SDR pro QRP - 2.díl: Konečně něco jako SDR

Pak jsem objevil toto: Norcal NC2030 a schéma.
Konečně jsem našel něco, co vypadá jako SDR. Tohle by mohla být vážná konkurence pro NE602. Podívejme se tedy na zapojení. I když tohle bych ještě nenazval SDR, protože tam zatím není nic softwarového, používají se zde metody SDR pro práci se signálem.
Tak předně směšovač. Autorem celého TRX je Dan Tayloe, N7VE, který je i držitelem patentu na tento tzv. QSD mixer (Quadrature Sampling Detector). Nečekejte ode mě zde ani později jinde v seriálu, nějaké sofistikované definice nebo matematické důkazy toho, proč něco funguje tak a ne jinak. Vysokoškolskou matematikou a metodami frekvenční analýzy jsem se zabýval naposledy před více jak 40 lety na vysoké škole a hlubší znalosti obojího jsou obávám se nenávratně ztraceny.Navíc technikami digitálního zpracování signálu jsme se před 40 lety zabývat nemohli, ani na vysoké škole. Jak já těm mladým teď závidím, alespoň jeden semestr by se mi teď hodil, Hi.

QSD směšovač je základním stavebním kamenem tohoto typu SDR. Na vstupu je vysokofrekvenční signál z antény, na výstupu 2 magické signály "I" a "Q". Oba nesou stejnou informaci, jen posunutou fázově o 90°. Vznik těchto dvou fázově posunutých směšovacích produktů umožňuje quadraturní oscilátor, tedy oscilátor s dvěma výstupy o stejném kmitočtu, které jsou rovněž vůči sobě navzájem fázově posunuté o 90°.

QSD tvoří čtveřice FET spínačů. Ke každému z nich je připojen kondenzátor, který je nabíjen po 1/4 času. Na těchto 4 kondenzátorech tedy budou 4 signály posunuté vůči sobě vždy o 90°, tedy 0°, 90°, 180° a 270°. 0°/180° a 90°/270° jsou zrcadlové kmitočty, můžeme je tedy sečíst v operačních zesilovačích, na jejichž výstupech získáme kýžené signály: in-phase signal (I) a quadrature signal (Q). Metod, jak signály "I" a "Q" získat je více, ale tyto 2 signály jsou vlastně to "SDR". Někdo někde napsal, "dejte mi signály I a Q a já vám z nich vyrobím jakoukoliv modulaci". V celém zbytku seriálu se v podstatě nebudeme zabývat ničím jiným než prací (shromažďováním, sčítáním, odčítáním, dělením a násobením) se signály I a Q.

Na tomto zapojení mě zaujala ještě jedna věc a to metoda, s jakou se získává posun o 90° na výstupu oscilátoru. Obvod nazvaný ve schématu "RF Phase Splitter" je obyčejný Π článek. Toto zapojení zajistí to, že není potřeba oscilátor o 4 násobku kmitočtu a Johnsonův čítač, což je v podstatě dělička 4, která poskytuje výstupy 0° a 90° fázové posunuté. Takto si vystačíme s oscilátorem na základním kmitočtu, bohužel ale fázový posun na výstupu Π článku bude přesně 90° jen na jednom kmitočtu, čím více se budeme vzdalovat na jednu nebo druhou stranu od kmitočtu, pro který je Π článek nastaven, fázová odchylka se bude zvětšovat na plus nebo minus stranu od 90°. Tato fázová odchylka má podstatný vliv na výsledné potlačení opačného postranního pásma než je to, které chceme poslouchat. Autor s tím počítá, protože TRX bude pracovat jen v úzkém rozmezí telegrafní části daného pásma. Pokud se navíc budeme pohybovat jen pár kilohertz okolo volacích QRP kmitočtů, kde nejsou desítky stanic blízko sebe i úroveň těchto QRP signálu není vysoká, nižší hodnota potlačení opačného postranního pásma nebude na závadu.

Tento TRX používá fázovou metodu demodulace SSB signálu. Demodulátorem je čtveřice OZ nazvaná ve schématu "90° Shift Phasing Network". Větev "I" tohoto fázovacího článku přidá posun fáze o dalších 90° oproti větvi "Q". Po sečtení obou větví dojde k eliminaci USB signálu, protože pro "I" a "Q" budou mít přesně opačnou fázi a tudíž se navzájem vynulují, naopak pro LSB budou oba signály ve fázi, tudíž se zdvojnásobí. Fázovací článek může být takto jednoduchý, protože chceme pracovat jen v úzkém pásmu telegrafního NF filtru.

Pro demodulaci úplného SSB signálu už by byl článek nedostačující a zpravidla se konstruuje na minimalně 4 OZ v jedné větvi. Na dobré potlačení opačného postranního pásma je potřeba v takovémto "fázovači" používat teplotně stabilní COG nebo NP0 kondenzátory a nastavit odpory jejich sérioparalelním řazením na přesné hodnoty s přesností na desetiny procenta. To je docela limitující konstrukční problém, pokud chceme dosáhnout přiměřených parametrů, které budou respektovat m.j. i povolovací podmínky. Prohozením I a Q na vstupu fázovacího obvodu budeme demodulovat opačné postranní pásmo USB, LSB bude přiměřeně potlačeno.

Možná je to zbytečné a laskavému čtenáři je to jasné, ale chci jen připodotknout, že je patrné, že se jedná v podstatě o přímosměšující přijímač, protože kmitočet oscilátoru je na stejném kmitočtu jako kmitočet přijímaný +/- zázněj. Z praxe všichni vědí, že přímosměšující přijímač přijímá z podstaty funkce obě postranní pásma (je to tzv.DSB RX). Výše popsanou fázovou metodou se nám pomocí I a Q signálů a fázovacího článku, který přidá I nebo Q signálu další posun o 90°, podaří získat pouze jedno, námi zvolené postranní pásmo. Není to nic nového, je to metoda stará desítky let, jen se v současnosti již téměř nevyužívá. Myslím tím fázovou metodu v tomto "hardwarovém" zapojení.

Po tom, co jsem objevil toto zapojení jsem ještě nějakou dobu vyčkával, protože se mi zdálo, že je to jen takový experiment a hledal, kdo se toho "chytí" a zda to začne být využíváno v masovějším měřítku. A dočkal jsem se v podobě transceiveru QCX Hanse G0UPL z firmy QRP Labs. Hans dovedl zapojení k dokonalosti nejen využitím Si5351A jako oscilátoru, který přímo, bez nutnosti použít Johnsnův čítač, generuje kvadraturní signál (0° a 90°) přímo na základním kmitočtu, ale softwarem ATMELu, který nejen řídí oscilátor, ale má i několik měřících a pomocných funkcí, pomocí nichž lze transceiver při budování i měřit a nastavavovat. Dnes je již tato stavebnice CW TRXu dodávána i s pěknou krabičkou jako QCX+.

Hans slibuje i TRX QSX, který bude mít i SSB. Něco se už i objevilo např. tady: QSX nebo QCX-SSB . Zda je zapojení z githubu to, které bude Hans nakonec realizovat zatím moc jasné není, nicméně jakkoliv nechci předbíhat, je to úžasně zajímavá realizace SDR na 8 bitovém ATMELu a zatím jsem více informací nenašel, tak ani nerozumím, jak to funguje. Zvláště generování SSB signálu a jeho zesilování v PA třídy "E". Časem se jistě k tomu vrátím.

Jen pro úplnost bych ještě rád zmínil dva asi nejznámější zástupce SSB transceiverů, které mají společné to, že rovněž využívají QSD a fázovou metodu demodulace. Používá se zde ale pasivní fázovací článek složený jen z odporů a kondenzátorů. První z nich je JUMA TRX-2 finských konstruktérů Juha Niinikoski OH2NLT a Matti Hohtola OH7SV. Druhým z nich je zvláště u našich severních sousedů v PL oblíbený PILIGRIM . Zapojení pochází z Ruska, proto najdeme ve schématu azbuku. Zkuste si naklikat do košíku sadu kondenzátorů pro dva fázovací články třeba na farnellu nebo mouseru. Docela pálka, viďte? Cena se blíží ceně za 8 krystalový SSB filtr.

V závěru tohoto dílu seriálu se ještě podíváme na další metodu, jak demodulovat (modulovat) SSB signál. Jedná se o Weaver metodu, zvanout též "třetí" metoda (první je filtrová, za použití úzkého SSB krystalového, keramického nebo mechanického filtru, druhá je již výše popsaná metoda fázová, kdy se používá pasivní nebo aktivní fázovací článek). Velmi pěkně jsou poznatky o weaver metodě shromážděny na stránkách Weaver article library Hanse Summerse. Jsou zde podrobně popsány experimenty na přijímači pro pásmo 10m s demodulátorem, který využívá tuto 3.metodu, ale také historie tohoto typu demodulace, která sahá až do elektronkových dob. Téměř stejný přijímač jsem nalezl i na fóru CQHAM.ru SSB přijímač s Weaver demodulátorem . Uvedené fórum rozhodně doporučuji důkladněji prostudovat, je zde velké množství nápadů, nejen k problematice SDR. U obou zapojení mně okamžitě napadaly myšlenky, jak to celé udělat "lépe". Použít QSD a místo krystalu a děliček pro získání kvadraturního signálu pro weaver demodulátor použít přímo procesor, který by pomocí timeru a jeho "Output Compare Mode" tyto dva o 90° posunuté nf kmitočty generoval. Velmi jednoduše je pak možno přepínat postranní pásma. Stačí jen zajistit, aby na jednom výstupu pro LSB "předbíhal" signál ten na druhém výstupu, pro USB se pořadí prohodí.

Ale jak sami vidíte, stále zde popisuji něco, co používá metody SDR zpracování signálu, tedy pracuje se zde s těmi dvěma "I" a "Q" signály, ale veškeré jejich zpracování se děje "hardwarově".

Jak to udělat softwarem si začneme povídat už příště.