Программно-определяемый приемник Microtelecom Perseus (SDR)

RX3DTY
Picture of user

Как описано в древнегреческих драмах, Персей был героем, который при помощи хитрых уловок победил Медузу (ту, у которой вместо волос были змеи и взгляд застывший такой), а так же спас свою возлюбленную Андромеду из плена морского чудовища. Сделанный в Италии Персей 21-го века - это радиоприемник, стремящийся создать собственную легенду при помощи самых передовых подходов к конструированию программно-определяемых радиосистем (SDR). Насмехаются боги над этим Персеем или нет покажет время.

Внешний вид Perseus SDR

Чтобы подготовить почву для "драмы", несколько подходящих объяснений. Многие радиолюбители считают, что программно-определяемый приемник начинается с традиционных элементов входных цепей - фильтр и/или преселектор, за которыми следуют предварительный усилитель высокой частоты и каскад, преобразующий высокочастотные колебания в синфазный (I) и квадратурный (Q) сигналы звуковых частот. Вся эта полоса частот подается на вход звуковой карты, установленной в компьютере, которая дискретизирует их, считывает, преобразуя в цифровую форму представления, тем самым обеспечивая возможность их дальнейшей сложной программной обработки. Джеральд Янгблад (K5SDR) в своей статье, опубликованной в журнале QEX в 2002, высказал следующую фразу: "Дайте мне I и Q и я смогу детектировать все что угодно".

Рис 1. Perseus SDR содержит не так много элементов

Приемник Perseus работает немного по-другому. Он оцифровывает сигнал ВЧ сигнал, прошедший входные фильтры, прямо с выхода предварительного усилителя высокой частоты. Высокоскоростной аналогово-цифровой преобразователь переводит входной ВЧ сигнал в цифровую форму со скоростью 80 миллионов отсчетов в секунду. Далее, в Perseus применена вентильная матрица с эксплуатационным программированием (FPGA) для генерирования данных I и Q, которые передаются в компьютер через USBi-интерфейс. Иными словами, принятый сигнал преобразуется в цифровые данные еще до того, как он попадает в компьютер. Такой подход к реализации программно-определяемой радиосистемы дает ряд очевидных преимуществ:

  • Меньшее число элементов, размещенное в компактном корпусе размерами 35.6 x 116.8 x 185.4 мм. На Рис. 1 показан вид со снятой крышкой.
  • Меньшее количество требуемых кабелей - только USB провод необходим для подключения приемника к компьютеру.
  • Технические характеристики Perseus не зависят от звуковой карты компьютера. В традиционном SDR звуковая карта работает как аналого-цифровой преобразователь, поэтому посредственные устройства дают посредственные результаты. В Perseus эту функцию выполняет встроенный высокоскоростной АЦП, а звуковая карта компьютера необходима только для воспроизведения звука, с чем успешно справится любая, даже самая простая карта.
Таблица 1. Microtelecom Perseus. Серийный номер 00501
Технические характеристики Значения, заявленные производителем Значения, измеренные в лаборатории ARRL
Диапазон принимаемых частот, МГц 0.01 - 30 0.01 - 40
Напряжение питания, В 5 соответствует заявленным
Потребляемый ток, А 0.7 соответствует заявленным
Виды модуляции SSBi, CWi, AMi, FMi соответствует заявленным
Приемник   Испытания динамических характеристик приемника
Чувствительность в режимах CW/SSB при полосе пропускания 2.4 кГц и 10 дБ (S+N)/N, мкВ 0.39 (SSB) Уровень собственных шумов (MDS), фильтр 500 Гц
Частота, МГц Предусил. выключен, дБм Предусил. включен, дБм
1 -126 -129
3.5 -127 -129
14 -126 -127
Чувствительность в режиме AM не указана 10 дБ (S+N)/N, полоса 1 кГц, глубина модуляции 30%
Частота, МГц Предусил. выключен, мкВ Предусил. включен, мкВ
1 3.4 3.1
3.8 2.7 2.3
Чувствительность в режиме FM не указана 12 дБ SINAD
Частота, МГц Предусил. выключен, мкВ Предусил. включен, мкВ
29 4.5 3.9
Динамический диапазон по забитию не указан Динамический диапазон, дБ, полоса пропускания 500 Гц
  Разнос 20 кГц Разнос 5/2 кГц
Частота, МГц Предусил. вкл./выкл. Предусил. выкл.
3.5 115/115 104/98
14 117/112 105/99
Максимальная глубина режекторного фильтра, дБ не указана > 70
Двухсигнальное испытание интермодуляционных искажений
Частота, МГц, Предусил. Разнос частот, кГц Уровень входного сигнала, дБм
3.5/Выкл. 20 -27
    -5
14/Выкл. 20 -26
    -11
    0
14/Вкл. 20 -28
    -11
14/Вкл. 5 -29
    -11
    0
14/Вкл. 2 -29
    -11
    0
Измер. уровень IMDi, дБм Измер. динамич. диапазон IMD, дБ Расчетное значение IP3, дБм
-127 100 +23
-97   +41
-126 100 +24
-97   +32
-88   +44
-127 99 +22
-97   +32
-126 97 +20
-97   +32
-89   +44
-126 97 +20
-97   +32
-88   +44
Пересечение второго порядка, дБм не указано
Предусилитель выкл. Предусилитель вкл.
+85 +89
Подавление зеркального канала, дБ 90 97
Подавление соседнего канала в режиме FM, дБ не указано разнос 20 кГц, 29 МГц, предусилитель вкл.: 79
Двухсигнальный динамический диапазон интермодуляционных искажений третьего порядка в режиме FM, дБ не указан разнос 20 кГц, 29 МГц, предусилитель вкл.:80
Чувствительность S-метра не указана S9 на частоте 14200 кГц - 56.2 мкВ (*)
Амплитудно-частотная характеристика ПЧ/ЗЧ не указана
Диапазон частот (Гц) по уровню -6 дБ (полоса, Гц) (**):
CW: 348 - 850 (502)
Эквивалентная прямоугольная полоса, Гц: 496
USB: 113 - 2845 (2732)
LSBi: 112 - 2865 (2753)
AM: 73 - 3090 (3017)
Размеры (высота x ширина x глубина), мм 35.6 x 116.8 x 185.4  
Вес, г 380  
   
(*) Показания S-метра не зависят от предусилителя и аттенюатора
(**) Перестраиваемые фильтры, настроенные на полосу пропускания, Гц: 449.7, 2730 и 5980 (CW, SSB, AM)

Установка Perseus

Приемник поставляется в небольшой простой коробке, содержащей совсем немного предметов. В ней находится сам приемник, 5-ти вольтовый внешний источник питания со сменными розетками стандартов Евро/США, кабель USB и CD-ROM с программным обеспечением для программно-определяемого приемника Perseus, драйверами USB и руководством пользователя.

Таблица 2. Минимальные требования к аппаратному и программному обеспечению
Процессор Pentium 4, ОЗУ 512 Мб
Свободный USB 2.0 порт
16-разрядная AC-97 совместимая звуковая плата
Аппаратная поддержка разрешения экрана 1024х768
Мышь с двумя кнопками и колесом прокрутки
10 Гб свободного места на жестком диске

Минимальная конфигурация компьютера, к которому подключается радиоприемник, по рекомендации Microtelecom должна удовлетворять следующим требованиям - процессор с тактовой частотой не менее 2 ГГц и установленная операционная система Windows XP, Vista или Windows 7. Для того, чтобы использовать все возможности приемника Perseus рекомендуется компьютер с двухядерным процессором и тактовой частотой не менее 2.5 ГГц. Все испытания, результаты которых приведены в Таблице 1, проводились на базе компьютера с двухядерхным процессором с тактовой частотой 1.86 ГГц. Любой современный компьютер удовлетворяет минимальным требованиям, приведенным в Таблице 2.
Для продения собственных испытаний я использовал портативный компьютер Toshiba Satellite с процесором 2 ГГц, 1 Гб оперативной памяти и операционной системой Windows Vista Home Basic, который является типичным представителем категории бюджетных потребительских компьютеров.

Рис 2. На задней панели приемника всего три разъема: питание, USB и антенна
Perseus SDR. Вид сзади.

Следует отметить, что приемник Perseus никак не привязан к операционной системе Windows. Теоретически, можно использовать любое программное обеспечение, совместимое с Perseus. Если вы отдаете предпочтение Linux, Microtelecom советует попробовать популярное приложение Linrad, которое можно загрузить с сайта http://www.sm5bsz.com/linuxdsp/linroot.htm
Установив программное обеспечение для работы с приемником Perseus, просто подключите USB кабель в разъем, расположенный на задней панели радиоприемника (Рис. 2), запустите требуемую программу - основной модуль для работы с Perseus или анализатор спектра и приемник включится и начнет работать.
Сначала я попробовал в качестве антенны 10-ти метровый кусок провода, подключенный непосредственно к антенному гнезду приемника. Это решение оказалось не совсем удачным, потому что антенна располагалась слишком близко к компьютеру, который является довольно мощным источником помех. В результате получился высокий постоянный уровень шума - S7 по шкале S-метра. Я попробовал подключить приемник при помощи длинного 5-ти метрового USB кабеля, чтобы отнести его вместе с антенной подальше от компьютера, что существенно снизило уровень помех. Проблема была полностью устранена только после того, как я подключил приемник к своей внешней антенне Inverted-V.

Мир на кончиках пальцев

Радиолюбители, читавшие мои обзоры, должны быть в курсе, что моим любимым критерием оценки товаров является испытание без предварительного прочтения руководства пользователя. Безусловно, мы все должны читать инструкции, прежде чем подавать питание на какое-либо электронное устройство. В теории, однако, хорошо спроектированное и качественно выполненное оборудование или программного обеспечение обеспечивают дружественный, интуитивно-понятный интерфейс, которого обычно достаточно для начала работы сразу же, как только аппаратура извлечена из упаковки. Программное обеспечение из комплекта поставки радиоприемника Perseus удивительно легко прошло этот тест. Как только вы поймете как кликать мышкой на управляющих стрелочках в нижней части дисплея спетроскопа, вы уже в теме. Помимо всего прочего, на экране отображается цифровая шкала, на которой отображается частота настройки приемника. Если по ней кликнуть два раза подряд, то на экране появится цифровая клавиатура для прямого набора требуемой частоты. Просто наберите нужную частоту настройки в килогерцах и нажмите OK либо прокрутите колесико мыши. Всего доступно 10 способов настройки радиоприемника путем нажатия на отдельные елементы интерфейса или их переноса по экрану. Если же вы предпочитаете более осязательный метод настройки, то Perseus совместим с таким устройством, как PowerMate от Griffin Technology - ручка настройки, подключаемая к USB порту (http://www.griffintechnology.com/products/powermate).

Рис 3. Работа совместно с DigiPan в режиме PSK31
Perseus SDR и DigPan в режиме PSK31

Программное обеспечение Perseus создает привлекательное "виртуальное радио" на экране вашего компьютера при помощи сопутствующих иллюстраций. Назначение всех кнопок, ручек и переключателей подписано и работа программы интуитивно-понятна. В течение своих первых 30-ти минут изучения программы я только изредка обращался к руководству пользователя для изучения тонкостей работы отдельных функций.
Радиоприемник Perseus перекрывает диапазон частот от 10 кГц до 30 МГц. В окне панорамного индикатора вы можете видеть полосу шириной до 800 кГц (в последних версиях программного обеспечения она расширена до 1600 кГц). Для своих нужд я значительно сузил ширину полосы для того, чтобы иметь возможность более точно настраиваться на узкополосные сигналы, такие как CW или цифровые виды модуляции.
Perseus может принимать сигналы станций работающих следующими видами модуляции: CW, USB, LSB, AM (в том числе в режиме синхронного детектирования), RTTYi, FM и DRM. Кроме того, есть пользовательский режим, в котором доступны исходные данные I и Q для использования по усмотрению пользователя.
Неординарная эффективность радиоприемника Perseus стала очевидной, когда одним вечером я пыталсявытянуть из шума эфира слабые телеграфные сигналы на диапазоне 40 метров. Некоторые станции, которые были отчетливо на Perseus, растворялись в шумах, когда я переключался на свой трансивер, подключенный к той же антенне. Больше всего мне понравилось то, что я мог создать очень узкополосный фильтр при помощи мыши в окне программы, перемещая левые и правые столбики, представляющие собой границы среза фильтра. Это было обворожительно переключиться на густонаселенный станциями диапазон, настроиться на сигнал какой-либо станции и сужать полосу пропускания фильтра, наблюдая как сигналы соседних станций просто исчезают. Так же можно перемещать фильтр в пределах окна программы, делая слышными сигналы только из выбранной полосы и заставляя затихнуть все остальные.
Если вы никогда не слушали радиовещательные станции на приемник с синхронным детектором (SAM), вы даже не имеете представление о том, что потеряли. Если переключить приемник в режим синхронного детектирования AM после настройки на какую-либо вещательную станцию, Perseus создает стабильную опорную несущую, которая замещает ту, которую излучает радиостанция. Это позволяет значительно снизить влияние эффекта замирания сигнала, делая процесс прослушивания станции более комфортным. Даже музыка, которая больше всего страдает от замираний, звучит значительно лучше.

Рис 4. Прослушивание Радио Ватикан, вещающей в режиме DRM
Perseus SDR и DRM декодер

Я пробовал принимать на Perseus сигналы станций, работающих в режиме RTTY, но программное обеспечение, входящее в комплект поставки радиоприемника, не может декодировать телетайп. Для того, чтобы использовать Perseus со специализированным программным обеспечением для декодирования цифровых видов модуляции, таким как DigiPan, вам придется изыскать метод длясовместного использования звукового сигнала, получаемого от приемника. Одним из таких решений может стать программное обеспечение под названием Virtual Audio Cable (http://software.muzychenko.net/eng/vac.html). С работающем в фоновом режиме VAC мне удалось подслушивать при помощи DigiPan связи, проводящиеся в режиме PSK31 (Рис. 3).
С Perseus вы можете попробовать принять сигналы цифрового коротковолнового вещания в формате DRM (Digital Radio Mondiale). Вероятно вам уже приходилось слышать широкополосные жужжащие сигналы на КВ диапазонах. Они передают высококачественное звуковое сопровождение и текстовую информацию. Однако, как и в случае с любительскими цифровыми видами связи, Perseus не может самостоятельно декодировать подобные сигналы. Для прослушивания таких передач вам придется загрузить универсальный DRM-декодер, доступный на сайте http://www.winradio.com/home/downloaddrm.htm. В качестве альтернативы вы можете попробовать самостоятельно собрать модуль декодера из исходных кодов бесплатного программного обеспечения DREAM (www.nschall.de). Я выбрал коммерческий DRM-декодер и использовал его в сочетании с VAC. После непродолжительной возни с настройками всего комплекса, мне удалось добиться успеха (Рис. 4). Это производит ошеломительное впечатление, когда вы слушаете высококачественный звук на коротковолновых диапазонах.

Расширенные возможности

Программное обеспечение Perseus обладает дополнительными расширенными функциями обработки сигнала. Уровни автоматической регулировки усиления (АРУ) настраиваются, при этом есть возможность отлючить ее совсем. Отключаемая функция подавления шумов позволяет регулировать глубину их подавления. В отличие от некоторых шумоподавителей, основанных на DSP и имеющих склонность к образованию эффекта звенящего в пустоте звука, результаты работы шумоподавителя Perseus более приятны на слух даже при глубоком подавлении шумов. В продолжение темы борьбы с шумами, Perseus предлагает отличный подавитель импульсных шумов, который довольно эффективен, но при высоких уровнях подавления вносит искажения при приеме однополосных сигналов. Так как он предназначен для удаления или ослабления импульсных сигналов, следовало ожидать такое негативное влияние на сигналы SSB.
Вы можете устанавливать величину вносимых затуханий аттенюатора 10, 20 или 30 дБ, что полезно при приеме сигналов очень мощных радиостанций. Вы так же можете активировать входной преселектор, а так же предусилитель. Правда, усиление предусилителя составляет всего 2 дБ, поэтому его влиняние не так ощутимо.

Рис 5. Программное обеспечение Perseus в режиме отображения "водопада"

При использовании всех этих средств, вы непременно ощутите изменение уровня и качества сигнала на слух, но не заметите никаких изменений уровня S-метра, потому что его показания не зависят от усиления или ослабления входных цепей - он показывает истинное значение уровня сигнала, действующего на входе радиоприемника. Так же можно настроить приемник на измерение уровня сигнала в дБм с шагом шкалы в 1 дБ. Во время проведения своих тестов я использовал дисплей в режиме спектроанализатора, однако режим разноцветного водопада так же доступен (Рис. 5). В процессе перестройки приемника сквозь ряды сигналов в любом режиме работы диспле, очень удобно использовать маркер для определения амплитуды и частоты интересующего сигнала.

Что это за сигнал?

В программном обеспечении Perseus реализованы инновационные методы работы с базами данных частот и радиостанций. В то время, как вы перестраиваете приемник по диапазону, программа непрерывно проверяет информацию по текущей частоте в одной из трех баз данных - HFCC, EIBI или пользовательской. HFCC база данных предоставляется High Frequency Coordination Committee (http://www.hfcc.org/), а EIBI - сокращение от Eike Bierwirth (www.susi-und-strolch.de/eibi/). Самые последние версии этих баз данных на момент релиза включены в состав программного обеспечения Perseus. Очевидно, что пользовательская база дынных - это база, которую вы можете заполнить самостоятельно на основании собственного опыта прослушиванию радиоэфира. В тот момент, когда приемник настроен на частоту +- 500 Гц от частоты станции, зарегистрированной в базе данных, программа моментально сверяется с расписанием ее работы. Если в данный момент станция должна быть в эфире, в разделе MEM окна программы выводится вся необходимая информация (Рис. 6).

Рис 6. Отображение данных из базы. В этом примере Perseus автоматически нашел в базе EIBI 5 станций, которые могли бы работать на данной частоте в это время
Perseus SDR данные из базы

Например, вечером пятницы я крутил приемник в районе 7185 кГц в 22:30 UTCi, а в качестве активной базы данных станций была выбрана база HFCC - таким образом программа определила, что сигналы станции, услышанной мной, скорее всего принадлежат Радио Румынии. Какой бы полезной эта функция не была, две проблемы все-таки имеют место быть. Первая - это неудобство работы с пользовательской базой данных, редактировать которую можно только в текстовом редакторе, вводя всю необходимую информацию в соотвествующем формате. В руководстве пользователя по этому вопросу есть только весьма скудная информация. В отличие от традиционных приемников и трансиверов, в Perseus нет кнопки с функцией сохранения частоты в памяти. Вторая - нет возможности просматривая базу данных частот и станций и выбрав интересующую позицию, дать команду приемнику настроиться на ее частоту. Следует отметить, что в программном обеспечении Perseus вообще нет возможности просматривать базу данных. В традиционных приемниках и трансиверах такая возможность обычно имеется.

Магия записи

В дополнение к своим исключительным возможностям, Perseus умеет делать то, что кажется сверхестественным. В зависимости от выбранной частоты дискретизации входного сигнала - 125, 250, 500 или 1000 измерений в секунду, вы можете записывать полосу спектра шириной до 800 кГц (в последних версиях программного обеспечения - до 1600 кГц). Программное обеспечение сохраняет непрерывные данные I и Q в файл формата WAV длительностью до 10 минут. Во время воспроизведения этого файла через программного обеспечение Perseus доступны все те же функции, как и в режиме приема сигналов из эфира.
Например, скажем вы записали 10 минутный ролик спектра шириной 400 кГц между 7000 и 7400 кГц. Далее, в любое удобное для вас время вы можете загрузить этот файл в программу и слушать одну станцию за другой, перестраиваясь последовательно между ними, точно так же, как бы вы это делали в режиме реального времени. Такая возможность могла бы найти применение при выполнении анализа работы в соревнованиях или при изучении использования полосы частот. Единственная проблема - полученная запись может занимать довольно много места на диске - 10 минутный ролик записанный для спектра шириной 400 кГц имеет размер 1.75 Гб, а для записи 24 часов работы в соревнованиях потребуется выделенный диск емкостью 250 Гб. Более того, эти I/Q WAV файлы не являются обычными, которые умеет проигрывать любой медиаплеер. Для воспроизведения этих записей потребуется программное обеспечение Perseus. Звуковые файлы традиционного формата это программное обеспечение записывать не умеет, поэтому если вдруг вам потребуется сделать запись какого-либо определенного сигнала, принятого приемником, вам снова придется воспользоваться дополнительным программным обеспечением, таким как VAC и сделать запись уже любым доступным программным обеспечением, имеющим функцию звукозаписи.

Спектроанализатор

Было бы нечестно не упомянуть полезную программу HF Scan - спектроанализатор. Это программное обеспечение входит в комплект поставки приемника, является полностью самостоятельным приложением и не может работать одновременно с основной программой Perseus. HF Scan использует высокую производительность Perseus для создания в режиме реального времени спектрограммы, перекрывающей частоты от 10 кГц до 40 МГц. Это очень полезна функция для самых различных применений, включая проверку выходных каскадов передатчиков, усилителей мощности, выявление источников помех и так далее. На Рис. 7 представлен снимок окна программы HF Scan, отображающее полную спектрограмму в интервале частот 10 кГц - 40 МГц, снятую с примемника, подключенного к внешней антенне. Обратите внимание на то, как выглядит диапазон ниже 20 МГц - типичный вечер в условиях плохого прохождения.

Рис 7. Программа HF Scan отображает целиком диапазон от 10 кГц до 40 МГц. Приемник в этот момент подключен к внешней антенне."

Мой перечень пожеланий Perseus

Пожалуй у каждого есть свой перечень пожеланий для любимого радио - список всего, что хотелось бы чтобы оно умело делать (в пределах разумного конечно). С этим существует определенная проблема - даже если производитель согласен к каким-то конкретным пожеланием, в случае с традиционной техникой, изменения наступают не сразу. Могут пройти годы прежде чем можно будет увидеть воплощение востребованной фукнции в готовых изделиях.
Все не совсем так в случае, если речь идет о программно-определяемой радиосистеме (SDR). Вся мощь SDR в их необыкновенной гибкости. Так как практически все сложные операции по преобразованию сигналов выполняются на программном уровне, изменения могут вступать в силу с умопомрачительной быстротой, так как аппаратная часть остается неизменной.
Итак, ниже приводится перечень моих пожеланий будущим поколениям Perseus:

  • Сделать возможным использование программного обеспечения без подключение радиоприемника.
  • Сделать возможным записывать звуковые файлы в традиционном формате, который понимают все проигрыватели.
  • Сделать возможным записывать частоты в память одним нажатием кнопки, а так же возможность просматривать базы данных радиостанций и переключаться на них нажатием одной кнопки.
  • Добавить в программное обеспечение встроенный декодер сигналов DRM, чтобы избавить пользователей от необходимости самостоятельно подбирать программное обеспечение для прослушивания DRM станций.
  • Добавить встроенные декодеры для сигналов RTTY, PSK31 и других цифровых видов модуляции.

Цена приемника может показаться достаточно высокой, однако следует помнить, что вы инвестируете деньги в радио, обладающее характеристиками, близкими к профессиональной технике. Так же вы платите за самые современные воможности SDR, которые к тому же могут легко адаптироваться под ваши нужды. Perseus, купленный сегодня, завтра может стать совсем другим - с новыми функциями, улучшенными характеристиками и для этого вам не придется лезть в карман за деньгами, достаточно будет одного соединения с интернет.
 

Стив Форд (WB8IMY), редактор (QST 2008/12)
0
X
Загрузка