ДИНАМИЧКИ ОПСЕГ НА СДР ПРИЕМНИК
I Z33T home page I страници на македонски јазик I
Многумина мислат дека најважна карактеристика на еден радио приемник е неговата осетливост (способноста да може да прима многу слаби сигнали). Но тоа не е точно! Всушност, многу осетлив (чувствителен) радио приемник не е проблем да се дизајнира и произведе. Далеку потешка задача за радио-инженерите е да дизајнираат приемник со широк динамички опсег, кој ќе може да прима многу слаби и многу јаки сигнали истовремено, без притоа да дојде до негово преоптоварување.
Преоптоварен влезен дел на еден радио-приемник значи дека тој не е веќе во својот линеарен опсег на работа. Кај преоптоварен радио-приемник се јавуваат интермодулациски и кросмодулациски изобличувања, а почнува и самиот да генерира многу фантомски сигнали, покачувајќи го нивото на шум.
Многу јаки сигнали на влезот на еден радио-приемник можат да предизвикаат таканаречен ефект на намалување на осетливоста и неможност за прием на слаби сигнали сè додека јакиот сигнал (или сигнали) се присутни. Ова е познато како „блокирање“ на приемникот поради присуство на јаки сигнали.
Во еден определен фреквенциски опсег, може да има голем број на радио сигнали. Кога ние сакаме да примаме некој поединечен сигнал, не треба да заборавиме дека радио-приемникот ги „гледа“ сите присутни сигнали во еден широк фреквенциски опсег, а не само оној сигнал што ние сакаме да го примаме. Затоа може да дојде до преоптоварување на влезниот дел на радио-приемникот од другите присутни сигнали во опсегот а ние да не сме свесни за тоа, бидејќи не ги гледаме. Во врска со ова, извесна предност имаат СДР-приемниците бидејќи можеме на екранот да видиме доколку има јаки сигнали во околината и соодветно да ги нагодиме параметрите за прием, за да оневозможиме да дојде до преоптоварување. Колку приемникот е поширокопојасен, толку неговиот динамички опсег треба да биде поголем со цел да не дојде до преоптоварување на приемникот.
Затоа, треба да знаеме дека динамичкиот опсег е еден од најважните параметри од кој зависи квалитетот на еден приемник!.
Што претставува динамичкиот опсег кај СДР-приемниците?
Општо земено, динамичкиот опсег е односот помеѓу најсилниот и најслабиот сигнал кои може да ги прими приемникот.
Динамичкиот опсег на дигиталниот сигнал е определен од бројот на бити за еден примерок при дигиталното семплирање: најсилниот сигнал е оној кој го користи целиот расположлив опсег на вредностите за примерокот, а најслаб сигнал е оној кој користи само две соседни вредности (промена од само еден бит).
Кај софтверски дефинираните радио уреди, нивото на аналогниот сигнал кој се донесува во аналогно-дигиталниот конвертор мора да се прилагоди (рачно или со автоматска контрола на засилувањето - AGC) за да се направи најдобро искористување на динамичкиот опсег кој е на располагање.
Ако аналогниот сигнал е премногу силен, тогаш доделените (одмерени) дигитални вредности за сигналот при семплирањето нема да бидат соодветни во рамките на опсегот на нумерички вредности, а аналогно-дигиталниот конвертор (ADC) ќе ги замени со максималните можни вредности на излезот. Ова е познато како „клипување“ (clipping), што од аспект на процесирање на сигналот е екстремна форма на нелинеарност, при што се јавува големо изобличување.
Ако се појави клипинг, тоа се манифестира со појава (генерирање) на лажни (фантомски) сигнали кои се копии на вистинските сигнали со различни фреквенции во рамките на приемниот фреквенциски опсег.
Ако аналогниот сигнал на влезот од аналогно-дигиталниот конвертор е премногу слаб, тој со своето присуство нема да успее да направи дури и една мала разлика од само еден бит во однос на шумот на дигиталниот излез. Практично при дигитализацијата на премногу слабиот аналоген сигнал ќе се загуби дел од информацијата на сигналот бидејќи тој е преслаб за да може при одмерувањето да му се додели соодветна, малку поголема нумеричка вредност од минимално можната вредност. Ова може да се смета за извор на шум, наречен квантизациски шум. Квантизацискиот шум може да се забележи (слушне) ако нивото на влезниот сигнал е послаб од минимално потребниот.
Динамичкиот опсег на аналогно-дигиталниот конвертор е односот помеѓу најсилниот сигнал и најслабиот сигнал (нивото на шум) што можат да бидат дигитализирани без изобличување.
Најсилниот сигнал, односно влезниот сигнал со највисоко можно ниво ќе биде претставен како сигнал со максимална вредност на скалата од екранот, која изнесува 0 dBFS (dBFS = decibels relative to full scale) изразена во децибели во однос на целосна скала. Значи сигнал со ниво од 0 dBFS претставува максимално можно дигитално ниво, додека послабите сигнали ќе бидат претставени со негативни нумерички вредности на скалата. На пример нивото на шум може да изнесува -60 dBFS, -80 dBFS, -100 dBFS итн, во зависност од квалитетот на СДР-системот и односот сигнал/шум (SNR) на системот. Тоа може да се види на следната слика:
кликнете на сликата за да ја видете во висока резолуција
Максималниот динамички опсег на СДР-приемникот е определен од тоа колку бити има аналогно-дигиталниот конвертор (ADC):
каде што n е бројот на бити, DR е динамичкиот опсег
Согласно оваа формула, можеме да пресметаме дека динамичкиот опсег на аналогно-дигитален конвертор со 8 бити изнесува околу 50 dB, 12-битен аналогно-дигитален конвертор има околу 74 dB динамички опсег, а 16-битен аналогно-дигитален конвертор има околу 98 dB динамички опсег.
Зошто динамичкиот опсег е толку важен за СДР-уредите?
Некој може да помисли дека приемникот не мора да има толку голем динамички опсег бидејќи со употреба на автоматска регулација на засилувањето AGC (automatic Gain Control) ќе го држи влезниот сигнал на определено потребно ниво. Ова е навистина така, но СДР-приемниците се популарни токму поради тоа што сигналот во аналогно-дигиталниот конвертор (ADC) има многу поширок фреквенциски опсег од некој поединечен сигнал што сакаме да ги примаме! Широкиот фреквенциски опсег на СДР-приемниците овозможува да се прикаже широк фреквенциски опсег на екранот во вид на "водопад" (waterfall display) или "panadapter" дисплеј, што е голема придобивка. (затоа во СДР приемниците се прави дигитализација на широк РФ-фреквенциски опсег). Но тоа, од друга страна значи дека големиот број на аналогни сигнали кои доаѓаат во аналогно-дигиталниот конвертор (ADC) имаат многу поголема РФ-моќ, за разлика од моќноста што би ја имал само еден поединечен сигнал што би сакале да го примаме. Истовремено, широкиот фреквенциски опсег вклучува многу поголемо ниво на шум и многу други сигнали кои можат да бидат многу посилни (со поголема моќ) во однос на сигналот што сакаме да го примаме во тој момент. Колку е поголем бројот на РФ-сигнали, толку е поголема нивната вкупна РФ-моќ. Затоа потребата од голем динамички опсег кај СДР-приемниците е толку важен услов.
Нагодувањето на оптималното засилување на аналогниот сигнал зависи од вкупната РФ-моќ на аналогните сигнали кои доаѓаат на влезот на аналогно-дигиталниот конвертор. Ова го фиксира горното највисоко ниво на сигналите оставајќи простор најслабите сигнали да бидат определени, односно да зависат токму од големината на динамичкиот опсег. Затоа, колку е поголем динамичен опсег, толку помало ќе биде нивото на квантизацискиот шум кој ќе биде присутен во теснопојасните сигнали што сакаме да ги примаме, овозможувајќи ни да ги примиме почисто и појасно.
При иста вредност на динамичкиот опсег, приемот може значително да се подобри доколку се употреби РФ банд-пас аналоген филтер (филтер пропусник на опсег) на влезот од СДР-приемникот или на влезот од ADC. Намалувајќи го фреквенцискиот опсег на влезот од аналогно-дигиталниот конвертор со помош на филтерот, ќе се редуцира вкупната моќ на аналогните сигнали на влезот од ADC и на тој начин ќе може да се зголеми засилувањето на сигналите без да дојде до клипување, односно преоптоварување на аналогно-дигиталниот конвертор. Ова е можно доколку хардверот има имплементирано таков нагодувачки филтер или доколку приклучиме посебен надворешен филтер.
Екстремен случај на користење на потесен РФ-филтер е кога пропусниот опсег на филтерот е широк само колку да го пропушти сигналот што сакаме да го примаме. Недостаток од употребата на ваков теснопојасен филтер е тоа што тогаш нема да имаме преглед на широк фреквенциски спектар на екранот, односно ќе можеме да го гледаме само тој сигнал што го примаме.
Ограничување на динамички опсег
Покрај тоа што динамичкиот опсег е ограничен од тоа колку бити има аналогно-дигиталниот конвертор, динамичкиот опсег е определен со уште два независни параметри:
- ограничување поради нивото на шум и
- ограничување поради појава (генерирање) на лажни, односно фантомски сигнали (spurs).
Доколку СДР-приемникот нема влезен предзасилувач, тогаш динамичкиот опсег на системот е лимитиран со динамичкиот опсег на аналогно-дигиталниот конвертор (ADC). Ако приемниот систем има предзасилувач, тогаш динамичкиот опсег може да биде лимитиран од ADC или од предзасилувачот, во зависност од тоа чиј динамички опсег е помал..
Најслабиот сигнал (сигнал со најниско ниво) кој може да се дигитализира, е ограничен со нивото на шум.
Динамичкиот опсег на системот треба да биде повисок од односот сигнал-шум (SNR) на влезниот аналоген сигнал. Ако динамичкиот опсег на системот е понизок, дигитализираните податоци ќе бидат изобличени од страна на системот за дигитализација. Притоа, „Тесното грло“ на целиот систем е определено со употребеното засилување.
Споредните фантомски генерирани сигнали (spurs) кои се продукти на изобличувањето (clipping) поради превисок влезен сигнал, најчесто се поопасни од шумот. Тие имаат повисока амплитуда од шумот и нивната амплитуда не зависи од употребениот пропусниот опсег во приемникот. Главен извор на овие фантомски генерирани сигнали е аналогно-дигиталниот конвертор (ADC), но нив може да ги призведе и претзасилувачот доколку е преоптоварен со повисоко ниво на сигнали од максимално дозволеното.
Поради овие нелинеарни изобличувања, воведена е нова дополнителна квалификација на динамичкиот опсег а тоа е: „Динамички опсег без фантомски генерирани сигнали“ (SFDR = Spurious Free Dynamic Range) за аналогно-дигиталниот конвертор (ADC).
„SFDR“ се дефинира како однос помеѓу просечната амплитуда (RMS) на еден основен (тест) сигнал и просечната амплитуда (RMS) од фантомски сигнал (spur) со највисока амплитуда. Тоа може да се види на следава слика:
Користење на децимирање, односно, децимација (Decimation) за подобрување на динамичкиот опсег и зголемување на „процесирачката добивка“
Динамичкиот опсег на широкопојасните аналогно-дигитални конвертори (ADC) кај софтверски дефинираните уреди е честопати не е разбрана доволно.
На пример: некој во техничките карактеристики за еден 12-битен аналогно-дигитален конвертор која работи на 20 MHz (20Msps) може да види дека конверторот има динамички опсег од 74 dB и ќе помисли дека СДР-приемникот со ваков ADC никогаш нема да може да го „победи“ класичниот трансивер со динамички опсег од 85 dB. Проблемот е што овде се прави споредба на „баби и жаби“. Всушност, не може да се зборува за моментален динамички опсег (кој е максимално ниво на влез минус шум и дисторзија) без да се зборува за ширина на пропусен опсег на детекторот. Во радиоаматерството, ова е ширината на приемниот опсег на еден класичен приемник. Ширината на приемниот опсег може да биде 2400Hz за SSB или 500 Hz за CW, на пример.
Kaj поквалитетните СДР-уреди се користи еден процес наречен децимирање (decimation).
Процесот на децимирање се состои во тоа што најнапред аналогниот сигнал се дигитализира со повисока фреквенција на семплирање, а потоа, на така собраните дигитални податоци, софтверски се применува систематско намалување на фреквенцијата на семплирање (при што се намалува и ширината на пропусниот опсег), до потребната ширина на пропусниот опсег. Во овој процес се зголемува динамичкиот опсег поради таканаречената "процесирачка добивка". Процесирачката добивка се случува така што дигитално се отстранува шумот кој потекнува од фреквециското подрачје кое е надвор од опсегот на интерес, а тоа резултира во подобрен SNR (однос сигнал/шум) во пропусниот опсег.
На пример, еден 12-битен аналогнo-дигитален конвертор на еден SDR приемник кој работи на 10 Msps, има динамички опсег околу 74 dB, и ширина на пропусен опсег од 10 MHz. Притоа, чистата ширина на фреквенцискиот опсег (alias-free) изнесува околу 8 МHz. Со употреба на децимација, ние всушност го зголемуваме динамички опсег за 3 dB при секое удвојување на децимирањето, но притоа двојно ја намалуваме ширината на фреквенциски опсег:
- Со 0 децимација, ширината на пропусниот опсег е 8 MHz, а динамичкиот опсег е околу 74 dB.
- Со 2x децимација, ширината на пропусниот опсег ќе биде 4 MHz, а динамичкиот опсег ќе се зголеми за 3 dB и ќе изнесува 77 dB.
- Со 4x децимација, ширината на пропусниот опсег ќе биде 2 MHz, а динамичкиот опсег ќе се зголеми за 6 dB и ќе изнесува 80 dB.
- Со 8x децимација, ширината на пропусниот опсег ќе биде 1 MHz, а динамичкиот опсег ќе се зголеми за 9 dB и ќе изнесува 83 dB.
- Со 16x децимација, ширината на пропусниот опсег ќе биде 500 kHz, а динамичкиот опсег ќе се зголеми за 12 dB и ќе изнесува 86 dB.
- Со 32x децимација, ширината на пропусниот опсег ќе биде 250 kHz, а динамичкиот опсег ќе се зголеми за 15 dB и ќе изнесува 89 dB.
- Со 64x децимација, ширината на пропусниот опсег ќе биде 125 kHz, а динамичкиот опсег ќе се зголеми за 18 dB и ќе изнесува 92 dB.
Заклучок во врска со динамичкиот опсег на СДР-уредите во однос на динамичкиот опсег на класичните аналогни приемници.
Во реални услови, невозможно е било каков приемник да има блокирачки динамички опсег (BDR-blicking dynamic range) или динамички опсег на интермодулациско изобличување (IMD) поголем од динамичкиот опсег на сопствениот фазен шум (PNDR) инаку познат како динамички опсег на реципрочно мешање (RMDR-reciprocal mixing dynamic range). Во сите случаи, без разлика на архитектурата, ако RMDR е помало од BDR или IMD DR за даден распоред на основни тест сигнали, фазниот шум ќе го „покрие“ сигналот на интерес пред да се случи блокирање или IMD. Всушност, не постои ниту еден трансивер (од било кој производител на пазарот) чиј блокирачки динамички опсег (BDR) не е попрво ограничен од неговиот внатрешен фазен шум на осцилаторите, отколку од шумот предизвикан од некој сигнал на предавател во близина.
Поголемиот дел од старите трансивери со суперхетеродинска технологија на пазарот имаат ужасно лоши вредности за RMDR. Кога многу јак сигнал ќе се појави на влезот од приемникот, неговите осцилатори, поради сопствениот фазен шум, го рашируваат сигналот преку целиот банд, во вид на шум кој ги покрива сите сигнали на бандот и ние не можеме да ги слушнеме.
За да го илустрирам ова мое тврдење, еве едноставен тест:
Земете два класични трансивери за кои мислете дека се одлични. Слушајќи на некој банд на едниот трансивер, емитувајте од другиот трансивер на растојание од 2, 10, 20, 50 или 100 kHz, од фреквенциијата на која слушаме со првиот трансивер. Ќе забележете дека приемникот покажува значително зголемување на нивото на шум, оневозможувајќи било каква истовремена работа еден покрај друг. Ова многу добро го знаат натпреварувачите во радиоаматерските контести кога користат два уреди, особено ако се на исти банд. Затоа бесмислено е да се дискутира за некои големи вредности на динамички опсег кај суперхетеродинските приемници прикажани во нивните техничките карактеристики, кога поголем ограничувачки фактор е нивниот сопствен фазен шум од осцилаторите...
I Z33T home page I страници на македонски јазик I