténa by se navíc měla k přijímači připojovat přes impedanční přizpůsobení balunem.

Další typy drátových antén

Připojení lokálního oscilátoru

Lokální Oscilátor (LO) se k přijímači připojuje externě pomocí standardního diskového kabelu SATA. Z praktických důvodů je vhodné zvolit co nejkratší. Vhodný je například kabel z herní konzole Xbox 360, který je dlouhý přibližně 10cm a je vyroben z velmi flexibilního materiálu.

Jako LO se nejčastěji používá modul CLKGEN01B v kombinaci s vhodným řídícím procesorem (Obvykle PIC). Pokud máte celou přijímací sestavu MLAB, tak je to tato část:

Použití externího lokálního oscilátoru má výhodu především v tom, že LO pak může být sdílený mezi několika přijímači (pomocí modulu CLKHUB02A). To umožní aby všechny přijímače byly naladěný na stejný kmitočet o identické fázi. To je pak velmi výhodné pro interferometrické experimenty.

Výhodou externí lokálního oscilátoru je, že umožňuje synchronizaci k časovému normálu, například díky GPS. Navíc je tak možné používat několik přijímačů koherentně navázaných na jeden LO.

Ladění frekvence přijímaného pásma

Windows

Instalace ovladače

LO komunikuje s PC přes knihovny libusb. Po rozbalení je třeba použít utilitu „INF_wizard“, která vygeneruje správný konfigurační soubor ovladače pro lokální oscilátor (při této proceduře je třeba mít k počítači syntezátor připojený).

Instalace ladící utility

Ladící program CFGSR lze stáhnout a nainstalovat pomocí automatického instalátoru. Po spuštění programu je pak třeba v záložce LO nastavit hodnoty „multiply“ na 2 (pro běžný SDR přijímač je původně nastaveno 4). A pak dále rozsah LO na 10-810 MHz (ovlivňuje v jakém rozsahu bude povoleno LO ladit).

Po instalaci a nastavení ladící utility by měl vlevo dole svítit zelený puntík, oznamující správné propojení s Si570. Potřebnou frekvenci je pak možné nastavit v záložce „Tune“.

Linux

Kromě klikací Windows utility CFGSR I pro Linux existuje nástroj usbsoftrock, jde o řádkovou utilitu a její použití je víceméně intuitivní.

Kompilace se provede následujícími kroky:

sudo apt-get install libusb-dev libncurses5-dev subversion make
svn checkout http://usbsoftrock.googlecode.com/svn/trunk/ usbsoftrock-read-only 
cd usbsoftrock-read-only/
./configure
make

Do systému se pak usbsoftrock nakopíruje příkazem

sudo make install

Zde příklad výpisu, stavu LO na Ubuntu 13.04.:

kaklik@popelnice:~/programy/usbsoftrock-read-only$ sudo ./usbsoftrock status
[sudo] password for kaklik: 
Version     : 16.4
USB SerialID: TF3LJ-1.0
Startup Freq: 0.000000 (x 4.00)
Xtall Freq  : 114.225586
Smooth Tune : 3500 PPM
Si570 I2C   : 0 Hex
BPF Enabled: 1
   Band    BPF      Si570
----------  ---  -----------------
 0.0.. 9.6   0   (F - 0.00) * 1.00000
 9.6..34.0   1   (F - 0.00) * 1.00000
34.0..76.0   2   (F - 0.00) * 1.00000
76.0..       3   (F - 0.00) * 1.00000
LPF Enabled: 1
    Band    LPF
----------  ---
 0.0.. 8.0   0
 8.0..16.0   1
16.0..36.0   2
36.0..44.0   3
44.0..58.0   4
58.0..80.0   5
80.0..120.0   6
120.0..       7
kaklik@popelnice:~/programy/usbsoftrock-read-only$ 

Usbsoftrock má i interaktivní mód kdy je možné frekvenci ladit, klávesami na klávesnici.

sudo ./usbsoftrock -m 2 interactive

Ve všech případech je třeba ladícímu programu definovat následující parametry:

  • LO multiply 2 - znamená, že LO se bude ladit dvakrát výše, než přijímaná frekvence (v přijímači je před přijímačem z konstrukčních důvodů dělička 2)
  • LO range 3-810MHz - Omezuje rozsah ve kterém jde LO ladit. (Některé softwary jako třeba CFGSR mají omezený rozsah na nižší kmitočty, do 160MHz protože běžné SDR přijímače podobné konstrukce nad těmito frekvencemi nepracují)

Kalibrace lokálního oscilátoru

Lokální oscilátor s čipem Si570 nemusí být z výroby optimálně kalibrovaný pro všechny frekvence. Je tedy vhodné si ověřit jeho kalibraci a případně (pokud je frekvenční rozdíl velký) oscilátor dokalibrovat..

Je ale třeba postupovat velmi opatrně, protože v případě nepovedené kalibrace může být třeba přepsat firmware v řídícím MCU od oscilátoru.


Pozor! Obvod Si570 typu 570ABB000107DG má počáteční frekvenci (start up frequency) 10,0MHz a je třeba ji správně nastavit v případě kalibrace podle výrobních parametrů (default settings).

SDR demodulační Software

Windows

  • HDSDR (WinRAD) - Velmi oblíbený Windows program pro ovládání softwarově definovaných přijímačů. Po doplnění knihovny pro Si570 umožňuje přímé ovládání LO.
  • Spectrum Lab - nástroj pro různé zpracování signálů ve slyšitelném pásmu. Používáme jej hlavně pro detekci meteorů.
  • pySDR - náš program pro vykreslování waterfallu pomocí OpenGL.

Linux

  • Linrad - Linuxový nástroj pro SDR příjem, má některé pokročilé funkce, které v HDSDR zatím chybí. Jako například korekce potlačení zrcadel pro různá pásma.
  • pySDR - náš program pro vykreslování waterfallu pomocí OpenGL.

Mac OS X

  • DSP Radio Jednoduchy funkcny program na waterfall aj ladenie Si570
  • gqrx SW zalozeny na GNU Radio
  • SdrDx oblubeny sw s vela funkciami

Multiplatformní

  • QUISK - Python program pro ovládání přijímačů typu softrock.

Změřené charakteristiky přijímače

Tyto charakteristiky byly získány na různých navzájem nekalibrovaných zařízeních podle účelu konkrétní aplikace. Mají tedy pouze informativní charakter.

Citlivost

MDS je -120dBm na 150MHz při 1kHz BW. Byla měřena generátorem přivedeným na RF vstup přijímače a přijímaný signál byl zobrazen na waterfallu v programu HDSDR.

Směrem k nižším frekvencím se zvyšuje a k vyšším snižuje s amplitudou cca 15dBm přes celý pracovní frekvenční rozsah.

Potlačení zrcadlového kmitočtu

Minimální a snadno dosažitelné potlačení zrcadlových kmitočtů je 50dB na 150MHz RF in. Běžný maximální limit je 70dB (vyšší hodnoty již závisí na konkrétním kusu přijímače). Potlačení zrcadlového kmitočtu je ale třeba dolaďovat pro každé pásmo, jelikož záleží na rozladění fáze spínání směšovače a ta se pro různé frekvence může měnit. Vliv teploty na nastavení ale není velký a je tedy možné si vytvořit korekční tabulku pro všechna používaná pásma. Některé softwarové nástroje (například Linrad) umí takovou tabulku vytvářet automaticky po spuštění kalibrace a připojení vhodného generátoru na vstup přijímače.

Nastaveni potlačení zrcadlových kmitočtů

Vhodnou metodou je použití lineárně frekvenčně modulovaného signálu, který ve spektru vytvoří „kostku“, kterou je pak možné dobře vyladit v zrcadle na minimum. Takový signál lze získat například FM rozmodulováním výstupu generátoru.

Vyzařování

Následující obrázky znázorňují spektrum vyzařované přijímačem SDRX01B za provozu do antény. Jde o principiální jev spínaného směšovače a je to také důvod, proč přijímač nesmí být provozován bez připojeného izolačního předzesilovače.

Při příjmu na 20MHz Při příjmu na 50MHzPři příjmu na 70MHz Při příjmu na 146MHz

Následující obrázek ukazuje zlepšení po připojení LNA01A.

Naměřená špička je pravděpodobně způsobena rušením na pracovišti (měření bylo prováděno na nezakrytovaném LNA). Jak je ale vidět, tak spektrum vyzařované přijímačem je potlačeno pod hranici -70dBm.

FAQ

  • Můžu napájet přijímač +/- 10V ? Ty signály na výstupu dosahují rozkmitu napětí řádově 10-100mV max. Proč je třeba mít tak velký napájecí rozsah?

Velký napájeci rozsah je potřeba kvůli tomu, že v okamžiku, kdy se do NF pásma dostane silný signál, tak je třeba zařídit aby to nikde v SDR nedošlo k saturaci. Jinak by se signál rozlezl po celém výstupním pásmu, proto je třeba i na v průměru malé signály velký dynamický rozsah.

  • Proč nemá přijímač integrovaný stabilizátor napětí? Tenhle způsob napájení komplikuje použití.

Stabilizátor v přijímači není schválně, aby v případě spojování vice přijímačů (interferometrie, radiaoastronomie) měly všechny přijímače stejné napájení a tím pádem i stejný drift.

  • Musím přijímač napájet napětím +/-12V nestačí +/-10V?

Přijímač je možné napájet i +/-5V. Pro použití v portable režimu je vhodné využít Li-ion akumulátory po dvojici v každé větvi celkové napájení tedy bude +/- 7,4V což je na většinu aplikací mimo město (bez silných signálů) použitelné. Vhodné akumulátory jsou například v baterii v z notebooků (obvykle velikost 18650) snížená kapacita starých baterií v případě použití s přijímačem nevadí, nebot odběr přijímače je malý a vydrží tak provozu mnoho hodin.

  • Proč má přijímač I a Q výstup? Mohu na digitalizaci signálu použít mono vstup zvukové karty?

Nízkofrekvenční signál z přijímače je ve formátu I/Q proto, aby obsahoval plnou informaci o vstupním vysokofrekvenčním signálu, jde v podstatě o vektorový formát, ze kterého pak lze demodulovat v principu jakoukoli modulaci, která má šířku pásma menší, než šířka pásma A/D konverze. Podrobnější vysvětlení I/Q problému

Technické "náměty"

Proč neopoužijete 1bitový A/D převodník (komparátor)?

Ano tento druh převodníku je opravdu výrazně levnější, než složitější ADC, ovšem jeho použití je omezeno signálem, který je schopen digitalizovat. Zjednodušeně lze říci, že bude fungovat dobře pokud jeho komparační úroveň se bude shodovat s průměrnou hodnotou signálu. Problémy nastávají právě v případech, kdy je tato úroveň neznámá, nebo se neznámým způsobem mění. Protože v takovém případě komparátor přestává překlápět a tím pádem ztrácí rozlišení.

Příklady využití přijímače

Interferometrická sestava - zpracování koherentních signálů

Následující obrázek ukazuje první pokus o realizaci radioastronomického přijímače. Používá moduly CLKGEN01B, CLKHUB02A. Napájení je realizováno dvěma spínanými zdroji.

První radioastronomická SDR sestava

Možnosti jejího použití jsou v principu široké. Celkový cíl projektu je popsán tomto článku Přijímací systém pro radioastronomii.

Konfigurace vhodná pro fázové zpracování signálu z více antén

Radioastronomie je vůbec perspektivní oblast nasazení tohoto přijímače a aktuálně se jí věnuje velká část vývoje.

Myslím, že by také dobré zdůraznit, že v radioastronomii mají amatéři dnes větší šance na úspěch než v optické astronomii. Protože radioastronomové potřebují k výsledkům hodně stanic na velké ploše a toho amatéři jako nezávislí jednotlivci dosáhnou snáze, než nějaká organizace. Ukázkou projektu, který potvrzuje tento fakt je například LOFAR.

Stanice pro radiovou detekci meteorů

Přijímač může být využit i v síti radiových detektorů meteorů jako je tomu například na několika hvězdárnách v ČR. Mapa pozorovacích míst Astrozor Přijímač pak pracuje jako součást radaru.

Podrobnější informace k tomuto použití přijímače jsou v popisu konstrukce RMDS01A.

Přehledový radioamatérský přijímač

Tento SDR přijímač může být využit i pro radioamatérská pásma. Viz. ukázka pro pásmo 80m z programu HDSDR.

Na obrázcích je dobře rozeznatelné vysílání mnoha LSB stanic.

Telegrafní oblast pásma.

Náměty na vylepšení

  • Přidat logaritmický skalární výstup indikující „jak moc je přijímač v saturaci“. Logaritmický detektor pro měření integrálního výkonu přes vstupní pásmo přijímače. (Mělo by být možné realizovat RF detektorem RFdetect01A)
  • Přidat modul s vhodným ADC a tím odstranit komplikace se zprovozněním vhodné zvukové karty.
  • Pro napájení přijímače navrhnout modul s galvanicky odděleným symetrickým napájením. Řešením je modul SYMPOWER01A
  • Vyřešit možnost srovnání zisku mezi jednotlivými přijímači. (nejlépe digitálně)

Samostatný přijímač

Přidáním dalších modulů do setu by mohla vzniknout kompletní sestava přijímač nezávislá na klasickém počítači. Její realizace má několik variant:

  • Přijímač s laditelným oscilátorem a modulem s LCD na kterém bude vidět naladěná frekvence a tlačítka pod LCD budou umožňovat přeladění přijímaného kmitočtu.
  • Druhá varianta je stejná jako předchozí s tím rozdílem, že analogový výstup bude digitalizován a přenášen přes nějaké běžné rozhraní do počítače (USB, ThunderBolt, Ethernet…). Stejné rozhraní by pak bylo využito i ladění lokálního oscilátoru.

Digitalizace signálu

Vylepšení metody digitalizace signálu z přijímače podle konstrukce Digitalizační jednotka SDR-Widget.

UHF SDR přijímač SDRX02A

Tato konstrukce přijímače je zatím pouze v přípravné fázi vývoje

Konstrukce přijímače by měla být pravděpodobně ještě více modulární. Tj. Oddělený vstupní zesilovač VGA, vstupní band-pass filtr, I/Q demodulátor s výstupním band-pass filtrem. ADC se vstupním anti-alias filtrem a FPGA s paralelním rozhraním na USB.

Nekoherentní zpracování signálů

Plánované schéma SDR přijímače pro UHF pásmo

Koherentní zpracování signálů

Konfigurace pro koherentní zpracování přijímaného signálu

Koherentní zpracování spočívá v možnosti synchronizovat lokální oscilátory mezi jednotlivými stanicemi, nebo v případě použití, jako součást radarového systému i s vysílačem signálu.

UHF SDR přijímač s velkou šířkou pásma SDRX02B

Konstrukce přijímače SDRX02B by měla obsahovat oddělený vstupní zesilovač (VGA), vstupní band-pass filtr pro omezení potenciální intermodulace, I/Q demodulátor s výstupním band-pass filtrem. Analog Front End ADC se vstupním anti-alias filtrem a FPGA s rozhraním PCIe pro připojení k thunderbolt modulu.

Nekoherentní zpracování signálů

Plánované schéma SDR přijímače pro UHF pásmo

Koherentní zpracování signálů

Konfigurace pro koherentní zpracování přijímaného signálu

Koherentní zpracování spočívá v možnosti synchronizovat lokální oscilátory mezi jednotlivými stanicemi, nebo v případě použití synchronizovaného majáku, jako součást radarového systému i s vysílačem signálu.

Související moduly

  • LNA01A - nízkošumový předzesilovač určený primárně pro experimentální detekci meteorů.
  • GB01A - modul gain blocku.
  • CLKHUB02A - Rozmnožovač signálu lokálního oscilátoru.
  • CLKGEN01B - Generátor signálu lokálního oscilátoru.
  • BP01A - Modul univerzálního pásmového filtru.
cs/sdrx.txt · Poslední úprava: 2014/10/26 21:31 autor: kaklik