Florin Cretu YO8CRZ

Când am scris primul articol pe acest site despre SDR, nu bănuiam că va exista o continuare  a articolelor pe această temă. Adevărul este că SDR este încă un domeniu în plină expansiune, în care apare permanent ceva nou. În ultimi ani au apărut în mod constant articole referitoare la SDR în publicațiile străine pentru radioamatori cum ar fi Radcom, QEX, QST sau Dubus. Ca exemplu, revista Radcom a găzduit o serie de cca. 30 de articole pe parcursul a peste doi ani, prin care tehnica SDR este explicată în detaliu. Seria a încetat, întrucât autorii au considerat că misiunea lor de popularizare a fost îndeplinită, SDR-ul devenind o prezență comună în Marea Britanie. La fel cum s-a întâmplat cu mulți ani în urmă când a fost efectuată tranziția de la AM la SSB….

Și cum au trecut câțiva ani de la precedentul articol  scris de mine pe această temă: SDR IV, cred că este timpul pentru SDR V...

La data scrierii primului articol, SDR-ul reprezenta pentru radioamatori o tehnologie exotică, pe piață existând doar un singur transceiver SDR1000, produs de  Flex Radio. Apariția transceiverului SDR1000 a fost fără îndoială un moment de cotitură, pentru că tehnologia SDR era disponibilă până în acel moment doar pentru aplicaţii profesionale. Nu a fost  un succes comercial fulminant pentru că, între altele, au trebuit învinse inerții și numeroase prejudecăți.  Unii au explicat fenomenul, prin faptul că în timp marea majoritate a radioamatorilor a devenit mai puțin tehnică și mai puțin deschisă la nou (așa numita categorie "Appliance Operator" care în lb. română s-ar putea traduce poate cel mai bine prin "operator de aragaz"….). Cred că este exagerat, însă în mod cert condițiile economice defavorabile, ca și aspectul de tehnologie care nu a ajuns la maturitate si este în continuă schimbare, au întârziat întrucâtva răspândirea SDR-urilor. Cu fiecare nouă generație de echipamente însă, producătorii au încercat să se apropie din ce in ce mai mult și de  necesitățile "operatorului de aragaz", evoluția în noile echipamente SDR fiind evidentă.

Dacă acum 8 ani exista pe piață doar un singur transceiver SDR, astăzi există numeroase echipamente SDR pentru radioamatori. O listă parţială poate fi văzută aici:

 http://en.wikipedia.org/wiki/List_of_software-defined_radios

Primele începuturi în domeniul SDR pentru radioamatori au fost făcute folosind de fapt receptoare cu conversie directă,  procesarea semnalului fiind făcută cu ajutorul unei cartele de sunet, într-un calculator PC.

Evident performanțele depindeau atât de receptorul cu conversie directă folosit, dar mai ales de cartela de sunet folosită. Soluția aceasta a fost aleasă din considerente legate în primul rând de cost, dar și legat de existența unui număr considerabil de programatori specializați în software pentru PC/Windows, comparativ cu alte platforme.  În timp, au apărut soluții convenabile pentru unde scurte ce permit eșantionarea semnalului chiar la borna de antenă (SDR-DDC).

Deși cele mai multe dintre echipamentele pentru radioamatori, necesită încă pentru operare un calculator PC, au apărut și soluții integrate, care pot opera în mod independent. Ca exemplu, transceiverele ADT-200 ori ELAD FDM-DUO, sau KX3 (Elecraft). Aspectul exterior al acestora nu diferă cu nimic de un echipament clasic, însă sub "capotă" se află cu totul altceva....

SDR DDC (Digital Down Conversion). Primele generații de echipamente SDR  pentru radioamatori au mai fost numite de unii autori și SDR-uri hibride. Aceasta, deoarece foloseau receptoare cu conversie directă urmate de procesarea semnalului pe frecvențe joase, într-un calculator PC. Un  exemplu de transceiver SDR hibrid modern, care însă nu necesită un calculator pentru operare este noul KX3 produs de Elecraft și care este special construit pentru aplicații portabile. Este mic, consumă puțin și chiar dacă nu este capabil să genereze la emisie decât 10-12W, are un receptor ce se comportă excelent în bandă.

Astăzi tehnologia evoluează  însă încet dar sigur spre soluții complet digitale, așa numitele SDR cu eșantionare directă. Acestea nu mai necesită nici o conversie de semnal în domeniul analogic, eșantionarea semnalului putând fi făcută chiar pe frecvența recepționată. Deocamdată, la performanțe echivalente cu generația SDR-hibridă, prețul unui SDR  cu eșantionare directă este încă considerabil mai mare. În plus consumul de curent este mai mare, ceea ce le face mai puțin atractive pentru soluții portabile. Receptoarele SDR cu eșantionare directă care există în prezent, mai sunt denumite și SDR DDC (Digital Down Converison) pentru că semnalul este convertit digital de pe frecvența pe care se face recepția, pe o frecvență mai joasă unde este procesat. Da, este posibilă efectuarea unei conversii de frecvență în software!

Până relativ recent principalul avantaj al transceiverului SDR era legat doar de calitatea deosebită a recepției. Mai recent însă, au început să apară  soluții ce permit şi liniarizarea semnalului la emisie. Aceasta are ca efect reducerea substanțială a "splatter"-ului creat în SSB și îmbunătățirea eficienței când se lucrează cu putere maximă. Este vorba de soluții complexe, folosite deja de mulți ani în echipamente profesionale, care sunt foarte greu sau chiar imposibil de implementat într-un transceiver de tip clasic, pentru radioamatori.

Este interesant de urmărit evoluția tehnologică a firmei FlexRadio, de la debutul pe piață cu SDR1000, pentru că este simptomatică pentru direcția în care evoluează piața. SDR1000 a fost adoptat în primul rând de radioamatorii  receptivi la nou și care erau în măsură să treacă peste neajunsurile cauzate de cartele de sunet sau legate de instalarea și configurarea a multiple programe și drivere pe un calculator PC. 

Generația a doua (Flex 5000, 3000 si 1500) a  folosit în continuare conversia directă, dar a integrat cartela de sunet în transceiver. A rămas însă la fel de dependentă de performanțele calculatoarelor folosite.

Generația a treia (Flex 6300/6500/6700) este complet digitală, semnalul este digitizat fără nici o conversie analogică de frecvență. În bună măsură semnalul este procesat în transceiver, calculatorul PC fiind folosit doar pentru transmiterea de comenzi/acord și vizualizarea spectrului de frecvență (panadapter). Evident aceasta necesită un procesor suficient de puternic în radio, cu dezavantajul că softul necesar este "închis" și nu poate fi dezvoltat în continuare de alți utilizatori, în sistem "open source".  Unele din soluțiile folosite sunt nu neapărat cele mai bune din punct de vedere tehnic, având în spate rațiuni comerciale.  Inițial Flex Radio a folosit un software "open source" care a fost dezvoltat de firmă, însă cu numeroase contribuții din partea unor programatori voluntari. Adevărul este că dezvoltarea de soft pe cont propriu (ca firmă) este foarte costisitoare, așa încât inițial contribuțiile voluntare la programul Power SDR au fost esențiale pentru FlexRadio. Programul PowerSDR fiind "open source" a început însă să fie folosit de numeroase alte firme concurente, care au putut în acest fel  să-și promoveze produsele hardware, fără  să aibă nevoie să cheltuiască pentru dezvoltarea de soft propriu. De aici și decizia FlexRadio de a "închide" software-ul, și în plus pentru a putea obține un "update" ulterior la software-ul folosit, utilizatorul va trebui să plătească.

Seria Flex 6000 a fost anunțată la Dayton în 2012 și ar fi urmat să fie disponibilă pe piață la sfârșitul lui 2012. Spre dezamăgirea multora nu s-a întâmplat așa, noua serie Flex 6000 devenind disponibilă pe piață abia în septembrie 2013. Întârzierea considerabilă a fost datorată software-ului. Aceste transceivere nu mai folosesc cunoscutul PowerSDR și practic tot software-ul pentru seria Flex 6000 a trebuit refăcut din temelie. La data scrierii acestui articol, softul disponibil permite doar o exploatare limitată a resurselor disponibile în aceste transceivere și este încă departe de a putea fi considerat un produs "finisat". Este de așteptat însă ca pe măsură ce softul este completat cu noi funcțiuni, acest transceiver să devină un competitor extrem de puternic pentru cele mai bune transceivere existente pe piață.

Inițial au fost lansate două transceivere: Flex 6500 (costă cca. 4300US) și  Flex 6700 care are două receptoare fizice independente (cca. 7500USD +taxe...!). Transceiverele Flex 6500 si 6700 folosesc un număr de componente foarte scumpe, care într-un fel justifică prețul. Iată doar câteva exemple: FPGA-ul Xilinx folosit (Virtex 6) costă cca. $750, procesorul media TI (DaVinci) cca. $170, iar convertoarele A/D peste $100/buc. Puterea totală de calcul înglobată în aceste transceivere SDR este considerabilă și depășește de multe ori cea a supercalculatoarelor de acum 25-30 de ani.

Cu puțin înainte de hamfestul ARRL Dayton 2014, FlexRadio a anunțat un nou transceiver- Flex 6300, mai ieftin decât Flex 6500/6700 și evident cu performanțe ceva mai reduse. Învățând din experiența trecută, de această dată FlexRadio a anunțat noul transceiver când se afla deja în stoc. Flex 6300 costă în acest moment ~2500USD

O altă soluție modernă este oferită de OpenHPSDR. Este vorba de un grup care lucrează cu software "open source", iar documentația hardware-ului proiectat de grup este accesibilă oricărui utilizator. Grupul HPSDR are deja o istorie de aproape 8 ani, și a fost format din dorința de a produce un transceiver SDR de mare performanță (HPSDR-High Performance SDR). Ulterior au apărut o serie de fricțiuni între unii dintre membrii grupului HPSDR și ca rezultat au apărut OpenHPSDR și SRL-LLC. 

SRL-LLC este producătorul unui receptor complet digital foarte performant: QS1R.

OpenHPSDR  a construit inițial o structură modulară pentru un transceiver, care a fost folosit ca bază pentru experimentare și care în prezent a evoluat în două plăci de bază pentru transceivere: Hermes și Angelia. Ambele sunt transceivere ce oferă la emisie doar 0.5W, diferența fiind că Angelia are două receptoare fizice  independente în timp ce Hermes are doar un singur receptor fizic. În plus Angelia beneficiază de un FPGA  (Altera -Cyclone IV) și memorie mai mare.

Transceiverele bazate pe placa Angelia oferă două receptoare fizice, complet independente, ce permit recepția simultană pe două antene diferite. Cele două receptoare sunt coerente în fază, ceea ce permite nu doar recepția cu diversitate spațială (antene cu polarizare diferită), dar și un gen limitat de “beam steering" (folosind două antene de recepție),  foarte util pentru eliminarea la recepție a unor surse de zgomot în special în benzile de unde scurte joase.

La data scrierii acestui articol, Apache Labs anunța introducerea în fabricație a noii platforme SDR Orion. Orion reprezintă o dezvoltare a plăcii Angelia ce poate opera cu până la 3 receptoare fizice independente, coerente în fază. Două convertoare A/D sunt incluse pe placa de bază, cel de al treilea este opțional - pe o placă separată. Aceasta permite realizarea unei directivități rotitoare la recepție, obținută prin combinarea  recepției de la trei antene statice. Așa numita rețea de antene în triunghi. În aceste cazuri, pentru recepție, se folosesc aproape exclusiv antene verticale active de mici dimensiuni, deosebit de eficiente la recepție în benzile joase de unde scurte. Experimente cu mai mult de două receptoare, pentru emularea unei antene directive (rotative) la recepție, folosind antene statice, au mai fost făcute de către radioamatori. Există chiar și o realizare ce folosește 4 receptoare Softrock, însă Orion este prima soluție comercială  integrată.

Grupul OpenHPSDR a lucrat pentru punerea în fabricație a proiectelor proprii cu TAPR, care oferă kituri pentru multe ale proiecte. TAPR nu are însă capacitatea de a produce în masă aceste produse și  așa a apărut conlucrarea cu firma din India Apache Labs .  Această firmă oferă  actualmente patru transceivere cu puteri de 10W si 100W, bazate pe plăcile Hermes (ANAN 10 si ANAN100), Angelia (ANAN100D) și Orion (Anan200D).

Spre deosebire de FlexRadio care a mutat aproape toată procesarea de semnal în transceiver, OpenHPSDR a rămas consecvent în utilizarea calculatorului PC pentru cea mai mare parte a necesităților de procesare a semnalului. Interfața folosită cu calculatorul este de tip Ethernet, aceasta este suficient pentru a transmite spre prelucrare în calculator cca. 2MHz de spectru (100base T).

Versatilitatea acestor noi generații de transceivere este deosebită, putând fi definite până la 7 segmente (14 segmente cu placa Angelia) de bandă în care să se facă recepție simultan, cu lărgimi de la 48kHz la 384kHz, oriunde în spectrul de la 100kHz la 55MHz. Recepția simultană a acestor 7 benzi se face pe aceeași antenă.

În mod firesc cineva și-ar putea pune întrebarea: la ce se pot folosi 7 receptoare ce funcționează simultan, când majoritatea oamenilor au doar două urechi (hi,hi...)? Adevărul este că există numeroase aplicații, ce analizează propagarea în timp real (ca exemplu Faros) prin recepționarea de balize radio aflate pe multiple frecvențe, Skimmer, WISPR sau WebSDR. Într-un concurs, este foarte util să știi ce se întâmplă nu doar pe banda pe care operezi.

Există mai multe aplicații software pentru transceiverele OpenHPSDR: OpenPowerSDR-mrx, care este derivată din vechiul PowerSDR produs de FlexRadio, sau cuSDR, o aplicație care are ca scop folosirea

resurselor de procesare din cartela grafică a calculatorului PC. CuSDR funcționează deocamdată doar la recepţie însă este așteptat curând si o versiune cu care sa se poată face si emisie.  Există apoi un număr de alte aplicații, unele mai simple (gen consola KISS), altele specializate pentru a putea fi rulate pe calculatoare Mac ori tablete sub Android.  Tot acest software este dezvoltat de programatori voluntari. Este uimitor ce volum de muncă este depus pentru dezvoltarea și întreținerea acestor aplicații! Pentru a pune însă lucrurile în perspectivă, dacă pentru aplicațiile PC este relativ ușor de găsit programatori care să scrie cod pentru procesare de semnal, nu același lucru se poate spune și despre cei care fac procesare de semnal pe FPGA-uri ....

Ce este deosebit la aceste transceivere?

Plăcile Hermes și Angelia sunt concepute să lucreze în regim duplex. Firește, nu acesta este modul în care sunt folosite de obicei, însă din punct de vedere al hardware-ului folosit, căile de recepție și emisie sunt complet independente. Există mufe separate de antenă pentru receptor și emițător, comutarea antenelor fiind făcută extern, cu ajutorul unei matrici de comutare care oferă un număr considerabil de opțiuni.

VNA (Vector Nework Analyser). La un SDR de acest gen, având un control de finețe asupra fazei și amplitudinii semnalelor măsurate, este aproape firesc că una din aplicațiile reziduale este cea de VNA (Vector Network Analyzer). Este deci posibilă nu doar vizualizarea caracteristicii unor filtre dar și măsurarea unor impedanțe complexe. 

Iată mai jos un exemplu, în care este arătată caracteristica amplitudine-frecvență (albastru) a unui filtru trece jos, folosind funcția de VNA, program scris de VK6APH /VK6PH.  Este arătată de asemenea și faza semnalului la trecerea prin filtru (roșu).

Un program mai nou pentru VNA chiar mai performant decât cel original, ce poate fi folosit cu plăcile Hermes sau Angelia, a fost scris de către Alex-VE3NEA.

Liniarizarea semnalului la emisie. Faptul că aceste transceivere pot folosi o formă adaptivă (în buclă carteziană) pentru predistorsionarea semnalului și îmbunătățirea purității spectrale la emisie, se datorează tocmai arhitecturii duplex. În acest caz, la emisie, receptorul  monitorizează propria emisie și software-ul poate condiționa semnalul emis pentru puritate maximă. În esență, un eșantion din semnalul emis (puternic atenuat) este introdus în receptor. Distorsiunile care apar datorită amplificatorului de putere sunt identificate, cu ajutorul receptorului, după care la emisie se generează un semnal predistorsionat în mod intenționat, în așa fel încât în final rezultă un semnal “curat".  Evident faza și amplitudinea trebuie controlată cu mare finețe pentru a se obține rezultatul dorit. Totul este însă digital și...automat, complet transparent pentru utilizator.

Iată în figurile de mai jos un exemplu ce demonstrează eficacitatea liniarizării la emisie, obținut cu o placă Angelia și un amplificator de 100W. Este vorba de clasicul test cu două tonuri. Pentru distorsiunile de ordinul 3 cât și de ordinul 5, am precizat nivelul acestora atât relativ la cele două purtători în dBc (modalitatea uzuală de raportare pentru echipamente profesionale) cât și referitor la puterea de vârf a celor două purtătoare în dB-PEP (mai mare cu 6dB decât fiecare purtătoare) care este metoda uzuală de raportare pentru transceiverele pentru radioamatori.  Îmbunătățirea este substanțială  (>20dB) și puterea generată în canalul alăturat este substanțial redusă.

Metoda permite și liniarizarea unor amplificatoare de putere externe, necesitând însă un cuplor direcțional pentru prelevarea unui eșantion din semnalul de ieșire. Practic, unul dintre receptoarele definite în FPGA (receptorul numărul 5) este alocat  în timpul emisiei pentru operarea cu predistorsionare.

La data scrierii acestor rânduri grupul OpenHPSDR avea în fază operațională predistorsionarea semnalului. Seria Flex 6000 va avea aceasta facilitate  în cursul anului 2015. Aceasta este deja disponibilă la transceiverele ADT200 si ZS1. Acest gen de facilități sunt practic imposibil de implementat într-un transceiver clasic pentru radioamatori.

Diversitate la recepție. Așa cum a fost menționat anterior, placa Angelia are două receptoare fizice independente, cu coerență de fază, ce pot opera cu antene de recepție diferite.

Coerența de fază se obține la un receptor clasic, sincronizând toate oscilatoarele interne, cu o referință comună.  Rezultatul este că între faza semnalului recepționat și faza semnalului demodulat există o relație de fază constantă, indiferent de frecvența recepționată. Aceasta implică și o diferență de fază constantă între semnalele recepționate pe două antene separate, atunci când se folosesc două receptoare coerente.

Există transceivere ca FT1000xx ce au două receptoare independente, însă nu sunt coerente în fază și ca atare nu se pot folosi în aplicații gen "beam steering" sau pentru compensarea fazică a zgomotului. În acest caz, simpla schimbare a frecvenței (chiar si câțiva kHz), duce la schimbarea relației de fază între semnalele recepționate pe cele două receptoare.

Evident, dacă se operează cu receptoare multiple, este necesară sincronizarea tuturor oscilatoarelor acestora cu o referință de frecvență comună, externă.

La un SDR de tip DDC, dotat cu convertoare A/D multiple, este ușor să se obțină coerența de fază, pentru că utilizează un singur oscilator, eventual sincronizat cu o referință de frecvență externă.

PowerSDR-mrx, folosit cu platforma SDR Angelia, permite combinarea semnalelor recepționate pe cele două antene, controlul amplitudinii și fazei putând fi făcut de către operator prin deplasarea punctului alb de pe imaginea gen "ecran radar" din figura alăturată. Controlul fazei este de 360 grade, iar controlul amplitudinii de până la 30dB.  Efectele care se pot obține sunt:

1.       Diversitate de polarizare. Se poate recepționa cu două antene cu polarizare diferită. Există situații când datorită ionosferei, polarizarea undelor se schimbă periodic. În acest caz se poate selecta antena care are polarizarea optimă pentru un semnal dat. Folosind două antene care se află la distanță mai mare de 0.5 lambda, se poate diminua efectul fadingului. Cum recepția se face de obicei folosind căști stereo, ca exemplu, se poate direcționa semnalul de la antena verticală pentru urechea stângă si de la antena orizontala la urechea dreaptă. Pe măsură ce polarizarea semnalului se schimbă, semnalul se deplasează auditiv spre  stângă sau spre dreapta... 

2.       Directivitate  la recepție.  Se folosesc preferabil două antene separate cu același fel de polarizare. Prin ajustarea fazei si amplitudinii se poate obține un efect directiv.

3.       Compensator fazic de zgomot. Una din antene este folosită ca antenă pentru captarea zgomotului. Prin ajustarea fazei  semnalului captat cu antena de zgomot (antifază) ca și a amplitudinii, se obține reducerea dramatica a nivelului parazitar la recepție.

Alte echipamente SDR DDC/DUC

Elad FDM-DUO, este cel mai nou transceiver SDR DDC/DUC apărut pe piață. Poate opera fără un calculator PC (dacă se preferă folosirea panadapterului, e necesar însă un calculator). Folosește un convertor de 16 biți, procesarea DSP fiind făcută intern. La emisie oferă doar 5W (HF+6m).

Perseus  este un receptor SDR de tip DDC (Digital Down Conversion), bazat pe un convertor A/D de 14 biți, ce operează cu un clock de 80MHz. Aceasta permite acoperirea întregului spectru până la 30MHz, fără banda de 6m. Perseus este un receptor foarte performant, care permite nu doar recepția simultană a unei benzi extinse de frecvență dar și înregistrarea acesteia. Un număr considerabil de radioamatori utilizează acest receptor împreună cu un transceiver clasic pe care fac emisia. Această combinație asigură performanțe excelente  la recepție, folosind la emisie chiar și un transceiver dintre cele mai modeste (care are însă control CAT). Perseus permite atât utilizarea unui software scris special pentru acesta, dar și  HDSDR (succesorul Winrad).

QS1R este un alt receptor SDR de tip DDC, utilizează un convertor de 16 biți, cu eșantionare de 125MHz ceea ce permite inclusiv recepția benzii de 6m, ca și operarea în regim de subeșantionare pe frecvențe până la 500MHz. Software-ul utilizat cu acest receptor este SDRMAX V însă se poate folosi și HDSDR. O mențiune despre SDRMAX, versiunea inițială a fost scrisă în bună măsură de o talentată programatoare britanică, Cathy Moss, care a introdus un număr de elemente de mare noutate. Conceptul de scale reglabile/zoomabile (care încă nu există în PowerSDR), a fost preluat ulterior în programul cuSDR, dar și de creatorii ruși ai transceiverului ZS1.

Vânzarea QS1R și Perseus a fost însă afectată considerabil de apariția transceiverelor Hermes/ OpenHPSDR  (care la un preț similar asigură și emisie și performanțe mai bune la recepție), ulterior Anan 10/100/100D produse de Apache Labs. La aceasta s-a adăugat și apariția unei clone QS1R fabricate în Olanda, care are un preț cu 25% mai ieftin....

AFEDRI, este produs de 4Z4LV. Este probabil cel mai ieftin receptor SDR DDC, care folosește  însă un convertor A/D de doar 12 biți. Gama dinamică este considerabil mai mică decât la receptoarele dotate cu convertoare de 16 biți, însă raportul preț/ performanță este fără îndoială bun. În plus, este capabil să opereze folosind peste 10 programe diferite. Sunt disponibile câteva versiuni, inclusiv una cu două receptoare fizice.

La extremitatea de jos a acestei liste cred că pot fi menționate receptoarele SDR bazate circuitul integrat Realtek RTL2832U. Inițial destinate tunerelor TV digitale, acest circuit  este util și la realizarea unor receptoare SDR, ce pot fi cuplate la mufa USB a unui calculator PC. Deși operează cu convertoare de doar 8 biți, sunt folosite de foarte mulți radioamatori, având în vedere prețul redus (~20-30USD). În plus sunt capabile să opereze pe o bandă de frecvență extrem de întinsă. Funcție de model, banda de operare poate fi de la 22MHz la 2200MHz....

Interesant este faptul că mulți din actualii deținători de SDR-uri au început prin achiziția unui receptor Softrock. Extrem de ieftine, aceste kituri au împânzit lumea. Acum câțiva ani, creatorul acestor kituri anunța că numărul kiturilor vândute trecuse de 10000. Construcția receptorului Softrock (sau a versiunii transceiver) este interesantă și instructivă pentru cei care vor sa-și exerseze aptitudinile de constructori, în ciuda simplității având performanțe remarcabile.

De ce complet digital?

Iată câțiva parametrii importanți pentru un receptor, care sunt mai buni la un receptor SDR DDC, comparativ cu SDR-urile hibride.

Atenuarea benzii laterale nedorite. Una dintre problemele întâlnite la receptoarele SDR hibride, care folosesc o conversie analogică directă, este atenuarea limitată a benzii laterale nedorite. Problema este similară cu cea întâlnită la emițătoarele/receptoarele SSB cu defazaj... Într-adevăr la un receptor cu conversie directă, cele două semnale I și Q folosite pentru  selecția lateralei dorite, respectiv atenuarea lateralei nedorite, trebuie să fie într-o precisă relație de fază și amplitudine.

Tabelul următor ilustrează precizia necesară pentru a se obține diverse nivele de atenuare a lateralei nedorite.

În principiu se poate obține cu ceva precauții -60dB, însă atenuări mai mari necesită o precizie destul de dificil de atins, mai ales dacă această atenuare trebuie menținută pe o gamă extinsă de frecvență. Într-un sistem analogic, chiar și variația de temperatură poate crea dezechilibre între cele două canale I și Q, și implicit reduce rejecția obținută.

În această privință, SDR1000 a fost un exemplu clasic. Inițial calibrarea în PowerSDR pentru atenuarea imaginii se făcea pe o singură frecvență.  Aceasta permitea obținerea unei rejecții de peste -80dB pe frecvența unde se făcea calibrarea, însă rejecția scădea la -60dB (sau mai puțin) pe alte frecvențe. Ulterior, PowerSDR a fost prevăzut cu o posibilitate de calibrare pe frecvențe multiple și în plus a fost introdusă o auto calibrare dinamică care asigură rejecția lateralei nedorite până la nivelul zgomotului, în mod automat, indiferent de bandă. Același mecanism era deja implementat, într-o formă mai simplă, în programul Rocky scris de Alex Shovkoplias, VE3NEA. Algoritmii implementați nu sunt simpli, existând un număr considerabil de patente în acest domeniu.

De notat că SDR-ul hibrid KX3, produs de Elecraft, nu are încă implementat un asemenea algoritm de auto-calibrare automată, rejecția lateralei/imaginii nedorite fiind de cca. 70dB.

La receptoarele SDR DDC, deși se recurge în software la aceeași tehnică pentru a aduce semnalul ce trebuie prelucrat în domeniul audio, toate defazajele sunt controlate digital și nu depind de frecvență sau temperatură. La aceste receptoare este posibil să se obțină rejecții ale lateralei nedorite de  -110dB sau chiar mai mult. Se elimină de asemenea zgomotul crescut ce apare la conversia directă pe frecvențe apropiate de zero (efectul zgomotului 1/f).

Zgomotul de fază este o problema majoră în receptoarele clasice, pentru că poate duce la fenomenul de mixare reciprocă. Cum se comportă un receptor SDR din acest punct de vedere? Deși fundamental diferit față de receptoarele clasice la care zgomotul de fază al oscilatorului local ajunge pe semnalele recepționate prin mixer, și convertorul A/D în final "contaminează" semnalul cu zgomotul oscilatorului folosit pentru eșantionare. 

Evident la un receptor SDR hibrid avem de-a face de fapt cu două puncte de intrare a zgomotului de fază: mixerul  analogic și convertorul  A/D.  Lucrurile sunt ceva mai complexe într-un SDR pentru că înafară de zgomotul de fază al oscilatorului de eșantionare  mai intervine și zgomotul de apertură a convertorului A/D, zgomotul NCO-ului (în software!) dar și efectul decimării semnalului  (zgomotul scade datorită decimării).  Dominant însă rămâne zgomotul oscilatorului de eșantionare.  Cum acest oscilator operează pe frecvență fixă, fiind un oscilator cu cristal, este destul de ușor de obținut performanțe foarte bune. Practic, este eliminată sinteza de frecvență folosită în receptoarele clasice!

La un SDR de tip DDC, singurul punct de intrare a zgomotului de fază este prin convertorul A/D, având deci performanțe mai bune decât un receptor SDR hibrid. Performanțele obținute în acest caz sunt similare  sau chiar mai bune decât cele obținute  de receptoarele clasice din clasa profesională. A obține în final -135…-140dBc@1kHz și -150dBc@10kHz  pe 14MHz este relativ ușor. Aceleași cifre la un receptor clasic sunt dificil de obținut…și evident implică costuri majore. În plus, transceiverele SDR gen Hermes, Angelia ori seria Flex 6000 pot fi sincronizate cu o referință externă de frecvență de mare precizie gen GPS sau Rubidiu.

IP3. În principiu renunțarea la  mixerele folosite în receptoarele SDR hibride, duce la eliminarea unei potențiale surse de distorsiuni de intermodulație, însă și convertorul analog/digital introduce distorsiuni. Distorsiunile de intermodulație în convertoarele A/D nu urmăresc însă regulile aplicabile dispozitivelor liniare clasice. Simplificând, se poate spune că distorsiunile de intermodulație în convertoarele A/D sunt determinate în primul rând de erorile de eșantionare pentru semnale cu nivele reduse. Eroarea convertorului în mărime absolută este aceeași atât pentru semnale reduse cât și pentru semnale aflate la limita de saturare.  Cu cât mai mulți biți are convertorul cu atât este mai mică această eroare. Paradoxal, din punct de vedere al distorsiunilor, un convertor A/D se comportă cu atât mai bine cu cât semnalul aplicat la intrare este mai mare. SDR-urile hibride foloseau în marea majoritate convertoare de 96kHz sau 192kHz de 24 biți. În acest caz dominante erau de fapt distorsiunile produse în partea analogica a receptorului, contribuția convertorului A/D fiind redusă. 

Cum se comportă din acest punct de vedere receptoarele SDR DDC?  Distorsiunile de intermodulație sunt destul de evidente la un convertor de 12 biți,  în special dacă convertorul este simplu și nu apelează la nici un fel de artificii pentru reducerea acestor distorsiuni (dither, scrambling). Distorsiunile sunt mai reduse la  convertoarele de 14 biți și evident și mai mici la cele de 16 biți.

Consecința este că dacă la un receptor SDR DDC cu un convertor de 16 biți se măsoară distorsiunile de intermodulație, respectiv IP3-ul, foarte aproape de punctul de saturare a convertorului, se obține un IP3 de ordinul a +50dBm. Dacă însă se extrapolează IP3-ul în baza unor măsurători cu semnale cu 60dB mai reduse, IP3-ul este mult mai redus. Pentru un receptor clasic IP3-ul este constant pe o gamă relativ largă de semnale.  Pentru un convertor A/D de 16 biți modern însă, este foarte posibil ca metodologia curentă a ARRL pentru determinarea IP3 să nu se poată aplica. Metodologia ARRL cere ca cele două semnale de test injectate simultan la borna de antenă a receptorului, să fie crescute până când se obține un produs de intermodulație cu nivelul S5. La un receptor SDR DDC performant însă,  pentru semnale aflate sub pragul de saturare, nu se poate obține o intermodulație cu nivelul S5. In acest caz, avem de-a face cu o caracteristică divergentă a produsului de intermodulație și a semnalului util, deci noțiunea de punct de intercepție nu se poate aplica la fel ca la un receptor clasic.  

Există discuții despre găsirea de noi metode pentru măsurarea și caracterizarea la intermodulații a receptoarelor SDR, și nu numai. NPR (Noise Power Ratio), este propus ca un substitut pentru IP3. Această  metodă a fost utilizată în trecut pentru evaluarea  calității sistemelor de transmisie cu purtători multiple. Cu ani în urmă, la un seminar la care am participat, un reprezentant al firmei Agilent promova intens această metodă pentru noile echipamente SDR. Deocamdată, marile  companii ca R&S, Thales sau Harris nu agreează  însă noua/vechia  metodă NPR și continuă însă să utilizeze IP3-ul.

Cât de performant este un SDR?

Receptoarele SDR au devenit demult un element comun în uzul radioamatorilor. Sherwood Engineering  menține de mulți ani o listă cu receptoarele folosite de radioamatori. În esență, este un clasament alcătuit pe baza gamei dinamice limitate de intermodulații. Nu sunt un adept  al acestui tip de clasamente, pentru că nu prezintă decât o parte a realității referitoare la aceste receptoare, însă nu pot să nu remarc că în această listă care conține câteva zeci de radioreceptoare,  pe primele 6 poziții există 3 SDR-uri, în fruntea listei aflându-se un transceiver clasic care costă peste 13000€+taxe...

Nu intenționez să dau nici un fel de valori numerice aici pentru parametrii principali ai unui receptor SDR sau de altă natură. Dincolo de numerele seci (mai mult sau mai puțin importante) rezultate din măsurători, la un receptor mai există un parametru care nu apare de regulă în nici o fișă tehnică: ergonomia. Și aici putem include atât ușurința în exploatare cât și calitatea recepției. Ambele categorii sunt subiective și dificil de cuantificat, însă pot fi evidențiate mai ușor prin comparație directă.

Marea majoritate a deținătorilor de receptoare SDR pot confirma fidelitatea mai bună a recepției dar și natura oarecum diferită a zgomotului benzii la recepție, comparativ cu un receptor clasic. Într-adevăr, atunci când se face o comparație A/B,  zgomotul recepționat de un SDR pare mai "transparent". De unde această caracteristică?

Se pare că fenomenul este legat  de ceea ce se întâmplă cu zgomotul la trecerea succesivă prin filtre cu mare selectivitate (filtre cu cristal sau electromecanice). Pulsurile de zgomot sunt deformate, suferind distorsiuni considerabile de fază. Sau, altfel spus, lățimea (durata) acestor pulsuri crește la trecerea prin circuite cu Q ridicat.

Un receptor SDR recepționează o bandă foarte largă și distorsiunile de fază sunt extrem de reduse, durata pulsurilor de zgomot nefiind afectată prea mult. Aceasta se pare că este cauza pentru care zgomotul într-un receptor clasic, sună mai "dens" decât într-un SDR de bandă largă, la care zgomotul benzii sună mai "transparent". Aceasta permite recepția mai ușoară a semnalelor aflate foarte aproape de nivelul de zgomot al benzii, fiind în același timp mai puțin obositor în concursurile de lungă durată. Din același motiv, comparativ cu un receptor clasic ce folosește aceeași selectivitate, la un SDR semnalele telegrafice sună mai “curat".

Unele din atributele esențiale ale receptoarelor SDR au început să apară și la receptoarele analogice din generațiile mai noi. Este cazul panadapter-ului. Din păcate (FTDX3000 sau 1200) panadapter-ele oferite în aceste cazuri au mai mult funcție decorativă decât de utilitate practică, fiind net inferioare celor utilizate în SDR-uri, atât din punct de vedere al gamei dinamice cât și în ceea ce privește viteza de răspuns. În unele cazuri este posibilă atașarea unui SDR extern la un receptor clasic, pentru funcția de panadapter. O soluție folosită de mulți radioamatori la ora actuală este să utilizeze la emisie un transceiver ieftin clasic (gen IC706) iar la recepție un receptor SDR (gen Perseus sau mai bun). Frecvențele celor două echipamente pot fi ușor sincronizate cu ajutorul interfeței CAT, fiind necesar doar un releu extern (TX/RX) de comutare a antenei.  Este firește o soluție de compromis care însă permite accesul rapid la un nou nivel de performanță.

În mod firesc operarea cu un transceiver SDR în modurile digitale este mult simplificată. Pentru lucrul în modurile digitale se elimină necesitatea folosirii unor modemuri, izolatoare optice, cabluri de interconectare, etc. Totul este făcut doar în domeniul digital, transferul semnalelor de transceiver la programul de decodare, ce rulează pe același calculator, făcându-se doar în domeniul digital.

Există opinia larg răspândită că, la transceiverele SDR performanța este dată în primul rând de hardware, respectiv convertorul analog numeric. De fapt lucrurile nu stau chiar așa...un software neglijent executat putând compromite performanțele hardware-ului disponibil. Și aici este vorba nu doar de calitatea filtrelor implementate, dar și de erori produse în cursul proceselor de eșantionare/reeșantionare fracționară, decimare, număr insuficient de biți în efectuarea calculelor, erori de trunchiere, etc. Toate aceste erori în software pot reduce în mod semnificativ performanțele unui echipament SDR.

În același timp însă, performanțele hard-ului pot fi estimate în bună măsură (asumând un soft corect realizat), pornind doar de la datele de catalog ale convertorului A/D. Evident, presupunând că nu au fost făcute erori la proiectarea cablajului (evident aici nu e vorba de conexiuni greşite ci de modul în care e conceput cablajul, ce poate determina creşterea zgomotului sau introduce semnale parazite) sau de altă natură.

Dacă în general performanțele la recepție ale unui SDR sunt apreciate de către cei mai mulți radioamatori, nu același lucru se poate spune despre  interfața grafică, și în special modul de acord. Pentru cei obișnuiți cu butoane, folosirea unui Mouse pentru acord, este  de multe ori frustrantă. Cred că este vorba în primul rând de depășirea unei bariere psihologice. Afirmația e bazată pe propria experiență, dar și  a altor  radioamatori care nu au avut nici un fel de problemă în a renunța la butoane. Și aici nu e vorba doar de traficul obișnuit, dar și de lucrul la DX sau concursuri. 

Ca utilizator de SDR de mulți ani, personal găsesc acum folosirea butonului de acord de la un transceiver clasic …anacronică…    În faza inițială, am  achiziționat un buton Griffin PowerMate pe care l-am folosit pentru acord. Acordul se făcea în acest mod exact ca la un transceiver clasic. La scurt timp însă am renunțat la acesta și nu m-am mai întors înapoi. 

Evident că sunt și operatori pentru care doar simpla bunăvoință nu e suficientă.

Pentru  “inadaptabili" au fost  construite special un număr de accesorii, care pot fi folosite cu un SDR (FlexControl, T-Mate), fie au fost adaptate pentru SDR (Hercules DJ Control, PowerMate).

Pentru cei “complet inadaptabili" au fost create SDR-uri cu butoane și care nu necesită un calculator PC pentru operare.

Sunt aceste noi transceivere SDR fără cusur? Firește că nu, însă  multe din imperfecțiunile actuale sunt corectabile pe parcurs prin noi aplicații software. În plus au multe facilități care pot fi întâlnite doar la transceivere clasice aflate într-o categorie de preț cu mult mai mare. Dacă este să comparăm transceiverele actuale clasice cu cele SDR, din punct de vedere al prețului și al performanței, la preț egal SDR-ul este deja un câștigător net. Se pare că și ultimul inconvenient în raport cu transceiverele clasice, lipsa portabilitității și necesitatea folosirii unui calculator pentru control, a început să dispară odată cu apariția transceiverelor gen KX3.

SDR și explorarea de noi tehnologii în materie de comunicații digitale:

Cu 20 de ani în urmă, ceea ce se poate face astăzi cu webSDR era un vis. Astăzi a intrat în banalitate. Fără îndoială, dezvoltarea tehnologică a SDR permite accesul la unele tehnologii foarte sofisticate. Iată doar câteva alte aplicații posibile în viitor ale SDR.

Chirp. Mulți radioamatori au auzit de chirp, ca un efect negativ la transmisiile CW. Practic, în acest caz este vorba de o alunecare de frecvență pe durata pe care se transmite fiecare semn telegrafic. Ei bine, există un mod de transmisie,  care reușește să extragă beneficii imense din chirp. Modulația chirp a fost folosită în trecut pentru radare sau alte aplicații profesionale, pentru posibilitatea de a extrage semnale aflate mult sub pragul de zgomot. 

Lucrul cu semnale aflate sub pragul de zgomot nu este nou pentru radioamatori. Ca exemplu, JT65 este un mod de lucru consacrat, ce permite recepția de semnale cu SNR negativ, de până la -26dB (bandă de 2400Hz). De notat că decodorul intern JT65 începe să cauzeze erori de la un SNR de  -24dB.

Folosind modulația chirp, se poate ajunge la recepția unor semnale cu un SNR sub -50dB, într-o bandă de 2.4kHz. Practic la emisie la fiecare secundă, este baleiat un spectru de 2.4kHz. La recepție este necesar un filtru extrem de îngust, care urmărește semnalul baleiat.  Emisia și recepția trebuie să fie riguros sincronizate (GPS). Acest sistem permite să se obțină aceeași eficacitate cu un emițător de 100W ca și cu un emițător cu o putere de ordinul a 1MW!!! Primele experimente sunt în pregătire cu acest mod de lucru, în banda de 6m, între coasta de vest a Australiei și Africa de Sud, deocamdată cu o baliză radio. E de așteptat ca acest mod de lucru să-și găsească aplicabilitate și pentru EME. Evident este un mod foarte lent de comunicație, ce se va desfășura probabil după un protocol asemănător cu cel folosit în JT65.  Crescând banda de frecvență folosită și/sau timpul de integrare, se poate ajunge la comunicații cu un SNR de aproape -70dB...

Acest mod de lucru poate opera cu semnale aflate mult sub nivelul de zgomot al benzii. În principiu, este posibil ca o asemenea comunicație să se producă peste un QSO în fonie, fără ca operatorii să știe că un alt QSO se produce pe același canal….hi,hi…

O altă aplicație chirp extrem de interesantă, deja demonstrată în revista Dubus 4/2012, este cea de radar ionosferic (sau ionosondă) pentru determinarea înălțimii straturilor ionizate din atmosferă în benzile de radioamatori.

Time stamping și VITA-49.  Sună cam criptic, așa este? VITA-49 Radio Transport (VRT), este un standard de comunicație/protocol, ce permite interconectarea prin internet a receptoarelor SDR. Aceasta permite folosirea receptoarelor într-o rețea, indiferent de tipul de receptor SDR sau de fabricant. Standardul a intrat în vigoare la sfârșitul lui 2007. VITA-49 permite formatarea datelor în pachete, într-un format prestabilit, și marcarea acestora cu o precizie temporală de 1ps, așa numitul "time stamping".

Există discuții între grupurile avansate de radioamatori referitoare la folosirea de receptoare multiple ce folosesc "time stamping".

Este posibil să se preleveze semnale de la receptoare multiple (în format digital), folosind internetul, care să fie apoi procesate împreună. Dacă semnalele de la mai multe receptoare conțin marcheri de timp, este posibilă sincronizarea eșantioanelor și combinarea acestora (în ciuda latențelor diferite ce apar pe internet) pentru a se crea o rețea directivă de receptoare. Receptoarele nu trebuie să se afle fizic în aceeași locație, ci distribuite de fapt pe o arie geografică destul de extinsă. O aplicație gen server SDR ar putea colecta, sincroniza (pe baza marcherilor de timp) și procesa toate aceste date. Prin ajustarea adecvată a fazei și amplitudinii fiecărui semnal, se poate obține o caracteristică directivă rotitoare. Similar cu o antenă directivă cu foarte multe elemente.

În principiu aceeași metodă se poate folosi pentru a localiza  (goniometra) o sursă de semnal, pe baza diferențelor de timp în care semnalul recepționat ajunge la receptoarele conectate în rețea. Evident, toate receptoarele trebuie să utilizeze o referință de timp comună și extrem de exactă (de exemplu GPS).  Aceasta ar trebui să le dea de gândit celor care se ocupă cu producerea de interferențe în mod voit în bandă, localizarea lor cu o precizie rezonabilă (1-2Km) putând fi făcută în principiu cu un asemenea sistem (în limita dată probabil de o singură reflexie ionosferică).  Discuțiile de acest gen apar de obicei  la finalul unor expediții DX in zone rare… din motive pe care le știm cu toții...

Deocamdată la nivel de discuții, dacă această aplicație va fi implementată, va fi fără îndoială de mare tehnicitate, pentru prima dată în tehnologiile folosite de radioamatori.

Seria Flex 6000 produsa de Flex Radio folosește deja protocolul VITA-49 însă in acest moment nu este folosită încă opțiunea de time-stampling. Dintre aplicațiile software pentru radioamatori care vor  implementa VITA-49 poate fi menționată  consola SDR creata de Simon Brown-HB9DRV/GD4ELI (între altele, creatorul  Ham Radio Deluxe).

Într-o primă formă a acestui articol introdusesem și câteva detalii legate de convertoarele A/D, procesarea în FPGA sau despre DDC și DUC. Am eliminat în final detaliile  de genul acesta pentru că  articolul ar fi devenit cu mult prea "încărcat" și prea lung,  preferând să rămân în limita generalităților ce necesită un efort mai redus pentru asimilare. Am lăsat poate pentru altă ocazie o privire sub "sub microscop" asupra noii generații SDR, poate chiar despre noul meu transceiver SDR, ce va implica însă o abordare cu mult mai tehnică.

Cred ca nu există o încheiere mai bună a acestui nou articol despre SDR decât cu un citat care mi-a plăcut în mod deosebit.  Simon Brown-HB9DRV/GD4ELI, a fost întrebat când a abandonat dezvoltarea Ham Radio Deluxe, de ce a făcut-o în favoarea dezvoltării propriei aplicații SDR.

Răspunsul a fost simplu: "SDR reprezintă viitorul. Vreau sa fiu parte a acestui viitor".

Florin Cretu YO8CRZ

Articol aparut la 15-6-2014

10222