Software Defined Radio: обманчивая простота SDR

В верхней части — SDR радиостанции серии 4200 Rohde&Schwarz, в нижней — радиостанции серии 2000 АО Азимут

В эпоху дискретных компонентов — ламп и транзисторов — техника радиоприема была необычайно изощренной. Рефлексные схемы приема, регенеративные и сверхрегенеративные приемники, и наконец классические супергетеродины бились за место под солнцем по показателям чувствительности и избирательности. В любительских конструкциях во главу угла было «поймать то что нужно», и только умудренные опытом профессионалы знали, что этого мало — нужно еще не поймать то, что не нужно. Другими словами, речь идет об ЭМС, электромагнитной совместимости (немного неуклюжий термин, но что поделаешь ).

Если забыть про ЭМС, то стать профи в радиоприеме может любой программист: современные АЦП (аналого-цифровые преобразователи) позволяют оцифровать радио напрямую на скорости до 500 млн. выборок в секунду, где данные перемещаются в домен программного обеспечения и где с ними можно делать все что пожелаешь. Так обычно описывают Software Defined Radio, SDR. Не заставили себя ждать и другие доступные компоненты:  SDR радиоприемники размером с флешку и собственно программируемый конструктор радиоблоков GnuRadio.

Снижение порога вхождения на рынок средств радиосвязи стимулировало большой поток желающих работать в этой области. И это здорово, только если не забывать о том, что SDR — это еще не весь радиоприемник. В чем же отличие? В той же самой ЭМС. Поясним на простом примере.

Чего не хватает SDR приемнику

Положим, приемник настроен на рабочую частоту 124.8 МГц, а на частоте 125 МГц присутствует сильная помеха. С точки зрения программиста, проблемы нет: программно определяемый цифровой фильтр формирует полосу пропускания 25 кГц с центром на рабочей частоте и с высокой крутизной характеристики, и помеха остается за бортом. Все просто и очевидно. С точки зрения инженера, проблема есть: при величине помехи +80 дБ замечательный 16-разрядный АЦП по отношению к сигналу будет работать всего на 2 — 3 разряда, а при более мощной помехе полезного сигнала мы не увидим вообще. И никакой программный цифровой фильтр этому не поможет.  Есть и другие негативные эффекты, связанные с оцифровкой, такие как алиасинг.

В сухом остатке: профессиональные тракты радиоприема содержат в своем составе, помимо собственно SDR, еще входные узлы (фильтры), которые ограничивают полосу входного сигнала (и не только, но здесь мы фокусируемся только на этом). Если говорить не только о приемниках, но также и о радиопередатчиках, то аналогичные узлы используются в выходном тракте для улучшения спектра излучаемого сигнала.

Профессиональная реализация Software Defined Radio

Теперь смотрим, как SDR радиостанция выглядит в профессиональной реализации. На коллаже сверху — сравнительные фотографии SDR станций двух производителей: компании Rohde&Schwarz и АО Азимут. Те блоки которые поуже это радиоприемники; которые пошире — радиостанции, т.е. содержат в своем составе еще и передатчик. Радиостанции обоих поставщиков предназначены для радиосвязи диспетчер — борт в системе управления воздушным движением и работают практически в одинаковом частотном диапазоне (как минимум в диапазоне 118 — 136 МГц). Они могут использоваться как автономно, так и в самом распространенном варианте — в составе многоканальных автоматизированных приемо — передающих центров, АППЦ.

Бросающаяся в глаза схожесть дизайнов навевает мысли о клонировании немецких устройств в стиле China Copy ) Однако, радиостанция АО Азимут — вполне самостоятельное изделие, полученное в результате заказной разработки. Приемный тракт разрабатывала компания НЭЛС, усилитель мощности, компоненты ВЧ тракта и антенны — АО Сапфир.

Теперь посмотрим, какие фильтры используют поставщики радиостанции для служб управления воздушным движением.

Реализация от Rohde&Schwarz

Автоматический фильтр Rohde&Schwarz, используемый в АППЦ

Rohde&Schwarz комплектует свои АППЦ автоматическими фильтрами FU221. В фирменном описании этих устройств с немецкой точностью и педантичностью перечислено, для чего они нужны. Этот список нужно каждый раз показывать для иллюстрации того, что радиосредства должны разрабатывать инженеры, а не программисты ) Чтобы не возиться с переводом, я даю текст на русском языке, в привычной отечественной терминологии.

Назначение фильтров на входе:

• подавление внеполосных продуктов интермодуляции внесением дополнительного затухания для тех сигналов и их гармоник, которые находятся за пределами диапазона приема и которые, вследствие нелинейных характеристик входных цепей могут вызвать продукты интермодуляции, которые создают помехи приему;
• подавление продуктов кросс — модуляции третьего порядка уменьшением помехового сигнала, который может воздействовать своей модуляцией на полезный сигнал;
• подавление зеркального канала;
• предотвращение смешивания (на самом деле — перемножения) помехового сигнала с шумовыми составляющими опорного генератора, что приведет появлению в полосе приема составляющих, уменьшающих чувствительность радиоприемника.

Назначение фильтров на выходе:

• подавление шумов опорного генератора и усилителя мощности;
• подавление побочного спектра излучения, вызванного нелинейностью усилителя мощности;
• уменьшение гармоник, которые возникают в выходных цепях передатчика;
• подавление продуктов интермодуляции третьего и более высоких порядков, вызванных одновременной работой нескольких передатчиков на одну и ту же антенну.

Замечу, что с перечисленным при радиоприеме после АЦП разбираться бесполезно: по спектральным характеристикам помеха становится подобной сигналу и фильтровать ее бессмысленно. Это к с слову о том, что «АЦП оцифрует сигнал с антенны, а там в программе все порешаем» ) При этом неважно, содержат ли входные цепи SDR смеситель с переносом частоты или оцифровка выполняется на несущей — входные компоненты, в том числе и входные цепи АЦП, имеют изначально нелинейную природу, и если вы подали на вход f1, то ждите также других гармоник, а если пришло только f1 и f2, то взаимные продукты этих частот и их гармоник не заставят себя ждать к вам в гости. Хотя как программист вы имеете право думать что имеете дело с линейной моделью )

Вот если бы как в старые добрые времена, ламповые триоды с их линейной характеристикой…

Внимательный читатель заметит, что есть паразитные эффекты которые возникают на системном уровне (уровень многоканального АППЦ). Помимо работы нескольких передатчиков на одну нагрузку, я бы добавил сюда одновременную работу нескольких приемников с одной приемной антенны. Ни за что не догадаетесь, но и в этом случае вас ждет засада: паразитные излучения опорных генераторов и синтезаторов каждого из приемников будут пролезать на входы друг друга и понятное дело качеству радиоприема это совсем не способствует )

Автоматический фильтр: найти мотор в радиоэлектронике Rohde&Schwarz

На примере автоматического фильтра FU221 Rohde&Schwarz я дал картинку того, как в профессиональной области формируются тракты радиоприема и передачи. И здесь дополнительно я хотел упомянуть один важный момент, который проявит себя в сравнении этого принципа построения с построением АППЦ АО Азимут. Этот малозаметный момент кроется в слове «автоматический» в названии фильтра.

Слово «автоматический» здесь совсем не случайно, это совсем не дань моде, как в сокращении АППЦ. Чтобы оценить всю степень последовательности и дотошности инженеров Rohde&Schwarz, вспомним как диспетчеры работают с АППЦ. В самом простом случае, за каждым диспетчером закрепляется своя частота из набора «Старт», «Подход», «Круг» и так далее. Каждой частоте соответствует своя радиостанция АППЦ. Логично предположить, что современная радиостанция позволяет выбрать произвольную частоту из заданной сетки частот в диапазоне; и так оно и есть, это можно сделать как с клавиатуры (как на фото), так и через систему дистанционного управления.

Если возникнет задача поменять частоты у диспетчеров, перестройка радиостанций произойдет достаточно просто по одной команде. Если больше ничего не трогать, то нас ждет неприятное открытие: для входных фильтров новые частоты будут восприняты как помеховые и будут безжалостно подавлены. Кроме этого, помехи на частотах, соответствующих настройке фильтра, будут спокойно проходить на вход радиоприемника. Следовательно, фильтры также нужно перестраивать! Не удержусь от того, чтобы продемонстрировать как это было сделано в ламповых приемниках )

Двухсекционный конденсатор переменной емкости обеспечивает одновременную перестройку входного фильтра и гетеродина

На фото — конденсатор переменной емкости, КПЕ, состоящий из двух секций. Одна секция работает в колебательном контуре гетеродина, читай — синтезатора сигнала. Другая секция работает во входном фильтре приемника. Параметры контуров и фильтра, в частности индуктивности, подобраны таким образом, чтобы вне зависимости от частоты настройки, которая определяется поворотом оси КПЕ, всегда сохранялась постоянная разница между частотой входного фильтра и частотой гетеродина. Собственно эта разница и есть промежуточная частота, которая должна быть постоянной.

Конечно в наше время забавно наблюдать такой девайс, в котором непонятно чего больше — механического или электронного. Однако, если мы изучим FU221 поподробнее, то обнаружим, что этот фильтр содержит аналогичное устройство — механически перестраиваемый конденсатор. Только вместо ручного управления, движение обеспечивает электрический мотор. Очевидно, что механическая перестройка фильтра производится каждый раз, когда меняется частота радиостанции, причем прецезионный механизм обеспечивает точное следование частоты фильтра частоте радиостанции.

Зачем же нужно было создавать устройство таких габаритов, да которое еще требует механической перестройки? Ответ дает еще одна функция, которую я не упомянул: это обеспечение развязки между работающими приемниками и передатчиками. Объемные резонаторы, которые для этого используются, хорошо проявляют себя только в линейных размерах, соизмеримых с длиной волны.

Шкаф для размещения фильтров в реализации АО Азимут

Реализация от АО Азимут:
АППЦ TRS 2000

Отечественный поставщик также комплектует свои АППЦ TRS 2000 аналогичными фильтрами. На сайте и в сети не удалось найти описание этих устройств, но зато точно известно что они есть )

Под эти устройства выделен отдельный шкаф (кто в домике живет?). Точно также как в АППЦ Rohde&Schwarz, эти фильтры перестраиваются механически. На заводе. В процессе регулировки изделия, на заранее известные частоты. В эксплуатации перестройка этих фильтров не предусмотрена. Если вдруг случится необходимость поменять частоту канала АППЦ TRS-2000, эксплуатирующая организация вызывает регулировщика и он по прибытии на место производит перестройку фильтра. Вот такая своеобразная реализация моторчика в отечественном исполнении.

С таким темпом перестройки фильтров (недели для удаленных позиций) возникает сомнение в целесообразности оперативной перестройки частот радиостанции. Известно, что ценой за такую перестройку, с учетом поддержания частоты синтезатора с требуемой точностью во всем диапазоне, является в конечном счете стоимость. С такими фильтрами было бы гораздо проще и органичнее использовать радиостанции на фиксированные частоты и менять частоту в момент перестройки фильтров также механической заменой частотно — зависимых узлов. Отсутствие оперативной перестройки фильтров в АППЦ Азимут ведет к забавной ситуации: сменный инженер через систему дистанционного управления или непосредственно на передней панели радиостанции конечно же может перестроить частоту, но это не означает что АППЦ TRS 2000 на этой частоте будет работать ) И если фильтры не перестраиваются, то зачем в радиостанциях функционал оперативной перестройки частоты? Избыточная стоимость радиостанции, помноженная на количество каналов.

На самом деле, необходимость оперативной перестройки частоты на позициях возникает достаточно редко. Единственная ситуация которая приходит мне в голову — это замена отказавших каналов. Но и в этом случае скорость перестройки является критичной.

Извлекаем уроки

Но не будем сильно придираться к этой реализации: в конце концов, если заказчика — Госкорпорацию по ОрВД все устраивает, значит так тому и быть. Для нас из этих двух коротких примеров, важнее сделать определенные выводы. Для себя я например сделал такие:

• SDR приемник — это еще не радио;
• отдельные радиокомпоненты, собранные вместе — еще не система;
• заказная разработка модулей так и остается набором модулей, если нет комплексного решения / системной интеграции;
• даже если заказчик и молчит, это не значит что ему все нравится )

К этим выводам вы можете добавить и свои.