☮️ 🚴🏼 👃🏾 Memeriksa sinyal I / Q dengan SDR menggunakan Adobe Audition 🏝️ ➡️ 💎

Saya belajar tentang penerima dan transceiver SDR dari amatir radio sejak lama, ketika saya bahkan tidak memiliki internet. Anehnya, hanya sedikit orang yang benar-benar memahami teknik ini. Sedang sibuk dengan pemrosesan audio pada waktu itu, saya menangkap ide dan prinsip dasar SDR. Seperti yang saya pahami pada saat itu, SDR adalah penerima konversi langsung biasa, yang terutama mencakup mixer dan osilator lokal referensi frekuensi tetap atau yang dapat disetel. Antena dan output osilator lokal diumpankan ke input mixer, dan output mixer diumpankan ke kartu suara. Karena kenyataan bahwa stasiun memiliki pita sempit, dan kartu suara jauh lebih luas, dimungkinkan untuk mengubah pemrograman dari stasiun ke stasiun dalam pita frekuensi tetap lebar. Selain itu, dimungkinkan pada saat yang sama untuk memproses sinyal yang diterima menggunakan DSP. Saya telah menemukan program terpisah untuk DSP yang memproses sinyal dari output frekuensi rendah dari penerima radio (pengurangan noise, filter pita sempit, dll.). Bagi saya, ide itu agak menggoda, dan saya menjadi lebih tertarik dengan masalah ini.

Setelah beberapa waktu, saya berhasil mengumpulkan transceiver SDR saya sendiri sesuai dengan salah satu skema yang disediakan untuk saya. Ada dua skema secara total. Dalam satu skema, generator dengan kuarsa yang dapat dialihkan ke rentang radio amatir yang diinginkan berfungsi sebagai frekuensi referensi, dan penyetelan dilakukan secara terprogram. Sirkuit kedua berisi synthesizer DDS, yang mampu menghasilkan frekuensi apa pun (dalam batas-batasnya), yang ditetapkan dari komputer oleh program kontrol. Dimungkinkan untuk membangun kembali perangkat lunak dan perangkat keras. Saya memilih skema kedua. Program manajemen sangat canggih. Pertama-tama, ini memungkinkan tidak hanya untuk mendengar stasiun dan melihat spektrumnya, tetapi juga untuk melihat seluruh spektrum sinyal broadband yang datang ke kartu suara. Selain itu, Anda dapat menggunakan mouse untuk membangun kembali secara instan ke stasiun yang spektrumnya terlihat di layar. Ini adalah salah satu fitur utama SDR. Di salah satu ham yang merakit sirkuit yang sama di depan saya, saya benar-benar memperhatikan bagaimana semuanya bekerja dalam praktek. Hal pertama yang mengejutkan saya adalah kedua saluran terlibat dalam kartu suara: L dan R. Tampaknya, dan di mana stereo? Saat ini, saya jelas memahami hal ini, tetapi pada saat Internet di rumah-rumah biasa di kota-kota provinsi masih dalam masa pertumbuhan, praktis tidak ada informasi teknis yang terperinci. Selain itu, pada tingkat pengambilan sampel kartu suara 48 kHz, lebar tampilan tidak 24 (seperti yang saya pikir, menurut teorema Kotelnikov), tetapi semuanya sama 48 kHz. Tidak ada yang memberi saya penjelasan yang jelas mengapa demikian. Tapi saya secara intuitif mengerti: ini karena fakta bahwa kedua saluran suara terlibat. Sinyal ditransmisikan melalui satu saluran, katakanlah, dari paruh pertama dari seluruh spektrum penglihatan, dan di sepanjang yang kedua, dari paruh kedua. Tetapi ini tidak sepenuhnya benar! Dari praktik diketahui bahwa ketika salah satu dari dua saluran menghilang, kartu suara tidak akan hilang di layar setengah dari spektrum, tetapi efek "cermin" akan diamati: spektrum akan memperoleh simetri sehubungan dengan pusat seluruh panorama spektral. Dan jika Anda bertukar saluran, seluruh spektrum akan dicerminkan. Saya menemukan jawaban untuk semua pertanyaan sendiri ketika saya mengumpulkan transceiver SDR ini. Pertimbangkan diagram blok pendek dari jalur penerimaan SDR.

Skema ini sangat sederhana. Saya memberi perhatian khusus pada simpul "Divider by 4". Faktanya adalah bahwa mixer kunci bekerja dalam "mode dua saluran". Untuk memilih sinyal stereo khusus (ini disebut sinyal I / Q), perlu untuk menerapkan dua sinyal identik dari osilator lokal dalam frekuensi, tetapi 90 derajat keluar dari fase. Pergeseran ini dicapai karena pembentukan awal oleh synthesizer frekuensi 4 kali lebih banyak dan membaginya dengan 4 menggunakan pemicu (klasik mikroelektronika digital). Perlu dicatat bahwa sinyal memiliki bentuk gigi gergaji (komparator adalah bagian dari synthesizer), dan mixer kunci adalah saklar biasa dari bidang logika digital yang sama. Tanpa membahas detail perangkat lunak SDR dan struktur perangkat keras, saya akan langsung mengatakan bahwa program tersebut mengontrol restrukturisasi synthesizer secara langsung (tanpa FPGA atau MK perantara). Melalui LPT, antarmuka SPI diimplementasikan sama seperti untuk programmer AVR STK200 MK.

Jadi, saya menemukan skema dan perangkat lunak, merancang dan mengkonfigurasi semuanya. Kemudian, dengan menggunakan program Adobe Audition 1.5, saya mulai menganalisis fragmen I / Q dari sinyal yang saya rekam dari output SDR saya, mencari frekuensi salah satu band radio amatir di suatu tempat di tengah. Gambar tersebut menunjukkan tangkapan layar program, yang menunjukkan diagram fase dan tampilan spektral fragmen.

Pada spektrum Anda dapat melihat stasiun-band sempit dengan lebar sekitar 3 kHz. Saluran kiri dan kanan identik dalam penampilan, tetapi berbeda dalam bentuk gelombang, yang dikonfirmasi oleh diagram fase. Di telinga, kedua saluran terdengar sama jika Anda mendengarkannya secara terpisah. Tetapi mendengarkan pada saat yang sama dengan headphone, Anda dapat memperhatikan pergeseran fase. Nilai pergeseran fasa adalah 90 derajat. Orang dapat menebak tidak hanya dari analisis diagram, tetapi juga dari analisis diagram. Di atas, saya memperhatikan fakta bahwa saluran kedua terbentuk dari mixer kunci setelah "campuran" dari sinyal input (dari antena) dengan frekuensi synthesizer bergeser dalam fase 90 derajat. Namun, saluran yang tepat bukan merupakan hasil langsung dari pergeseran fasa 90 derajat dari saluran kiri (juga diperiksa). Dan bahkan dari sudut pandang "ilmu komputer", pada kenyataannya, itu akan menjadi sinyal yang sama. Dan di atas disimpulkan bahwa sinyal berbeda, karena dengan frekuensi sampling 48 kHz, bandwidth 48 kHz juga diperoleh.

Menonton panorama siaran radio dan secara bersamaan spektrum sinyal I / Q dalam Adobe Audition dalam mode perekaman audio, saya dapat memahami bahwa secara visual spektrum setiap saluran adalah "konvolusi" dari seluruh spektrum siaran radio relatif ke pusat. Eksperimen lebih lanjut dalam Adobe Audition dengan pergeseran fasa 90 derajat dan berbagai kombinasi saluran tambah dan kurangi membantu saya memahami semuanya. Pikiran berikut ini dikonfirmasi secara empiris. Sinyal "I" (saluran kiri) adalah jumlah (campuran) dari dua sinyal: sinyal yang bertanggung jawab untuk setengah kiri spektrum eter, dan sinyal, tetapi bergeser 90 derajat, bertanggung jawab atas setengah kanan spektrum eter. Sinyal "Q" (saluran kanan) adalah jumlah (campuran) dari dua sinyal: sinyal yang bertanggung jawab untuk bagian kanan dari spektrum eter, dan sinyal, tetapi bergeser 90 derajat, bertanggung jawab untuk bagian kiri dari spektrum eter. Ketergantungan terbalik juga sangat mirip. Saya akan menunjukkan transformasi ini secara abstrak menggunakan rumus matematika.

Biarkan dua sinyal berbeda diberikan

L = L (t), R = R (t) .

$L = L (t), \ \ \ R = R (t).$

Mereka mewakili sinyal, masing-masing, untuk bagian kiri dan untuk bagian kanan dari spektrum seluruh panorama, sebagaimana disebutkan di atas. Agar tidak menumpuk formula, di masa depan semua sinyal akan dilambangkan tanpa argumen waktu

t

$t$ .

Kami menunjukkan

L_{90}

$L_ {90}$ sinyal digeser oleh

90^{} c i r c

$90 ^ \ circ$ , dan

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

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

Begitu pula

R_{90} = f_{90} (R),

$R_ {90} = f_ {90} (R),$

dimana

f_{90}

$f_ {90}$ - operator sinyal pergeseran fasa

90^{} c i r c

$90 ^ \ circ$ .

Untuk operator

f_{} a l p h a

$f_ \ alpha$ bergeser dengan

a l p h a

$\ alpha$ Properti jelas berikut adalah karakteristik:

1. Penggunaan yang konsisten dari operator shift

f k

$f \ k$ kali di sudut

a l p h a_{1}, a l p h a_{2}, d o t s, a l p h a_{k}

$\ alpha_1, \ alpha_2, \ dots, \ alpha_k$ memberikan perubahan sudut

a l p h a

$\ alpha$ sama dengan jumlah sudut di atas:

f_{a l p h a} = f_{a l p h a_{1}} c i r c f_{a l p h a_{2}} c i r c d o t s c i r c f_{a l p h a_{k}}, a l p h a = j u m l a h l i m i t_{i = 1}^{k} a l p h a_{i} .

$f _ {\ alpha} = f _ {\ alpha_1} \ circ f _ {\ alpha_2} \ circ \ dots \ circ f _ {\ alpha_k}, \ \ \ \ alpha = \ jumlah \ limit_ {i = 1} ^ k \ alpha_i .$

2. Amplitudo sinyal

S

$S$ masuk

a

$a$ waktu dapat diubah sebelum atau sesudah operator

f_{} a l p h a

$f_ \ alpha$ , sementara hasilnya tidak akan berubah:

f_{} a l p h a (a c d o t S) = a c d o t f_{} a l p h a (S)

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

3. Hasil pergeseran sinyal

S

$S$ sama dengan jumlah

k

$k$ potongan sinyal

S_{1}, S_{2}, d o t s, S_{k}

$S_1, S_2, \ dots, S_k$ secara miring

a l p h a

$\ alpha$ sama dengan jumlah hasil pergeseran dengan sudut yang sama dari sinyal di atas:

f_{} a l p h a (S) = j u m l a h l i m i t_{i = 1}^{k} f_{} a l p h a (S_{i}), S = j u m l a h l i m i t_{i = 1}^{k} S_{i} .

$f_ \ alpha (S) = \ jumlah \ limit_ {i = 1} ^ kf_ \ alpha (S_i), \ \ \ S = \ jumlah \ limit_ {i = 1} ^ kS_i.$

4. Sinyal

S

$S$ fase digeser oleh

180^{} c i r c

$180 ^ \ circ$ memberikan "antiphase" dari sinyal asli:

f_{180} (S) = - S .

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

Menurut pernyataan saya,

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

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

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

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

Dari representasi ini, sinyal dapat diekstraksi secara unik.

L

$L$ dan

R

$R$ seperti ini:

L = f r a c 12 B e s a r (I - f_{90} (Q) B e s a r), (1)

$L = \ frac12 \ Besar (I-f_ {90} (Q) \ Besar), \ \ \ \ \ (1)$

R = f r a c 12 B e s a r (Q - f_{90} (I) B e s a r) . (2)

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

Untuk membuktikan formula ini menggunakan properti di atas tidak sulit.

f r a c 12 B e s a r (I - f_{90} (Q) B e s a r) = f r a c 12 B e s a r (L + R_{90} - f_{90} (L_{90} + R) B e s a r) =

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

= f r a c 12 B e s a r (L + R_{90} - f_{90} (L_{90}) - f_{90} (R) B e s a r) = f r a c 12 B e s a r (L + R_{90} - f_{180} (L) - f_{90} (R) B e s a r) =

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

= f r a c 12 B e s a r (L + R_{90} + L - R_{90} B e s a r) = f r a c 122 L = L .

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

Demikian pula untuk

R

$R$ :

f r a c 12 B e s a r (Q - f_{90} (I) B e s a r) = f r a c 12 B e s a r (L_{90} + R - f_{90} (L + R_{90}) B e s a r) =

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

= f r a c 12 B e s a r (L_{90} + R - f_{90} (L) - f_{90} (R_{90}) B e s a r) = f r a c 12 B e s a r (L_{90} + R - f_{90} (L) - f_{180} (R) B e s a r) =

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

= f r a c 12 B e s a r (L_{90} + R - L_{90} + R B i g) = f r a c 122 R = R .

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

Sekarang mari kita coba verifikasi formula yang diperoleh dalam praktek menggunakan program Adobe Audition. Sebenarnya, ada banyak program yang lebih nyaman untuk memodelkan sinyal, mulai dari MatLab, tetapi saya bekerja di Adobe Audition. Kami akan bekerja dengan sebuah fragmen dari sinyal I / Q, yang bentuknya digambarkan dalam tangkapan layar di atas. Diperlukan dari sinyal ini sesuai dengan formula untuk memilih sinyal L, yang sesuai dengan bagian kiri spektrum dalam panorama SDR, dan sinyal R untuk bagian kanan. Ini bisa dilakukan dengan banyak cara, tetapi saya akan mempertimbangkan salah satunya.

Pertama, Anda perlu menyimpan secara terpisah sinyal I dan sinyal Q (saluran kiri dan kanan sebagai dua mono) di masing-masing file "i.wav" dan "q.wav". Kemudian, di atas masing-masing file yang disimpan, lakukan operasi pemindahan fase 90 derajat. Ini dilakukan menggunakan efek "Grafik fase pergeseran" di bagian "Filter". Pilih dari daftar "+90 Derajat" yang telah ditetapkan sebelumnya dan terapkan.

Pada kenyataannya, secara umum, Anda dapat secara manual mengatur respons fase-frekuensi menggunakan grafik, karena pemrosesan didasarkan pada FFT langsung dan terbalik. Tetapi dalam hal ini, ini tidak perlu, karena diperlukan pergeseran 90 derajat dari semua komponen frekuensi. Setelah menerapkan efek, kami menyimpan hasilnya dalam file terpisah dengan nama "i90.wav" dan "q90.wav". Kemudian, dalam mode pengoperasian "Multitrack", kami mengumpulkan campuran stereo, sesuai dengan rumus (1) dan (2). Di saluran kiri - formula pertama, dan di kanan - yang kedua. Ada dua istilah dalam rumus, yang kedua dengan tanda negatif. Lagu pertama adalah istilah pertama dalam rumus pertama. Di sana kami menaruh sinyal yang sesuai, atau lebih tepatnya, file ("i.wav"). Lagu kedua adalah istilah kedua dari rumus pertama ("q90.wav"). Tapi dia masih perlu "menggantung" efek inversi. Ini dapat dilakukan dengan menggunakan efek "Channel Mixer" dan mengatur seperti yang ditunjukkan pada gambar. Kedua trek sepenuhnya output ke saluran kiri. Demikian pula untuk trek ketiga dan keempat (formula kedua). Faktor 1/2 dalam formula dapat diabaikan, sampel sudah tenang. Jika Anda perlu memperhitungkannya, Anda perlu mengatur volume setiap trek ke -6 dB.

Setelah mengekspor campuran, file baru akan dibuat, spektrumnya ditunjukkan pada gambar di bawah ini.

Saluran kiri file ini merupakan sinyal yang sesuai dengan bagian kiri spektrum panorama siaran radio. Benar - sama halnya. Pada gambar pada spektrum terlihat secara visual bahwa saluran berbeda hingga "cermin" kecil, yang dalam kasus saya disebabkan oleh beberapa nuansa teknis.

Dengan demikian, setiap dua sinyal sesuai dengan rumus di atas dapat "dilipat" ke dalam representasi I / Q dan "didekomposisi" kembali.

Semua pemikiran di atas memiliki hak untuk hidup, tetapi pada kenyataannya, semuanya jauh lebih sederhana (atau lebih rumit). Kemudian saya menemukan fakta-fakta yang jelas hari ini: sinyal I / Q adalah sesuatu selain sinyal kompleks biasa dengan komponen nyata dan imajiner. Synthesizer di blok SDR transceiver, mengeluarkan beberapa sinyal bersama dengan pembagi, dapat disebut osilator lokal yang kompleks. Anehnya, spektrum sinyal I / Q yang kompleks yang masuk ke kartu suara memiliki komponen negatif. Pada frekuensi sampling 48 kHz, pita sinyal akan dari -24 hingga 24 kHz. Sinyal L, yang saya ekstrak dari I / Q, adalah sinyal untuk bagian negatif dari spektrum sinyal I / Q, dan sinyal R adalah untuk positif.

Dalam praktiknya, jauh lebih menarik untuk mendapatkan dari sinyal I / Q bukan sepasang sinyal (dalam setengah), seperti yang saya lakukan sebelumnya, tetapi sinyal dengan band 48 kHz yang sama, tetapi agar spektrum terletak sepenuhnya pada rentang frekuensi positif (menggeser spektrum ke kanan dengan 24 kHz) . Sinyal semacam itu sudah akan dengan frekuensi sampling 96 kHz. Untuk mendapatkan sinyal seperti itu menggunakan Adobe Audition, perlu untuk melakukan operasi modulasi quadrature sesuai dengan algoritma yang dikenal. Operasi ini adalah kebalikan dari operasi pendeteksian quadrature, yang terjadi begitu saja di jalur SDR penerima pada tingkat perangkat keras, “menggeser” seluruh spektrum radio eter ke kiri oleh frekuensi osilator lokal.

Mari kita coba melakukan modulasi quadrature di Adobe Audition, dipandu oleh diagram blok terkenal di bawah ini.

Saya akan menjelaskan tindakan yang dilakukan secara singkat. Pertama, untuk formalitas, Anda perlu mengganti file asli dari 48 hingga 96 kHz (meskipun, pada kenyataannya, prosedur ini opsional). Maka perlu untuk menghasilkan nada sinusoidal dengan frekuensi 24 kHz dalam file kosong (dengan frekuensi sampling 96 kHz) pada volume penuh dengan panjang yang sama dengan fragmen asli dari sinyal I / Q. Ini akan menjadi sinyal sinus.

Dengan cara yang sama, kami membuat nada untuk file baru kedua, tetapi hanya mengubah parameter "Fase awal" dari 0 hingga 90. Dengan demikian, sinyal kosinus akan dibuat. Menurut diagram blok, perlu untuk melipatgandakan sinyal sinus dengan komponen "Q" dan sinyal kosinus dengan komponen "I" berpasangan, kemudian menambahkan hasilnya. Pertama, salin komponen "Q" (saluran kanan) ke clipboard dari sinyal I / Q asli. Kemudian kita menggunakan fungsi dari menu "Edit" "Mix Insert dengan parameter" Modulation "," From Buffer 1 ", setelah memilih seluruh wilayah gelombang dengan sinus.

Setelah mengklik tombol "OK", sinyal clipboard akan berlipat ganda dengan sinyal yang dipilih. Hasil penggandaan akan menggantikan sinyal sinus. Kami melakukan operasi serupa untuk sinyal kosinus dan saluran Q. Kemudian kami mencampur hasil yang dihasilkan dalam mode "Multi Track" dan segera mengekspor mix ke "mono". Hasilnya adalah sinyal yang spektrumnya digambarkan pada gambar di bawah ini.

Inilah tepatnya gambar dari spektrum yang sama yang digambar pada panorama SDR. Menggunakan semua operasi yang dijelaskan dalam artikel ini di Adobe Audition, Anda dapat memilih stasiun radio narrowband dari catatan I / Q. Dalam beberapa kasus, modifikasi kecil dari operasi di atas mungkin diperlukan (jika perlu untuk membalikkan spektrum). Plus, Anda akan memerlukan bandpass filter, AGC, dan efek lainnya sesuai kebutuhan.

Sebagai kesimpulan, perlu dicatat beberapa poin tentang teknik SDR. Hingga saat ini, ada dan merupakan SDR yang cukup mudah diakses dengan "digitalisasi langsung" dari seluruh pita frekuensi radio (langsung dari input antena) hingga beberapa gigahertz. Itu jauh lebih menarik dan sempurna. SDR melalui kartu suara sudah "abad terakhir". Selain itu, topik seperti "DVB tuner sebagai penerima SDR", "SDR online" sekarang menjadi yang paling populer. Tentunya sebagian besar pembaca modern yang telah mendengar setidaknya sesuatu tentang SDR akan sangat berarti. Tapi ini topik yang sangat berbeda.

Memeriksa sinyal I / Q dengan SDR menggunakan Adobe Audition

More articles: