Nicolae Crișan (Nicu) YO5OUC

Abstract: Un titlu controversat specific tabloidelor de azi în care titlul sugerează ceva șocant pe când conținutul își dezminte titlul și invocă un joc de cuvinte. Ne fiind scriitor și neavând nici un pic de talent vă asigur că titlul nu este un simplu joc cu cuvintele. Totul a inceput cu o discuție pe tema SDR cu un amic radioamator ce-mi spunea că aparținând generației de aur, adică a detecției și schimbării de frecvență, nu mai poate simții noile tehnici SDR fiind prea ancorate în lumea de azi a calculatoarelor și a tehnologiilor digitale.

 Amicul meu este un personaj imaginar în această povestioară, dar el trăiește printre noi fiind cel mai activ radioamator. Un adevărat pilon al radioamatorismului clasic. Profilul lui iți mai apare ca a unui veteran în ale radioului deși a prins foarte puțin din era detecției, reacției și superreacției din anii 40-60. Condus de entuziasm, a intrat bucuros în noua eră, a schimbării de frecvență și a devenit un constructor pasionat. Azi la vârsta senectuții este un pasionat utilizator a modurilor digitale pentru că este un colecționar de QSL-uri și un sportiv. Îi plac provocările pentru că îi place competiția și ea îl motivează să participe în concursuri, lucru urmat de satisfacții personale.

Amicul meu imaginar mi-a pus o întrebare. Cum ar fi dacă ar putea beneficia de avantajele SDR fără să-și construiască sau să-și cumpere unul. Întrebarea nu a fost rostită niciodată, dar din context reiese clar că amicul meu ar fi dispus să beneficieze de avantajele SDR pentru a-și sporii performanța măcar la recepție. El dispune de cele mai moderne stații, calculator cu placă de sunet pe care lucrează zi de zi în psk31 mii de QSO-uri și știe ce este programul UltimateAAC. Are o pensie ce nu-i permite să-și cumpere un SDR5000 și nici măcar un chit SDR de la prăvălie http://www.genesisradio.com.au/.

Profilul descris mai sus s-a conturat ascultând discuțiile în benzile de 80 , 40 și 2m. Am tot respectul și considerația pentru amicul meu chiar dacă are un orgoliu sensibil, alimentat și de dorința sa secretă de a rămâne mereu competitiv. Fără doar și poate profilul imaginar aparține unui om complex dar și plin de complexe ca noi toți de altfel.

Iată de ce amicul meu nu a pus o întrebare stupidă. Cireașa de pe tort la care se aspiră când se aude de SDR sunt filtrele digitale, filtre ce nu pot fi întrecute în performanță de filtrele clasice. Chiar dacă nu o va recunoaște, simte că acesta este motivul pentru care tehnologiile SDR câștigă mereu teren în fața trasnceiveru-lui analogic. Le-ar încerca oricând dacă nu ar fi prea complicat. Filtrele digitale se comportă exemplar mai ales la frecvențele mici de 455KHz acolo unde este greu să faci un filtru îngust, trece bandă. Filtrele mecanice sunt scumpe, unul mai ca lumea fiind în jur de 600 lei cu banda de 2,3 sau 2,2 KHz. Nu mai e nevoie să spun că diferența de performanță a unui receptor clasic o face căciula de filtre mecanice instalate la bord.  La orice receptor factorul de zgomot se calculează cu formula

Factorul de zgomot F este raportul dintre raportul semnal zgomot de la ieșirea unui amplificator supra raportul SNR de la intrarea sa

De asemenea la orice amplificator (inclusiv la antenă) factorul de zgomot este mai mare decât 1 pentru că întotdeauna orice ai face . Se știe că un amplificator oricât de performant ar fi nu poate să îmbunătățească  din cauza zgomotului intern ce se adaugă celui existent.

Una din strategiile clasice de reducere a factorului de zgomot a vizat de ani de zile îngustarea benzii de trecere și creșterea selectivității. Zgomotul termic depinde de lărgimea de bandă prin relația   unde R = rezistența de zgomot, K constanta lui Boltzman, T temperatura în grade Kelvin și B banda în Hz.

După cum se vede, zgomotul crește la amplificatoarele ce au impedanțe mari la intrare cu creșterea lui R. Temperatura este un alt factor ce poate deprecia factorul de zgomot. Astfel cu cât numărul de joncțiuni crește (și doamne multe sunt într-un circuit integrat) crește și zgomotul. Iată de ce amplificatoarele fără joncțiuni (tuburile , FET-uri) sunt imbatabile la acest capitol. Toate componentele electronice generează însă zgomot și nu vom scăpa de el niciodată prin tehnici ce fac referire la formula de mai sus. În era receptorului superheterodină, specifică anilor 70-90 s-a pus foarte mult accent pe selectivitatea filtrelor trece bandă mai ales la nivelul ultimului amplificator de FI cu frecvența cea mai mică. Aceste filtre erau mecanice cu precădere la 455 KHz (465KHz la ruși). Un filtru mecanic Collins are în banda de trecere o atenuare de maxim 6 dB (destul de mult) adică până la frecvența de 2,1 KHz, iar la 5KHz are o atenuare de 80 dB (foarte mare). Pe un astfel de filtru dai între 400 - 600 lei. O atenuare mai mare de 80 dB nu este justificată deci problema trebuie căutată în banda de trecere unde o atenuare cu 6dB, adică de 4 ori, e cam mare. Problema cea mai spinoasă este legată de faptul că diferența, între 2,1 și 5 KHz este prea mare. Aici un filtru digital bate cu mult un filtru mecanic. Filtrul digital va oferi o atenuare de 80 dB undeva la 2,2 KHz (adică la o diferență de numai 100 Hz) depinzând de frecvența de eșantionare. Mai mult, în cazul unui filtru digital frecvența de tăiere este reglabilă făcând astfel posibilă ajustarea pe durata recepției a benzii filtrului, lucru ce se simte bine la ureche.

La transceiverele scumpe din anii 80 – 90 non-SDR s-au montat mai multe filtre mecanice cu diferite frecvențe de tăiere 2,1 , 2,2 , 2,3 , 2,4 etc selectabile manual (numite de amicul meu căciula cu filtre). Căciula cu filtre poate ridica prețul unei stații cam de două trei ori. La unele echipamente low cost s-a renunțat la căciula cu filtre și s-a introdus un procesor de semnal în banda de bază. Este cazul transceiverului meu, FT-857D ce are un procesor de semnal AK7712AVT.

În figura 1 se prezintă o schemă bloc simplificată a recepției transceiveru-lui FT857D. Ceea ce sare în ochi este amplificatorului de RF de bandă largă cu un tranzistor în bază comună. Practic la intrarea RR în afară de un filtru trece jos cu frecvența de tăiere de 50MHz, nu există o amplificare în sens clasic bază comună urmată de emitor comun a semnalului RF. Semnalul furnizat de antena este aplicat mixerului echilibrat MIX1 cu 4 diode. Din punct de vedere al costului este un câștig, dar din punct de vedere al zgomotului un pas înapoi. Primul amplificator este de bandă largă (0-50MHz) deci introduce mult zgomot. Compromisul face ca FT857D să aibă un zgomot la recepție ceva mai mare decât un receptor clasic. În mod convențional primul amplificator trebuie să fie unul de zgomot foarte redus (F1 = 0.8 dB) chiar dacă amplificarea este mică. Inginerii de la YAESU au știut că pot compensa acest neajuns așa că au trecut neobservat acest detaliu la acest model low cost. Prima frecvență intermediară este de 68,33 MHz, iar a doua de 455KHz. Filtrul trece bandă utilizat după MIX1 este unul cu cristale de cuarț cu o bandă de aproximativ 20-30KHz. Filtrul mecanic pentru a doua frecvență intermediară este de tip Murata 455KHz, un filtru low cost, dar cu performanțe acceptabile. Dacă semnalul din antenă este SSB atunci i se reface purtătoarea în oscilatorul cu bătăi BFO în mod clasic (cu CI SA602AD). F3 este de 458 KHz și la ieșirea BFO avem un semnal MA cu frecventa purtătoare de numai 3KHz cu două benzi laterale (figura 2). Fmin este de 150 Hz iar Fmax este de 2850 Hz. Fp este de 3KHz. Acest semnal MA este aplicat la intrarea procesorului de semnal DSP ce-l va demodula printr-o simplă dar eficientă filtrare trece bandă. Semnalul filtrat poate fi prelucrat din opțiunile DNR (DSP noise reduction), DNF (DSP notch filter), DBF (DSP band pass filter). Prima prelucrare DNR este eficientă pentru reducerea zgomotului, iar ultima, pentru filtrarea semnaluilui de 455 KHz. Ajustarea filtrului digital trece banda DBF, poate fi realizată manual cu pași de 60 Hz. DNF-ul este eficient numai atunci când avem un fluierat ce se suprapune peste semnalul util. DSP-ul încearcă să determine frecvența perturbatoare ce ar trebui să fie mult mai puternică decât a semnalului util și să o suprime. Eficiența acestuia este satisfăcătoare, dar nu poate fi benefică în lipsa perturbatorului (adică a prostului care fluieră).

Figura 1. Schema bloc simplificată a recepției pentru FT857D cu dublă schimbare de frecvență în modul SSB sau DIGI

Figura 2. Spectrul semnalului MA de la ieșirea BFO

Impresia mea asupra procesării digitale oferite de FT857D este că nu aduce o schimbare majoră în performanțe și nu se compară cu procesările făcute pe calculator. Acest lucru probabil că, se datorează performanțelor modeste ale circuitelor CAN și CNA ale DSP-ului intern. Inginerii de la YAESU au făcut un miracol pe bani puțini. Rezultatul este un tranceiver modern cu iz de SDR fără SDR.

Un alt neajuns este cel legat de modul în care se face procesarea de semnal. Se poate observa că frecvența semnalului este foarte scăzută ( fp = 3KHz) astfel încât banda inferioară să fie translatată în domeniul audio chiar în banda de bază a semnalului util (0-3KHz). Demodularea este făcută probabil printr-o simplă filtrare trece jos a acestei benzi. Această operație scade calitatea demodulării și eficiența filtrelor digitale. Acest lucru se întâmplă pentru că procesarea semnalului este executată în audio, nu în IF. Conform cu teoria, procesarea de semnal (filtrare, preaccentuare, decompresie etc) trebuie făcută inaintea demodulării în IF 455KHz. Pentru a face o comparație este ca și cum ai mixa un semnal folosind un mixer auto-oscilant ce ține locul unuia clasic. Mixerul auto-oscilant ține loc și de oscilator local, iar calitatea mixării scade (un fel de doi în unu la preț redus). La fel se întâmplă și aici. Jos pălăria pentru modul în care inginerii de la YAESU știu să-și vândă marfa.

2. SDR fără SDR reloaded (reâncărcat)

Unii dintre cititori nu vor citi până aici pentru că vor crede că de fapt subiectul înclină spre o banală prezentare a lui FT857D și nici decum a unui SDR și încă cum, fără SDR. Partea care urmează este pentru cei ce au curiozitatea și disponibilitatea să citească în continuare. Intenția mea nu este nici pe departe de a explica cum funcționează FT857D și, nici de a convinge pe deținătorii acestui transceiver că, dețin de fapt un SDR mai modest pe parte de audio.

Am să motivez în cele ce urmează de ce am făpcut descrierea de mai sus și care va fi câștigul parcurgerii materialului până la capăt. Iată cum funcționează un SDR clasic.

Figura 3. Principiul SDR – schema bloc (demodulare Hartley)

În figura 3 se pot urmării etapele procesării din care rezultă principiul de funcționare a unui SDR clasic de tip Hartley. Semnalul de la antenă este filtrat, apoi amplificat. Diferența o face însă mixerul care e de tip IQ adică folosește două semnale cu frecvență egală (LO), dar defazate cu 90 de grade (SIN și COS). La demodularea Hartley pe ramura I se face o întârziere cu 90 de grade apoi semnalele se adună la IFSDR ce face și demodularea. La adunarea I+Q se suprimă frecvențele imagine fără alte filtre. Semnalele imagine vor fi în antifază pe când semnalul util este în fază pe cele două ramuri I și Q. Rezultatul adunării este că semnalul util crește de două ori, iar imaginile nedorite (spurious) sunt atenuate cu până la 80 dB. Același principiu a fost prezentat de către d-ul Tasić Siniša –Tasa YU1LM în SDR-kit g59, disponibil la adresa http://www.genesisradio.com.au/G59/ sub umbrela firmei Genesis electronics. Schema acestuia se poate consulta la adresa http://www.genesisradio.com.au/G59/phase5.html . Defazarea cu 90 de grade este realizată de d-ul Tasic cu niște amplificatoare operaționale de proveniență necunoscută. Cel puțin cred că, autorul, nu dorește să facă cunoscut tipul acestora din moment ce a șters inscripționarea de pe cipuri. Pe lângă acest tip, mai există SDR-ul de tip Weaver prezentat de Delfi (vezi IFSDR).

În figura 3 se vede că procesorul de semnal DSP din figura 1 a fost înlocuit cu placa de sunet și PC-ul. Puterea de procesare crește în mod evident. Calitatea procesării va fi influențată major de calitatea plăcii de sunet ce trebuie să aibă o frecvență de eșantionare de 125KHz și zgomot redus la cuantizare (-110dBm) (deci pe minim 16 biti). Filtrele de la intrarea SDR sunt de bandă largă și banda vizualizată pe interfața grafică a IFSDR poate fi de maxim 60KHz. Placa de sunet nu va permite mai mult.

3. Modurile digitale sau cireașa de pe tort

Modurile digitale sunt implementări firești pe aproape orice transceiver modern. La FT857D ieșirea DIGI out este notată pe schemă cu Rx12. Oricum nu are importanță pentru că cei ce lucrați în digitale aveți o mufă jack ce intră la mic/audio in și alta, la audio out pe placa de sunet. Tot ce auziți și vedeți pe ecranul programului Digital master este așa cum apare în figura 4 adică semnalul AM de la ieșirea BFO-ului.

Figura 4. Principiul de funcționare a transceiverului în modurile digitale – schema bloc

Semnalul disponibil la mufa de date a transceiverului, folosită pentru modurile digitale este un semnal MA cu frecvența purtătoare de 3KHz, numai bun de aplicat plăcii de sunet.

Acum atenție! În loc să pornim programul Digital Master vom porni IFSDR, deci:

1.       Pregătim stația pentru lucru ca și cum am dori să lucrăm în modurile digitale

2.       Pornim HRD și facem legătura cu transceiver-ul

3.       În loc să pornim DM720 (Digital Master) vom porni IFSDR v1.19.3.5

4.       Vom face următoarele setări în IFSDR

5.      

6.       Pentru LSB și USB

OK

Start IFSDR, apasă butonul START

Frecvența afișată de IFSDR la mijlocul ecranului corespunde cu frecvența de acord a stației să zicem în banda de 20m - 14,170MHz. La intrarea placii de sunet frecvența purtătoare MA este tot timpul de 3KHz deci frecvența de 14,170 MHz este translatată la 3KHz. Pe panadapter apar benzile laterale refăcute de BFO.

Dacă selectați modul USB, filtrul digital implementat pe PC se va ocupa de banda superioară între 3 și 6 KHz.

Ce se redă la audio out (la difuzor sau casca) este semnalul filtrat de acesta. Cu mouse-ul puteți să va modificați banda filtrului sau să apăsați butonul NR (noise reduction) foarte eficient în combaterea zgomotului. În imagine se vede că eu am ales un filtru predefinit de 2,4 KHz. Toate procesările disponibile la recepție pe un SDR sunt disponibile și aici. Recepția este de astă dată superioară, ai impresia că nu e practic stația ta. Acordul se poate face manual de la stație sau cu mouse-ul ținând butonul din stânga apăsat.

Concluzii

Să lăsăm dezavantajele la o parte. E vorba de un SDR fără SDR ce se va comporta exact ca unul adevărat dar numai în domeniul foarte îngust de 6 KHz. Acesta este compromisul major. Procesarea este pe audio în banda de bază, dar DSP-ul fiind implementat pe calculator e mult mai performant decât cel implementat pe stație. Un fel de mod turbo. Foarte importantă este placa de sunet. Dacă nu e de calitate sunetul nu va fi cu mult mai bun. Volens nolens nu presupune nici o modificare la stație sau un alt etaj suplimentar. Cred că amicul meu e mulțumit de răspuns.

Încheiere

Îi rog pe cei ce știau despre cele prezentate să-mi ierte amănuntele unele poate fără rost. Tot acest material putea fi sintetizat într-o singură frază. Programul de procesare IFSDR poate lucra cu un transceiver conectat la calculator exact ca și cum ai lucra în modurile digitale. În locul  lui Digital Master se pornește IFSDR cu setări modificate  ce țin cont de frecvența purtătoare de la ieșirea BFO-ului. Pentru toate transceiverele aceasta este aceași în DIGI MODES și, aplicapilă plăcii de sunet. Toate avantajele ce decurg din procesarea digitală a semnalului vor fi accesibile, mai puțin vizualizarea spectrului dincolo de limita a celor 6 KHz cât ocupă un semnal MA. Aceasta e valabilă pentru toate stațiile ce lucrează în DIGITALE fără excepție. Toate!

Amicului meu îi doresc multă sănătate și cât mai multe DX-uri în digitale.

Dacă știe cineva ce amplificatoare operaționale de zgomot (notate pe schemă cu ULN OP AMP) redus se folosesc în mixerul IQ la modelul g59, proiectat de d-ul Tasic ii voi rămâne dator (vezi http://www.genesisradio.com.au/G59/phase5.html).

Vouă vă doresc tot bine din lume.

Nicolae Crișan (Nicu) YO5OUC

Articol aparut la 7-6-2014

9410