SDR přijímače + SKIMMER
Petr Parýzek
Holice 2011
DSP – Digital Signal processing Jako alternativa k analogovému způsobu zpracování analogových signálů
Umožňuje metodiky zpracování, které jsou v analogové technice jen velmi obtížně realizovatelné, nebo vůbec nerealizovatelné
ADC – vznik digitálního signálu
Analogový signál
Kvantování
Vzorkování
Digitální signál
Vzorkovací teorém Shannonův teorém, Nyquistův teorém, Kotělnikovův teorém, Nyquist-Shannonův teorém, Shannon-Nyquist-Kotělnikovův teorém
Přesná rekonstrukce spojitého, frekvenčně omezeného, signálu z jeho vzorků je možná tehdy, pokud byl vzorkován frekvencí alespoň dvakrát vyšší, než je maximální frekvence rekonstruovaného signálu.
Termín maximální frekvence by přesněji měl znít šířka pásma.
Vzorkování frekvenčně neomezeného signálu
Signály z jednotlivých zón nejsou ve vzorkovaném signálu rozlišitelné
Vzorkování frekvenčně omezeného signálu Baseband sampling
Ve vzorkovaném signálu se vyskytují pouze signály z jediné zóny
Undersampling
Kvantování • Lineární – kvantizační hladiny jsou ekvidistantní – – – –
počet hladin je dán šířkou slova (BPS – bits per sample) určuje tím i dynamický rozsah převodníku přímo ovlivňuje maximální dosažitelný poměr S/N tzv. kvantizační šum je přibližně dán vztahem SNR ≈ 6 x BPS BPS
dB
BPS
dB
BPS
dB
BPS
dB
2
12
4
24
6
36
8
48
10
60
12
72
14
84
16
96
18
108
20
120
22
132
24
144
26
156
28
168
30
180
32
192
• Nelineární – exponenciální (A-law/μ-law) – ekvikvantování
Vznik SDR přijímače Začneme s analogovým superhetem s dvojím směšováním
Postupným nahrazováním analogových bloků digitálními v tomto směru
1.Krok – „Falešné SDR“
DSP blok je zařazen za detektorem - slouží pro zpracování detekovaného audiosignálu • vzorkovací frekvence řádově jednotky kHz • pro dodatečnou filtraci nebo zpracování digitálních módů • realizovatelné speciálním HW nebo PC se standardní zvukovou kartou
2.Krok – „Transceiver with DSP“
DSP blok již provádí vlastní detekci signálu – první opravdové SDR • vzorkovací frekvence řádově desítky kHz – (19 kHz, 36 kHz) • 2nd MF je zde hlavně kvůli snížení vzorkovací frekvence DSP • kvalitativní nárůst možností zpracování a filtrace • možnost zobrazení okolí přijímaného signálu v rozsahu jednotek kHz • typická realizace je speciální HW uvnitř TRX
3.Krok – „SDR with tuner“
• vzorkovací frekvence desítky až stovky kHz • šířka zpracovávaného pásma je tedy již schopna pokrýt celou CW část HF pásma •analogový směšovač se používá hlavně pro frekvenční translaci přijímaného signálu do pásma vzorkovatelného zvukovou kartou PC • různé způsoby zavedení signálu do PC (analogově, „zvukové zařízení USB“)
SoftRock – „SDR krystalka“
SoftRock - foto
FUNcube Dongle • rozsah tuneru 64 – 1700 MHz • vzorkování 96 kHz • šířka pásma omezena na 80 kHz
4.Krok – „Direct sampling SDR“
• vzorkovací frekvence desítky MHz, typicky 64 MHz, 80 MHz, 125 MHz • šířka zpracovávaného pásma již dokáže pokrýt celé KV • kromě pásmového filtru v RF sekci je již veškerá selektivita řešena v DSP • PC takový datový tok nezvládne – nutné předzpracování • data do PC vedena po rychlém USB nebo ethernetu
ASIC, FPGA … Způsoby předzpracování širokého datového toku: • ASIC (Application Specific Integrated Circuit) -profesionální řešení pro velké série • FPGA (Field Programmable Gate Array) - volně programovatelný logický HW - program uložen v PROM nebo RAM (bootloading) - dostupné i pro amatérské konstrukce
• Speciální DSP IO realizující DDC - typické následné zpracování DSP procesorem
USRP1
• 8 MHz of instantaneous RF bandwidth • FPGA: Altera Cyclone • ADCs: 12-bits 64 MS/s • DACs: 14-bits 128 MS/s
USRP1 – foto
QS1R - Frequency Range (BNC LPF Input): 15 kHz to 62 MHz - Frequency Range (SMA direct input): 15 kHz to 300 MHz - Input Impedance: 50 ohms - Clipping RF Level: +9 dBm - Maximum Display Bandwidth: 4 MHz - ADC Sampling: 125 MHz (1 - 130 MHz with external encode input) @ 16 bits - I/Q Image Rejection: >110 dB - MDS (500 Hz): -111 dBm @ 14.1 MHz - BDR: 125 dB - Voltage: 5 - 6 VDC, 2A fused, reverse polarity protected - Current Draw: 500 mA (typ.) - Connectors: BNC (RF IN LPF), SMA (RF IN, EXT ENCODE CLOCK), USB Type "B", 2.1 mm DC Power - LEDS: Power, Clipping, Debug (internal) - Dimensions: 160 x 100 mm (3.299" x 3.940") (board size)
VE3NEA CW Skimmer • • •
Kromě „standardního“ zobrazení spektra okolí přijímaného signálu navíc detekce CW signálů po celé šířce zpracovávaného pásma Detekovaný provoz je přístupný přes Band mapu, Callsign list (i prostřednictvím telnet serveru) a CW dekodér Vstupem může být –
zvuková karta (nebo její emulace – VAC) + CAT control • Režim „3kHz receiver“ – audio výstup analogového RX, může být i mono • Režim „SoftRock“ a „SoftRock on IF“ – IQ výstup
– nebo speciální podpora některých HW (SDR-IQ, SDR-14, QS1R, Mercury a Perseus).
• • • •
Podporovány tři vzorkovací frekvence (a zároveň i šířky pásma) 48 kHz, 96 kHz a 192 kHz Lze definovat úseky pásma, kde má detekce probíhat Lze omezit počet CW dekodérů – v závislosti na výkonu PC Callsign validation – minimal, normal, aggressive, paranoid –
WA1Z Super Check Partial Database File
Experimental CW Skimmer cluster
• WPX CW (30. – 31.5. 2009) – cca. 44 000 spotů • IARU HF (11. – 12.7. 2009) - cca. 88 000 spotů
VE3NEA Skimmer Server •
• •
•
Speciální serverová verze CW skimmeru – až 7 pásem současně Vícevláknový režim Podporuje QS1R – speciální Alexův firmware pro jeho FPGA Podpora pro USRP1
Reverse Beacon Network
OL5Q remote TRX + skimmer
Skimmer na 2m • A1 contest 2010 z QTH OK1KSO (Výsluní, 880 m ASL) – dva sfázované dipóly OK1VSL, transvertor 2m/10m OK2KJT, 20 dB předzesilovač, USRP1 – až 2500 detektorů, 12 000 spotů, 562 callsigns
CW Skimmer Listener SkimSrv.exe
Qs1rIntf.dll nebo CWS_USRP.dll
SkimSrv.exe
Winrad.exe
CWSL_Tee.dll
ExtIO_CWSL.dll
CWSL_File.exe
Qs1rIntf.dll nebo CWS_USRP.dll Sdílená paměť
QS1R nebo USRP1
QS1R nebo USRP1
Plány do budoucna • CWSL_Rx – cmd line přijímač – WSPR (Weak Signal Propagation Reporter Network) – Faros (continuously monitors NCDXF beacons)
• CWSL_Wave – výstup do jiných SW přes VAC • CWSL_WebSDR – připojení na Pieter-Tjerk (PA3FWM) WebSDR server • ??? – náměty i jejich realizátoři jsou vítáni
