SDR радиоприемник диапазона 50 – 10000 кГц
 (проект радиоприставки для ПК)

 

Структурная схема приемника

Представленный приемник коротких волн оформлен в виде приставки к персональному компьютеру  и не содержит никаких дополнительных регулировок в основной схеме. Ставилась цель получения максимального легкого управления. В качестве программного обеспечения выбраны: терминал (TTY),  программа – SDRadio и Dream v 1.6.1. (по программному обеспечению приемник совместим со всеми SDR программами). Аналоговая часть собрана по классической схеме супергетеродина с двойным преобразованием частоты, АРУ обеспечивается на программном уровне. В качестве 1-го гетеродина используется синтезатор частоты с косвенным синтезом и сеткой частот 1, 5, 10 кГц. Дополнительно на частоте 2-й ПЧ можно подключить перестраиваемый режекторный фильтр. При использовании узкополосных полосовых фильтров полоса принимаемых частот расширяется до 10200 кГц, охватывая таким образом диапазон 30 метров, однако качество сигнала синтезатора частоты на краях диапазона ухудшается.

Технические характеристики:

  • полоса частот – 50 – 10000 кГц

  • режимы работы – АМ, ЧМ, ОБП, все цифровые режимы (DRM, PSK и др.)

  • первая ПЧ – 10,7 мГц

  • вторая ПЧ – 12 кГц

  • полоса пропускания по 1 ПЧ – 15 кГц

  • подавление зеркальных каналов приема более 60 дб

  • антенна встроенная телескопическая длиной 75 см (активная)

Функционально приемник состоит из четырех блоков: 

-         аналоговый тракт обработки сигналов

-         синтезатор частоты с блоком управления

-         программный цифровой тракт обработки сигналов на ПК

-         программный блок управления синтезатором частоты

 

Рассмотрим подробнее вышеназванные функциональные блоки. 

1.     Аналоговый тракт собран по классической схеме. Входной сигнал с антенны поступает на резонансный контур L1C1 (входной фильтр) с автотрансформаторным включением, выполняющий функцию согласования входного сопротивления электрически короткой антенны с высоким сопротивлением УВЧ. Входной контур настраивается на частоту принимаемого сигнала изменением емкости переменного конденсатора С1. Полоса пропускания входного фильтра достаточно узкая и хорошо фильтрует внеполосные сигналы. Далее радиосигнал  поступает на УВЧ собранном на полевом транзисторе VТ1. Полевой транзистор включен по схеме повторителя напряжения. С истокового повторителя  на VT1 сигнал через фильтр-пробку L6C25 настроенного на частоту 10,7 МГц (для уменьшения помех на частоте 1-й ПЧ) поступает на 1-й смеситель собранный по балансной схеме на полевых транзисторах VТ2, VТ3 (данный смеситель хорошо работает по крайней мере до 40 МГц).  Сигнал РЧ подается на затвор одного транзистора, а напряжение от синтезатора частоты на затвор другого транзистора. Смеситель нагружен на резонансным контуром настроенным на частоту 10,7 МГц с полным включением и кварцевый 8-звенный фильтр (использован кварцевый фильтр от радиостанции Р159 с полосой пропускания 15 кГц). По входу и выходу кварцевый фильтр согласован посредством параллельных резонансных контуров в полном включении, так как сам фильтр обладает высоким входным/выходным сопротивлением. При таком включении АЧХ фильтра в полосе прозрачности имеет «плоскую» форму кривой с резким переходом к полосе задержания. Ширина плоской вершины 15-18 кГц в зависимости от типа используемого фильтра, что позволяет принимать широкополосные сигналы. На биполярном транзисторе VТ4 собран усилитель 1-й ПЧ, особенностей он не имеет и очень прост по конструкции. Усиленный сигнал 1-й промежуточной частоты поступает на 2-й смеситель выполненный на 2-х затворном полевом транзисторе VТ5 (на  1-й затвор).   На 2-й затвор данного транзистора поступает сигнал с опорного кварцевого генератора выполненного на биполярном транзисторе VT6. Схема его особенностей не имеет, генерируемая частота составляет 10712 кГц. После преобразования сигнал 2-й промежуточной частоты 12 кГц выделяется простейшим ФНЧ на элементах R13,C15,С18. Далее выходной ЗЧ сигнал с аналогового блока поступает на вход звуковой платы персонального компьютера для дальнейшей программной обработки. Весь высокочастоный тракт собран на 6 транзисторах и обладает высокой чувствительностью. Звуковая плата ПК работает в монофоническом режиме, квадратурные каналы со сдвигом фаз не используются. 

2.     Синтезатор частоты интегральный, собран на микросхеме SAA1057. Данный синтезатор разработан еще в 1983 году и до настоящего времени используется в бытовой радиоприемной аппаратуре. ГУН 2-х транзисторный. Задающий генератор собран на двухзатворном полевом транзисторе VТ1. Его схема рассчитана таким образом, что бы получить большой диапазон перекрытия по частоте. В данном случае коэффициент перекрытия по частоте около 2 при изменении управляющего напряжения на варикапе CD1 от 0 до 12 Вольт. Диапазон частот 10750 - 18700 кГц. Резистором R2 устанавливается оптимальный режим транзистора VТ1 по постоянному току. На двухзатворном полевом транзисторе VТ2 собран буферный усилитель. Выходное напряжение вышеописанного генератора довольно стабильно в широких пределах изменения генерируемой частоты. Улучшить стабильность выходного напряжения можно используя стабилизатор рабочей точки транзистора VТ1 на ОУ, но такая точность в описываемом синтезаторе частоты не нужна. 

Микроконтроллер на AT90S2313 по шине I2C управляет формированием рабочих частот синтезатором SAA1057. Микроконтроллер в свою очередь производит обмен данными  с персональным компьютером (ПК). Компьютерная программа с пользовательским интерфейсом управляет работой микроконтроллера выполняя функции его супервизора.

Встроенная в микроконтроллер (МК) программа занимает объем около 2 кб и максимально автономна в работе. МК управляется по асинхронной последовательной шине со скоростью передачи данных 9600 бит/сек. Сопряжение по сигналам RS232 осуществляется через преобразователь уровней МАХ232. По сигналам от ПК микроконтроллер формирует коды управления синтезатором частоты с сетками частот равными 1, 5 и 10 кГц во всей полосе рабочих частот. Поддерживает прямой ввод частоты с клавиатуры, перестройку частоты методом перебора с клавиатуры, а также выдачу по запросу информации о текущей частоте настройки, информацию о версии программы. Вместо ПК может быть подключен автономный блок формирования команд на МК с жидкокристаллическим (ЖК) дисплеем, клавиатурой и валкодером с проводным или беспроводным ИК интерфейсом от пульта ДУ. Недостатками подобного широкополосного синтезатора является то, что на краях диапазона ухудшается качество формируемого сигнала радиочастоты, в целом в полосе рабочих частот приемника тон принимаемых телеграфных сигналов чистый. Главное преимущество примененного интегрального синтезатора – его простота и возможность легкой перестройки на другие частоты. Стабильность частоты опорного кварцевого генератора на 4 МГц в синтезаторе частоты невысока, для качественной работы необходим высокостабильный опорный генератор. 

3.     Программная обработка на 2-й промежуточной частоте 12 кГц реализована на SDRadio v 1.00. (или аналогичные). Данная программа удобна для приема сигналов АМ, SSB, ЧМ, CW. Содержит синхронный детектор. Позволяет настраивать желаемую полосу пропускания цифрового фильтра, осуществляет плавную настройку на сигналы радиостанций. Программа Dream v 1.6.1 «заточена» под прием сигналов цифрового радиовещания в стандарте DRM, обеспечивает более качественный прием АМ сигналов, производит запись звука на жесткий диск ПК. Более подробно о приведенных выше программах можно прочитать в источниках в сети интернет и на сайтах разработчиков программ. Имеются и другие программы для приема радио на ПК с использованием SDR технологии. 

4.     В качестве супервизора МК в проекте используется любая терминальная программа работающая по COM портам. Мною выбрана небольшая программа TTY с минимальной функциональной нагрузкой. При небольшом апгрейде программного обеспечения ПК микроконтроллер может управляться по шине USB, что более удобно и позволяет отказаться от использования в схеме преобразователя уровней на MAX232. 

Список команд управления с ПК: 

1.     Формат ввода - 0,1,2,3,4,5,6,7,8,9 (от 50 до 10200), 5 знаков

2.     прибавить 1 кгц - "w"

3.     отнять 1 кгц - "q"

4.     прибавить 5 кгц - "s"

5.     отнять 5 кгц - "a"

6.     прибавить 10 кгц - "x"

7.     отнять 10 кгц - "z"

8.     информация о программе - "i"

9.     вывод текущего значения частоты - "f" 

5.     Пути совершенствования конструкции:

С небольшими программно-аппаратными изменениями приемник способен перекрывать высокочастотные КВ диапазоны. Отдельная версия  радиоприемника работает в диапазоне ДВ и СВ с хорошими качественными показателями приема в условиях города. В последнем случае используется магнитная антенна с исполнительным механизмом автоматической настройки в виде МДК (магазина дискретных конденсаторов), обеспечивая высокую селективность и широкий диапазон настройки. При этом в алгоритм работы МК вводится блок передачи сигналов управления МДК на сдвиговый регистр типа К561ИР2 или аналогичный.  При изменении ПЧ на 5 МГц приемник с успехом будет принимать сигналы радиостанций в высокочастотной части  КВ диапазона без изменений моточных данных контура ГУН-а синтезатора частоты с соответствующим изменением микропрограммы МК. С небольшой схемной доработкой (подключение приемника ИК сигналов) радиоприемник может управляться дистанционно с помощью пульта ДУ. Для повышения комфортности в работе по 2-й ПЧ можно подключить режекторный фильтр с электронной настройкой для подавления помех радиоприему. Он послужит хорошим дополнением к программным режекторным фильтрам реализованным в большинстве SDR программ.

         Дальнейшее усовершенствование конструкции предусматривает использование высокой 1-й ПЧ (45 МГц и выше) при сохранении простой и дешевой конструкции синтезатора частоты, расширение диапазона принимаемых частот и подтягивание до существующих стандартов. Только не надо впадать в крайность и лишать приемник настраиваемых по входу фильтров. В экспериментах лично убеждался в плохой работе приемника с широкополосным преселектором, простейший узкополосный фильтр всегда дает существенное преимущество.

Файлы:

Исходные файлы для AVRSTUDIO 3.5

Дополнения к материалу

13.03.08 - Внесены изменения в программное обеспечение SDR радиоприемника. С версией 1.5 прошивки МК возможна прямая работа с приемником из программы DREAM с дистанционным управлением. Из программы устанавливается частота приема, работа по списку частот  радиостанций. Настройки устанавливаются как для приемника AOR AR8000(8200). Диапазон принимаемых частот с измененными данными контура ГУНА 3500 - 14500 кГц. Скачать тестовую микропрограмму версии 1.5. Прочитать статью о приемнике.

А. Анкудинов
ua3vvm@mail.ru
www.ua3vvm.qrz.ru

13 марта 2008 г