Sdr приемник принцип работы кратко и схемы

Обновлено: 28.06.2024

Для этого нужно вернуться к истокам. Вспомним, как происходит формирование SSB сигнала.

Несущая подавляется в балансном смесителе, а ненужная боковая полоса подавляется с помощью фильтра (ЭМФ или кварцевого). При приеме однополосного сигнала при наличии помехи на частоте подавленной несущей фильтр выделяет полезный сигнал, а помеху подавляет.

Я лишь приведу некоторые схемы из них.

Структурная схема приемника очень проста: входной фильтр, смеситель и гетеродин, ФНЧ с необходимой полосой и усилитель НЧ, который и осуществляет основное усиление сигнала.

Т.е. кроме нужной боковой полосы принимается и ненужная (которая в данном случае является зеркальной) и помехоустойчивость резко снижается. И никакой фильтр не поможет. Каким же способом можно убрать ненужную полосу? Оказывается есть такой способ - фазовый. К сожалению у меня со сдвигом фазы не очень: знаю, что так бывает, а объяснить математически не силен. Поэтому изложение от Владимира Тимофеевича.

Все понятно? Ну и отлично, вернее не очень. Обратите внимание на последнее предложение. Как говорится. дьявол прячется в мелочах, а именно в возможности осуществлять нужные фазовые сдвиги в достаточно широкой полосе частот (100 - 3000 Гц). Если ошибка в сдвиге фаз всего 2% то подавление ненужной боковой - не более 40 дБ. В этом случае конечно проще сделать телеграфный приемник с полосой 1 кГц. Там сохранить точность сдвига фаз будет гораздо легче.

Итак, нам будет нужно иметь два сигнала гетеродина с одинаковой частотой, но со сдвигом фаз 90 град. , два смесителя и еще один фазовращатель - можно ВЧ, а можно НЧ. Если ВЧ фазовращатель нужно строить на дискретных элементах, то НЧ фазовращатель можно реализовать программно. Отсюда и блок-схема простейшего SDR приемника:

Все очень просто: входной полосовой фильтр Z1 (хотя можно и без него - зависит от динамического диапазона смесителя), после которого сигнал без всякого фазовращения подается на два смесителя, куда поступают от гетеродина сигналы, сдвинутые на 90 град. Продукты преобразования проходят через фильтры НЧ, которые не пропускают высокочастотные составляющие. На их выходах образуются два сигнала: I и Q (правда, напоминает IQ :)). Эти сигналы подаются на вход левого и правого каналов звуковой карты компьютера. Вот и все. Все остальное - программная обработка, программные сервисы и т.д.

Теперь о схемах. Вот самая простая, из того, что нашел (сам SDR не собирал, только собираюсь).

Еще одна очень простая схема.

Микросхема включает в себя 4 ключа. Два нижних вместе с катушкой и переменными конденсаторами включены как мультивибратор, сигнал с которого поочередно открывает ключи 3 и 4, на входы которых подается сигнал от катушки связи диапазонного контура. Фазовращатель LC. Конденсатор С3 должен быть подстроечный. ФНЧ на выходе нет, так же как и в предыдущей схеме.

А вот приемник посложнее.

Здесь смесители на транзисторных ключах (как у Полякова). На триггерах D1.1 и D1.2 микросхемы 74ACT74 собран цифровой фазовращатель, который обеспечивает отличную точность без всяких регулировок нв любых частотах. Генератор на схеме не показон, однако важно, что его частота должна быть в 4 раза выше рабочей. На выходе смесителей - простейший ФНЧ - конденсаторы С2, С3 и два усилителя на ОУ. Заморачивает двуполярное питание ОУ. Выходной сигнал можно подавать на линейные входы звуковой карты.

Сам непременно в ближайшее время попробую сделать приемник. В смесителе скорее всего буду использовать ключи.


На этот раз я хочу вам представить свой любимый и неповторимый, всеволновый, приемник-радиосканер RTL SDR V.3! Это универсальный приемник с огромным диапазоном принимаемых частот, последняя версия которого V.3 практически не имеет никаких глюков и недостатков — что говорит о серьезном отношении создателей.

Что такое SDR приемник

По версии Википедии, SDR приемник — это

Программно определяемая радиосистема (англ. Software-defined radio, SDR) — радиопередатчик и/или радиоприёмник, использующий технологию, позволяющую с помощью программного обеспечения устанавливать или изменять рабочие радиочастотные параметры, включая, в частности, диапазон частот, тип модуляции или выходную мощность, за исключением изменения рабочих параметров, используемых в ходе обычной предварительно определённой работы с предварительными установками радиоустройства, согласно той или иной спецификации или системы.

Приемник подключается к компьютеру через USB порт (может подключаться к смартфону), абсолютно не нуждается в интернете, работает с живым эфиром!

Выглядит вот так :


Корпус приемника очень качественный (как и сам приемник), естественно покупать его стоит только у официального производителя, который имеет свой магазин на Алиэкспресс:

Корпус выполнен из алюминия с четкой надписью, на передней части устройства: адреса сайта разработчика, функций которые выполняет устройство, названия базовых электронных элементов , на которых построена схема радиосканера. С обратной стороны корпуса наклеен шильдик с датой производства устройства и написан официальный производитель.:


Алюминиевый корпус очень прочный, внутри выполнены ребра жесткости, выполняет защитную функцию платы и чипов, функцию радиатора ( чипы сильно греются градусов до 45-50- это нормальный режим работы), функцию экрана от радиопомех.

С одной стороны корпус заканчивается USB разъемом,с другой стоит антенный SMA разъем.

История создания сканера

История создания этого сканера — просто мистическая: приемник собран на микросхеме RTL2832U предназначенной для приема цифрового телевидения формата DVB-T, казалось бы ничего необычного,все смотрят телевизор, но неожиданным образом в 2012 году происходит утечка информации от производителя Realtek о недокументированных режимах работы микросхемы. Выяснилось, что микросхема может оцифровывать радиосигнал из антенного входа, а фильтровать и выделять полезный сигнал может процессор ПК. Радиолюбители всего мира просто обалдели: в один момент они получили радиосканер стоимостью в 20 долларов,практически идентичный тем, которые стоили свыше 500- 700 долларов!

Как выглядит приемник внутри

Вот так выглядит плата приемника:


Все четко и аккуратно, как на материнских платах компьютера.

Я покупал приемник с антенной, так как своей на разные диапазоны еще не делал, но этой антенны вполне достаточно для того, что бы послушать 2 метровый , 70 сантиметровый , FM диапазоны , можно даже декодировать цифровой сигнал радиостанций, чему я очень был удивлен :)!

Вот такая антенка идет в комплекте:


Телескопическая антенна с креплениями на гибкие ножки, можно прицепить куда угодно в любом положении( для приема вертикальной поляризации требуется ножки располагать вертикально), так же имеется крепление на стекло, что очень удобно — можно закрепить антенну на улице с внешней стороны окна.

Также в комплекте идет кабель с разъемами SMA длиной около 3 метров.

Что же реально можно послушать приемником ?

  • самое первое и простое, что вы услышите при первом включении приемника это будет множество радиошумов:)
  • потом выйдя в диапазон FM радио, вы услышите множество мощных FM станций.

Постепенно осваивая программное обеспечение и совершенствуя антенну услышите:

Установку и подключение радиосканера RTL-SDR , а также программное обеспечение, настройки и работу разберем в следующих выпусках.

В статье описаны основные аппаратные и программные средства программно определяемого радио SDR. Рассмотрены области применения, в частности, когнитивное радио. Приведены результаты сравнительного моделирования и практические примеры построения. Большое внимание уделено вопросу оптимизации характеристик.

В традиционном супергетеродинном приемнике обработка сигнала полностью производится электронными схемами (см. рис. 1а). Частота сигнала понижается до промежуточной частоты (ПЧ), после чего производится обработка.
В первых SDR-приемниках (см. рис. 1б) вместо демодулятора использовался АЦП. Демодуляция и частично фильтрация сигнала производились в сигнальном процессоре. Современные АЦП намного быстрее, поэтому DSP может выполнять больше функций. Для работы DSP необходимо знать амплитуду и фазу сигналов. Принятый сигнал разделяется на две компоненты: синфазную (I) и квадратурную (Q), смещенную на 90?.



После фильтрации сигналов основной полосы в ФНЧ они оцифровываются в паре АЦП. Далее в цифровом преобразователе частота сигнала понижается до рабочего диапазона сигнального процессора.
В современных передатчиках DSP-модулятор разделяет передаваемые данные на I и Q и передает их на повышающий преобразователь (см. рис. 3) и ЦАП. Сигнал фильтруется и поступает в смеситель для повышения частоты до частоты передачи. Затем сигнал проходит через усилитель и подается на антенну. По мере увеличения быстродействия преобразователей схема упрощается. Самые последние модели представляют собой фильтр и МШУ (см. рис. 4). Коммерческие приемники используют полосу до 30 МГц.



Основные элементы SDR — АЦП, ЦАП и сигнальные процессоры DSP. Частота выборки преобразователя постоянно повышается, преодолев уже гигагерцевый рубеж. Например, преобразователь ADC12Dxx00RF Texas Instruments имеет частоту выборки до 3,6 млрд выб/с.
Наряду со скоростью преобразования важный фактор — быстродействие процессора, который должен успевать обрабатывать данные. По большому счету вместо сигнального процессора можно использовать процессор общего назначения. Однако не всегда его использование будет оптимально, поскольку встречаются алгоритмы, для реализации которых требуются специализированные функции.
Другой подход — использовать заказной сигнальный процессор, имеющий специальную архитектуру, встроенную память и набор арифметико-логических инструкций, благодаря которым его быстродействие будет максимально высоким.
Все чаще DSP реализуются на матрицах FPGA. Такие функции как быстрое преобразование Фурье могут быть выполнены с помощью цифровых логических схем и легко реализуются на FPGA. Поскольку стоимость матрицы постоянно снижается, они приобретают все большую привлекательность в качестве замены сигнальным процессорам.
Еще один вариант — логические элементы с жесткими соединениями, которые можно использовать для реализации функций, не требующих гибкости программирования, таких как протоколы связи. Логические схемы имеют высокое быстродействие и малое потребление, занимают немного места на кристалле. Такие логические блоки часто называют аппаратными ускорителями. В качестве примера приведем СнК TMS320TC6614. Ее структура приведена на рисунке 5. Блок логического ускорителя делится на три части. В большинстве ускорителей первого уровня используются алгоритмы DSP.


Для оценки работы программно определяемого радио проводится моделирование. Для этого необходимо сформировать сигнал, соответствующий протоколу связи (WCDMA, WiMAX, LTE и др.), а также выполнить кодирование канала, перемежение и формирование импульса. После этого можно приступать к оценке воздействия частотных искажений. Для примера будем измерять величину вектора ошибок (EVM — error vector magnitude) или вероятность появления ошибочного бита (BER — bit error rate). Архитектура SDR должна поддерживать множество различных по сложности схем модуляции сигнала.
При настройке средств моделирования требуется задать следующие параметры: точность модуляции или EVM, режим вычислений с фиксированной точкой, частота квантования АЦП/ЦАП, отношение несущая-шум (CNR), динамический диапазон, свободный от шумов (SFDR), коэффициент мощности в соседнем канале (ACPR), отношение несущей к интермодуляционным составляющим третьего поряд-
ка (С/IM3dBc), спектральная маска.

Промоделируем в визуальной среде AWR работу программно определяемого приемника при захвате сигналов 16 QAM и 64 QAM. Цель — определить допустимое значение точки децибельной компрессии P1dB для входного усилителя и маску фазового шума гетеродина.
Исходная схема 16 QAM показана на рисунке 6. Для анализа системы следует определить характеристики сигнала и провести моделирование при изменении частоты (swept simulation) отношения сигнал-шум в зависимости от BER.




Затухание сигнала достигает –50 дБ на частотах 9,9 и 10,1 МГц от центральной. Информационный сигнал может быть обнаружен с желаемым уровнем BER. Следующий шаг — добавление фазового шума понижающего преобразователя. Моделирование поможет выявить его влияние на BER. С учетом фазового шума для обеспечения BER?=?10 -6 минимальное отношение сигнал-шум составляет 22 дБ.
Если условия в канале позволяют, лучше применять модуляцию более высокого порядка, чтобы повысить скорость передачи. Рассмотрим тот же пример, но с модуляцией 64 QAM. Программа автоматически настраивает приемник на детектирование сигнала 64 QAM. Результаты моделирования BER с учетом фазового шума показаны на рисунке 8. Самое низкое достижимое значение BER при 64 QAM равно 10 -3 . Как видно из графика на рисунке 9, частота появления ошибочных битов 10 -6 не может быть достигнута даже в отсутствие шума. Дополнительная интегральная кривая распределения для 16 QAM и 64 QAM показана на рисунке 10. Видно, что отношение пиковой мощности к средней в случае модуляции более высокого порядка увеличивается на 1 дБ. Для компенсации этой разницы P1dB усилителя устанавливается на уровне 14 дБ. Результаты моделирования BER для этого случая приведены на рисунке 11 (без учета фазового шума). Остается определить допустимый уровень фазового шума.
Файл данных для источника фазового шума в визуальной среде моделирования состоит из двух граф: смещение частоты от несущей (от 10 Гц до 1 МГц) и уровни сигнала. В шкале частот соседние значения различаются в 10 раз. При отклонении частоты на 10 Гц маска фазового шума –31,6 дБс/Гц, а при отклонении на 1 МГц она равна





–141,8 дБс/Гц. Значение фазового шума было уменьшено на 9 дБ, чтобы под­строиться под модуляцию 64 QAM. Из рисунка 12 видно, что при таком уровне шума можно получить BER = 10 -6 . На рисунке 13 показан график IQ при SNR = 30 дБ, на котором виден слабый шум, являющийся главным источником возникновения ошибок. Моделирование при этих же условиях для 16QAM дает SNR = 21 дБ при BER = 10 -6 .
Моделирование позволяет выявить также другие источники искажения сигнала, например, разбаланс составляющих IQ или интерференцию. Анализ сложных систем связи следует проводить на всех стадиях проектирования, чтобы получить требуемые характеристики.

Когнитивное радио (КГ) — еще одна концепция, которая расширяет применение SDR. Согласно одному из определений, когнитивное радио — это приемопередатчик, в котором системы связи знают, в какой среде работают, и каково внутреннее состояние канала. Они могут самостоятельно выбирать тактику поведения на основе мониторинга эфира и предустановленных задач. Информация об окружающей среде может включать или не включать данные о местоположении систем связи.
Приемник и передатчик когнитивного радио — SDR с быстрым частотным откликом и большим набором видов сигнала. Примерная структура КГ показана на рисунке 6. Отдельный когнитивный процессор выполняет специфические для когнитивного радио функции, проводя мониторинг статуса и параметров входных сигналов (М) в приемнике и передатчике.
Решения принимаются на основе этих и других сигналов, например, по данным из инструкций стратегии, которые хранятся в модуле памяти и определяют принципы работы при различных условиях. На основе принятого решения высылаются управляющие команды (С) на радио.
Важный аспект КР — динамический доступ к спектру (DSA), который позволяет настроиться на свободный канал. Это повышает эффективность использования частотного спектра. Когнитивный передатчик также дает инструкции программно определяемому радио касательно рабочей частоты, модуляции, уровня мощности, протоколов и других параметров, а кроме того производит настройку автоматически. КР — это программа, которая следит за SDR и по мере необходимости вносит коррективы в его работу.
Когнитивное радио решает в первую очередь проблему ограниченного спектра и взаимодействия между различными приемопередатчиками или беспроводными системами. Оно может найти свободный спектр и использовать его. Кроме этого, КР выбирает форму сигнала или протокол так, чтобы обеспечить качественный и надежный обмен данными с другими типами устройств связи.
Когнитивные приемопередатчики имеют классификацию. Например, их работа может быть основана на политике стратегий, когда есть предустановленный набор возможностей (форм сигнала и процедур). Пользователь выбирает одну или несколько предустановленных жестко прописанных функций. Функции записываются производителем или загружаются по беспроводному каналу. Другой вариант — полностью конфигурируемое радио, которое может быть перенастроено в процессе работы под новые приложения или условия связи.

Когнитивное радио позволяет повысить эффективность использования спектра и обеспечивает надежную беспроводную связь там, где нет сотовой сети (удаленные и сельские регионы). Кроме голосовой связи может обеспечиваться удаленный мониторинг и управление (в машинных приложениях — интеллектуальная сеть, камеры видеонаблюдения, наблюдение пациентов, сети датчиков — всем этим системам станет доступен свободный спектр).
Как показывает анализ, эффективность использования частотного спектра в большинстве регионов невысока. Например, под телерадиовещание отводится широкий диапазон, значительная часть которого свободна. КР позволяет использовать такие каналы в те интервалы, когда они не заняты. Это не мешает работе основного устройства, для которого предназначен канал, поскольку радио динамически выполняет сканирование и перестройку частоты на канал с самыми хорошими характеристиками.
Ускорить разработку поможет использование готовых решений. На­пример, GNU Radio — открытая платформа для разработки SDR. Она содержит набор процедур обработки сигнала (модуляции GMSK, PSK, QAM, OFDM и др.), корректирующие коды (Рида-Соломона, Виттерби, турбо-коды), фильтры, блоки БПФ, эквалайзеры и таймеры. Код может быть написан на С или Python. Работа с основными ОС (Windows, Linux, MacOS).
Платформа GNU Radio — универсальный модуль Universal Software Radio Peripheral (USRP), который содержит несколько плат, работающих на разных частотах, систему сбора данных и линии ввода-вывода (USB).
Компания Ettis Research предлагает линию полнодуплексных плат, работающих в разных диапазонах с возможностью переключения направления передачи. Мощность передаваемого сигнала и коэффициент усиления принятого сигнала регулируются. Типичная полоса 30 МГц. Цифро-аналоговые преобразователи имеют от 12 до 16 каналов и частоту выборки от 100 млн выборок в секунду. Плата NI USRP 2120 работает в диапазоне 50 МГц — 2,2 ГГц, NI USRP 2921 — в диапазоне 2,4 ГГц — 5,5 ГГц. Выходной сигнал передатчика передается на ПК по сети 1Gb Ethernet. Проектирование ведется в среде LabVIEW c использованием инструментов Modulation Toolkit.
Примером когнитивного радио является xMax (xG Technology), в нем для мобильной связи используется нелицензируемый спектр ISM — промышленных, исследовательских и медицинских частот 902…928 МГц. Мощность сигнала достигает 4 Вт. Спектр делится на 18 каналов шириной 1,44 МГц. Фазовая модуляция BPSK, доступ TDMA, возможность одновременной обработки до 12 голосовых вызовов на канал. Радио прослушивает канал на наличие интерференции, и в случае необходимости переключается на частоту с минимальным уровнем шума. Сканирование производится 33 раза в секунду.
В новом поколении устройств xG специальная гарнитура не используется, взаимодействие осуществляется через обычные смартфоны, которые обмениваются данными с мостом хMod.


На стыке интересных мне областей программирования и радио зародился долгий, но интересный проект по созданию цифрового приёмника прямого преобразования, в котором аналоговых частей будет абсолютный минимум.

С каждой частью статьи я планирую дорабатывать приёмник, улучшать его характеристики, обвешивать его разными доработками, а в итоге возможно и получить полноценный трансивер.

Базовый комплект будет построен на китайской АЦП AD9226.
Цифровым сердцем приёмника будет являться FPGA матрица Altera EP4CE10.
Для того, чтобы не мучатся с наушниками добавлен простейший УНЧ с питанием в 5 вольт и динамик.


Итак, соединяем все воедино (точки подключения особой роли не играют, всё настраивается и назначается программно).

Идея приёмника заключается в смешивании оцифрованного с помощью АЦП радиосигнала с гетеродином, выдающим 2 сигнала со смещением в 90 градусов (синус и косинус).
Тем самым мы получаем комплексный сигнал (I и Q), с помощью которого достаточно легко добиться подавления зеркального канала и демодулировать полезный сигнал.


Устанавливаем среду разработки Quartus.

Начинаем с подключения АЦП (вход и тактовый сигнал). Т.к. внешнего кварцевого генератора нет, будем тактовать модуль силами самой FPGA (а это очень плохо в плане качества приёма, но для первой версии сгодится).

Добавляем вход кварцевого генератора планы FPGA (50 мегагерц).

Первым делом создаём гетеродин, настроенный на частоту приёма. Его задача состоит в переносе частот с диапазона радиоволн в звуковой.

Его параметры на скриншотах:

Для управления частотой гетеродина в него необходимо передать слово частоты, задающее смещение фазы, для этого подготовим отдельный модуль. Сейчас частота будет статична, но дальше планирую менять её энкодером.

Слово частоты это число, получаемое делением необходимой частоты в герцах на частоту кварцевого генератора и умноженную на двойку в степени, равной разрядности DDS-генератора (гетеродина).

Полученный сигнал подаём на 2 смесителя (умножителя), которые обеспечивают смешивание сигнала АЦП (вход А) с сигналом гетеродина (вход B).

Полученный сигнал смещён на частоту гетеродина, т.е. выбранная частота теперь размещается в нулевой. А слева (да, в отрицательной части) и справа от неё находятся весь необходимый нам спектр.

Чтобы дальше эффективно работать с сигналом, нам необходимо его децимировать (уменьшить частоту выборок), эту роль выполняет CIC фильтр.

После этого частота выборок сокращается с 50 миллионов раз в секунду до 100 000.

Далее нам необходимо сделать полосовой фильтр, т.к. будем принимать SSB сигнал, то фильтр полоса пропускания потребуется в районе 2700гц. Для этого воспользуемся фильтром конечных импульсных характеристик (FIR).

Для его расчёта удобно использовать следующие программы:
Iowa Hills FIR Filter Designer
WinFilter

Также, фильтр сократит число выборок с 100 000 до 50 000, что подходит для вывода на динамик.

Далее сокращаем разрядность (количество бит) в потоке для дальнейшей обработки.
Ещё, потребуется PLL модуль для тактования частоты 50кгц (равной частоте дискретизации потока на текущем этапе).

Полученные сигналы уже можно выводить на динамик, но мы не избавились от основной проблемы приёмников прямого преобразования — зеркального канала. Т.е. слушая передачи слева и справа от принимаемой частоты будем принимать их одинаково хорошо. Необходимо получить однополосный приём.

Для этого поток Q (смешанный с синусом) необходимо довернуть по фазе на 90 градусов, тем самым потоки I и Q будут относительно друг друга в 180 градусах. Их дальнейшее сложение или вычитание будет давать USB и LSB полосу приёма соответственно, подавляя всё лишнее.

Помочь нам в этом может преобразователь (фильтр) Гильберта, рассчитанный в программе MatLab.

Т.к. фильтр Гильберта вызывает задержку сигнала на ((количество ступеней фильтра-1)/2) то необходимо задержать сигнал I на столько же шагов.

Далее мы можем сложить (или вычесть) коплексные составляющие сигнала, получив необходимую полосу приёма.

Итоговый результат подадим на дельта-сигма модулятор, смысл работы которого заключается в восстановлении синусоидального сигнала из ШИМ с помощью RC-цепочки (резистор 3.3к, конденсатор 47нф).

Программный код готов, можно привязать выводы в прошивке к ножкам FPGA.

Готово, можно включить приёмник, подключить антенну ко входу АЦП и наслаждаться его работой.

Следующим шагом наверное буду делать УВЧ, управление частотой, дисплей.

При создании были использованы материалы следующих статей, без которых было бы не реально сделать хоть что-то, огромное спасибо авторам.

14 мыслей о “Строим цифровой DDC SDR приёмник своими руками (часть 1)”

Дмитрий,
Наконец то нашел автора, который доходчиво объясняет подход к программированию на ПЛИС. Если знаешь структуру ППП, то разобраться в графической среде программирования не сложно, особенно, когда мысли излагаются так доходчиво. Есть один вопрос, не совсем в тему- я хочу собрать приемник с полным управлением и демодуляциеё на компе,и потому мне блоки демодуляции не нужны-их можно организовать программно, например в HDSDR , но вот как организовать управление и передачу на комп I Q потоков например через LAN8720 Модуль. Если бы вы такой проект в блоге написали было бы великолепно, а если нет-то хотя бы носом ткните в подобный проект с графическим отображением такого СДР приемника. А то что-то я подвис…Заранее спасибо!

Читайте также: