Table of Contents

Softwarově definovaný přijímač SDRX01B

Jde o SDR přijímač zkonstruovaný původně pro účely 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

Primárně byl přijímač vyvíjen hlavně pro požití v nižších radioastronomických pásmech, ale díky svým parametrům našel i uplatnění v jiných způsobech použití.

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 +5V a -5V. Takové napětí vytváří napájecí modul sympower ze vstupního napájecího napětí 5V.

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 signálu

Přesto že SDRX01B je softwarově definovaným přijímačem, tak signál z přijímače je na výstupu stále analogový a je třeba jej digitalizovat.

Standardním použitím přijímače je připojení digitalizační jednotky sdr-widget. Která má parametry optimalizované pro připojení symetrických výstupů z přijímače, relativně velkou šířku pásma a vysoký dynamický rozsah.

Digitalizace zvukovou kartou

Použití zvukové karty je alternativní metoda digitalizace signálu, která je vhodná především pro starší softwarová řešení. Vhodné parametry zvukovy jsou například tyto:

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 kabelu SATA. Z praktických důvodů je vhodné zvolit co nejkratší.

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 naladěny na stejný kmitočet o identické fázi. To je pak velmi výhodné pro interferometrické experimenty.

Výhodou externí lokálního oscilátoru je, že umožňuje frekvenční 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:

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

Linux

Mac OS X

Multiplatformní

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

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.

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

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.

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. Tato situace je typická pro případ, kdy kromě signálu, který potřebujeme je ve spektru ještě i silný rušivý signál.

Příklady využití přijímače

Interferometrická sestava - zpracování koherentních signálů

Následující obrázek ukazuje první pokus o realizaci radioastronomického přijímače. Používá moduly CLKGEN01B, CLKHUB02A.

První radioastronomická SDR sestava

Konfigurace vhodná pro fázové zpracování signálu z více antén

Stanice pro radiovou detekci meteorů

Přijímač může být využit i v síti radiových detektorů meteorů jako je tomu například na několika hvězdárnách v ČR zapojených do projektu Bolidozor. Přijímač pak pracuje jako součást multistatického radarového systému.

Podrobnější informace k tomuto použití přijímače jsou v popisu konstrukce RMDS02D.

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

Samostatný přijímač

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

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