Eu aprendi sobre receptores e transceptores SDR de amadores de rádio há muito tempo, quando eu nem tinha Internet. Curiosamente, poucas pessoas realmente entenderam essa técnica. Por estar ocupado com o processamento de áudio naquela época, peguei a ideia e o princípio básico do SDR. Como eu entendi naquele momento, o SDR é um receptor de conversão direta comum, que inclui principalmente um mixer e um oscilador local de referência de frequência fixa ou sintonizável. A antena e a saída do oscilador local são alimentadas nas entradas do mixer e a saída do misturador é alimentada na placa de som. Devido ao fato de as estações possuírem uma banda estreita e a placa de som ser muito mais ampla, é possível, de alguma maneira, alterar programaticamente de estação para estação dentro de uma banda larga fixa de frequência. Além disso, é possível ao mesmo tempo processar o sinal recebido usando DSP. Eu já encontrei programas separados para DSP que processam o sinal da saída de baixa frequência do receptor de rádio (redução de ruído, filtro de banda estreita etc.). A ideia me pareceu bastante tentadora, e fiquei mais interessado nessa questão.
Depois de algum tempo, consegui montar meu próprio transceptor SDR de acordo com um dos esquemas que foram fornecidos a mim. Havia dois esquemas no total. Em um esquema, um gerador com quartzo comutável para a faixa de rádio amador desejada serviu como frequência de referência e o ajuste foi realizado de forma programática. O segundo circuito continha um sintetizador DDS, capaz de gerar qualquer frequência (dentro de seus limites), que é configurada do computador pelo programa de controle. É possível reconstruir o software e o hardware. Eu escolhi o segundo esquema. O programa de gerenciamento é muito sofisticado. Antes de tudo, ele permite não apenas ouvir a estação e ver seu espectro, mas também ver todo o espectro do sinal de banda larga que chega à placa de som. Além disso, você pode usar o mouse para reconstruir instantaneamente uma estação cujo espectro é visível na tela. Esse é um dos principais recursos do SDR. Em um dos presuntos que montaram o mesmo circuito diante de mim, observei completamente como tudo funciona na prática. A primeira coisa que me surpreendeu foi que os dois canais estão envolvidos na placa de som: L e R. Parece, e onde está o aparelho de som? No momento, eu entendo claramente isso, mas no momento em que a Internet em casas comuns das cidades provinciais estava apenas começando, praticamente não havia informações técnicas detalhadas. Além disso, a uma taxa de amostragem de uma placa de som de 48 kHz, a largura de visualização não é 24 (como eu pensava, de acordo com o teorema de Kotelnikov), mas todos os mesmos 48 kHz. Ninguém me deu uma explicação clara de por que isso é assim. Mas eu compreendi intuitivamente: isso é precisamente devido ao fato de os dois canais de som estarem envolvidos. Um sinal é transmitido através de um canal, digamos, da primeira metade de todo o espectro de visualização e ao longo do segundo, da segunda metade. Mas isso não é inteiramente verdade! Sabia-se da prática que, quando um dos dois canais desaparecer, a placa de som não desaparecerá na metade da tela do espectro, mas será observado um efeito de "espelho": o espectro adquirirá simetria em relação ao centro de todo o panorama espectral. E se você trocar de canal, todo o espectro será espelhado. Encontrei as respostas para todas as perguntas quando montei esse transceptor SDR. Considere um diagrama de blocos curto do caminho de recebimento do SDR.
O esquema é muito simples. Prestei atenção especial ao nó "Divisor por 4". O fato é que o mixer de teclas funciona no "modo de dois canais". Para selecionar um sinal estéreo especial (é chamado de sinal I / Q), é necessário aplicar dois sinais idênticos do oscilador local em frequência, mas 90 graus fora de fase. A mudança é alcançada devido à formação preliminar pelo sintetizador de uma frequência de 4 vezes mais e dividindo por 4 usando gatilhos (um clássico da microeletrônica digital). Vale a pena notar que o sinal tem uma forma de dente de serra (o comparador faz parte do sintetizador) e o mixer de teclas é um comutador convencional da mesma área lógica digital. Sem entrar em detalhes da estrutura de software e hardware SDR, direi imediatamente que o programa controla a reestruturação do sintetizador diretamente (sem um FPGA ou MK intermediário). Por meio do LPT, uma interface SPI é implementada de maneira semelhante ao programador AVR STK200 MK.
Então, eu descobri o esquema e o software, projetei e configurei tudo. Depois, usando o programa Adobe Audition 1.5, comecei a analisar o fragmento I / Q do sinal que gravei na saída do meu SDR, sintonizando a frequência de uma das bandas de rádio amador em algum lugar no meio. A figura mostra uma captura de tela do programa, que mostra o diagrama de fases e a visualização espectral do fragmento.
No espectro, você pode ver estações de banda estreita com uma largura de cerca de 3 kHz. Os canais esquerdo e direito são idênticos na aparência, mas diferentes na forma de onda, o que é confirmado pelo diagrama de fases. De ouvido, ambos os canais soam iguais se você os ouvir separadamente. Mas ouvindo ao mesmo tempo com fones de ouvido, você pode prestar atenção à mudança de fase. O valor da mudança de fase é de 90 graus. Pode-se adivinhar não apenas a partir da análise do diagrama, mas também a partir da análise do diagrama. Acima, prestei atenção ao fato de que o segundo canal é formado a partir do mixer de teclas após a "mistura" do sinal de entrada (da antena) com a frequência do sintetizador alterada em 90 graus na fase. No entanto, o canal direito não é um resultado direto de uma mudança de fase de 90 graus do canal esquerdo (também verificado). E mesmo do ponto de vista da “ciência da computação”, de fato, seria o mesmo sinal. E acima, concluiu-se que os sinais são diferentes, porque com uma frequência de amostragem de 48 kHz, também é obtida uma largura de banda de 48 kHz.
Observando o panorama da transmissão de rádio e simultaneamente o espectro do sinal I / Q no Adobe Audition no modo de gravação de áudio, pude entender que visualmente o espectro de cada canal é uma "convolução" de todo o espectro da transmissão de rádio em relação ao centro. Outras experiências no Adobe Audition com uma mudança de fase de 90 graus e várias combinações de canais de adição e subtração me ajudaram a entender tudo. O seguinte pensamento é confirmado empiricamente. O sinal “I” (canal esquerdo) é a soma (mistura) de dois sinais: o sinal responsável pela metade esquerda do espectro etéreo e o sinal, mas deslocou-se 90 graus, responsável pela metade direita do espectro etéreo. O sinal “Q” (canal direito) é a soma (mistura) de dois sinais: o sinal responsável pela metade direita do espectro etéreo e o sinal, mas mudou 90 graus, responsável pela metade esquerda do espectro etéreo. Dependências inversas também são muito semelhantes. Mostrarei essas transformações abstratamente usando fórmulas matemáticas.
Seja dado dois sinais diferentes
Eles representam sinais, respectivamente, para a metade esquerda e direita do espectro de todo o panorama, como mencionado acima. Para não acumular as fórmulas, no futuro todos os sinais serão indicados sem argumento de tempo
.
Nós denotamos
sinal deslocado por
e
Da mesma forma
onde
- operador de sinal de mudança de fase
.
Para o operador
mudar por
As seguintes propriedades óbvias são características:
1. Uso consistente do operador de turno
tempos nas esquinas
dá uma mudança de ângulo
igual à soma dos ângulos acima:
2. Amplitude de um sinal
em
os horários podem ser alterados antes ou depois do operador
, enquanto o resultado não será alterado:
3. O resultado da mudança de sinal
igual à soma
pedaços de sinais
em um ângulo
igual à soma dos resultados de uma mudança pelo mesmo ângulo dos sinais acima:
4. Sinal
fase deslocada por
dá a "antifase" do sinal original:
De acordo com minha declaração,
A partir dessa representação, os sinais podem ser extraídos exclusivamente.
e
assim:
Para provar essas fórmulas usando as propriedades acima, não é difícil.
Da mesma forma para
:
Agora, vamos tentar verificar as fórmulas obtidas na prática usando o programa Adobe Audition. De fato, existem muitos programas mais convenientes para modelar sinais, a partir do MatLab, mas eu trabalho no Adobe Audition. Trabalharemos com um fragmento do sinal I / Q, cuja forma foi representada na captura de tela acima. É necessário a partir deste sinal, de acordo com as fórmulas, para selecionar o sinal L, que corresponde à metade esquerda do espectro no panorama SDR, e o sinal R para a metade direita. Isso pode ser feito de várias maneiras, mas vou considerar uma delas.
Primeiro, você precisa salvar separadamente o sinal I e o sinal Q (canais esquerdo e direito como dois mono) nos arquivos “i.wav” e “q.wav”, respectivamente. Em seguida, sobre cada um dos arquivos salvos, execute uma operação de mudança de fase de 90 graus. Isso é feito usando o efeito "Graphic phase shift" na seção "Filters". Selecione na lista a predefinição predefinida “+90 Graus” e aplique.
De fato, em geral, você pode definir manualmente a resposta da fase de frequência usando um gráfico, porque o processamento é baseado na FFT direta e inversa. Mas, neste caso, isso não é necessário, pois é necessária uma mudança de 90 graus de todos os componentes de frequência. Após aplicar o efeito, salvamos o resultado em arquivos separados com os nomes "i90.wav" e "q90.wav". Em seguida, no modo de operação “Multitrack”, coletamos um mix estéreo, de acordo com as fórmulas (1) e (2). No canal esquerdo - a primeira fórmula e na direita - a segunda. Existem dois termos na fórmula, o segundo com um sinal negativo. A primeira faixa é o primeiro termo na primeira fórmula. Aí colocamos o sinal correspondente, ou melhor, o arquivo ("i.wav"). A segunda faixa é o segundo termo da primeira fórmula ("q90.wav"). Mas ele ainda precisa "travar" o efeito da inversão. Isso pode ser feito usando o efeito “Channel Mixer” e definido como mostrado na imagem. Ambas as faixas são totalmente enviadas para o canal esquerdo. Da mesma forma para a terceira e quarta faixas (segunda fórmula). O fator 1/2 nas fórmulas pode ser negligenciado, as amostras já estão silenciosas. Se você precisar levar isso em consideração, precisará definir o volume de cada faixa para -6 dB.
Após exportar o mix, um novo arquivo será criado, cujo espectro é mostrado na figura abaixo.
O canal esquerdo deste arquivo representa um sinal que corresponde à metade esquerda do espectro do panorama da transmissão de rádio. Certo - da mesma forma. Na figura do espectro, visualmente, é visto que os canais são diferentes até um pequeno "espelho", que no meu caso é causado por algumas nuances técnicas.
Assim, quaisquer dois sinais de acordo com as fórmulas acima podem ser "dobrados" na representação I / Q e "decompostos" de volta.
Todos os pensamentos acima têm o direito de existir, mas, de fato, tudo é muito mais simples (ou mais complicado). Mais tarde, descobri os fatos óbvios hoje: um sinal de I / Q é algo diferente de um sinal complexo comum com um componente real e imaginário. O sintetizador no bloco SDR do transceptor, emitindo alguns sinais juntamente com o divisor, pode ser chamado de oscilador local complexo. Por mais estranho que possa parecer, o espectro do sinal I / Q complexo que entra na placa de som tem um componente negativo. A uma frequência de amostragem de 48 kHz, a banda do sinal será de -24 a 24 kHz. O sinal L, extraído de I / Q, é um sinal para a parte negativa do espectro do sinal I / Q, e o sinal R é para o positivo.
Na prática, é muito mais interessante obter do sinal I / Q não um par de sinais (ao meio), como fiz antes, mas um sinal com a mesma banda de 48 kHz, mas para que o espectro fique completamente na faixa de frequência positiva (mude o espectro para a direita em 24 kHz) . Esse sinal já estará com uma frequência de amostragem de 96 kHz. Para obter esse sinal usando o Adobe Audition, é necessário executar uma operação de modulação em quadratura de acordo com um algoritmo conhecido. Esta operação é o oposto da operação de detecção de quadratura, que apenas acontece no caminho SDR do receptor no nível do hardware, “deslocando” todo o espectro do éter de rádio para a esquerda pela frequência do oscilador local.
Vamos tentar fazer a modulação em quadratura no Adobe Audition, guiado pelo conhecido diagrama de blocos abaixo.
Descreverei ações brevemente executadas. Primeiro, por formalidade, você precisa aumentar a amostra do arquivo original de 48 para 96 kHz (embora, de fato, esse procedimento seja opcional). Então é necessário gerar um tom senoidal com uma frequência de 24 kHz em um arquivo vazio (com uma frequência de amostragem de 96 kHz) no volume máximo, com o mesmo comprimento do fragmento original do sinal I / Q. Este será um sinal senoidal.
Da mesma forma, criamos um tom para o segundo novo arquivo, mas apenas alteramos o parâmetro "Start phase" de 0 para 90. Assim, um sinal de cosseno será criado. De acordo com o diagrama de blocos, é necessário multiplicar o sinal senoidal com o componente “Q” e o sinal cossenoalimentar com o componente “I” em pares e, em seguida, adicionar os resultados. Primeiro, copie o componente “Q” (canal direito) para a área de transferência a partir do sinal I / Q original. Em seguida, usamos a função no menu "Editar", "Mix Insert" com os parâmetros "Modulation", "From Buffer 1", após selecionar toda a região da onda com um seno.
Depois de clicar no botão "OK", o sinal da área de transferência se multiplicará com o sinal selecionado. O resultado da multiplicação estará no lugar do sinal senoidal. Realizamos operações semelhantes para o sinal de cosseno e o canal Q. Em seguida, misturamos os resultados resultantes no modo "Multi Track" e exportamos imediatamente o mix para "mono". O resultado é um sinal cujo espectro é representado na figura abaixo.
Esta é precisamente a imagem do mesmo espectro que é desenhada no panorama SDR. Usando todas as operações descritas neste artigo no Adobe Audition, você pode selecionar qualquer estação de rádio de banda estreita em um registro I / Q. Em alguns casos, pequenas modificações da operação acima podem ser necessárias (se for necessário virar o espectro de cabeça para baixo). Além disso, você precisará de um filtro passa-banda, AGC e outros efeitos, conforme necessário.
Concluindo, vale destacar alguns pontos em relação à técnica SDR. Até o momento, existem e existem SDRs bastante acessíveis com "digitalização direta" de toda a banda de frequência de rádio (diretamente da entrada da antena) até vários gigahertz. É muito mais interessante e perfeito. O SDR através de uma placa de som já é "o último século". Além disso, tópicos como “sintonizador DVB como receptor SDR” e “SDR online” agora são os mais populares. Certamente, a maioria dos leitores modernos que ouviram pelo menos algo sobre SDR significará exatamente isso. Mas este é um tópico completamente diferente.