Florin Cretu YO8CRZ

În articolul precedent despre SDR, au fost discutate un număr de tehnici folosite la emisie ce sunt specifice în primul rând noilor echipamente SDR. În prezentul articol, vor fi discutate câteva caracteristici legate de recepție.

Evoluția în timp a arhitecturii unui receptor.

Fig.1 ilustrează evoluția în timp a arhitecturii unui receptor cu procesare digitală de semnal, inspirată după o prezentare la forumul SDR de la Friedrichshafen 2019, luând ca bază un receptor cu dublă schimbare de frecvență. Concluzia? Astăzi chiar și un receptor considerat analogic, conține de fapt o doză considerabilă de procesare digitală  a semnalului.

Primele receptoare care foloseau procesarea digitală a semnalului audio pentru radioamatori au devenit disponibile la începutul anilor 1990. Procesarea de semnal era făcută doar pe semnalul de AF, preluat de la ieșirea detectorului de produs. Funcțiile inițiale care au fost introduse au fost filtru notch automat, filtre variabile pentru SSB și CW, reducător de zgomot (NR).

Începând cu anii 2000 au apărut transceivere analogice cu IF DSP (IF Digital Signal Processing). Procesarea semnalului era făcută pe o frecvență intermediară joasă, atât la recepție cât și la emisie. Acestea încorporează 1-4 circuite DSP, plus cel puțin un procesor clasic. Este folosit un sistem de operare minimal, specializat, necesar atât pentru operarea și gestionarea corectă a resurselor hardware, ori chiar și pentru a permite controlul de la distanță prin internet. Transceiverele mai complexe oferă inclusiv posibilitatea decodării directe a semnalelor digitale tip RTTY sau PSK, fără utilizarea unui calculator extern.

Să considerăm anul 2013, când a apărut FlexRadio 6700, ca anul de apariție pe scară largă a transceiverelor pentru radioamatori de tip SDR-DDC (Direct Digital Conversion). Aceasta implică conversia digitală a semnalului chiar pe frecvența de lucru. De menționat totuși că au existat un număr de receptoare SDR-DDC pentru radioamatori ce au apărut cu cel puțin 5 ani mai devreme, precum Perseus sau QS1R, ca și experimentele HPSDR.

Puterea de calcul înglobată într-un transceiver modern (în termen de MIPS), chiar și de tipul IF DSP, depășește considerabil puterea de calcul din calculatoarele PC din primele generații. Semnalul este procesat digital atât la emisie cât și la recepție.

Unii radioamatori nu conștientizează faptul că atunci când sunt folosite transceivere din ultimele generații, fie și dintre cele mai ieftine, se poate spune că de fapt comunicația se produce între două calculatoare specializate, chiar și în cazul comunicațiilor prin voce....

Iată în continuare câțiva parametrii legați de latență și filtrele de recepție, aplicabili atât pentru receptoarele SDR cât și pentru cele analogice.

Latența la recepție

Latența lanțului de recepție este timpul trecut de la aplicarea semnalului la intrarea de antenă până la apariția semnalului la ieșirea de joasă frecvență a receptorului.

Latența întregului canal de recepție este astăzi dată în principal de filtrele de mare selectivitate. La aceasta se mai adaugă întârzieri cauzate de eventualele procesări digitale de semnal pentru reducerea de zgomot, Noise Blanker, etc. Dacă pentru operarea curentă, o latență chiar și de 200ms nu este o problemă, latența devine foarte importantă când se operează în CW în mod QSK. QSK implică recepția între propriile semnale CW, mod de lucru foarte apreciat de unii operatori CW, însă considerat ca fiind prea solicitant de către alții. Pentru operarea QSK, este indicat ca latența totală la recepție să nu fie mai mare de 50-60% din durata unui punct la viteza maximă de operare. Aceasta implică o latență maximă acceptabilă de cca. 24ms, pentru operare la viteza de 30 cuvinte/minut.

Iată câteva date referitoare la latența completă a lanțului de recepție pentru câteva transceivere. Acestea includ atât transceivere clasice ce au partea de procesare DSP în IF (IC7851, IC756 Pro III, TS990S) cât și transceivere SDR (IC7300, IC7610, Anan 200, Anan7000, Flex7600, FTDX101D). Ca referință a fost inclus în listă și un transceiver analogic fără DSP (IC781).

Tabel 1   Latență la receptoare cu IF DSP

*Complet analogic

Tabel 2    Latență la receptoare SDR

** PowerSDR mRx cu filtre FIR clasice,  ***PowerSDR mRx cu filtre FIR cu latență redusă

Tabelele 1 și 2 sunt compilate din măsurătorile făcute de Rob Sherwood -NC0B. Se observă latența mai mare a unora din receptoarele SDR comparativ cu cele analogice. Receptoarele ce folosesc doar IF DSP, au o latență ceva mai mare decât cele complet analogice, deși multe dintre acestea au performanțe apropiate. De notat că datele prezentate în cele două tabele nu iau în considerație timpul necesar și pentru releul de antenă (încă 4…8ms), ce asigură trecerea de la emisie la recepție.

  Câteva caracteristici ale filtrelor pentru recepție

Unul din punctele forte ale transceiverelor SDR îl reprezintă calitatea deosebită a filtrelor, ca și multitudinea acestora. Într-adevăr, deseori la recepție este necesar să folosim mai multe trepte de selectivitate, căutând un compromis între reducerea unei interferențe și o inteligibilitate acceptabilă. La un receptor analogic-clasic, e necesar câte un filtru cu cristal pentru fiecare treaptă de selectivitate. Un filtru suplimentar cu cristal este însă scump.

Radioamatorii cu experiență știu că există filtre bune și filtre mai puțin bune. Iată în continuare câteva detalii referitoare la filtrele folosite în receptoare.

De cele mai multe ori când se discută despre filtre și calitatea acestora, parametrii luați în discuție sunt de regulă legați de caracteristica amplitudine/frecvență a acestora. Să numim acești parametri ca parametrii specifici pentru domeniul frecvență. Câțiva parametrii esențiali sunt: lărgimea de bandă, factorul de formă, riplul în bandă și atenuarea de inserție. Pentru că despre aceștia s-a mai vorbit, nu vor mai fi detaliați aici.

Iată în continuare câțiva parametrii referitori la comportarea în domeniul timp a filtrelor, ce sunt mai puțin cunoscuți de radioamatori.

Parametrii legați de comportarea filtrelor în domeniul timp

Timpul de întârziere de grup reprezintă întârzierea introdusă pe un semnal, ce conține un semnalul modulat. Întârzierea este diferită, funcție de frecvență și este maximă pe flancurile filtrului, datorită Q-ului în sarcină mai mare la aceste frecvențe, necesar pentru a se putea obține flancuri abrupte. Cu cât factorul de formă al filtrului se apropie mai mult de 1:1, în special pentru filtrele foarte înguste pentru CW, cu atât mai mare este timpul de întârziere de grup ca și variația acestuia în banda de trecere.  Pentru a înțelege mai ușor modul în care  timpul de întârziere de grup afectează semnalele ce trec printr-un filtru, să analizăm figurile 2 și 3. În prima figură semnalele cu frecvențe diferite apar simultan la intrarea în filtru. Amplitudinea semnalelor de pe flancuri este ușor atenuată. După o perioadă de timp însă, componentele semnalului cu frecvențe apropiate de frecvența flancurilor filtrului, rămân în urmă în raport cu cele de pe centrul filtrului. Practic, relația temporală între componentele spectrale ale semnalului este denaturată.

Timpul de întârziere de grup are efecte nu numai asupra componentelor spectrale normale ale semnalului modulat, dar chiar și a zgomotului de bandă.

Răspunsul unui filtru la excitație cu semnal treaptă sau în impuls și fenomenul de ”ringing”

Răspunsul la semnal în impuls sau treaptă caracterizează modul în care un filtru răspunde la semnale tranzitorii, spre deosebire de caracteristica amplitudine-frecvență care se măsoară doar cu semnale continue sau cvasicontinue.

Modul în care filtrul reacționează la un semnal în impuls sau treaptă este important mai ales în comunicațiile digitale, dar chiar și pentru comunicațiile în CW, când sunt folosite filtre înguste. Este cunoscută proprietatea filtrelor de mare selectivitate de a introduce pe semnal o rezonanță parazită, numită ”ringing”. Această rezonantă face mai dificilă recepția și decodarea auditivă a semnalului, cu atât mai mult cu cât frecvența cu care se produce fenomenul de ringing este egală cu frecvența centrală a filtrului. Timpul mediu de întârziere din filtru, duce de asemenea la întârzierea generală  a semnalului la trecerea prin filtru.

În Fig.4 și Fig.5 este reprezentat modul în care filtrul răspunde la un semnal treaptă, respectiv impuls. Graficele reprezintă rezultatul la ieșirea din filtru pentru cele două teste, folosind trei tipuri de filtre uzuale ce au aceeași bandă de trecere la 3dB, însă un factor de formă diferit.

Se observă atât o întârziere în creșterea semnalului la ieșire cât și apariția unei oscilații, care se amortizează după o vreme. Oscilația rezultată (ringing) poate produce o tensiune la ieșire a cărui vârf este mai mare decât tensiunea de la intrare. Pentru un filtru Chebyshev, supracreșterea semnalului la ieșirea din filtru este dependentă de numărul de poli ai filtrului și poate ajunge de la 5 la 30% în tensiune.

În principiu, doar analizând răspunsul la semnal treaptă și impuls, se poate caracteriza complet un filtru.

Modul în care filtrul răspunde la semnalul treaptă este similar cu modul în care filtrul răspunde la un semnal CW- morse. Modul în care filtrul răspunde la impuls este important pentru a înțelege care sunt implicațiile asupra unor pulsuri de zgomot.

Pentru că aceste măsurători se efectuează ceva mai greu, mai utilizată este raportarea timpului de întârziere de grup. Se poate corela răspunsul la semnal treaptă și impuls al unui filtru cu timpul de întârziere de grup. Timpul de întârziere la trecerea prin filtru diferă funcție de frecvență, fiind maxim pe flancurile filtrului. Din acest motiv timpul de întârziere de grup este de regulă reprezentat grafic, ori se specifică valorile minime și maxime. Din timpul de întârziere de grup se poate deduce chiar și curba Q-ului în sarcină a filtrului.

Timpul de întârziere mai mare pe flancurile filtrului  este datorită Q-ului în sarcină mai ridicat pe flancuri, pentru a se putea obține pante mai abrupte, respectiv un factor de formă mai bun. În Fig.6 este arătată curba de selectivitate  și timpul de întârziere de grup pentru un filtru CW de 300Hz lățime (Yaesu XF-126CN). Se observă o variație a timpului de întârziere în banda de trecere de la 4.8ms la 9.3ms, ceea ce implică un raport între timpul minim și cel maxim de sub 2:1, considerând banda de frecvență a filtrului la 3dB. Pentru o  lărgime de bandă de 300Hz, acesta este un raport destul de bun.

Iată în Fig.7  și un filtru Inrad (#2304) cu 8 poli pentru CW pe 9MHz, cu o bandă de 500Hz. Este unul dintre cele mai bune filtre CW pentru radioamatori ($175), cu aspect de filtru (clopot) Gauss. Aceasta scoate în afara benzii utile distorsiunile maxime de fază. Întârzierea maximă pe flanc este de 4.4ms, iar în centru de cca. 3.2ms, ceea ce implică o variație de timp mai redusă de 1:1.4. Deși factorul de formă al acestui filtru nu este  foarte bun, este unul din filtrele care oferă un ringing foarte redus și este foarte apreciat de amatorii de CW. De notat că filtrele cu cristal în scară construite în regim de radioamator au în marea majoritate performanțe foarte proaste din punct de vedere al fenomenului de ringing. Fenomenul de ringing este prezent în mai mică măsură la filtrele pentru SSB și deși poate afecta ”timbrul” modulației nu reprezintă o problemă. Referitor la ringing, minimizarea acestuia la filtre înguste nu este simplă, pentru că de cele mai multe ori, aceasta implică reducerea selectivității, respectiv afectarea factorului de formă.

Din cele spuse anterior, rezultă că un filtru Bessel sau o versiune a acestuia numită Gauss ar fi preferabile din punct de vedere al reducerii fenomenului de ringing. Filtrul Bessel este mai bun în ceea ce privește timpul de întârziere de grup comparativ cu Butterworth, însă cu o selectivitate (factor de formă) mult mai redusă.

Filtrele Gauss, sunt apropiate de Bessel, oferind cea mai redusă variație a timpului de întârziere de grup în banda de trecere. Filtrul Gaussian aproximează o curbă de selectivitate după forma clopotului Gauss, ceea ce implică însă un factor de formă mediocru. Prin modul de realizare, filtrul Gauss, scoate vârfurile de timp de întârziere de grup, în afara benzii utile, unde sunt atenuate de flancurile filtrului. Factorul de formă mediocru pentru un filtru Gaussian nu permite însă o atenuare suficientă pentru semnalele adiacente.

Se recurge din acestă cauză la un compromis care urmărește curba Gauss până la -6 sau -12dB, după care caracteristica filtrului devine similară cu un filtru Butterworth. Un filtru de acest gen ce are nelinearitatea maximă a timpului de întârziere de grup atenuat cu 12dB, se numește filtru Gaussian la -12dB. Altfel spus, un filtru Gaussian la -12dB are variații minime de fază până la frecvența la care amplitudinea scade cu 12dB.  Aceasta este foarte diferit față de filtrele clasice care au variații de fază importante chiar și la mai puțin de -3dB. Deoarece componentele spectrale care suferă distorsiuni de timp maxime sunt în afara benzii de trecere a filtrului și sunt atenuate cu -6 sau chiar -12dB, fenomenul de ringing este substanțial redus. Asemenea filtre sunt dificil de făcut cu cristale, însă pot fi făcute relativ ușor în AF, mai ales cu filtre active.

Timpul de creștere și timpul de stabilizare.

Iată încă doi parametrii importanți ai filtrelor, legați de comportarea în domeniul timp.

Timpul de creștere   este timpul necesar unui semnal treaptă să crească la ieșirea filtrului de la 10% la 90% din amplitudinea finală. Orice filtru va cauza o întârziere în răspunsul la un semnal treaptă, dată în primul rând de lărgimea de bandă a filtrului.

Timpul de stabilizare este timpul necesar pentru semnal, la ieșirea din filtru pentru a se stabiliza, respectiv când atinge o valoare stabilă, fără ringing.

Pentru a vedea care este efectul acestor parametrii pe un semnal real, să privim fig.8. Este prezentat cazul unui filtru trece bandă cu selectivitate mare, când este excitat cu semnal telegrafic (litera A). Semnalul la intrarea în filtru este în partea de sus a graficului, semnalul la ieșire este în partea de jos. Din cauza atât a întârzierii la creștere ca și la descreștere, se ajunge legarea semnelor, ceea ce determină o decodare auditivă mai dificilă sau cu erori. Timpul de întârziere este legat doar de selectivitatea filtrului. Cu cât selectivitatea este mai mare, cu atât întârzierea plus creșterea și descreșterea este mai mare și cu atât mai problematică devine recepția semnalelor telegrafice, mai ales cu cât acestea sunt transmise cu viteză mai mare. În acest caz, se scurtează pauza dintre elementele semnelor atât de mult încât se ajunge la legarea acestora.

Se observă de asemenea fenomenul de ringing, care reduce de asemenea inteligibilitatea semnalului. Fenomenul de ringing este exacerbat de neuniformitățile în timpul de întârziere de grup. Filtrele de calitate au acest parametru optimizat cu grijă. De aici se poate vedea de ce un filtru cu o bandă de sub 100Hz este greu utilizabil în condiții de transmisie cu viteză ridicată. Problema este exacerbată și din cauza pulsurilor de zgomot, care sunt lungite considerabil la trecerea prin filtru și care suferă și de fenomenul de ringing.

De ce apare întârzierea în filtre de selectivitate mare?

Și de această dată, e necesar să analizăm ceea ce se produce în filtru în domeniul timp și nu în domeniul frecvență. Fenomenul de întârziere care apare la trecerea semnalului prin filtre cu selectivitate mare este legat în mod direct de stocarea și apoi eliberarea energiei semnalului în elementele reactive ale filtrului (capacități și inductanțe). În mod inevitabil, un circuit cu selectivitate mare are un Q mare.

Fenomenul de întârziere  poate fi legat direct de Q-ul în sarcină a filtrului, pentru că, să nu uităm că de fapt definiția primara a factorului de calitate este legată de energia stocată și cea disipată în circuit.

Q=  (pe unitate de timp)

Se știe că un circuit rezonant, răspunde la excitația pe frecvența de rezonanță prin întreținerea oscilației în circuitul rezonant pe o durată de timp, după dispariția sursei de excitație. Energia este transferată între inductanță și condensator, fiind transformată periodic din energie stocată în câmp magnetic (inductanță), în energie stocată în câmp electric (condensator).  Dacă cele două elemente de circuit nu ar avea nici un fel de pierderi interne (care duce la transformare în energie termică), oscilația din circuitul acordat ar dura la infinit. În practică însă componentele au pierderi și amplitudinea oscilației scade în timp (este amortizată), până când în final întreaga energie este transformată în energie termică și oscilația dispare.

Figura 9 reprezintă modul cum se produce amortizarea tensiunii într-un circuit rezonant real, când acesta este excitat cu un semnal în impuls scurt. Semnalul scade treptat, datorită pierderilor în condensator și bobină. O proprietate interesantă este că semnalul scade la valoarea de 5% din amplitudinea inițială după Q perioade. De aici decurge și o altă metodă de a măsură a Q-ul unui circuit.

Filtrele digitale implementate în SDR sunt de mai multe tipuri și prezintă un compromis între latență, factorul de formă și distorsiunile de fază. Există filtre cu timp de răspuns finit (FIR-Linear Phase), care nu au distorsiuni de fază și fenomenul de ringing este foarte redus, au factor de formă excelent, însă au o latență mare. Transceiverele FlexRadio 6xxx folosesc acest tip de filtre. Filtrele cu latență redusă (FIR-Minimum Phase) au distorsiuni de fază și ringing identice sau mai bune decât la cele mai bune filtre cu cristal, având un factor de formă superior. Transceiverele SDR Icom sau Yaesu folosesc filtre cu latență redusă. Transceiverele HPSDR/ ANAN, pot folosi ambele tipuri de filtre.

Filtrul APF

Iată un tip de filtru mai puțin cunoscut de radioamatori, pentru că a fost folosit doar la transceiverele de clasă superioară. Filtrul APF (Audio Peak Filter) este un filtru realizat pe canalul de audiofrecvență, a cărei frecvență centrală poate fi de regulă ajustată. Lărgimea de bandă poate fi de obicei reglată fie în câteva trepte, fie continuu între anume limite. Filtrul este foarte util la recepția semnalelor CW  care sunt fie aproape de pragul de zgomot, fie sunt interferate de alte semnale cu frecvențe apropiate.

Toate transceiverele de clasă superioară au acestă funcție, indiferent de fabricant. Astfel, Yaesu a folosit aceste filtre APF la transceiverele FT1000 apoi FT2000, FTDX5000..., Icom  a folosit un APF în premieră la IC-756, la generațiile PRO care au urmat, apoi la IC7800, IC7700, IC7600 și 7610. Kenwood folosește un APF la TS990 și TS890. La fel Elecraft K3, FlexRadio seria 6000, ori transceiverele HPSDR/ Anan.

Filtrul APF, este special conceput pentru a minimiza producerea fenomenului de ringing. Pentru aceasta, în cazul transceiverelor FT1000 sau FT2000 au fost folosite circuite analogice, cu un Q în sarcină destul de redus. Ulterior aceste filtre au fost implementate digital, ceea ce a permis obținerea mai multor trepte de selectivitate (3 trepte la Icom) sau chiar variația continuă a benzii ca în PowerSDR mRX sau Thetis.

Pentru reducerea fenomenului de ringing, este indicată folosirea unui filtru Gaussian la -6 sau -12dB. Filtrul nu oferă o selectivitate spectaculoasă, însă reduce nivelul de zgomot și reduce fenomenul de ringing cauzat de filtrul primar de mare selectivitate.

Folosirea corectă a acestui filtru necesită câteva cunoștințe de bază, pentru a se putea obține rezultate optime. Astfel, lățimea de bandă a filtrului primar cu cristale, trebuie să fie de cel puțin două ori mai mare decât lărgimea de bandă a filtrului APF. În acest fel, este posibilă extragerea semnalelor care sunt foarte aproape de pragul de zgomot, lucru important mai ales pentru amatorii de DX.

Sigur, se poate pune întrebarea: de ce mai e nevoie de un filtru în AF, nu se poate face un filtru suficient de bun în IF, cu cristale? Realizarea unui filtru cu cristale care să aproximeze o curbă de selectivitatea Gauss până la -12db (pentru a minimiza ringing-ul), nu este simplă, fiind mai simplu de realizat în AF, unde Q-ul în sarcină poate fi controlat mai ușor. În plus în AF, atât frecvența centrală, ca și lărgimea de bandă poate fi ușor făcută ajustabilă.

Evident, operarea CW cu o bandă restrânsă de frecvență, pune probleme din ce în ce mai mari cu cât viteza de operare este mai mare și cu cât nivelul zgomotului în impuls, gen descărcări electrice, este mai mare. În acest caz preferințele personale ale operatorului sunt importante, mai ales în condiții de propagare dificile. Iată de ce e util să avem la dispoziție mai multe filtre pentru CW, cu benzi de trecere diferite. Această cerință este foarte ușor îndeplinită de un receptor SDR.

Întrucât sunt foarte interesat de recepția în condiții extreme, cum este deseori cazul lucrului la DX, aceste calități sunt esențiale pentru mine. Când condițiile de propagare sunt excelente, se pot lucra DX-uri rare chiar și cu echipamente și antene mediocre. Când propagarea este însă proastă, cu semnale la nivelul sau chiar sub nivelul zgomotului de bandă, plus QRN și QRM, limitele personale ale acuității auditive pot fi rapid epuizate. În acest caz, un echipament de calitate poate face diferența între a putea lucra sau nu un anumit DX.

Cei mai mulți operatori apreciază calitatea mai bună a sunetului la recepție a unui receptor SDR. Aceasta implică atât fidelitatea, zgomotul alb care sună mai ”transparent”, dar mai ales prin modul în care receptorul răspunde la semnale dinamice, respectiv fenomenul de ”ringing” la filtrele înguste.

Foarte rar, apar și opinii contrare, care se pot încadra în două situații: fie aprecierea este de fapt viciată de preconcepții împotriva tehnicilor SDR, fie este vorba de reglarea defectuoasă a receptorului și a timpului insuficient petrecut cu familiarizarea echipamentului.

Pentru cei care au avut răbdarea să citească acest articol până la final, nu pot decât să sper că au aflat câte ceva nou, indiferent dacă sunt sau nu utilizatori ai unui echipament SDR. Partea despre filtre și în special comportarea acestora în domeniul timp este foarte puțin abordată în literatura pentru radioamatori.

Totul are însă un început și un sfârșit și această serie de articole care a avut ca intenție popularizarea și explicarea SDR, nu poate fi o excepție. Din anul 2006 când am scris aici primul articol despre SDR și până acum s-au făcut progrese notabile în domeniul echipamentelor pentru radioamatori, tehnologia SDR făcând în mod cert trecerea de la exotic la banal. Iată de ce, cred că e timpul ca această serie de articole să se încheie aici.

Florin Cretu YO8CRZ

Articol aparut la 8-6-2020

3503