Superhet, SDR s přímým vzorkováním, nebo hybridní SDR? Který je nejlepší?

Softwarově definované rádia (SDR) se v posledních letech stala mezi radioamatéry populární. Mnozí je vlastní a ti, kteří je nevlastní, o nich určitě slyšeli. Co je to přijímač SDR a proč byste ho mohli chtít místo tradičního analogového rádia?

Pro snadnější pochopení a orientaci bude následující popis, kde se také zmíníme o výhodách a nevýhodách každého z nich.  Abychom pochopili jednotlivé typy přijímačů, musíme se podívat na jejich obvody a vlastnosti.

Zde jsou tři hlavní typy, i když některé z nich nezapadají přesně do konkrétní kategorie.
 
 Superheterodyn neboli Superhet je typ přijímače, který využívá směšování frekvencí k převodu přijímaného signálu na pevnou mezifrekvenci (IF), kterou lze snáze zpracovat než původní nosnou frekvenci. Tradiční superhet přijímač pracuje s použitím běžných rádiových součástek, nikoli softwaru.

Zde je blokové schéma typického superhetrodynového (superhet) přijímače:

Výše uvedené schéma znázorňuje superhet přijímač s dvojitou konverzí (směšováním) Využívá se více konverzních stupňů, obvykle dva nebo tři a další obvody pro zajištění požadované úrovně výkonu. Příkladem koncepce superhetu je Kenwood TS-590SG nebo FT-817/818, FT-891.

Přijímač – superhet začíná anténním konektorem na vstupu, který se sestává z pásmových filtrů které blokují nežádoucí mimopásmové silné VF signály, VF zesilovače, který zesiluje velmi slabé signály zachycené anténou. Příchozí signál se ve směšovači směšuje s jediným kmitočtem z místního oscilátoru a signály se převedou na novou frekvenci nazývanou mezifrekvenčním kmitočtem, který se dále zesiluje a filtruje. Tento mezifrekvenční kmitočet je opět směšován s kmitočtem z druhého oscilátoru , následně zesílen a filtrován.

Následuje demodulátor ve kterém se získává z modulovaného vysokofrekvenčního nosného signálu zpět původní modulační signál. Podstata demodulace spočívá v oddělení vysokofrekvenčního nosného signálu od nízkofrekvenčního modulačního signálu.

Demodulátor může být určen pro amplitudovou modulaci (AM), jedno postranní pásmo (SSB), frekvenční modulaci (FM) nebo jakýkoli jiný režim. Je také možné přepínat mezi různými demodulátory podle režimu, který je přijímán. Poslední součástí blokového schématu superhetu přijímače je nízkofrekvenční zesilovač.

Je nutné dodat, že konstrukčně existuje provedení tzv. UP – convertor, což je typ superhetu, jehož mezifrekvenční kmitočet leží nad celým přijímaným pásmem. Pro krátkovlnné přijímače (transceivery) se používá právě „vysoká“ 1.mezifrekvence cca 70MHz.  Výhodou tohoto řešení je potlačení zrcadlových příjmů. 

Direct sampling SDR, neboli „přímé vzorkování.“ U softwarově definovaného přijímače (SDR) se veškeré rádiové ovládáni a zpracování signálu provádí prostřednictvím softwaru. Funkce, jako je změna kmitočtu, volba filtrů a změna pásem, již neprovádí samotný rádiový hardware. Hardware se stává méně složitým díky eliminaci obvodů, které by normálně byly v tradičním superhetovém rádiu. Díky digitálním obvodům se snižuje šum, zkreslení a ztráty signálu, které se vyskytují v každém následujícím stupni superhetů.

Na obrázku níže je blokové schéma přijímače SDR:

IC-7300 využívá systém přímého vzorkování VF, kdy jsou VF signály přímo převáděny na digitální data. Při pohledu na schéma vidíte, že příchozí signál neztrácí čas přechodem z analogového na digitální. Přijaté signály jsou filtrovány, zesíleny a poté odeslány do analogově-digitálního převodníku (ADC). Poté jsou přivedeny do programovatelného hradlového pole (FPGA), kde jsou převedeny.
 
 Protože není nutná konverze frekvence, je celková konstrukce přijímače s přímým vzorkováním VF mnohem jednodušší ve srovnání se superhetem. ADC v podstatě nahrazuje směšovač, oscilátor a celý řetězec mezifrekvenčního signálu, který se nachází v přijímačích koncepce superhet. Protože mají méně součástí, mohou být přijímače s přímým vzorkováním VF zabudovány do kompaktnějších transceiverů.
 
 Část digitálního signálového procesoru (DSP) SDR, který je řízen softwarově, provádí směšování, filtraci a demodulaci, které se v tradiční radiostanici provádějí analogovým hardwarem. Pokud se podíváte na blokové schéma funkcí DSP, byly by v podstatě stejné jako v tradičním superhetovém přijímači. Velkou výhodou je, že můžete za provozu měnit různé parametry, například šířku a tvar filtru, automatické řízení zesílení (AGC) atd. Pro porovnání je zde blokové schéma Yaesu FT-710:

Závěr? FI-710 i IC-7300 jsou obě zařízení Direct sampling SDR.  Tedy vzájemná konkurence 2 výrobců. Již brzy poznáme kdo je vítěz.
 
Hybridní SDR je rádiový systém, který ke zpracování rádiového signálu využívá kombinaci běžných analogových komponent (všimněte si např. použití směšovače – mixeru) softwarových a digitálních technologií.

Na obrázku níže je blokové schéma hybridní radiostanice Yaesu FTDX10:

U hybridního SDR je VF signál nejprve zesílen a poté transformován pomocí analogového obvodu na rozsah, který může být zpracován ADC. Před ADC může být přidán zesilovač, který zajistí určité zesílení. FPGA pak zpracovává digitální výstup z ADC a předává jej DSP.

Výhody a nevýhody superhetu

Superheterodynní přijímače mají stále své místo na trhu. Ty lepší nabízejí vynikající selektivitu a citlivost, které konkurují rádiím SDR. Jsou také odolné vůči některým problémům, které se vyskytují u přijímačů s přímou konverzí. Jsou však pomalu vytlačovány z trhu kvůli přidaným funkcím a pokračujícímu snižování cen SDR/Hybridních transceiverů

Klady

Stupně IF převádějí vysoké frekvence na nízké, takže veškeré zpracování signálu probíhá na nižších frekvencích – lepší výsledky.

V porovnání s VF signálem je snazší filtrovat mezifrekvenční signál.

Nabízí vynikající citlivost přijímače.

Nevýhody

Vyžaduje více místních oscilátorů a VF směšovačů pro převod signálů z VF na mezifrekvenci před převodem do základního pásma kmitočtů a demodulací. To zvyšuje celkové náklady.

Přijímače jsou obecně rozměrově větší, protože vyžadují více součástek.

Výhody a nevýhody hybridních SDR

Hybridní konstrukce SDR je prakticky ukázkou  možností SDR techniky vzhledem k současnému stavu VF digitální technologie. Vysokorychlostní ADC a DAC převodníky s vysokým rozlišením jsou stále poněkud drahé a hybridní architektura je rozpočtově úsporný způsob, jak zlepšit výkon přijímače. Tato konstrukce také kombinuje silné stránky superhetů i SDR přijímačů, stejně jako některé omezující nedostatky.

Klady

Vhodná VF signálová konverze před stupněm A/D převodníku může zajistit lepší dynamický rozsah než jednoduchá přímá konverze SDR.

Nevýhody

Každé analogové zpracování přináší určitý šum, který se u přímého vzorkování eliminuje. Na druhou stranu hybridní přístup umožňuje vložit před A/D převodník roofing filtr, což může výrazně zlepšit příjem.

Hybridní SDR nesampluje celé spektrum jako SDR s přímým vzorkováním

Výhody a nevýhody přímého vzorkování RF (VF) SDR tzv. Direct sampling SDR.

Přijímač SDR s přímým vzorkováním VF se v podstatě skládá z nízkošumového zesilovače (LNA), potřebných filtrů a ADC. ADC přímo digitalizuje VF signál a posílá jej do procesoru. ADC v podstatě nahrazuje směšovač, oscilátor a celý řetězec mezifrekvenčního signálu, který se nachází v superhetech. Protože mají méně hardwarových komponent, lze přijímače s přímým vzorkováním VF signálu osadit do menších chassis

Klady

Možnost přijímat a vysílat různé modulační metody s použitím společné sady hardwaru.

Lze je rychle a snadno rozšířit o další funkce prostřednictvím upgrade softwaru/firmwaru.

SDR s přímou konverzí výjimečně dobře oddělují slabé signály od sousedních silných signálů.

Možnost omezení použití dražšího analogového hardwaru.

Možnost zobrazení vodopádu celého pásma v reálném čase a zobrazení všech provozovaných stanic v celém kmitočtovém spektru. ( sampluje celé VF spektrum)

Nedávný pokrok v analogově-digitálních převodnících  ADC umožnil přímou digitalizaci signálů na VF frekvencích. Při práci na vysokých frekvencích si mohou zachovat nízký šum a dobrou linearitu.

SDR nadále těží ze zjednodušení rádiových konstrukcí. Náklady na digitální součástky budou i nadále klesat, současně však SDR zařízení budou i nadále výkonnější.

Nevýhody

Pokud jste zvyklí na knoflíky a přepínače u tradičních přijímačů, bude SDR vyžadovat určité změny ve vaší provozní rutině, zejména pokud je ovládán počítačem.  Několik výrobců však nabízí modely s tradičním ovládáním a integrovaném menu na dotykové obrazovce.

Přijímače mají stále určitá omezení týkající se rozsahu frekvencí a šířky pásma přijímače.

Softwarové chyby – naštěstí lze snadno přidávat aktualizace.

Flexibilita

Myšlenka flexibilnějšího rádia se stává nejzřetelnější a nejdůležitější výhodou SDR/Hybridních rádií oproti klasickým superhetům. Možnost upgradovat systém pro lepší výkon a pro nové funkce znamená nekonečné možnosti pro rádia SDR v průběhu jejich vývoje.

Další související výhodou SDR je, že díky méně komplikovanému RF front-endu je zapotřebí méně hardwarových komponentů. Díky digitálním součástkám, jako je DSP a FPGA, které nahrazují mnoho pasivních a aktivních součástek, jsou náklady z dlouhodobého hlediska levnější.

Použití hybridních technologií superhetů a SDR dohromady nabízí to nejlepší z obou technologií. Pokud se podíváte na aktuální hodnocení přijímačů Sherwood Labs NC0B,  dva z prvních tří jsou hybridy Yaesu, druhý je SDR s přímou konverzí Flex. Značný počet dalších v první dvacítce testovaných zařízení jsou také různé varianty SDR nebo hybridů. Je zřejmé, že technologie SDR zvyšuje výkon současných transceiverů, ať už samostatně, nebo v kombinaci s tradiční technologií.

Volně přeloženo a doplněno podle článku Marka Harvestocka K8MRH
Superheterodyne, SDR, Hybrid SDR: Which is Best?

Joudův epilog:

Zájem o SDR v OK/OM začal někdy okolo r. 2005. Tehdy poprvé publikoval své konstrukce Tasa YU1LM/QRP. Začalo bastlení jeho přijímačů DR2xx kde ADC nahrazovala zvuková karta, seznamovali jsme se s Tyloe detektorem. Problematická byla značná časová latence OS Win XP, avšak byl k dispozici vodopád a viděli jsme přehledně spektrum. Na stejné technologii byl založen  Flex 1000 transceiver.

Bastlili posluchači, nadšenci, lidé bez radioamatérských licencí. Licencovaní radioamatéři, závodníci a DXmani, měli své Elecrafty :-)))   

Dalším impulzem byl nástup 8mi bitových RTL-SDR klíčenek někdy v roce 2011. Obvody RTL2832U + E4000, později R820T a následovaný modifikovaným R820T2 od firmy Rafael Micro. Skončilo bastlení jednoduchých přijímačů, pokračovala stavba UP- convertorů, pro poslech na krátkých vlnách. Tasa YU1LM/QRP pracoval na plno, zveřejnil konstrukci transceiveru ADTRX-11, Win 7 zlepšil časovou latenci OS.

Vyvíjel se SW, o SDR se začali zajímat i letečtí nadšenci, airspotteři. Najednou bylo možné získat přehled o vzdušné situaci on-line díky příjmu ADS-B.

„Vidle do všeho hodil“ jistý Carl Laufer.  Modifikoval čínskou „sračku“ RTL-SDR široce dosažitelnou na ebayi i Aliexpressu. Udělal z toho použitelný přijímač s označením RTL-SDR v.3, současně vznikla firma Airspy kde Youssef Touil a spol. vyvinul  přijímače s velmi dobrým poměrem cena X výkon a freeware SW SDR#,  Následoval 4Z5LV a jeho projekt Afedri.

To se již začínali probouzet do reality DXmani a závodníci. Pánové pomalu začínali chápat, co to je Remote QTH a jak ho s SDR vybudovat.  SDR umožnilo efektivně podvádět ve VHF/UHF contestech. Degradoval smysl DX provozu a contestingu. Objevil se KIWI SDR, přijímač, kde nebylo nutné cokoliv instalovat. Stačí webový prohlížeč – browser. Utilitka CatSync od DJ0MY je ukázka symbiozy tradiční technologie superhetu s SDR. Doba superhetu ale rozhodně nekončí.

A co DXmani, contestmani a telegrafisté??? Ti se zbavují svých Elecraftů K3 a spol. Nakupují novou modlu.  SDR zařízení fi. Expert Electronics. Jsou to výborná zařízení. To je bez diskuzí.

Jenom přístup je opatrný Čínsko-Ruský. Aby si chránili své Know How nelze nainstalovat a provozovat s jiným SW nežli dodaným výrobcem.  Politika a peníze dělají své a vynikající SW SDC od UT4LW (CW skimmer lepších parametrů než VE3NEA, com0com nazývaný „Spider“ atd.,) skončil s podporou SDC.

Budoucnost?? Levnější a rychlejší ADC, FPGA, použití prvků AI = umělá inteligence, nechme se překvapit.

That is all, folks :-))  Jouda