Обзор трансивера Sun SDR2

Покупка рации Sun SDR2
   Традиционно, на протяжении последнего столетия преобладал один единственный метод, ставший классическим, - это вращение ручки настройки определённого узла внутри радиостанции (входной контур, гетеродин, синтезатор). То есть, настройка, связанная с механическим или электрическим изменением одного или нескольких её. Этот метод настройки накладывает ряд ограничений для операторов радиостанций. В один момент времени мы можем принимать передачу только от одной станции. Для того чтобы послушать другую станцию, нам нужно, прежде всего, потерять предыдущую станцию и затем настроиться на новую. А это уже некий процесс, занимающий определённое время и исключающий в принципе комплексное и полное восприятие радиоэфира как источника информации. Ограниченность этого метода такова, что мы не можем увидеть живой эфир. Сначала обязательно нужно просканировать определённый участок, а потом развернуть «замороженное» изображение, как это пока реализовано в большинстве трансиверов компании Yaesu.
  Кроме того, как известно из теории построения современных радиоприёмных устройств, основное усиление в супергетеродинных приёмниках обеспечивает его усилитель промежуточной частоты (УПЧ), который и определяет реальную чувствительность приёмника, т. е. его способность принимать слабые сигналы.
   Фильтры сосредоточенной селекции (ФСС) этого тракта обеспечивают селективность (избирательность) приёмника по соседнему каналу. Лучше всего с этой задачей справляются кварцевые фильтры, имеющие крутые скаты характеристики.


   На приведённом рисунке показана характеристика фильтра. Его полоса пропускания (ПП) определяется по уровню 0,7·К, где К – коэффициент передачи фильтра. Из рисунка видно, что амплитуда помехи значительно ослаблена относительно амплитуды полезного сигнала: К2<К1.
   Отсюда очевидно, что чем более пологие скаты характеристики, тем меньше подавляется сигнал мешающей помехи и наоборот. Селективность по соседнему каналу – это параметр характеризующий, способность приёмника выделить нужный сигнал на данной частоте в заданной полосе.
   Помимо селективности по соседнему каналу в супергетеродинах существует такое понятие, как селективность по зеркальному каналу, которая определяется конструкцией входных цепей приёмника.
   Но самая главная особенность супергетеродинных приёмников заключается в том, что чем ниже значение его промежуточной частоты, тем более прямоугольные скаты характеристики его полосовых фильтров можно получить и тем выше селективность по соседнему каналу. Но, чем ниже значение промежуточной частоты, тем хуже селективность по соседнему каналу. Поэтому, выбирали компромиссное значение промежуточной частоты 465 кГц для радиоприёмников, выпускавшихся в СССР и 455 кГц для современного радиооборудования. Чтобы улучшить селективность по зеркальному каналу, приходилось применять схемы с двойным и тройным преобразованием. Но, при этом, увеличивались собственные шумы приёмника, а увеличение количества смесителей приводило помимо этого ещё и к ухудшению динамического диапазона приёмника и к снижению устойчивости этих приёмников к интермодуляционным помехам. Динамический диапазон определяет способность принимать слабый сигнал на данной частоте, когда рядом в стороне на другой частоте включается другая мощная станция. Он определяется линейным участком характеристики и ограничен «снизу» собственными шумами приёмника, а «сверху»-нелинейностью элементов схем смесителей. В современном эфире уровень сигналов в антенне приёмника может достигать нескольких сотен милливольт. При таком уровне входного сигнала приём уже не возможен и фактически блокируется. Понятие «динамический диапазон» описывает максимальные уровни сигналов, подаваемых на вход приёмника при которых радиоприёмный тракт способен нормально работать и не перегружаться. Типовые цифры динамического диапазона для трансиверов сегодняшнего дня составляют 80...100 дБ и позволяют комфортно работать в эфире на одном диапазоне, даже если в радиусе до 1км от вас будет находиться соседняя радиостанция с мощностью 100 Вт.


   Основной особенностью трансиверов, выполненных по классической схеме с несколькими преобразованиями, являются повышенный уровень тепловых шумов всех полупроводниковых элементов тракта на выходе радиоприёмника. Чем больше в тракте элементов преобразования и усиления, тем, соответственно, выше уровень шумов на выходе. Сюда же прибавляются шумы синтезаторов и других генераторов. Применение автоматической регулировки усиления слабо влияет на общий шум тракта, т.к. количество элементов усиления/преобразования остаётся постоянным. Проявляется эта проблема как постоянный назойливый шум в наушниках или динамике радиоприёмника даже с отключенной антенной. При подключении антенны - этот шум может маскироваться шумами радиоэфира, но при этом теряется самое главное - хорошо слышимая любым ухом прозрачность эфира!
   С широким распространением в последние 20 лет цифровой техники и алгоритмов цифровой обработки сигналов (ЦОС или DSP по англ.), в тракт обработки ПЧ стали внедрять микропроцессоры DSP. Это позволило существенно улучшить качество основной селекции сигнала (Полоса фильтра от 50 Гц, уровни подавления соседнего канала до -100 дБ) и ввести множество дополнительных и полезных функций, начиная от отчистки спектра принимаемого сигнала от шумов и помех до декодирования цифровых видов модуляции.
   Внедряя в один корпус несколько радиоприёмных трактов с несколькими трактами ПЧ и DSP, производители научились реализовывать такую новую и популярную функцию, как отображение панорамы спектра на рабочем диапазоне. Больше всех в использовании этой технологии преуспела компания ICOM.
   Однако, когда с применением DSP максимально улучшилась селекция по соседнему каналу приёма, на первый план вышло несколько проблем, которые в предыдущих реализация тракта ПЧ были решены примерно на одном уровне с трактом ПЧ и не были так актуальны. Это избирательность по побочным каналам приёма и динамический диапазон принимаемых сигналов.
   В любом варианте построения приёмного тракта с одной или несколько промежуточных частот всегда будут присутствовать побочные каналы приёма. Это так называемые зеркальные каналы от частот ПЧ и каналы от преобразования на гармониках. Их появление связано как с математикой преобразования сигналов, так и с нелинейностью элементов преобразования, без которых обойтись нельзя в принципе. Количество побочных каналов приёма может быть очень большим и зависит от количества ПЧ и их номинала. Производители пытаются решить возникающие проблемы самыми разными способами и ухищрениями, придумывая новые способы подавления побочных каналов приёма. Это и минимизация количества ПЧ, и выбор ПЧ намного выше частоты принимаемых сигналов, и применение сложных схем предварительной селекции. На сегодняшний день, типовая цифра подавления зеркальных каналов составляет примерно -60...-70 дБ. Её достаточно для того, чтобы в современном перегруженном эфире более или менее находится комфортно.
   Избавится если не от всех, то хотя бы от большинства описанных выше проблем позволили методы прямого преобразования сигналов из радиодиапазона в спектр звуковых частот и обработка конечного сигнала фазовым способом, где основное усиление и обработка сигнала происходит не на промежуточной, а на низкой (звуковой) частоте.
    Принцип прямого преобразования был известен ещё в 30-х годах прошлого века. Но в то время, при той элементной базе получить приемлемое качество приёма было невозможно. Радиолюбители вернулись к приёмникам и трансиверам прямого преобразования уже в 70 года прошлого века. У нас в стране пионером в этой стал Владимир Тимофеевич Поляков, который написал множество статей и выпустил книги по технике прямого преобразования. Опубликованные им практические схемы приёмников и трансиверов, работающих на принципе прямого преобразования, повторили многие радиолюбители, в том числе и начинающие. Но в то время элементная база не позволяла добиться ощутимого преимущества, кроме себестоимости по сравнению с супергетеродинами. В настоящее время, с появлением компьютеров, имеющие современные звуковые карты, на которых производится основная обработка сигналов, техника прямого преобразования переживают своё второе рождение.
   Сегодня компьютер всё больше и больше входит в нашу жизнь. Если раньше, ещё каких-то 15 лет назад применение ПК ограничивалось только ведением аппаратного журнала, управлением трансивера по САТ-интерфейсу да обработкой сигнала в цифровых видах связи, то уже сейчас все производители современного оборудования стремительно внедряют самые передовые инженерные решения в схемотехнику современных трансиверов. Со стремительным увеличением вычислительных мощностей и миниатюризацией интегральных схем, появилась возможность широкого внедрения микропроцессоров. Сначала  обрабатывали детектированный НЧ сигнал, потом стали оцифровывать сигнал  уже на низкой, приближенной к звуковой ПЧ – 12..48 кГц, и уже программно кодировать/декодировать любые виды модуляции. Осталась всё  та же технология основной фильтрации и обработки сигнала на промежуточной частоте. Весь упор делается на расширении сервиса управления и отображения, пока в 2004-2006 годах на рынок радиосвязи не вышла компания Flex-radio, начавшей серийной производство трансивера Flex SDR-1000 (Software Define Radio - программно определяемое радио), работающего по принципу прямого преобразования. Технологически, это позволило значительно упростить схему и снизить себестоимость по сравнению с классическими трансиверами. В конструкции осталось только несколько узлов: синтезатор частоты, управляемый от компьютера, смеситель приёма и передачи, малошумящий УНЧ, узлы коммутации приёма/передачи, усилитель мощности передатчика и диапазонные фильтры.
   Примерно с 2005 года по всему миру сразу несколько компаний, а так же энтузиасты-одиночки начали копировать трансивер SDR Flex-1000 со всякими модификациями и без оных. Самым известным и популярным в России стал клон трансивера от г-на Тарасова, UT2FW. Только благодаря его усилиям для многих россиян стал доступен 3-х платный, во многом улучшенный вариант-клон трансивера SDR Flex-1000, а так же 100 Ваттный полностью законченный вариант трансивера.
    В России SDR трансиверы стали известны благодаря таганрогской компании Expert Electronics, которая в 2007 году начала выпускать свой вариант SDR-трансивера под наименованием Sun SDR-1. Он является улучшенной копией трансивера Flex-1000 и принципиально иной схемой управления. Если оригинальный трансивер Flex-1000 имел управление по морально устаревшему параллельному интерфейсу LPT, то разработчики Sun SDR-1 управление трансивером реализовали через USB-интерфейс и полностью с нуля написали свою программу трансивера. Примерно в конце 2005 - начале 2006 года, происходит действительно эпохальное событие, с которого начался переворот в мире радио и широкое распространение архитектуры DDC.
   Российская компания из Таганрога Expert Electronics весною 2012 объявляет о выпуске своего новой рации Sun SDR2.
В конце лета 2012 года они выпускают в продажу свои первые готовые трансиверы. Таганрогцы  выпуситили не просто относительно дешевый и функционально законченный DDC/DUC трансивер на КВ диапазон, но ещё смогли реализовать в нём работу на УКВ-диапазоне, сделали беспроводную связь с трансивером - полное управление по Wi-Fi, а также все ПО для трансивера написать сами с нуля.
   Смесители, применяемые в современных приёмниках, выполненных по SDR технологии, построены по двойной балансной схеме и вносят минимум потерь. Благодаря тому, что в качестве элементов смесителя используются аналоговые высокоскоростные ключи – такой смеситель практически не шумит. Всё усиление происходит на низкой частоте и обеспечивается  специализированными малошумящими микросхемами. Для того, чтобы сохранить высокое значение динамического диапазона АЦП, усиление УНЧ выбрано минимально возможным. Оно только компенсирует потери в смесителе и входных цепях. С выхода АЦП оцифрованный сигнал обрабатывается уже программным методом.
   Например, в трансиверах Flex SDR это усиление соответствует 20 дБ. Дополнительное усиление осуществляется регулировкой малошумящего усилителя (МШУ) по низкой частоте. Даже без предусилителя чувствительность трансиверов Flex SDR, составляет -116 дБм – это соответствует  0,35 мкВ. С включенным предусилителем в среднем положении чувствительность улучшается до значения -127 дБм или 0,099 мкВ, с максимальным усилением чувствительность составляет уже -139 дБм или 0,025мкВ и ограничена уже шумами самого предусилителя.
   По сравнению с обычными трансиверами, SDR выигрывает не только по чувствительности, но и по «шумности», что является одним из главных субъективных оценок качества работы трансивера.
 Структурная схема распределения усиления по основным блокам приведена ниже.


   Итак, одной из самых главных характеристик радиоприёмного тракта является его способность выделять полезный сигнал необходимой полосы на любой из рабочих частот с минимальными искажениями и минимальной неравномерностью.
   Даже самый простой SDR трансивер семейства Flex, практически превосходит все аппараты по чувствительности, хотя и уступает по динамическому диапазону. Динамический диапазон АЦП AIC33 в 16-битном определяется его избирательностью по побочным каналам, по зеркальным каналам, и точкой компрессии.  В SDR-трансиверах точка компрессии обычно имеет высокий уровень. Избирательность по зеркальному каналу в SDR-технологии обеспечивается правильной симметрией и точностью квадратурных сигналов гетеродина и каналов обработки по НЧ. Фактически это обеспечивается технологичностью сборки печатной платы, правильностью разводки принципиальной схемы  и правильностью проектирования схемы. Все неточности технологического цикла автоматически компенсируются уже в программе обработки цифрового потока.
  В SDR трансиверах сигнал с помощью единственного смесителя переносится с радиодиапазона на низкую ПЧ (0-100 кГц) и оцифровывается с помощью звуковой карты, а дальше программными методами демодулируется нужная полоса частот с нужным видом модуляции.  Для вычисления фазовым методом требуется пара максимально идентичных каналов приёма сдвинутых по фазе на 90 градусов. В результате преобразования сигнала в 2-х каналах мы имеем зеркальный канал, отстоящий на 180 градусов относительно прямого канала и легко задавливаемый программными методами на -100...140 дБ. Ещё проще получается селекция сигнала по соседнему каналу. При использовании ЦОС, уровень подавления соседнего канала примерно равен динамическому диапазону АЦП DSP - т.е. легко укладывается в цифры -100...-120 дБ с коэффициентом прямоугольности фильтра очень близким к 1.
   Достичь подобных цифр подавления при использовании аналоговых фильтров в принципе невозможно. Для сравнения, подавление соседнего канала хорошим кварцевым фильтром на уровне -60дБ происходит при отстройке на 1...2 кГц. В программном фильтре подавление на -100 дБ происходит при отстройке всего на 50-100 Гц. Это разница хорошо заметна в случае, когда соседний сигнал идёт с уровнем 9+40...+60дБ. На классическом аналоговом трансивере вы теряете эфир, пока не отстроитесь от соседней станции примерно на 5...25 кГц. При использовании SDR-трансивера, сузив программный фильтр на 50-200 Гц, вы мешающий сигнал практически перестаёте слышать.
   Наличие всего одного смесителя в тракте обработки сигнала, существенно повышает «прозрачность» эфира. Вы слышите самые слабые сигналы и легко их разделяете с самыми сильными, вы слышите ушами «глубину» и чувствуете «динамику» радиоэфира. А комплексная работа со всеми сигналами в полосе 100 кГц позволяет графически легко развернуть спектр полосой до 200 кГц в реальном масштабе времени и сделать с ним то, что вам заблагорассудится. Никакая классика не способна на такое при аналоговой обработке сигналов!
   Блок-схема трансивера Sun SDR2 приведена ниже.


   Отдельный разговор касается прорисовки панорамы спектра. Максимальное разрешение экрана монитора, на котором отображается спектр, составляет всего 1080 точек. В продвинутых видеокартах есть возможность растягивать спектр на 2 монитора - видео драйвер системы Windows это позволяет сделать. В итоге получается максимум 2160 точек. Из всего количества точек полную ширину зачастую используют очень редко, небольшую часть точек занимают бордюры и обрамления окна программы, и достаточно часто окно спектра панорамы держат развёрнутым не на весь экран, а лишь небольшую её часть, т.е. используется 30...60% от максимального количества точек.
   При расчёте спектра и фильтров используются сложные математические алгоритмы функций быстрого преобразования Фурье (БПФ). Количество точек отсчётов при БПФ-обработке обычно берут с небольшим избытком - 4096, 8192 и совсем редко для специфических задач больше 16384 точек. Чем больше используется точек - тем визуально спектр выглядит красивее и позволяет более детально рассмотреть элементы сигнала при его увеличении. Однако, увеличивается и количество расчётов, время расчёта, время прорисовки спектра. Но, даже 32768 тысячи точек - это сущий мизер по сравнению 30...60 миллионами отсчетов, которые поступают из АЦП.


   Помимо основной программы (Expert SDR2), можно открыть окна других программ, например, аппаратный журнал (UR5EQF Log 3) и т.п.


  Ниже приведена фотография печатной платы трансивера


  Управление с компьютера в нём можно осуществлять при помощи  отдельного WI-FI модуля, который приобретается отдельно.

Купить трансивер Sun SDR2