Универсальная панорамная SDR-приставка для КВ трансивера. Еще раз о приеме КВ на RTL-SDR Rtl sdr радиоприемник прием на диапазоне кгц

Заказал на тест USB стик, на связке чипов RTL2832U + R820T, для использования его в качестве SDR приемника. Поскольку это очень дешевое устройство, и используется не по прямому назначению, имеет ряд недостатков, которые я решил исправить:
_Тюнер R820T не принимает сигнал на частотах ниже 25MHz.
_Стик очень горячий - все тепло отводится через антенное гнездо и USB разьем.
_В схеме питания используются очень маломощные стабилизаторы, которые работают на пределе.

Было принято решение, поместить плату тюнера на материнскую плату которая в свою очередь будет помещена в алюминиевый корпус. К слову сказать, идея не новая и не моя. За основу была взята идея из кит набора (100 kGz - 1.7 GHz), который позволяет исправить почти все вышеописанные недостатки. Я лишь сделал свой вариант с улучшенным питанием и охлаждением. Вынес стабилизаторы питания на материнскую плату, заменив их на более мощные и превратил корпус в радиатор. Тепло с платы тюнера, будет напрямую уходить через термопрокладку.

Плату изготовил при помощи фоторезиста. На фотографии ниже отображены некоторые этапы: Плата после травления в растворе персульфата аммония. Удален фоторезист, и плата обрезана по размеру. Сделаны пропилы под SMA коннекторы и USB кабель. Произведен монтаж элементов.
Розовый прямоугольник - это термопрокладка. Трансформатор приклеен резиновым клеем к кусочку скотча.

Расширение возможности тюнера работать в диапазоне 100kHz -25 MHz, достигается путем прямого подключения к чипу RTL2832U на незадействованный вход Q. Сигнал с антенны поступает на срезающий фильтр 30MHz и далее через трансформатор на вход чипа.

Трансформатор намотал на ферритовом кольце диаметром 4.2 мм проводом 0.1 мм. Кольцо при намотке, держал пинцетом. Чтобы не повредить уже намотанные витки, губки пинцета обмотал одним витком тонкой изоленты. А чтобы постоянно рукой не сжимать пинцет, обкрутил его резинкой для денег. Получились ручные микро тиски. Наматывал сразу тремя проволочками, до полного заполнения сердечника. На этом можно было остановиться, соединив впоследствии начало и конец двух разных проволочек, получилась бы средняя точка, вторичной обмотки. Но, я решил сделать красиво, и избавиться от неиспользуемой в данной схеме средней точки. Продолжил мотать первую проволочку, разматывая при этом вторую. В результате вторая проволочка полностью вышла, а на ее место легла первая, пройдя еще один круг по сердечнику.

Следующим этапом, припаял выводы трансформатора напрямую к чипу. Пайка очень мелкая, две проволочки диаметром 0.1мм припаиваются к пятачкам 0.2Х0.2 мм. Из инструментов, только увеличительное стекло и паяльник с толстым жалом. Первым делом модифицировал паяльник, на жало намотал медную миллиметровую проволоку и кусачками сформировал иглу. Нужна именно форма иглы, косой срез или форма похожая на отвертку не подходит. Далее, пролудил свинцово-содержащим припоем место пайки - разбавил старый припой для снижения температуры плавления. Залудил проволочки, кончики изогнул на 90 градусов на расстоянии примерно 5 мм от края, и при помощи скотча зафиксировал их в вертикальном положении. Торцы проволочек уперлись в плату рядом с пятачками. Теперь капелька свежего флюса, и аккуратными движениями, новоиспеченного жала, по очереди зацентрировал проволочки на расплавленых пятачках. Все! Остается только слегка натянуть проволочку и уложить ее на корпус чипа, и аккуратно смыть флюс спиртом.

На фотографии ниже: Плата тюнера с удаленными разъемами, приемником ИК излучения и стабилизаторами напряжения. Трансформатор. Выводы трансформатора припаяны к чипу.
Фотографировал через увеличительное стекло, поэтому в фокусе только центр кадра.

Последний этап - сборка. Нужно задвинуть в корпус материнскую плату, не сместив термопрокладку, она эластичная и легко деформируется. Для этого я воспользовался очень тонкой пленкой, отрезал полоску немного шире термопрокладки и сложил ее пополам. Серединой полоски, прилепил к термопрокладке. Позиционировать полоску нужно таким образом, чтобы материнская плата задвигалась в корпус, складкой пленки вперед. Теперь остается только задвинуть материнскую плату в корпус, и медленно вытянуть пленку за верхнюю половинку. Готово, можно привинчивать боковые крышки.

Тестируем. Воткнул первый попавшийся кусок провода, примерно полметра длиной, и на частоте 7395kHz поймал слабый сигнал радиостанции, очень было похоже на Немецкий язык. Немного левее одна и справа еще 2 станции. Сигнал очень зашумлен и плавает как на волне, плавно усиливается и затухает. В общем, нужна нормальная антенна. Как потеплеет, полезу на крышу делать нормальную КВ антенну.

Обновление 1

Для корректного подключения, трансформатора к чипу, добавил дополнительные элементы: C11, C12, R1.

Программно-зависимые приёмники SDR на самом деле достаточно несложны и малогабаритны. Размером от спичечного коробка до пачки сигарет. Но как говорится, мал золотник, да дорог. При всей своей простоте, с компьютером и соответствующей программой, подобный приёмник превращается в достаточно серьёзное приёмное устройство. Вполне может использоваться как по прямому назначению, так и служить в качестве анализатора спектра. На сегодняшний день наиболее популярны приёмники разработанные YU1LM и различные варианты приёмникаSoftRock 40. Как правило, для упрощения конструкции, в качестве задающего генератора используется кварцевый генератор. С таким расчётом, чтобы центральная частота находилась в середине интересующего участка диапазона. Хотя ничего не мешает использовать и синтезатор частоты.

Рис.1 - Внешний вид простого SDR приемника

Для работы с такими приемниками создано несколько программ (например, Rocky, SDRadio, KGKSDR), которые обеспечивают перестройку по частоте путем изменения низкой промежуточной частоты (т.н. перестраиваемая ПЧ).

Рис.2 - Экранная форма программы для работы с SDR приемником

Блок-схема очень простого аналогового приемника для SDR на диапазон 40 м SoftRock40, который разработалиTony Parks, KB9YIG, и Bill Tracey, KD5TFD, приведена ниже. Он состоит из диапазонного полосового фильтра, квадратурного детектора Tayloe , малошумящего предварительного НЧ усилителя, кварцевого генератора на частоту 28,224 МГц, формирователя прямоугольных импульсов и делителя частоты на D-триггерах. Квадратурный детектор на быстродействующих ключах, предложенный D.Tayloe, N7VE, обладает большой перегрузочной способностью, низкими потерями, а также очень хорошими фильтрующими свойствами, т.к. этот детектор фактически включает в себя фильтр на коммутируемых конденсаторах. Частота кварцевого генератора в 4 раза превышает частоту принимаемого сигнала. С помощью D-триггеров частота кварцевого генератора делится на 4, а сигналы, подаваемые на квадратурный детектор, сдвинуты по фазе на 90о. Используя кварцевый генератор на частоту 28,224 МГц, можно принимать сигналы в диапазоне 40 м, находящиеся как выше, так и ниже частоты 7056 кГц.

Рис.3 - Структурная схема SDR приемника

Если частота дискретизации звуковой карты составляет 48 кГц, то на вход звуковой карты можно подавать сигналы частотой до 24 кГц. Следовательно, с упомянутым приемником перекрывается полоса частот от (7056 – 24) до (7056 + 24) кГц, т.е. 7032 - 7080 кГц. Прием в этой полосе ведется с использованием фазового метода подавления нерабочей полосы. Сигналы I и Q, сдвинутые по фазе на 90о, позволяют программному обеспечению отличать, как следует обрабатывать сигналы боковых полос в зависимости от того, выше или ниже частоты опорного кварцевого генератора (7056 кГц) ведется прием. При переходе частоты через ноль автоматически программно переключается боковая полоса, и, соответственно, получается удвоенная полоса приема. При частоте дискретизации звуковой карты 96 кГц диапазон перестройки SDR-приемника увеличивается до +/- 48 кГц. В зависимости от выбранной частоты дискретизации (48 или 96 кГц) желательно, чтобы частотная характеристика малошумящего предварительного НЧ усилителя имела завал на частотах выше 25 или 50 кГц соответственно. Любые сигналы, частоты которых расположены выше частоты дискретизации, будут интерферировать с полезными сигналами, вызывая появление побочных сигналов в потоке данных. Применив в опорном генераторе синтезатор частоты, формирующий сетку частот через 48 кГц или 96 кГц, на основе программы Rocky и аппаратной части SoftRock40 можно изготовить всеволновый всережимный SDR-приемник. Такой приемник имеет панорамный спектральный дисплей, DSP-фильтры с различной полосой пропускания и коэффициентом прямоугольности вплоть до 1,05 (!), традиционные для современных трансиверов и приемников функции подавления помех и снижения шума, автоматический notch-фильтр и т.д. Как правило, SDR-приемник обеспечивает демодуляцию практически всех распространенных видов излучения - CW, LSB, USB, AM, FM, а с помощью дополнительного программного обеспечения и цифровых видов - как радиолюбительских, так и коммерческих (например, DRM - цифрового радиовещания). Итак, какие же практические преимущества предлагает в настоящее время SDR по сравнению со стандартным радиолюбительским приёмником или трансивером? Первое и основное ключевое преимущество заключается в том, что программная часть SDR позволяет “увидеть” радиосигналы - не только тот, который принимается на определенной частоте, но и сигналы, которые присутствуют в определенном участке любительского диапазона. Это стало возможным благодаря очень высокой чувствительности и разрешающей способности панорамного спектрального дисплея. Steve Ireland, VK6VZ - “фанат” диапазона 160 м - построил SDR приемник на свой любимый диапазон. Тестируя Rocky и SoftRock на слабых телеграфных DX сигналах в диапазоне 160 м, VK6VZ отмечает, что, по сравнению с трансивером Yaesu FT-1000MP, из каждого четвертого сигнала, который он видит на экране компьютера, на слух, при перестройке FT-1000MP по диапазону, можно было заметить только один из них. А вот панорамный спектральный дисплей Rocky позволяет увидеть сигналы всех любительских передатчиков в полосе частот около 48 кГц, и кликом мышки настроиться на прием любого из них. Кстати, имея более 200 подтвержденных стран на диапазоне 160 м, VK6VZ считает, что стран было бы гораздо больше, если бы он в предыдущие годы использовал SDR-приемник. Спектральный дисплей в программе можно растянуть на всю ширину экрана монитора. Располагая самый интересный для радиолюбителя участок спектра перед глазами, можно действительно сказать: “Вижу, что диапазон представляет сегодня”. Кроме того, для работы спектрального дисплея используется полифазное быстрое преобразование Фурье, что позволяет отчетливо различать даже очень слабые сигналы на экране компьютера, которые при стандартном преобразовании просто сливаются. VK6VZ нашел, что слабые CW сигналы (S2 - S3) в диапазоне 160 м отчетливо отображаются даже летом, когда уровень шума на этом диапазоне очень велик. Кроме панорамного спектрального дисплея, который имеет очень высокое разрешение по частоте, в SDR-программах часто встроен дисплей с высоким разрешением по времени (“водопад”). Этот дисплей позволяет видеть даже телеграфные посылки, передаваемые со скоростью до 40 слов в минуту. Кроме того, с помощью “водопада” можно оценить спектральную чистоту принимаемых сигналов, в частности, увидеть выбросы на фронтах телеграфных посылок. Еще одно ключевое преимущество SDR заключается в том, что благодаря компьютерной обработке сигнала, когда селективность обеспечивается цифровыми методами, а не кварцевыми и электромеханическими фильтрами, у оператора появляется возможность непрерывной коррекции требуемой селективности. Например, в программе Rocky простым кликом мышки на “бегунке” управления шириной полосы пропускания фильтра и перетаскиванием бегунка можно плавно изменять ширину полосы пропускания выбранного фильтра (для телеграфного фильтра - от 600 до 20 Гц). Это означает, что можно действительно оптимизировать полосу пропускания для принимаемого сигнала с точки зрения получения наилучшего отношения сигнал/шум. Кроме того, фильтрация и подавление шума в SDR значительно лучше, чем в любом аналоговом трансивере, даже оборудованном дополнительными устройствами DSP. Говоря о SDR, также нельзя не отметить программную реализацию автоматической регулировки усиления, которая, в отличие от классической (аппаратной), обеспечивает оптимальный динамический диапазон выходного сигнала. Кроме того, в SDR автоматическая регулировка усиления имеет не только привычные состояния “быстрая”, “медленная” и “выключена”, но и позволяет регулировать такие параметры как время атаки, задержки включения и восстановления, порога срабатывания и т.д. Как правило, радиолюбители достаточно скептически относятся к S-метрам промышленных трансиверов, не говоря уже о самодельных конструкциях. И это вполне заслуженно, ведь традиционно S-метр зависим от напряжения системы АРУ. Да и калибровка в различных моделях трансиверов оставляет желать лучшего.

Рис.4 - S-meter

В SDR приёмнике, а точнее в программе, измерения никак не связаны с АРУ. Панорама замеряет уровни доDSP фильтра основной селекции, S-метр после. До этой части нет никаких регулируемых каскадов, способных изменить уровни сигналов. Достаточно откалибровать программу одним известным напряжением на антенном входе, например 50 мКв, хотя это значение не принципиально. Математика в дальнейшем безошибочно будет определять уровни сигналов на входе приёмника, начиная от уровня собственных шумов приёмной части, до максимально возможных. Это значит, что и S-метру и панорамному анализатору SDR радио вполне можно доверять не только при работе в эфире, но и использовать как измерительный прибор или анализатор спектра. Один американский радиолюбитель метко высказался по этому поводу, SDR - это измерительный комплекс с возможностями радио. Попробуйте собрать SDR приёмник, думаю он вас не разочарует и будет настоящим помощником в шэке.

Простой SDR приемник от UA3ELR

Это приемник-приставка SDR к компьютеру. В зависимости от примененного кварца приемник принмает сигналы на любой частоте, ограниченой верхней рабочей частотой смесителя. Частота приема расчитывается так: fкварца/4. Это центральная частота приема +- 96(48)кгц в зависимости от применяемой карты компьютера. Для более широкого диапазона приема потребуется несколько сменных кварца, или применить синтезатор (можно высоко-стабильный ГПД).

Схема не претендует на оригинальность, главное отличие - применение К157УЛ1А, специально предназначенную для УВ магнитофонов, преимущество ее в широкой доступности и малых шумах - что проверенно на практике.
У меня, со встроееной звуковой картой Realtek, и с этим приемником чувствительность, огр. шумами, получилась 0,5 мкВ,-
- по сравнению с 1 мкВ в схемах на микросхеме NE5532.
(измерения на частоте 7мГц и в смесителе на К561КП1 вместо 74НС4052
вместо 74АС74N можно поставить К555ТМ2 и другие - К1533,531 и наконец К155ТМ2,
вместо 74НС4052 за не имением, хуже будет работать обычная К561КП1 - проверенно до... 14 мГц,-
- проблема в ней, что из за задержек возникает разбаланс в каналах IQ по фазе но программа это все автоматом правит.

А1 заменима на К157УЛ1Б, но у неё в 2 раза больше уровень шума, во столько же раз и ухудшится чувствительность приёмника - зарубежных аналогов у этой микросхемы нет. 78L05 можно заменить на 7805 или КРЕН5А.

Дроссель любой 50 - 150 мкГн.
Резисторами R* устанавливается +2,5 Вольта на стоках транзисторов КП303 (при неподключенном кварце).

Это способ намотки ШПТ

Два варианта печатных плат.Платы не проверены, так что перед изготовлением проверяем правильность разводки. Платы разведены со стороны дорожек, при печати для ЛУТ - ЗЕРКАЛИТЬ.

Вернусь к вопросу о входной части приёмника.
Вместо отдельных фильтров на каждый участок КВ диапазона можно использовать и простое перестраеваемое селективное устройство с тремя катушками перекрывающее весь КВ диапазон, например как это сделано в КВ приёмнике KARLSON - http://cqham.ru/trx85_09.htm

Настройка:
включить 80 метровый диапазон приёма и подать испытательный сигнал с частотой середины этого диапазона.
Вращая ручку конденсатора найти уровень максимального приёма сигнала. На шкале настойки входного селектора сделать отметку в виде зоны приёма частот этого диапазона.
При необходимости, подстройкой сердечника контурной диапазонной катушки, зону резонанса можно сместить в удобное место для считывания со шкалы;
оставшиеся участки диапазонов 40м, 20м, 15м, 10м отмечаются на шкале с корректировкой сердечниками соответствующих катушек.
Очень удобно иметь на шкале три полосы полуокружности с зонами подстройки: на первой ближе к оси конденсатора риски 80 и 40 метров, на второй (средней) риски диапазонов 20 и 15 метров, а на третьей, с бОльшим радиусом, зону частот настройки селектора в 10-метровом диапазоне.

Если необходим приём только в одном диапазоне 40/80м катушки L1 , L2 и переключатель из схемы можно исключить.
Данное простое устройство селекции (поскольку оно перекрывает весь КВ диапазон) можно использовать и с любыми другими простыми КВ приёмниками.

Статья создана по материалам форума:http://forum.cxem.net/index.php?showtopic=68616 Желающим повторить конструкцию настоятельно рекомендуется посетить форум.

Простой SDR приемник "Simple SDR"

Владимир Неретин UA3ELR

Приемник чрезвычайно прост, формирует квадратурные НЧ сигналы, и позволяет осуществить SDR прием с помощью вашего компьютера в любом желаемом диапазоне. Он содержит два смесителя на встречно-параллельных диодах, кварцевый гетеродин и двухканальный УНЧ на микросхеме. Будет очень хорошо, если применить малошумящую МС К157УЛ1А, диоды могут быть любые высокочастотные: КД 514... 512... 503... 521... 522... 510 (даны в порядке ухудшения параметров) и им подобные, чем качественнее диоды, тем выше чувствительность.

Транзистор гетеродина – любой полевой ВЧ, подойдут КП302...

303... 307 и им подобные из

импортных. Начальный ток

стока должен быть в пределах

5…10 мА (в даташитах

обозначается как Ic нач).

Размер печатной платы 30 х 33

мм. Для монтажа применены SMD элементы. Подстроечным резистором регулируется баланс каналов по амплитуде, подстроечным конденсатором по фазе, эти элементы и резистор 1k входят в ВЧ фазовращатель. Ёмкость подстроечного конденсатора зависит от частоты, его реактивное сопротивление Хс на частоте генератора должно быть около 1 кОм. Ёмкость

19конденсатора можно вычислить, зная Хс и F, или по номограммам, тем более что высокая точность не нужна – подстраивать собранную схему все равно придется. Кварц должен быть на частоту в два раза ниже принимаемой. При желании в этой

схеме генератора кварц легко возбудить и на третьей гармонике, т.е. частота кварца может быть в 6 раз ниже частоты приёма.

Чувствительность приёмника с К157УЛ1А получилась весьма высокой даже без

УВЧ – 0,5...0,7 мкВ при соотношении сигнал/шум 10 дБ на частоте 36 мГц (этот

приёмник изготавливался для работы вместе с тюнером KS-H-148).

О настройке SDR приёмников, подобных "Simple SDR"

рассчитанный на полосу принимаемых частот приёмника.

Итак... подключаем приёмник к линейному входу компьютера, запускаем скачанную и установленную программу Spectra Vue и нажимаем в ней кнопку "Фаза" (Phase), на вход приёмника подаём ВЧ сигнал...

На экране в программе видим эллипс. Регулировкой подстроечного конденсатора и резистора добиваемся правильной окружности, чем она правильней, тем точней фазовый сдвиг. При идеальной окружности сдвиг равен точно 90 градусам. У меня настроилось так, как показано на скриншоте. Для написания этой статьи я не очень старался с регулировкой, но всё же посмотрим, что у нас получилось. Выходим из Spectra Vue, запускаем какую-нибудь из SDR программ, например M0KGK, и в режиме calibration смотрим нашу ошибку сдвига фаз – получилось примерно от 0,3 до 0,8 градуса относительно 90 (в идеале должно быть 0), что очень неплохо, учитывая то, что я делал всё на скорую руку. Не стоит обращать внимание на большой пик в центре на панораме, это из-за плохой звуковой карты, просто под рукой не было другой. Смотрим на панораму, что у нас получилось... от сигнала с уровнем +50 дБ (относительно уровня шума приёмника) зеркального канала не видно, он ниже уровня шумов, это означает подавление зеркального канала более 50 дБ.

Запустим другую программу – Expert SDR, опять видим, что без всякой коррекции в программе, от сигнала с уровнем +50 Дб зеркального канала нет.

Как видим ничего сложного в настройке SDR приёмников подобных "Simple SDR" нет. В этом примере настройки использовался приёмник "Simple SDR" с МС К157УЛ1А, с центральной частотой приёма 36 мГц и чувствительностью 0,6 мкВ при С/Ш 10 дБ, звуковая карта встроенная Realtek. Добавлю, что для приёмника нужно использовать хорошее стабилизированное питание с минимальными пульсациями, желательно в пределах от 8 до 15 Вольт. Настройку приемника надо производить с подключенным входным фильтром (преселектором), лучше будет, если поставить истоковый повторитель на входе приёмника, для согласования с входными фильтрами любого типа. Более подробная информация дана на сайте автора http://relax-sdr.3dn.ru/

Как известно в SDR технике, для правильной работы приёмников/передатчиков т.е. для обеспечения нужного фазового сдвига 90 градусов требуется частота гетеродина равной - принимаемая частота умноженная на 4,

В этой статье я расскажу о том, как на базе отладочной платы DE0-nano сделать достаточно простой КВ SDR приёмник.
Пример принимаемых сигналов:

Про технологию SDR можно почитать . Вкратце - это методика приёма радиосигнала, в которой большой объем обработки информации производится в цифровом виде. Благодаря использованию ПЛИС и высокоскоростного АЦП, можно сделать приёмник, в котором даже перенос частоты «вниз» производится цифровым способом. Такой метод называется DDC (Digital Down Conversion), подробнее про него можно прочитать и . Используя эту методику, можно сильно упростить приёмник, в котором единственной аналоговой частью становится АЦП.

А теперь поподробнее о моем приёмнике.
Его основой является ПЛИС производства компании Altera, установленная на отладочной плате DE0-Nano. Плата относительно дешевая (60$ для студентов), правда, с достаточно дорогой доставкой (50$). Сейчас она становится все более популярной у радиолюбителей, начинающих знакомство с ПЛИС.
Главная задача ПЛИС - «захватить» цифровой сигнал с АЦП, перенести его в область низких частот, отфильтровать и отправить результат на компьютер. Структурная схема приёмника, реализованного мной, имеет такой вид:

Рассмотрим последовательно компоненты, которые проходит радиосигнал и цифровая информация.

Антенна

У радиолюбителей есть поговорка «Хорошая антенна - лучший усилитель». Действительно, от антенны зависит очень многое. Большинство наиболее интересных сигналов на коротких волнах нельзя принять на простую антенну (например, на кусок провода). За городом особых проблем нет - достаточно длинный провод может работать хорошей антенной (на приём). В городе, особенно внутри крупных железобетонных домов все значительно хуже - длинную антенну не растянуть, при этом мешающих шумов очень много (бытовые приборы способны создавать в эфире очень большой уровень шума), так что выбор антенны становится непростым делом.
Для приёма радиосигналов я пользуюсь активной рамочной антенной, конструкция которой описана .
Моя антенна выглядит так:

Фактически антенна представляет собой большой колебательный контур (конденсатор находится внутри коробки на столе). Установлена она на балконе, и достаточно неплохо работает. Основное достоинство рамочной антенны - за счет использования явления резонанса она позволяет подавлять шумы на неиспользуемых частотах, однако есть и недостаток - при переходе с одного диапазона частот на другой антенну нужно перестраивать.

АЦП

Выбор АЦП тоже непрост. АЦП должен обладать большой разрядностью для повышения динамического диапазона, а для DDC приёмника - еще и высоким быстродействием. Обычно в хорошие DDC приёмники ставят АЦП с разрядностью 16-бит и быстродействием >50 MSPS. Однако стоимость таких АЦП больше 50$, и в экспериментальную конструкцию хотелось поставить что-нибудь попроще.
Я выбрал AD9200 - 10-битный 20 MSPS АЦП стоимостью 200 руб. Это очень посредственные характеристики для DDC приёмника, однако, как показала практика, АЦП вполне пригоден для приёма сигналов.
АЦП установлен на отдельной плате, которая вставляется в отладочную:

Снизу плата металлизирована, слой металла соединен с землей АЦП, что тоже защищает от помех.

Схема подключения АЦП

Опыта разводки ВЧ конструкций у меня нет, так что возможно, что схему и разводку можно улучшить.

Так как АЦП оцифровывает только сигналы положительного уровня, а сигнал с антенны биполярный, то сигнал приходится смещать на половину опорного напряжения (для этого служат резисторы R1 и R2). Искусственно созданная постоянная составляющая затем вычитается уже из цифрового сигнала в ПЛИС.

Вся дальнейшая обработка сигнала после АЦП идет в ПЛИС.
Поток данных с АЦП составляет 200 Мбит (10-bit x 20 MSPS). Передать такой поток напрямую в компьютер, а потом его еще и обработать очень сложно, поэтому частоту сигнала нужно специально понизить. При переносе на более низкую частоту возникает явление «зеркального канала», для борьбы с которым используют квадратурное преобразование частоты - сигнал преобразовывают в комплексную форму (происходит разделение на два канала I/Q). Перенос на более низкую частоту производится путем умножения исходного сигнала на сигнал генератора. В используемой ПЛИС достаточно аппаратных умножителей, так что это не представляет проблемы.

NCO

Для того, чтобы переносить входной сигнал на нужную частоту, ее нужно создать. Для этого используется готовый компонент Quartus - NCO (numerically controlled oscillator). На генератор подается тактовая частота, такая же как и у АЦП (20 МГц), на его вход управления подается значение, определяющее частоту, и на его выходе формируется цифровой синусоидальный сигнал нужной частоты, дискретизованный с частотой 20 МГц. NCO способен параллельно формировать и косинусный сигнал, благодаря чему можно формировать квадратурный сигнал.

CIC-фильтр

После смешивания с сигналом генератора с выхода умножителей сигнал выходит уже перенесенный на более низкую частоту, но все еще с высокой частотой дискретизации (20 MSPS). Сигнал требуется децимировать , то есть отбросить часть выборок. Просто так отбросить лишние выборки нельзя, так как это приведет к искажению выходного сигнала. Поэтому сигнал нужно пропустить через специальный фильтр (CIC-фильтр). В данном случае я хотел получить на выходе приёмника частоту дискретизации сигнала 50 кГц. Из этого следует, что частота должна быть понижена в (20e6 / 50e3 = 400) раз. Децимацию придется производить в 2 этапа - сначала в 200, затем в 2 раза.
Первый этап выполняет именно CIC-фильтр. Я использовал 5-каскадный фильтр.
В результате работы CIC-фильтр за счет понижения полосы сигнала разрядность выходного сигнала увеличивается. С своем приёмнике я искусственно ограничил ее 16 битами.
Так как каналов в приёмнике два, то и фильтров потребуется тоже два.
К сожалению, CIC-фильтр имеет довольно крутую АЧХ, стремящуюся к 0 при приближении к выходной частоте дискретизации (100 кГц). Для компенсации ее кривизны служит следующий фильтр.

Компенсационный FIR-фильтр

Этот фильтр нужен для того, чтобы компенсировать спад АЧХ CIC-фильтра и выполнить еще один этап децимации (в два раза). В Altera уже позаботились о методике расчета этого фильтра - при создании CIC-фильтра автоматически формируется программа для Matlab, запустив которую, можно сформировать коэффициенты для компенсационного фильтра.
Вид АЧХ CIC, FIR и получающегося результата (графики строит та же программа для Matlab):

Видно, что на частоте 25 кГц CIC-фильтр ослабит сигнал на 20 Дб, что очень много, однако с использованием FIR-фильтра ослабление всего 10 Дб, а на более низких частотах ослабление практически отсутствует.
На выходе FIR-фильтра с учетом децимации будет частота дискретизации сигнала будет 50 кГц.
Почему нельзя сразу было произвести децимацию сигнала в 400 раз? Это связано с тем, что частота среза FIR-фильтра должна составлять 1/4 от его выходной. В данном случае частота дискретизации на выходе фильтра без децимации, как и на его входе, составляет 100 кГц. В результате этого частота среза будет как раз 25 кГц, что и видно на графиках выше.
Оба фильтра являются готовыми компонентами Quartus.

Передача данных на компьютер

Полученный поток данных ((16+16)bit x 50 KSPS = 1.6 Mbit) нужно передать на компьютер. Данные я решил передавать через Ethernet. На отладочной плате нет такого интерфейса. Наиболее правильно было бы сделать отдельную плату с контроллером PHY, запустить soft-процессор Nios, и передавать данные через них. Однако это значительно усложняет конструкцию. Я пошел более простым путем - Ethernet пакеты можно формировать на самой ПЛИС, таким образом можно передавать данные со скоростью 10 Mbit. В данном случае Ethernet кабель через разделительный трансформатор соединяется с выводами ПЛИС. Проекты с таким принципом работы можно посмотреть и .
В качестве основы я выбрал первый проект, частично его доработав. В изначальном проекте ПЛИС посылает на компьютер с заданным IP и MAC адресом определенный UDP-пакет. После переделки модуль Ethernet передатчика мог передавать 1024 байта, считывая их из RAM. В результате на компьютер в одном пакете отправляются 256 пар 16-битных значений сигнала, взятого с выходов фильтров. Так как данные поступают от АЦП непрерывно, а отправлять их на компьютер нужно пакетами, то пришлось реализовать двойную буферизацию памяти - в то время, пока одна RAM заполняется, данные из другой RAM передаются по Ethernet. После того, как первая RAM заполнится, обе RAM «меняются местами», за что отвечает довольно простой управляющий модуль.
Так как на выходе фильтров данные передаются потоком из пары 16 битных величин, а по Ethernet передаются отдельные байты, то для преобразования потоков в конструкцию введен модуль, который преобразует поток 32 бит 50 KSPS в 8 бит 200 KSPS.

Как оказалось, если передавать поток данных со скоростью 1.6 Mbit, то устройство, к которому подключен приёмник, даже не обнаруживает его (нет линка). Это связано с тем, что пакеты данных при этом передаются с периодом примерно 5 мс, а для того, чтобы сообщить другому сетевому устройству скорость подключения (10 Mbit), нужно каждые 8-24 мс передавать специальный короткий импульс (NLP). Из-за высокой частоты передачи пакетов, модуль Ethernet не успевает передавать эти импульсы, и Autonegotiation не происходит.
Поэтому, для того, чтобы противоположное устройство все же могло определить скорость соединения, достаточно при включении приёмника временно уменьшить частоту передачи пакетов (у меня - в 4 раза), благодаря чему модуль Ethernet успевает передать импульсы NLP.

Приём данных от компьютера

Для того, чтобы управлять приёмником (устанавливать частоту настройки), на него нужно передавать определенную величину, которая будет использоваться для задания частоты NCO.
Для приёма этой величины так же используется компонент с вышеуказанного сайта, модифицированный для приёма данных, и выдачи их в виде 24 битного числа. Так как модули приёмника и передатчика никак не связаны друг с другом, то реализовать ARP нельзя, и фактически это значит, что приёмник не будет иметь IP и MAC адреса. Передать информацию на него можно, если отправить в сеть широковещательный пакет.
Физически, как и в случае с передатчиком, сетевой провод соединяется с отладочной платой через трансформатор. Однако здесь уже нельзя подключаться к произвольным выводам ПЛИС, так как сигнал достаточно мал. Нужно использовать выводы, поддерживающие интерфейс LVDS - он является дифференциальным.

Ресурсы, используемые программой ПЛИС:
- 5006 LE
- 68 9-bit умножителей (64 из них используются в FIR -фильтре).
- 16,826 bit памяти (8 блоков M9K).

Вид проекта проекта в Quartus:

Обработка данных на компьютере

После того, как компьютер принял данные, их нужно обработать. Лучше всего взять готовую программу. Обычно в SDR программах реализовывают нужные цифровые фильтры, алгоритмы, предназначенные для формирования звука и его фильтрацию, БПФ принятого сигнала, построение его спектра и «водопада».
Я использую программы HDSDR и SDRSharp, они обе поддерживают ввод данных при помощи одинаковых библиотек ExtIO (формат программы Winrad). Требования программ к библиотеке хорошо документированы .
Вот есть пример создания такой библиотеки. Я переделал этот пример, добавил в него приём данных из сети, склеивание двух пакетов (программа за раз приминает минимум 512 пар I/Q выборок), отправку их в программу, и передачу широковещательного пакета с вычисленным значением для NCO при смене частоты в программе. До этого мне никогда не приходилось создавать библиотеки, да и в C++ я не силен, так что в библиотека может быть написана совсем не оптимально.
Так как частота дискретизации I/Q сигналов на выходе фильтров приёмника составляет 50 кГц, то в программе при приёме для обзора будет доступна полоса 50 кГЦ. (± 25 кГц от частоты, формируемой NCO).

Собранный приёмник выглядит так:

Резистор соединяет средние точки трансформатора с 3.3 В платы - это улучшает приём и передачу данных по сети.

После того, как приёмник был полностью собран и все программы написаны, оказалось, что чувствительности не хватает. Даже на активную антенну принимались только вещательные радиостанции и сигналы радиолюбителей, работающих на больших мощностях.
Насколько я понимаю, это связано с низкой разрядностью АЦП. Для повышения чувствительности пришлось сделать дополнительный усилитель на транзисторе BF988 (находится внутри маленькой металлической коробочки). Усилитель смог заметно поднять чувствительность приёмника.
Внешний вид всей конструкции:

Блок питания обеспечивает напряжение 12 В для питания усилителя антенны, в металлической круглой коробке находятся несколько диапазонных полосовых фильтров, которые снижают внедиапазонные сигналы, что улучшает прим сигналов. Отмечу, что во многих случаях приём возможен и без ДПФ.

Теперь о том, что же удается принять на КВ. Несмотря на достаточно высокий уровень шумов, удается принять достаточно много сигналов, хорошо принимаются вещательные радиостанции, неплохо принимаются радиолюбители.
Пример приема сигналов в программе HDSDR (приём велся во время CQ WW DX Contest):

Видео приёма:

Удается принять сигналы WSPRnet. WSPRnet - сеть радиолюбительских маяков, которые автоматически обмениваются короткими сообщениями друг с другом. Данные от маяков автоматически публикуются в интернете. В данном случае, установив специальную программу, можно декодировать принятые сигналы и отправлять их в сеть. На сайте есть возможность посмотреть карту, на которой показываются связи между маяками за определенный интервал времени.
Вот что получилось у меня за полдня приема:

Важная особенность WSPR - очень маленькая мощность передатчиков (меньше 5 Вт), узкая полоса передаваемого сигнала, и большая длительность передачи одного сообщения (2 мин). Благодаря цифровой обработке в программе-декодере удается принимать очень слабые сигналы. Мне удавалось принять сигнал маяка мощностью 100 мВт, находящегося на расстоянии ~2000 км.

Радиолюбители, работающие с использованием JT65. JT65 - это один из протоколов цифровой связи между радиолюбителями. Как и в WSPR, в нем используются маленькие мощности и длительные передачи (1 мин). Принимаются сообщения автоматически, так что можно оставить приемник на длительное время, а потом смотреть, кого удалось принять.
Пример приема:

Цифровое радиовещание (DRM). Некоторые вещательные радиостанции передают звук в цифровом виде. Принять такие сигналы непросто в условиях города - не хватает уровня сигнала. Одну станцию принять удалось:

Существует множество других радиосигналов, которые было бы интересно принять. Есть еще погодные факсы, станция точного времени RBU (на чудной частоте 66.6 кГц), и другие.

RTL-SDR – широко известное сочетание букв в среде радиолюбителей. Дешевые и доступные, можно сказать уже, народные SDR приемники из поднебесной несколько лет назад стали настоящим открытием для многих радиолюбителей. Куча народу потратило очень много времени и сил для того, чтобы реалтековский чип смог из обычного DVB-T приемника превратиться в полноценный сверхширокополосный SDR. И в этом обзоре я расскажу вам о следующей ступени эволюции этого приемника.

Я давно краем глаза поглядывал за тем, чем занимаются ребята из RTL-SDR.COM и таки сподобился заказать себе уже третью версию их свистка. О говорить бессмысленно, про него не писал только уже ленивый, а вот что нам могут предложить ребята из RTL-SDR? На мой взгляд, в их устройстве, на данный момент, реализованы все доработки которые были рождены и опробованы сообществом любителей RTL-SDR на практике. В итоге получилась классная игрушка как для начинающих, так и для продвинутых радиолюбителей. Пройдемся по основным пунктам отличающим этот приемник от конкурентов

Корпус

Ну, во-первых, это алюминиевый корпус, а не пластиковый, как на дешевых собратьях.

Что само по себе хорошо с точки зрения защиты от помех. Во-вторых корпус играет еще и роль теплоотвода, поскольку у платы приемника есть связь с корпусом через теплопроводящую силиконовую прокладку, которая кроме теплоотвода выполняет роль аммортизатора.

Корпус сделан из алюминиевого профиля и закрыт с двух сторон крышками, через которые с одной стороны выведен антенный разъем типа SMA который для жесткости закрепляется еще и гайкой.

А с другой стороны USB.

В целом, конструкция достаточно надежная. На мой взгляд, немного похабно выглядят саморезы которые крепят крышки корпуса, но это мелочи.

Внутри

Ребята из RTL-SDR.com сделали полностью свою, совершенно новую плату. В результате чего по утверждениям разработчиков удалось значительно снизить внутренние шумы схемы и уменьшить количество пораженных частот.

На плате, как и положено, разместились RTL2832U

И приемник от Rafael Micro R820T2. Все как у классического свистка. Но на этом сходство и заканчивается.

У нового девайса установлен термокомпенсированный опорный генератор от WTL на 28.8МГц расположенный в центре платы, что логично и правильно. К сожалению на офф. сайте WTL не смог найти описание на этот компонент, было бы интересно посмотреть на характеристики…

Для полного представления о новом приемнике проще всего посмотреть на схему которую я любезно позаимствовал .

Изучение особенностей платы начнем от антенного входа. Здесь расположился трехзвенный LC фильтр и небольшой малошумящий широкополосный предусилитель (на фото обозначен стрелкой) предположительно на микросхеме типа BGA2711. Далее идет еще один фильтр + согласующие цепочки.

А затем уже идет развязывающий трансформатор подключающийся непосредственно к RTL2832U.

Для питания микросхем приемника в RTL-SDR.com используют мощный малошумящий стабилизатор напряжения на AP2114. Для сравнения, в обычных «свистках» используется AMS1117.

Для питания активных антенн у RTL-SDR.com есть т.н. инжектор питания на 4.5 вольта, реализованный на отдельном переключателе (на фото обозначен стрелкой) который управляется непосредственно через интерфейс RTL2832U. На мой взгляд 4.5 вольта это как-то маловато, для питания, например, той же Mini-Whip, но это напряжение можно использовать, например как контрольное для включения/выключения схем управления питанием антенн. Здесь же по входу стоит диодная сборка BAV99. Это двадиода включенных встречно-параллельно, по сути, обычный диодный ограничитель защищающий чувствительный вход приемника (на фотографии A7W).

Также интересной особенностью является возможность масштабирования, например можно несколько приемников использовать одновременно для мониторинга разных диапазонов, при этом есть возможность подключения внешнего высокостабильного опорного генератора вместо встроенного TCXO, если он по какой-то причине Вас не устраивает. Для этого необходимо выполнить ряд манипуляций с паяльником, что для продвинутого радиолюбителя не является большой проблемой. Так же есть еще ряд интересных моментов, например на плату удобным образом выведены порты GPIO, CLK вход/выход опорного сигнала, 3,3 В, GND, I2C, которые также могут быть использованы продвинутыми радиолюбителями в своих целях.

SDRSharp

Здесь все как всегда, скачиваем SDRSharp с официального сайта , распаковываем в удобную для работы директорию, например: C:\SDRSharp и если раньше у Вас никогда не было в хозяйстве свистков на RTL2832, запускаем файл install-rtlsdr.bat который скачает нам драйвера и утилиту для их установки. Вставляем наш приемник в USB. Далее запускаем скачанный в ту же самую директорию файл zadig.exe и видим перед собой вот такое вот окно.

При этом, если вместо Bulk-In Interface (Interface 0) пустота, то проверьте, чтобы в меню Options стояла галочка List All Devices, далее в списке выбираем Bulk-In Interface (Interface 0) и жмем кнопку Install Driver. Собственно после установки можно запускать SDRSharp.exe, выбирать в списке приемников RTL-SDR (USB), и работать.

Прием КВ и УКВ

Для приема средних и коротких волн (500 кГц — 24 МГц) необходимо из режима квадратурного семплирования (Quadrature sampling) который используется для приема УКВ (24 МГц — 1200 МГц)

переключиться в режим прямого семплирования с порта Q branch (Direct sampling (Q branch)).

Испытания

Для изучения характеристик приемника использовался мой рабочий ноутбук Asus R510C. Принимаемый сигнал снимался со встроенной звуковой карты. В качестве источника сигнала и анализатора использовался прибор Rohde&Schwarz CMS 52. Увы, измерения удалось провести только до частоты 1ГГц, выше мой прибор уже не способен работать. Параметры при которых проводились измерения были выбраны такие же как при испытаниях приемника о котором я уже писал на страницах журнала.

Параметры для SSB: Тон 1кГц. Режим демодуляции приемника USB, RTL-AGC – On. Чувствительность приемника при SINAD 12дБ. Полоса приемника 3кГц.

Параметры для AM: Тон 1кГц. Режим демодуляции приемника AM, глубина модуляции 80%. RTL-AGC – On. Чувствительность приемника при SINAD 10дБ

Параметры для FM: Тон 1кГц. Режим демодуляции приемника NFM, девиация частоты 2кГц. RTL-AGC – On. Чувствительность приемника при SINAD 12дБ

Короткие волны (режим прямого сэмплирования (Q branch))

УКВ (режим квадратурного семплирования)

Как видно из результатов измерений предусилитель на КВ делает свое дело, и если у чувствительность была довольно низкая, то у девайса от RTL-SDR.com все в принципе не плохо. В режиме квадратурного сэмплирования немного удивила чувствительность на 12м-10м диапазонах, она не катастрофически низкая, но с трудом дотягивает до уровня не самой совершенной си-бишки, что наводит на размышления о том, что ребята разработчики несколько перемудрили с фильтром, для получения более высокой чувствительности придется немного подкорректировать номиналы элементов на входе в R820T. В остальном, чувствительность как на КВ, так и на УКВ отменная и заслуживает всяческих похвал.

Нагрев

В режиме квадратурного сэмплирования, когда устройство работает на полную мощность, корпус девайса достаточно сильно греется. Благодаря теплопроводящей прокладке, тепло с платы приемника передается на корпус и последний нагревается до достаточно больших температур, около 45 градусов по Цельсию.

RTL-SDR и другие ОС

Самое приятное для меня было в том, что приемник от RTL-SDR.COM, собственно как и другие аналогичные устройства на базе RTL2832U без проблем работают на моем стареньком MacBook. Просто скачиваем и устанавливаем CubicSDR, подключаем свисток в USB и у нас все готово для работы, никаких танцев с бубном не требуется.

Итог

А итог, надо сказать, весьма радостный. Всего за 20 долларов, да, да, всего за 20 долларов Вы получаете отличный гаджет для мониторинга как коротких, так и ультракоротких волн. Немного разочаровал фильтр на входе в R820T, но это не столь критично. В остальном RTL-SDR.com v.3 работает стабильно и без каких-либо проблем. Так что всем, кто все еще хочет попробовать и испытать на себе, что такое SDR, но по каким-то причинам сомневается, настоятельно рекомендую.