SDR - Software Defined Radio

Daugelis radijo mėgėjų domisi kas vyksta radijo eteryje. Paprastai sukiojama geresnio ar prastesnio imtuvo rankenėlė, peržiūrimi diapazonai. Tam tikslui, žinoma, geriau būtų radijo skaneris. Tačiau jie brangūs. Kartais labai brangūs. Visgi neseniai ši problema buvo apeita. Kažkas iš nežinomų radijo mėgėjų atrado, kad labai paprastutis ir pigus įrenginys skirtas žiūrėti TV per kompiuterį, turi savyje paslėptų galimybių. Tai taip vadinamas USB Donglas. Jų yra pačių įvairiausių ir daugybės gamintojų. Tačiau viduje praktiškai turime gan standartinį specializuotų mikroschemų rinkinuką.

d

Štai toks juokingo dydžio įtaisas, kurio tiesioginė paskirtis žiūrėti TV, nekainuojantis nė 20€ turi daugybę viduje užslėptų galimybių. Donglo viduje turbūt 99 atvejais iš 100 turėsime standartinį mikroschemų rinkinuką. Pats tiesioginio keitimo imtuvas R820 arba senesnis E4000 (jau nebegaminama) ir specializuotas demoduliatorius RTL2832U išvedantis signalą į USB jungtį. Naudojant specialią programinę įrangą šis USB pirštukas perdengia labai platų dažnių diapazoną. Praktiškai nuo 24MHz iki 1766MHz ir gali priimti įvairiausias moduliacijos rūšis: CW (telegrafas), AM (amplitudinė moduliacija), NFM (siaurajuostė dažnuminė), FM (plačiajuostė dažnuminė), LSB,(apatinė vienos juostos moduliacija) USB (viršutinės juostos moduliacija), DSB (skaitmaninė) ir RAW. Kaip visiškai rimtame skaneryje. Juo galime priimti taksi pokalbius, automobilinius CB radijo kanalus, paprastas FM radijo stotis, aviacijos dispečerių pokalbius su lėktuvais, su specialia programine įranga kompiuterio ekrane galime matyti lėktuvų skrydžių žemėlapius taip pat priimti meteorologijos palydovų perduodamus žemėlapius.

Visa tai realizuojama specialios programinės įrangos pagalba tiesiog kompiuteryje. Labiausiai paplitę yra programos SDR# ir HDSDR. Kompiuteris turėtų būti ne visiškai silpnas, kadangi gan stipriai apkraunamas jo procesorius. Su P4 tipo kompiuteriu man nepavyko priversti šių programų stabiliai veikti.

Programos yra nemokamos ir jas galime atsisiūsti iš čia: http://sdrsharp.com/#download ir štai čia: http://www.hdsdr.de/ . Programa SDR# yra lengviau įsisavinama ir kiek patogesnė naudojimui, tuo tarpu programos HDSDR yra gražesnis dizainas.

Kaip jau minėta, "nuogas" donglas aprėpia diapazoną nuo 24MHz iki maždaug 1800MHz. Tačiau daugeliui įdomu kas vyksta ir žemojoje radijo diapazono dalyje. Norėtųsi pažiūrėti nuo ilgų bangų (LW), vidurinių (MW) pereiti visą trumpųjų (SW) diapazoną, pažiūrėti situaciją mėgėjiškuose diapazonuose, t.y. praplėsti ribas praktiškai nuo 0Hz iki 30MHz. Tam jau reikalingas priedas prie donglo, t.y. konverteris (upconverter).

Upconverteris USB donglui

Vos pradėjus domėtis šiais dalykais, apžvelgiau kokie gi konverteriai yra rinkoje. Yra pačių įvairiausių, bet jie nėra pigūs. Įdėmiau pažvelgus, matome kad beveik visi gamykliniai konverteriai yra surinkti mikroschemos ADE-1-24 pagrindu (1pav). Tai pasyvinė mikroschema, be stiprinimo elementų, viduje yra keturi diodukai ir du feritiniai žiedukai. Tokia mikroschema turi porą trūkumų. Pirma, keitimo metu prarandamas ir taip nestiprus signalas, netenkame apie 8dB. Antra, toks keitiklis reikalauja padidintos kvarcinio generatoriaus amplitudės. Iš čia išplaukia dar vienas trūkumas - konverteris tampa mažiau atsparus vaiduokliniams priėmimo kanalams, taip vadinamiems "birdies". Suprantamas gamintojų noras naudoti būtent šią pasyvią mikroschemą. Pirma, ji nereikalauja maitinimo, antra norint pagaminti kokybiškesnį konverterį reiktų rankomis vynioti plačiajuosčius aukštadažnius transformatoriukus.

Dėl šių priežasčių iš pat pradžių atsisakiau pasyvaus keitiklio upconverteryje. Norint neprarasti signalo konverterio pagrindui buvo pasirinkta mikroschema SA612AD (senesnis modelis SA610AD). Tai Gilberto celės pagrindu išpildytas monolitinis balansinis keitiklis papildomai stiprinantis signalą apie 14dB.

Pradžiai buvo pagamintas kuo paprastesnis, nebalansinis konverteriukas tiesiog norint išbandyti jo veikimą. Schema parodyta 2 pav. Įėjime stovi žemų dažnių filtras tam kad nupjautų galingas mieste esančias FM stotis. Jo pralaidumo juosta yra apie 10kHz - 40MHz. Taigi, praleidžia visą diapazoną nuo LW iki SW. Panaudotas kvarcinis 55MHz blokelis iš seno kompiuterio motininės plokštės. Visus dažnius perstumiame aukštyn 55-iais MHz ir, sakykime, 40m mėgėjiško diapazono dažnį 7MHz donglas priims jau savo veikimo ribose, t.y. 55+7 = 62MHz. Programoje galime nustatyti kad būtų rodomas ne pakeistas į 62MHz dažnis bet realus 7MHz dažnis.

Pirmieji bandymai parodė, kad toks nesudėtingas konverteriukas veikia visai neblogai. Bandyta buvo su aktyvine Mini Whip anteniuke (apie ją vėliau). Miesto sąlygomis žemajame diapazono gale labai daug trikdžių, kas yra natūralu. Užmiesčio sąlygomis trikdžių sumažėja dešimtis kartų, visi diapazonai pilni stočių. Kaip šitokio paprasto konverteriuko pagrindinį trūkumą reiktų įvardinti didoką skaičių parazitinių priėmimo kanalų (birdies).

Buvo išbandyta dar keletas tokio tipo konverterių ir prieita išvados kad norint pasiekti geresnių rezultatų reikia gaminti balansinį konverterį ir tiksliai suderinti jo įėjimo / išėjimo varžas plačiajuosčiais transformatoriukais (balunais, Balanced-Unbalanced Transformer).

Balansinis aktyvus konverteris

Po visos eilės eksperimentų buvo apsistota prie šios schemos (4 pav). Konverterio įėjimo X1 varža yra standartinė visai pro aparatūrai, t.y. 50Ω. Low pass filtro irgi tokia pati, 50Ω. Filtro išėjimo varža yra 1,5k tokią jau būtų galima jungti tiesiai prie nebalansinio mikroschemos įėjimo, ką matome pirmajame konverterio variante. Tačiau balansinio SA612AD įėjimo varža yra dvigubai didesnė, t.y. 3k. Todėl čia būtina varžų Zin ir Zout transformacija. Reikia vynioti baluną. Tam panaudoti feritiniai žiedukai, ilgis 5mm ir diametras taip pat 5mm. Šerdies magnetinė skverbtis nėra labai svarbi. Jie suklijuoti po du, po to sudedam tokius du vamzdukus šalia ir aptraukiam termo vamzdeliu, gauname tokį "žiūroną". Ant jo ir suvyniojame pagal pateiktą schemą, jokiu būdu nesumaišyti vyniojimo krypties! Galime panaudoti šerdis iš senų kambarinių TV antenų, jose yra tokia šerdis, tik ji kiek didoka mažai SMD konstrukcijai.

Toliau signalas paduodamas į mikroschemos balansinius įėjimus ir nuimamas iš balansinių išėjimų kitu balunu, transformuojančiu mikroschemos išėjimo varžą į standartinę donglo įėjimo varžą, t.y. 75Ω. Šis balunas paprastesnis, jo pirminė apvija turi 13 vijų o antrinė 2 vijas. Abu balunai suvynioti 0,15 mm laidu. Į mikroschemos maišiklio įėjimą paduotas 125MHz signalas iš mažučiuko SMD kvarcinio moduliuko. Jo viduje yra pats kvarcas ir generatoriaus schema. Toks 125 MHz dažnis pasirinktas ne atsitiktinai. Jis perstumia mus dominantį diapazoną virš FM diapazono ir stiprios vietinės stotys netrukdo priėmimui.

Moduliukas maitinamas iš atskiro 3,3V stabilizatoriaus VR2. Pačios SA612AD maitinimas taip pat stabilizuotas mikroschema VR1. Iš kvarcinio moduliuko išėjęs signalas yra artimas meandrui, su stačiais šlaitais, taigi turi nemažai aukštesnių harmonikų. Jas nufiltruojame LC filtru L7 C14, suderintu 125MHz dažniui. Kvarcinio generatoriaus lygis kurį paduodam į maišiklį paderinamas potenciometru R3 pagal mažiausią vaiduoklinių signalų lygį.

Visa schema užmaitinta iš 12V akumuliatoriaus. Taip atsikratome didelės dalies iš tinklo ir iš kompiuterio sklindančių trukdžių. Ta 12V įtampa mums dar reikalinga aktyvinei Mini Whip anteniukei užmaitinti. Į anteną maitinimas paduodamas per jungiamojo signalinio kabelio centrinę gyslą. Kad nebūtų slopinamas signalas, maitinimas atskirtas nuo signalo droseliais L1 ir L6. Rekomenduojama nenaudoti jokio tinklinio 12V maitinimo šaltinio, naudoti būtent akumuliatorių.

Mini Whip antena

Sunku patikėti, kad tokia antena gali efektyviai veikti plačiame dažnių diapazone, bet tai faktas. Anteną išpopuliarino PA0RDT. Plačiau apie šios antenos teoriją galime pasiskaityti http://wwwhome.cs.utwente.nl/~ptdeboer/ham/tn/tn07.html Šiuo metu galime netgi pasižiūrėti, kaip su tokia antena veikia internetinis SDR imtuvas Olandijos universitete: http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/

Nenorintiems karstyti ilgų laidų, t.y. statyti Long Wire antenos, ši mini anteniukė ant stiebo yra puiki išeitis. Tereikia stengtis kad arti nebūtų didelių medžių, elektros tinklo laidų ir aplinkui anteniukę būtų kuo daugiau laisvos erdvės. Šioje foto matome, kaip pastatyta Mini Whip anteniukė minėtame Twente universitete - medžiai kiek artokai, bet kaip matome veikia ji visai neblogai.

mw

Pati antenos schema (7 pav) artima PA0RDT pasiūlytai. Skiriasi tuo, kad panaudoti šiuolaikiniai mažatriukšmiai SMD tranzistoriai ir tiksliau parinkti išėjimo grandinės parametrai pagal 50Ω jungiamojo kabelio varžą. Vietoje paprastai naudojamo J-Fet tranzistoriaus panaudotas mažatriukšmis dviejų užtūrų mosfetas BF998, viduje turintis apsauginius diodus. Išėjimo tranzistorius - SAD vidutinės galios tranzistorius 2SK5551. Antenos plokštė Eagle formatu.

Šiek tiek apie mini Whip antenos montavimą. Pati antenos plokštė hermetiškai uždaroma kokioje nors plastiko talpoje. Prie plokštės BNC jungtimi pajungiamas reikiamo ilgio 50Ω banginės varžos RG58U tipo kabelis. Kabelis nuvedamas plastikinio antenos stiebo viduje, po to pravedamas į patalpą. Nenaudoti metalinio stiebo! Vidinėje sienos pusėje, kambaryje, rekomenduotina užmauti keletą feritinių cilindriukų. Galime panaudoti didesnio diametro feritinį žiedą, keletą kartų per jį praveriant kabelį. Tai reikalinga tam, kad iš pastato netekėtų galimi trikdžiai kabelio išore link pačios antenos. Taip pat labai pageidautina kabelio išorinę gyslą pajungti prie gero įžeminimo - labai stipriai sumažinsime trikdžius, kurių šiais laikais mūsų aplinkoje tikrai pakanka. Galime įžeminti metalinį konverterio korpusą, jis sujungtas su kabelio šarvu.

mw

Norėtųsi tokią anteniukę turėti ir miesto sąlygomis, kur kitokią iškelti apskritai gan problematiška. Mieste ir trikdžių daug, ir betoninių pastatų aplinkui pilna kurie slopina ir sugeria signalą. Bet neiškentęs pabandžiau tokią iškelt. Pakabinau mikro whip anteniukę ant blokinio namo šono. Kaip nekeista, veikia visai gerai, maniau kad bus žymiai blogiau. Viskas sukišta į kiniškos meškerės vidų, pats įtaisas 1,80 ilgio, juodame galiuke už raudono brūkšnio spausdinta plokštė ir vario juostelė 200mm ilgio ir 6mm pločio. Elektronikos plokštė 12mm pločio, SMD montažas, tai tokia nesunkiai telpa į meškerykočio galiuką. Dabar žiemą bus galima pasižaist. Gyvenantiems mieste visai nebloga išeitis. Ją galima naudoti ne tik su donglais bet ir rimtesniais imtuvais. Kaip užmaitinti Mini Whip anteniukę iš atskiro šaltinio norint pajungti prie kokio nors gamyklinio ar mėgėjiško imtuvo parodyta 13 pav. Čia matome nedidelį video kaip veikia tokia anteniukė LW diapazone o čia MW diapazono gabaliuko video sunkiomis priėmimo sąlygomis mieste.

Long Wire antenos naudojimas

Vietoje Mini Whip galime naudoti ir pilnavertę Long Wire anteną. Bandymai su šia antena parodė, jog tiesiog jungti prie 50Ω konverterio įėjimo jos negalima, dėl varžų neatitikimo ši antena bus smarkiai šuntuojama konverterio įėjimo varžos. Long Wire varža yra (priklausomai nuo ilgio ir pakabinimo aukščio) apie 400-600Ω varžos. Todėl reikalingas varžų suderinimas specialiu 9:1 plačiajuosčiu transformatoriumi, kuris veikia ilgos linijos principu. Transformatorius suvyniotas ant 2-3 cm diametro feritinio žiedo 0,4-0,5 mm storio laidu, trimis vijomis iš karto, 11 vijų. Ferito markė nėra kritiška. Čia matome tokio transformatoriaus foto panaudojant 3cm diametro feritinį žiedą. Taip suderinta Long wire antena yra kiek atsparesnė trikdžiams nei Mini Whip.

Korektiškesniam antenų palyginimui pastačiau prieš konverterį du BNC lizdus ir tumblerį. Į vieną lizdą įjungta Mini Whip anteniukė, į kitą Long Wire (33m ilgio) per Z transformatorių, taigi Long Wire varža 50 Omų kaip ir Mini Whip. Perjungiam ir galim iškart palyginti abi antenas. Labai įdomus pastebėjimas, pradedam nuo ilgų bangų. Varšuvos radijas, 225 kHz. Long Wire ima gerokai silpniau nei Mini Whip, -10 dB. Einam aukštyn, ties 5oo kHz Long Wire aplenkia Mini Whip +3dB. Einam dar aukštyn, vidurinės bangos. Labai keistas efektas, kai kurios stotys ties 1400 kHz geriau priimamos Mini Whip, kai kurios Long Wire, tiesa skirtumas nėra didelis, maždaug 4-6dB. Čia ko gero pasireiškia Long Wire krypinės savybės. Eteris švaresnis su Mini Whip. Mėgėjiški 160 ir 80 m. diapazonai. Signalas panašus, tik kaip nekeista su Long Wire girdimas 5o Hz fonas. (?) 20m mėgėjiškas diapazonas. Labai keistas atvejis - Mini Whip priima SSB signalą švariai ir stipriai. Perjungus į Long Wire signalas vos girdimas. Tuo tarpu šalia esančios 22m diapazono radio stotys priimamos vienodai gerai. 40m diapazonas - praktiškai abi antenos dirba vienodai. Aukštesni radio diapazonai (50-40-30-25 ir tt.) Viskas labai panašu, kai kuriuose diapazonuose eteris trikdžių atžvilgiu kiek švaresnis su Mini Whip, kai kuriuose su Long Wire.

Pastabos dėl aparatūros įžeminimo

gnd

Reikia atkreipti dėmesį apskritai į visos aparatūros korektišką veikimą ir saugumą. Turbūt mūsuose didžioji dalis kompiuterų veikia neįžeminti, daugumoje namų netgi nėra rozetėse įžeminimo laido. O tai nėra nesvarbus dalykas kaip atrodytų iš pradžių. Ne veltui visų kompiuterių kištukai yra su įžeminimo kontaktais. Štai matome standartinio kompiuterio maitinimo bloko schemos gabaliuką. Jame matome saugiklius, trikdžių induktyvumus ir trikdžių filtro kondensatorius C2 ir C3. Kaip matome, jų sujungimo taškas pajungtas prie kompiuterio korpuso (SHIELD). O tame taške, t.y. talpuminiame daliklyje turime lygiai pusę tinklo įtampos, t.y. 115V, kuri pajungta prie kompiuterio korpuso ir prie visų elektronikos plokščių žemės (GND)! Jei paliesime neįžeminto kompiuterio korpusą ir tarkime šildymo radiatorių, papurtys! Srovė ten nebus didelė, neužmuš, bet įtampa tai nemaža. Jei kompiuteris veikia prie nieko kito nepajungtas, taip sakant "nuogas" tai šito nejaučiame. Bet jei pajungsime kad ir tokią aparatūrą apie kurią kalbame, situacija pasikeis. Štai pažiūrėkime, kaip susijungs kompiuterio korpusas ir mūsų įžeminimas. Tie kompiuterio GND 115V per USB jungties maitinimo "0" laiduką nueis į donglą, paskui per antenos kabelio šarvą į konverterį ir tada iš koverterio nutekės į mūsų įžeminimą. Argi mums reikia, kad USB laidu tekėtų 115V kintamos įtampos srovė? Jokiu būdu ne, todėl šiuo atveju geras įžeminimas turi būti pajungtas ir prie rozetės įžeminimo kontaktų, ir prie konverterio korpuso. Tuo būdu mes uždarysime kelią tai 115v įtampai tekėti USB jungtimi.

pk
1. Pasyvus konverteris
c
2. Aktyvus konverteris (1)
ac1
3. Aktyvus konverteris
bal
4. Aktyvus balansinis konverteris
conv
5. Konverteris
mont
6. Konverterio montažas
ant
7. Mini Whip schema
ant
8. Mini Whip aktyvinė antena
an
9. Mini Whip plokštė
gnd
10. Įžeminimo pajungimas
etris
11. Stotys 30m diapazone
eteris
12. Miniwhip blokiniame name
Išorinis maitinimas
13. Miniwhip atskiras maitinimas