|
     |
SDR přijímač - PSDR-1Konstrukce softwarově definovaného rádia a popis vzniku a základní funkce SDR přijímačů. Modul přijímače, nebo samostatnou desku s plošnými spoji je možné získat v našem eshopu.Softwarově definované rádio, nebo zkráceně SDR (Software Defined Radio) je rádiový komunikační systém, ve kterém jsou obvyklé hardwarové prvky, jako jsou například směšovače, filtry, zesilovače, modulátory/demodulátory, detektory a další, vytvořeny prostřednictvím softwaru na počítač nebo firmware v embedded systému. Nejedná se samozřejmě o žádnou převratnou technologii. První zmíňku je možné nalézt již na konci sedmdesátých let, kdy Walter Tuttlebee popsal koncepci VLF rádia, využívajícího A/D převodník a mikroprocesor Intel 8085. Dále následoval projekt SpeakeEasy, zaměřující se na americký obranný systém. Jeho cílem bylo využít digitální zpracování signálu a v pásmu od 2 do 2.000 MHz nahradit až deset stávajících vojenských radiostanic. V historickém sledu nesmíme rovněž zapomenou na rok 1991, kdy Joseph Mitola vytvořil a o rok později publikoval rozsáhlejší práci na toto téma, určenou pro širokou oblast techniků. Více informací z historického vývoje SDR přijímačů je možné nalézt na internetu. Na obr. 1 je srovnání koncepce klasického analogového přijímače (obr. 1a) a SDR přijímače (obr. 1b).
Dnes je však situace o poznání lepší, než byla v počátcích svého zrodu. Díky rychle se rozvíjejícím schopnostem digitálních systémů je dnes možné softwarové přijímače konstruovat s minimem prostředků a s minimálními náklady. Jelikož je SDR přijímač složen z několika obvykle i samostatně funkčních celků, je možné vytvořit celou řadu různých koncepcí. Od těch nejdražší, kdy je za vstupním filtrem umístěn jeden nebo i více rychlých A/D převodníků, následovaných konfigurovatelným hradlovým polem (FPGA), starajícím se o základní zpracování signálu, až po ty nejjednodušší, především radioamatérské konstrukce. Ty jsou obvodově velice jednoduché a pro digitalizaci signálu používají Line-In vstup zvukové karty (viz. blokové schéma na obr. 2). Vzorkovací frekvence se přitom rovná přijímaného rozsahu. Tzn. při použití zvukové karty se vzorkovací frekvencí například 192 kHz je i dostupný softwarově přeladitelný rozsah 192 kHz. Větší rozsah se pak zajišťuje laditelným oscilátorem, nebo výměnou krystalů v přijímači.
Právě poslední jmenovaná koncepce softwarového rádia je přesně ten typ zařízení, kdy za málo peněz získáme hodně muziky. Všechny hardwarové části přijímače je totiž možné sestavit z běžně dostupných součástek a včetně desky s plošnými spoji a konektorů je možné celý přijímač získat v ceně řádově od několika desítek až stovek korun. To je proto, že i zde je možné prakticky většinu součástek vynechat, aniž by byl princip přijímače nějak ovlivněn. Co se však bude ovlivněno, je nejen citlivost, ale také celková kvalita a odolnost přijímače. Navíc takové obvody nemají žádné zesílení a je tedy nutné použít zvukovou kartu, která má stereofonní mikrofonní vstup. Takových je však jen minimum.
Z toho důvodu bych zapojení na obr. 3 ani nedoporučoval stavět. Absence jakýchkoliv filtrů a alespoň malého zesílení neumožňuje příjem vzdálenějších stanic. Jako principiální zapojení, pro pochopení funkce přijímače, je však ideální. Pokud si na googlu vyhledáte slovní spojení „Software Defined Radio“, „SDR Radio“ a jiné, rychle zjistíte, že se po kladných zkušenostech radioamatérů z celého světa rozšířila především jedna koncepce. Jejím základem je tranzistorový krystalový oscilátor, Johnsonův čítač s obvodem skupiny 7474 a Tayloe detektor s obvodem řady 4053. Výsledkem jsou čtyři signály, posunuté o 0, 90, 180 a 270 stupňů, které se provedou dolnofrekvenčními propustmi a na operačních zesilovačích (typ. NE5532) z nich vzniknou signály I/Q. Ty se pak přivedou na stereofonní Line-In vstup zvukové karty a o vše ostatní se postará software. Výhodou je, že se jedná o zapojení použitelné ve velmi širokém frekvenčním pásmu a po případném doplnění o přepínatelné vstupní pásmové filtry se svými vlastnosti vyrovná i profesionálním, tzv. radioamatérským přijímačům. Jelikož se jedná o ne příliš složité schéma, které je pro své velice dobré vlastnostmi rozšířené opravdu po celém světě, rozhodl jsem se přesně tento typ SDR přijímače zkonstruovat. Zájemcům je pak na konci článku k dispozici odkaz na desku s plošnými spoji, případně i sestavený a oživený modul. Modul SDR přijímače
(PSDR-1)
Obvod vychází z uvedené koncepce radioamatérských SDR přijímačů. Vstupní vysokofrekvenční signál je přiveden na konektor J3 typu BNC, odkud se po oddělení keramickým kondenzátorem vede přímo na Tayloe detektor. Ten tvoří obvod 74HC4053 (IO2), na modulu v provedení SSOP. Rezistory R10, R11 a blokovací kondenzátory vytvářejí pro obvod tzv. umělou zem, jejíž zdroj je od signálu oddělen indukčností L1. Obvod 74HC4053 je trojnásobný analogový přepínač, který je řízen dvěma, navzájem o 90 stupňů posunutými signály. Jejich zdrojem je v našem případě buď krystalový oscilátor s tranzistorem T1, nebo externí generátor, připojený ke konektoru J2 (BNC). Výběr zdroje se provádí propojkou J1 typu Jumper. Zvolený signál se po oddělení kondenzátorem C3 přivede se na Johnsonův čítač s obvodem 74AC74 (IO1), na modulu rovněž v provedení SSOP. Jeho výstupem jsou právě dva signály, ovládající analogový přepínač IO2, které si jsou navzájem o 90 stupňů posunuté. Z toho již také plyne skutečnost, že vstupní signál na konektoru J2 nebo krystal musí mít čtyřnásobnou frekvenci, než jaká je požadovaná pro příjem. Při krystalu s frekvencí 14,318 MHz je tedy střední přijímaný kmitočet 3,58 MHz (80m). Získané čtyři analogové signály jsou vedeny čtyřmi totožnými frekvenčními filtry a po oddělení 1uF kondenzátorem přivedeny na vstupy dvojitého operačního zesilovače NE5532 (IO3), na modulu v provedení SOIC. Ty zajistí jejich součet a zároveň je zhruba 10x zesílí. Výstupní I/Q signály jsou přes další oddělovací kondenzátory vedeny na konektor J5 typu Jack 3,5 stereo. Odtud se klasickým stereo kabelem propojí s Line-In vstupem zvukové karty, přičemž jejich propojení s levým a prvým kanálem není kritické a je možné jej softwarově přepnout. Napájecí napětí pro modul by mělo být 12 V, alespoň hrubě stabilizovaných, které se přivede na konektor J4 s kladným pólem na středním kolíku. Pro obvody přijímače se napětí stabilizuje LDO stabilizátorem IO4 na hodnotu +5V, v provedení SOT-23. Základní vlastnosti:
Konstrukce:
Vyjma konektorů a krystalu jsou všechny součástky v SMD provedení, obvykle ve velikosti 0603. Všechny součástky jsou zcela běžné, žádná nedostupná specialita zde nebyla použita. Oscilátor je určen pro krystal o frekvenci zhruba 14 MHz (pro příjem 80m pásma) a místo pevného krystalu je na modulu umístěna jednoduchá patice, která umožní jeho rychlou výměnu. Seznam součástek R1,R2,R4,R5,R20,R21,R22,R23 10k 0603 R3,R10,R11,R16,R17,R18,R19 1k 0603 R7,R8,R9,R12,R13,R14,R15,R24 33R 0603 C1 470p 0603 C10,C11,C12 47n 0603 C13,C14,C15,C16,C7 1u 0603 C17,C18,C19,C20 180p 0603 C2 220p 0603 C21,C22,C24,C25,C26,C27,C4,C5,C6,C8 100n 0603 C23,C28 10u/16 B C3 1n 0603 C9 47n 0603 L1 100uH 0603 T1 BC817 SOT23 IO1 74AC74PW SSOP IO2 74HC4053PW SSOP IO3 NE5532AD SOIC IO4 LM3480IM3-5.0 X1 14.318MHz J1 S1G3 J2,J3 BNC90 J4 DJK02 2,1 mm J5 Jack 3,5 st. Oživení a nastavení
přijímače: Jak bylo uvedeno v konstrukci, krystalový oscilátor s tranzistorem T1 je určen pro krystal s frekvencí v okolí 14 MHz (pro příjem 80 m pásma). Pro jiné krystaly jsou v následující tabulce uvedeny hodnoty součástek, které je třeba změnit.
Při praktických pokusech však bylo zjištěno, že oscilátor s hodnotami dle schématu velice dobře kmitá s krystaly v rozmezí zhruba od 3 do 15 MHz. Hodnoty v tab. 1 jsou tedy pouze informativní. Rozsah frekvence z generátoru, který se připojuje ke konektoru J2, je omezen především obvodem IO1 a pak samozřejmě i dalšími součástkami v okolí. Podle dokumentace by měl obvod zvládat až 95 MHz, což by představovalo maximální přijímanou frekvenci necelých 24 MHz. Naopak nejnižší frekvence je určena především kapacitami v obvodu přijímače a měla by být vyšší než alespoň 200 kHz. Maximální napětí, přivedené na konektor J2, nesmí přesáhnout hodnotu 3 Všš.
Ale zpět k oživení k přijímače. Jak jsme si již řekli, přijímač neobsahuje žádné nastavovací prvky a musí tedy pracovat ihned po prvním zapojení. Ke konektoru J3 tedy připojíme příslušnou anténu, případně doplněnou o přepínatelné pásmové propusti. Konektorem J5 propojíme přijímač s Line-In vstupem zvukové karty a k J4 připojíme napájecí napětí 12V. Pokud je krystal X1 na svém místě, můžeme na kondenzátoru C3 osciloskopem naměřit jeho aktuální frekvenci. Na rezistorech R8 a R9 pak bude frekvence krystalu dělená čtyřmi a zde je již možné měřit logickým analyzátorem. Zde bych také rád upozornil na to, že pokud si v PC zapneme Line-In vstup, neuslyšíte z reproduktorů prakticky žádný šum a to ani tehdy, kdy přijímač přijímá nějakou stanici. Pro příjem je k dispozici celá řada různých programů. Jedním z nejrozšířenějších a zároveň dostupných zdarma je Winrad (odkaz ke stažení je uveden na konci článku).
V něm po prvním zapnutí zvolíme tlačítkem Select Sound Card zvukovou kartu pro vstup a výstup signálu, hned vedle vzorkovací frekvenci a zároveň nesmíme zapomenout na nastavení Line-In vstupu jako aktivního vstupu pro záznam. To je ve Windows možné provést poklikáním na ikonku reproduktoru na hlavním panelu, volbou Možnosti – Vlastnosti - Záznam a zde zatržením vstupu, obvykle pojmenovaného jako Stereo směšovač. To by mělo pro základní nastavení stačit a po stisku tlačítka Start v programu Winrad bychom již měli vidět spektrum signálu. Jeho šíře představuje maximální přeladitelnou oblast beze změny například krystalu na modulu a odpovídá maximální (nebo aktuálně zvolené) vzorkovací frekvenci.
Zkušenosti z provozu: Záznam jedné stanice, který byl pořízen přijímačem Eton E5:
Záznam téže stanice, avšak pořízený uvedeným SDR přijímačem (záznam celého spektra je zde):
Pokud si chcete příjem signálů
programem Winrad sami vyzkoušet, můžete si zde stáhnout ukázkový
soubor, zaznamenávající
celé přijímané pásmo v oblasti 1,1 MHz. Po rozbalení
stačí ve Winrad zvolit Options – Select Input – WAV file a
tento soubor načíst a spustit tlačítkem Play. Pak jen
vyberete příslušný typ modulace a na spektru požadovaný
signál. Raději však ještě jednou opakuji, že se jedná o záznam celého spektra a soubor je nutné otevřít v programu Winrad. Při jeho přehráním například v Mediaplayeru není nic slyšet.
Závěr: Uvedený sestavený a oživený modul, nebo samostatné desky s plošnými spoji, naleznete v našem elektronickém obchodě na adrese shop.pandatron.cz. Odkazy & Download:
Podobné články:
Informace uvedené v článcích jsou platné v době jejich vydání a samotné články jsou určeny pouze jako zdroj informací.
Autor článku ani správce webu nenesou žádnou zodpovědnost za případné újmy na majetku a zdraví. Názvy společností a výrobků, loga a další multimediální materiál mohou být ochrannými známkami příslušných společností.
Komentáře (30):
|
Vložit odpověď
]
 |
 |
(c) 2000 - 2012 Pandatron.cz - Elektrotechnický magazín ISSN 1803-6007 |
| Napište nám | Vše o Pandatronu | RSS export |