فحص إشارة I / Q باستخدام SDR باستخدام Adobe Audition

لقد علمت عن أجهزة الاستقبال وأجهزة الإرسال والاستقبال من هواة الراديو منذ فترة طويلة جدًا ، عندما لم يكن لدي حتى الإنترنت. ومن الغريب أن القليل من الناس فهموا هذه التقنية حقًا. عندما كنت مشغولاً بمعالجة الصوت في ذلك الوقت ، فهمت الفكرة والمبدأ الأساسي لحقوق السحب الخاصة. كما فهمت في ذلك الوقت ، SDR هو مستقبل تحويل مباشر عادي ، والذي يتضمن بشكل أساسي خلاطًا ومذبذبًا محليًا مرجعيًا بتردد ثابت أو قابل للضبط. يتم تغذية الهوائي وخرج المذبذب المحلي لمدخلات الخلاط ، ويتم تغذية خرج الخلاط إلى بطاقة الصوت. نظرًا لحقيقة أن المحطات لها نطاق ضيق ، وبطاقة الصوت أوسع بكثير ، فمن الممكن بطريقة ما التغيير برمجيًا من محطة إلى أخرى داخل نطاق تردد عريض ثابت. بالإضافة إلى ذلك ، من الممكن في نفس الوقت معالجة الإشارة المستلمة باستخدام DSP. لقد واجهت بالفعل برامج منفصلة لـ DSP تقوم بمعالجة الإشارة من خرج التردد المنخفض لمستقبل الراديو (تقليل الضوضاء ، مرشح النطاق الضيق ، إلخ). بدت لي الفكرة مغرية إلى حد ما ، وأصبحت مهتماً بهذه القضية بعمق أكبر.

بعد مرور بعض الوقت ، تمكنت من تجميع جهاز الإرسال والاستقبال SDR الخاص بي وفقًا لأحد المخططات التي تم توفيرها لي. كان هناك مجموعتان من المخططات. في أحد المخططات ، عمل مولد مع كوارتز قابل للتحويل إلى نطاق راديو الهواة المطلوب كتردد مرجعي ، وتم إجراء الضبط برمجياً. احتوت الدائرة الثانية على مركب DDS ، قادر على توليد أي تردد (ضمن حدوده) ، يتم تعيينه من الكمبيوتر بواسطة برنامج التحكم. من الممكن إعادة بناء كل من البرامج والأجهزة. اخترت المخطط الثاني. برنامج الإدارة معقد للغاية. بادئ ذي بدء ، لا يسمح فقط بسماع المحطة ورؤية طيفها ، ولكن أيضًا لرؤية الطيف الكامل لإشارة النطاق العريض التي تأتي إلى بطاقة الصوت. علاوة على ذلك ، يمكنك استخدام الماوس لإعادة البناء على الفور إلى محطة يكون طيفها مرئيًا على الشاشة. هذه واحدة من الميزات الرئيسية لـ SDR. في أحد الخنازير التي جمعت الدائرة نفسها أمامي ، شاهدت كيف يعمل كل شيء عمليًا. أول شيء فاجأني هو أن كلتا القناتين متورطتان في بطاقة الصوت: يبدو L و R. وأين هو الاستريو؟ في الوقت الحاضر ، أفهم هذا بوضوح ، ولكن في الوقت الذي كانت فيه الإنترنت في المنازل العادية في المدن الإقليمية في مهدها فقط ، لم تكن هناك معلومات فنية مفصلة عمليًا. بالإضافة إلى ذلك ، عند معدل أخذ العينات لبطاقة صوت تبلغ 48 كيلوهرتز ، فإن عرض العرض ليس 24 (كما اعتقدت ، وفقًا لنظرية Kotelnikov) ، ولكن كل نفس kHz 48. لم يعطني أحد تفسيراً واضحاً لسبب ذلك. لكنني فهمت حدسيًا: هذا يرجع بالضبط إلى حقيقة أن القناتين الصوتيتين متورطتان. يتم إرسال إشارة عبر قناة واحدة ، على سبيل المثال ، من النصف الأول من طيف العرض بأكمله ، وعلى طول النصف الثاني من النصف الثاني. لكن هذا ليس صحيحًا تمامًا! كان معروفًا من الممارسة أنه عندما تختفي إحدى القناتين ، لن تختفي بطاقة الصوت على نصف شاشة الطيف ، ولكن سيتم ملاحظة تأثير "المرآة": سيكتسب الطيف التماثل فيما يتعلق بمركز البانوراما الطيفية بالكامل. وإذا قمت بتبديل القنوات ، فسيتم عكس الطيف بأكمله. لقد وجدت الإجابات على جميع الأسئلة بنفسي عندما جمعت جهاز الإرسال والاستقبال SDR هذا. خذ بعين الاعتبار مخطط كتلة قصيرة لمسار استقبال SDR.



المخطط بسيط للغاية. لقد وجهت اهتمامًا خاصًا إلى العقدة "Divider by 4". والحقيقة هي أن الخلاط الرئيسي يعمل في "وضع القناتين". لتحديد إشارة استريو خاصة (تسمى إشارة I / Q) ، من الضروري تطبيق إشارتين متطابقتين من المذبذب المحلي في التردد ، ولكن 90 درجة خارج الطور. يتم تحقيق هذا التحول بسبب التكوين الأولي من خلال مُركِّب التردد 4 مرات أكثر والانقسام على 4 باستخدام المُشغلات (كلاسيكية من الإلكترونيات الدقيقة الرقمية). تجدر الإشارة إلى أن الإشارة لها شكل سن المنشار (المقارن هو جزء من المزج) ، وخلاط المفاتيح هو مفتاح عادي من مجال نفس المنطق الرقمي. بدون الخوض في تفاصيل برنامج SDR وهيكل الأجهزة ، سأقول على الفور أن البرنامج يتحكم في إعادة هيكلة المزج مباشرة (بدون وسيط FPGA أو MK). من خلال LPT ، يتم تنفيذ واجهة SPI بالمثل كما هو الحال مع مبرمج AVR STK200 MK.

لذا ، اكتشفت المخطط والبرامج ، صممت وشكلت كل شيء. ثم ، باستخدام برنامج Adobe Audition 1.5 ، بدأت في تحليل جزء I / Q للإشارة التي سجلتها من إخراج SDR الخاص بي ، موالفة تردد أحد نطاقات راديو الهواة في مكان ما في الوسط. يوضح الشكل لقطة شاشة للبرنامج ، والتي توضح مخطط الطور والرؤية الطيفية للجزء.



على الطيف ، يمكنك رؤية محطات النطاق الضيق بعرض حوالي 3 كيلو هرتز. القناتان اليمنى واليسرى متطابقتان في المظهر ، لكنهما مختلفتان في شكل الموجة ، وهو ما يؤكده مخطط الطور. عن طريق الأذن ، تبدو كلا القناتين متشابهة إذا استمعت إليهما بشكل منفصل. ولكن عند الاستماع في الوقت نفسه باستخدام سماعات الرأس ، يمكنك الانتباه إلى تحول الطور. قيمة تحول الطور 90 درجة. يمكن للمرء أن يخمن ليس فقط من تحليل الرسم التخطيطي ، ولكن أيضًا من تحليل الرسم التخطيطي. أعلاه ، انتبهت إلى حقيقة أن القناة الثانية تتكون من الخلاط الرئيسي بعد "خليط" إشارة الإدخال (من الهوائي) مع تحويل تردد المزج في الطور بمقدار 90 درجة. ومع ذلك ، فإن القناة اليمنى ليست نتيجة مباشرة لتحول طور 90 درجة للقناة اليسرى (محددة أيضًا). وحتى من وجهة نظر "علوم الكمبيوتر" ، في الواقع ، ستكون نفس الإشارة. وفوق ذلك ، تم التوصل إلى أن الإشارات مختلفة ، لأنه مع تردد أخذ العينات يبلغ 48 كيلو هرتز ، يتم أيضًا الحصول على عرض نطاق 48 كيلو هرتز.

بمشاهدة بانوراما البث الإذاعي وفي نفس الوقت طيف إشارة I / Q في Adobe Audition في وضع التسجيل الصوتي ، تمكنت من فهم أن طيف كل قناة بصريًا هو "الالتفاف" للطيف الكامل للبث الإذاعي نسبة إلى المركز. ساعدني المزيد من التجارب في Adobe Audition مع تحول طور 90 درجة ومجموعات مختلفة من إضافة القنوات وطرحها على اكتشاف كل شيء. تم تأكيد الفكرة التالية تجريبيا. إشارة "I" (القناة اليسرى) هي مجموع (مزيج) إشارتين: الإشارة المسؤولة عن النصف الأيسر من طيف الأثير ، والإشارة ، ولكنها تحولت 90 درجة ، مسؤولة عن النصف الأيمن من طيف الأثير. إشارة "Q" (القناة اليمنى) هي مجموع (مزيج) إشارتين: الإشارة المسؤولة عن النصف الأيمن من طيف الأثير ، والإشارة ، لكنها تحولت 90 درجة ، وهي مسؤولة عن النصف الأيسر من طيف الأثير. التبعيات المعكوسة هي أيضا متشابهة جدا. سأعرض هذه التحولات بشكل تجريدي باستخدام الصيغ الرياضية.

اسمحوا إعطاء إشارتين مختلفتين

$$

$$L = L (t) ، \ \ \ R = R (t).$$

وهي تمثل إشارات ، على التوالي ، لليسار وللنصف الأيمن من طيف البانوراما بالكامل ، كما ذكر أعلاه. حتى لا تتراكم الصيغ ، سيتم الإشارة إلى جميع الإشارات في المستقبل بدون حجة زمنية $$$t$ .

نشير $$$L_ {90}$ تحولت الإشارة $$$90 ^ \ circ$ و

$$

$$L_ {90} = f_ {90} (L).$$

وبالمثل

$$

$$R_ {90} = f_ {90} (R) ،$$

أين $$$f_ {90}$ - مشغل إشارة إزاحة الطور $$$90 ^ \ circ$ .

للمشغل $$$f_ \ alpha$ تحول عن طريق $$$\ alpha$ الخصائص الواضحة التالية مميزة:

1. الاستخدام المتسق لعامل النقل $$$f \ k$ مرات على الزوايا $$$\ alpha_1 و \ alpha_2 و \ dots و \ alpha_k$ يعطي تحول الزاوية $$$\ alpha$ يساوي مجموع الزوايا المذكورة أعلاه:

$$

$$f _ {\ alpha} = f _ {\ alpha_1} \ circ f _ {\ alpha_2} \ circ \ dots \ circ f _ {\ alpha_k} ، \ \ \ \ alpha = \ sum \ limits_ {i = 1} ^ k \ alpha_i .$$

2. اتساع الإشارة $$$S$ في $$$a$ يمكن تغيير الأوقات قبل أو بعد عامل التشغيل $$$f_ \ alpha$ ، في حين أن النتيجة لن تتغير:

$$

$$f_ \ alpha (a \ cdot S) = a \ cdot f_ \ alpha (S)$$

3. نتيجة تحول الإشارة $$$S$ يساوي المبلغ $$$k$ قطع من الإشارات $$$S_1 و S_2 و \ dots و S_k$ بزاوية $$$\ alpha$ يساوي مجموع نتائج التحول بنفس زاوية الإشارات أعلاه:

$$

$$f_ \ alpha (S) = \ sum \ limits_ {i = 1} ^ kf_ \ alpha (S_i) ، \ \ \ S = \ sum \ limits_ {i = 1} ^ kS_i.$$

4. إشارة $$$S$ تحولت المرحلة $$$180 ^ \ circ$ يعطي "الطور المضاد" للإشارة الأصلية:

$$

$$f_ {180} (S) = - S.$$

وفقا لبياني ،

$$

$$I = I (L، R) = L + f_ {90} (R) = L + R_ {90} ،$$

$$

$$Q = Q (L، R) = f_ {90} (L) + R = L_ {90} + R.$$

من هذا التمثيل ، يمكن استخراج الإشارات بشكل فريد. $$$L$ و $$$R$ مثل هذا:

$$

$$L = \ frac12 \ Big (I-f_ {90} (Q) \ Big)، \ \ \ \ \ (1)$$

$$

$$R = \ frac12 \ Big (Q-f_ {90} (I) \ Big). \ \ \ \ \ (2)$$

ليس من الصعب إثبات هذه الصيغ باستخدام الخصائص المذكورة أعلاه.

$$

$$\ frac12 \ Big (I-f_ {90} (Q) \ Big) = \ frac12 \ Big (L + R_ {90} -f_ {90} (L_ {90} + R) \ Big) =$$

$$

$$= \ frac12 \ Big (L + R_ {90} -f_ {90} (L_ {90}) - f_ {90} (R) \ Big) = \ frac12 \ Big (L + R_ {90} -f_ { 180} (L) -f_ {90} (R) \ Big) =$$

$$

$$= \ frac12 \ Big (L + R_ {90} + L-R_ {90} \ Big) = \ frac122L = L.$$

وبالمثل ل $$$R$ :

$$

$$\ frac12 \ Big (Q-f_ {90} (I) \ Big) = \ frac12 \ Big (L_ {90} + R-f_ {90} (L + R_ {90}) \ Big) =$$

$$

$$= \ frac12 \ Big (L_ {90} + R-f_ {90} (L) -f_ {90} (R_ {90}) \ Big) = \ frac12 \ Big (L_ {90} + R-f_ { 90} (L) -f_ {180} (R) \ Big) =$$

$$

$$= \ frac12 \ Big (L_ {90} + R-L_ {90} + R \ Big) = \ frac122R = R.$$

الآن دعونا نحاول التحقق من الصيغ التي تم الحصول عليها عمليًا باستخدام برنامج Adobe Audition. في الواقع ، هناك العديد من البرامج الأكثر ملاءمة لنمذجة الإشارات ، بدءًا من MatLab ، لكني أعمل في Adobe Audition. سنعمل مع جزء من إشارة I / Q ، والتي تم تصوير شكلها في لقطة الشاشة أعلاه. مطلوب من هذه الإشارة وفقًا للصيغ لتحديد الإشارة L ، التي تتوافق مع النصف الأيسر من الطيف في بانوراما SDR ، والإشارة R للنصف الأيمن. يمكن القيام بذلك بعدة طرق ، لكني سأفكر في إحداها.

تحتاج أولاً إلى حفظ الإشارة I والإشارة Q بشكل منفصل (القنوات اليسرى واليمنى كقناتين أحاديتين) في الملفين "i.wav" و "q.wav" ، على التوالي. ثم ، على كل ملف من الملفات المحفوظة ، قم بإجراء تغيير طور 90 درجة. يتم ذلك باستخدام تأثير "مرحلة التحول الرسومية" في قسم "الفلاتر". اختر من القائمة الإعداد المسبق "+90 درجة" وقم بالتطبيق.



في الواقع ، بشكل عام ، يمكنك تعيين استجابة مرحلة التردد يدويًا باستخدام رسم بياني ، لأن المعالجة تعتمد على FFT المباشر والعكسي. ولكن في هذه الحالة ، هذا ليس ضروريًا ، حيث يلزم تغيير 90 درجة من جميع مكونات التردد. بعد تطبيق التأثير ، نحفظ النتيجة في ملفات منفصلة باسم "i90.wav" و "q90.wav". ثم ، في وضع التشغيل "متعدد المسارات" ، نجمع مزيجًا استريوًا ، وفقًا للصيغتين (1) و (2). في القناة اليسرى - الصيغة الأولى ، وفي اليمين - الثانية. هناك مصطلحان في الصيغة ، والثاني بعلامة سلبية. المسار الأول هو المصطلح الأول في الصيغة الأولى. هناك نضع الإشارة المقابلة ، أو بالأحرى ، الملف ("i.wav"). المسار الثاني هو الحد الثاني من الصيغة الأولى ("q90.wav"). لكنه لا يزال بحاجة إلى "تعليق" تأثير الانقلاب. يمكن القيام بذلك باستخدام تأثير "Channel Mixer" وتعيينه كما هو موضح في الصورة. يتم إخراج كلا المسارين بالكامل إلى القناة اليسرى. وبالمثل بالنسبة للمسارين الثالث والرابع (الصيغة الثانية). يمكن إهمال العامل 1/2 في الصيغ ، فالعينات هادئة بالفعل. إذا كنت بحاجة إلى أخذها في الاعتبار ، فأنت بحاجة إلى تعيين حجم كل مسار إلى -6 ديسيبل.



بعد تصدير المزيج ، سيتم إنشاء ملف جديد ، يظهر طيفه في الشكل أدناه.



تمثل القناة اليسرى من هذا الملف إشارة تتوافق مع النصف الأيسر من طيف بانوراما البث الإذاعي. الحق - بالمثل. في الشكل الموجود في الطيف ، يُرى بصريًا أن القنوات تختلف إلى "مرآة" صغيرة ، والتي هي في حالتي ناجمة عن بعض الفروق الدقيقة الفنية.

وبالتالي ، يمكن "طي" أي إشارتين وفقًا للصيغ المذكورة أعلاه في تمثيل I / Q و "متحللة" مرة أخرى.

كل الأفكار المذكورة أعلاه لها الحق في الوجود ، ولكن في الواقع ، كل شيء أبسط بكثير (أو أكثر تعقيدًا). في وقت لاحق اكتشفت الحقائق الواضحة اليوم: إشارة I / Q هي شيء آخر غير إشارة معقدة عادية مع مكون حقيقي وخيالي. يمكن استدعاء مركب في كتلة SDR لجهاز الإرسال والاستقبال ، وإصدار بضع إشارات مع الفاصل ، مذبذب محلي معقد. غريب كما قد يبدو ، طيف إشارة I / Q المعقدة التي تدخل بطاقة الصوت لها مكون سلبي. عند تردد اعتيان يبلغ 48 كيلوهرتز ، سيكون نطاق الإشارة من -24 إلى 24 كيلوهرتز. الإشارة L ، التي استخلصتها من I / Q ، هي إشارة للجزء السلبي من طيف إشارة I / Q ، والإشارة R موجبة.

من الناحية العملية ، من المثير للاهتمام للغاية الحصول على إشارة من I / Q ليس زوجًا من الإشارات (في النصف) ، كما فعلت سابقًا ، ولكن إشارة بنفس النطاق 48 كيلوهرتز ، ولكن بحيث يقع الطيف تمامًا في نطاق التردد الإيجابي (قم بتحويل الطيف إلى اليمين بمقدار 24 كيلوهرتز) . ستكون هذه الإشارة بالفعل بتردد أخذ العينات 96 كيلو هرتز. للحصول على مثل هذه الإشارة باستخدام Adobe Audition ، من الضروري إجراء عملية تعديل التربيع وفقًا لخوارزمية معروفة. هذه العملية هي عكس عملية الكشف عن التربيعية ، والتي تحدث فقط في مسار SDR لجهاز الاستقبال على مستوى الأجهزة ، مما يؤدي إلى "تحويل" الطيف الكامل للإيثر اللاسلكي إلى اليسار بواسطة تردد المذبذب المحلي.

دعونا نحاول القيام بتعديل التربيعي في Adobe Audition ، مسترشداً بمخطط الكتلة المعروف أدناه.



سوف أصف الإجراءات التي تم القيام بها لفترة وجيزة. أولاً ، من أجل الشكليات ، تحتاج إلى زيادة حجم الملف الأصلي من 48 إلى 96 كيلوهرتز (على الرغم من أن هذا الإجراء اختياري في الواقع). ثم من الضروري إنشاء نغمة جيبية بتردد 24 كيلوهرتز في ملف فارغ (بتردد أخذ العينات 96 كيلوهرتز) بالحجم الكامل بنفس طول الجزء الأصلي من إشارة I / Q. ستكون هذه إشارة جيبية.



وبنفس الطريقة ، نقوم بإنشاء نغمة للملف الجديد الثاني ، ولكننا نغير فقط معلمة "مرحلة البدء" من 0 إلى 90. وبالتالي ، سيتم إنشاء إشارة جيب التمام. وفقًا لمخطط الكتلة ، من الضروري مضاعفة إشارة الجيب مع مكون "Q" وإشارة جيب التمام مع المكون "I" في أزواج ، ثم إضافة النتائج. أولاً ، انسخ المكون "Q" (القناة اليمنى) إلى الحافظة من إشارة I / Q الأصلية. ثم نستخدم الوظيفة من قائمة "تعديل" "Mix Insert مع المعلمات" Modulation "،" From Buffer 1 "، بعد تحديد منطقة الموجة بأكملها بجيوب.



بعد النقر على زر "OK" ، ستتضاعف إشارة الحافظة مع الإشارة المحددة. ستكون نتيجة الضرب مكان إشارة الجيب. نقوم بتنفيذ عمليات مماثلة لإشارة جيب التمام وقناة Q. ثم نمزج النتائج الناتجة في وضع "المسار المتعدد" ونصدر المزيج على الفور إلى "أحادي". والنتيجة هي إشارة تم تصوير طيفها في الشكل أدناه.



هذه هي بالضبط صورة نفس الطيف الذي تم رسمه على بانوراما SDR. باستخدام جميع العمليات الموضحة في هذه المقالة في Adobe Audition ، يمكنك تحديد أي محطة راديو ضيقة النطاق من سجل I / Q. في بعض الحالات ، قد تكون هناك حاجة إلى تعديلات صغيرة للعملية المذكورة أعلاه (إذا كان من الضروري قلب الطيف رأسًا على عقب). بالإضافة إلى ذلك ، ستحتاج إلى مرشح ممر الموجة ، AGC وتأثيرات أخرى حسب الحاجة.

في الختام ، تجدر الإشارة إلى بضع نقاط تتعلق بتقنية SDR. حتى الآن ، هناك ويمكن الوصول إليها حقًا SDRs مع "الرقمنة المباشرة" لنطاق التردد الراديوي بأكمله (مباشرة من إدخال الهوائي) حتى عدة جيجا هرتز. هو أكثر إثارة للاهتمام ومثالية. SDR من خلال بطاقة الصوت بالفعل "القرن الماضي". بالإضافة إلى ذلك ، أصبحت موضوعات مثل "موالف DVB كمستقبل SDR" و "SDR عبر الإنترنت" هي الأكثر شيوعًا الآن. من المؤكد أن معظم القراء الحديثين الذين سمعوا على الأقل بشيء عن حقوق السحب الخاصة سيعني ذلك بالضبط. لكن هذا موضوع مختلف تمامًا.