Projekt SDR-1000 został zaprezentowany publicznie w październiku 2003 r. i był już wielokrotnie opisywany w prasie krótkofalarskiej w różnych krajach. Urządzenie umożliwi szerokim rzeszom amatorów dostęp do najnowocześniejszej technologii i konstrukcję radiostacji cyfrowej.

Historię powstania projektu prezentuje czteroczęściowy artykuł „A Software Defined Radio for the Masses” opublikowany w 2002 r. w czasopiśmie QEX (ARRL) i dostępny w Internecie pod adresem [1].
Zasada pracy SDR-1000 przedstawiona jest na rys. 1. Sygnał z anteny jest doprowadzony do podwójnie zrównoważonego mieszacza kwadraturowego przez filtr dolnoprzepustowy lub przez jeden z pięciu filtrów pasmowych.
W mieszaczu zastosowano ośmiokrotny scalony przełącznik na tranzystorach polowych (FET) firmy Fairchild typu FST 3253. Mieszacz, w układzie Taylora, jest sterowany sygnałami kwadraturowymi (przesuniętymi względem siebie o 90 stopni) pochodzącymi z syntezera cyfrowego (ang. DDS) o częstotliwości zegarowej 200 MHz. Sygnały wyjściowe z mieszaczy, również przesunięte wobec siebie o 90 stopni, są następnie wzmacniane przez scalone stałoprądowe wzmacniacze typu INA-163 (firmy Texas Instruments) o przełączanym wzmocnieniu 23 lub 40 dB. Sygnały te, noszące oznaczenia I i Q, są następnie doprowadzone do wejść liniowych karty muzycznej komputera (przyp. tłum.). Jak łatwo się zorientować, tor odbiorczy SDR-1000 jest odbiornikiem homodynowym opartym o fazową metodę SSB, z tym że filtracja i wzmacniacz m.cz. zostały zrealizowane cyfrowo w karcie muzycznej komputera.

• O paśmie przenoszenia decydują możliwości PC
Jakość przetwarzanego przez komputer sygnału jest zależna głównie od właściwości odbiornika, jakości przetworników analogowo-cyfrowych zawartych w komputerze, zakresu dynamiki i pasma przenoszenia karty muzycznej oraz przez ograniczenia systemu Windows.
Karta muzyczna komputera przetwarza sygnały obydwu kanałów z częstotliwością próbkowania 44,1 kHz i charakteryzuje się pasmem przenoszenia 40 kHz. Na pierwszy rzut oka stoi to w sprzeczności z zasadą Nyquista, która dopuszcza pasmo równe co najwyżej połowie częstotliwości próbkowania. Podane pasmo obejmuje jednak obydwa kanały, a więc odpowiada to podwojeniu jego szerokości. Komputer przetwarza dwa sygnały różnące się zarówno fazą, jak i amplitudą. Proces ten stanowi jądro systemu SDR. Po powtórnej konwersji, tym razem cyfrowo-analogowej, dźwięk jest odtwarzany przez głośnik. W trakcie nadawania sygnał przebiega odwrotną drogę: analogowy sygnał m.cz. pochodzący przykładowo z mikrofonu jest przetwarzany na dwa strumienie cyfrowe, które po obróbce (filtracja, modulacja) są zamieniane na dwa analogowe sygnały kwadraturowe, które z wyjścia komputera są podawane przez wzmacniacze na mieszacz kwadraturowy sterowany przez ten sam, co w przypadku odbioru, syntezer cyfrowy. Po zsumowaniu i wytłumieniu dzięki temu niepożądanej wstęgi bocznej sygnał jest filtrowany za pomocą filtru dolnoprzepustowego lub odpowiedniego pasmowego i podawany na wzmacniacz, który dostarcza 1 W mocy wyjściowej.
Obsługa radiostacji dokonywana jest wyłącznie za pośrednictwem komputera. Wygląd płyty czołowej może być dowolnie ukształtowny w stosowanym oprogramowaniu.
Do sterowania funkcjami radiostacji (syntezerem, wyborem filtrów, przełączaniem nadawanie-odbiór, wyborem wzmocnienia 23/40 dB) służy złącze równoległe – złącze drukarki – komputera. SDR jest połączone z komputerem za pomocą standardowego kabla 25-żyłowego. Oprócz tego niezbędne są trzy kable stereofoniczne m.cz.

• Nowe elementy wnoszone przez koncept SDR
Zasada pracy odbiorników z bezpośrednią przemianą jest znana od dziesięcioleci. Również układy mieszaczy kwadraturowych, stosowane w fazowej metodzie generacji SSB, są znane od początków istnienia tej techniki. Radiostacje sterowane komputerowo są dostępne już od dłuższego czasu. Podobnie cyfrowa obróbka sygnałów jest codziennością w technice amatorskej. Czym wobec tego wyróżnia się koncept SDR-1000?
Po pierwsze, jest to wspólne przedsięwzięcie środowiska krótkofalarskiego – jego koncept opiera się na współpracy konstruktorów. Jądro SDR stanowi oprogramowanie, którego kod źródłowy jest dostępny dla wszystkich, a dzięki Internetowi możliwe jest utworzenie międzynarodowej grupy konstruktorów. Oprócz tego wszyscy zainteresowani mogą śledzić w Internecie dyskusje dotyczące propozycji dalszych rozwiązań i zgłaszać własne uwagi i spostrzeżenia.
SDR-1000 wymaga użycia zwykłego, powszechnie dostępnego w handlu komputera PC. Minimalnymi wymaganiami są częstotliwość zegarowa przekraczająca 600 MHz i wyposażenie w 256 MB pamięci roboczej (RAM). Do pierwszych prób wystarcza też przeważnie standardowa wbudowana karta dźwiękowa. Są to więc wymagania leżące poniżej przeciętnej.
Rozwiązanie nieprędko się zestarzeje – dzięki oprogramowaniu pisanemu w języku Visual Basic (VB) może być dostosowywane do nowych wymagań i technik. Jeden z konstruktorów, Gerald AC5OG, skomentował sytuację w następujący sposób „zaprogramuj to, co sobie wymarzyłeś...”.

• Instalacja
Literatura opisująca projekt, instrukcja instalacji i dodatkowe teksty pomocy dostarczone z płytkami drukowanymi albo opublikowane w Internecie są dostępne jedynie w języku angielskim. Instalacja programu nie sprawia żadnych trudności, ale wymaga pewnego doświadczenia w pracy z komputerem.
Wykorzystanie złącza drukarki do sterowania urządzeniem wymaga zainstalowania dodatkowego sterownika dla oprogramowania VB. Komputer powinien być wyposażony w system operacyjny Windows 2000 lub XP i tylko dla nich dostępna jest pomoc w przypadku wystąpienia problemów. W wielu przypadkach jest to pomoc w formie pisanej.
W trakcie instalacji w Niemczech pojawia się meldunek nieomówiony w dokumentacji „Runtime Error 13 type mismach”. Przyczyną okazało się odwrotne niż w USA zastosowanie kropki i przecinka w zapisie liczb (w Polsce wystąpi podobny problem - przyp. red.). W USA miejsca dziesiętne są oddzielone za pomocą kropki, natomiast przecinek służy do oddzielania trzycyfrowych grup części całkowitej. Ustawienie to można zmienić w konfiguracji Windows, co usuwa przyczynę błędu.
Czasami konieczne jest przeprowadzenie kilku prób przed znalezieniem właściwej konfiguracji karty muzycznej. Jest to zależne od konkretnego wyposażenia komputera.

• Ustawienia miksera Windows
Do ustawienia pożądanych poziomów sygnałów oraz włączenia i wyłączenia wejść i wyjść m.cz. można posłużyć się programem narzędziowym Sndvol32.exe. Należy przy tym zwrócić uwagę, że w SDR stosowane jest wejście liniowe, a nie mikrofonowe. To ostatnie należy więc wyłączyć. Parametry kart muzycznych poprawiły się znacznie w ostatnich latach i tak niektóre rozwiązania (przykładowo Creative Labs Audigy 2) zapewniają dynamikę przekraczającą 100 dB, a i częstotliwości próbkowania mogą dochodzić do 96 kHz, niestety jednak nie można z nich skorzystać pod Windows. Pozwoliłoby to jednak na podwojenie pasma przenoszenia (rys. 2).
Korzystne może być także zastosowanie zewnętrznej karty muzycznej podłączanej do komputera poprzez złącze USB i to nie tylko w przypadku komputerów przenośnych. Rozwiązanie to zapewnia większą elastyczność i wygodniejszy dostęp do złączy, co zwłaszcza w fazie początkowej może ułatwić optymalizację systemu. Wewnętrzne karty muzyczne są natomiast przeważnie lepiej zaekranowane i odkłócone.

• Temperatura na pograniczu
Temperatury osiągane przez niektóre układy scalone SDR-1000 zbliżają się do dopuszczalnych granic, dotyczy to zwłaszcza syntezera cyfrowego, stabilizatorów napięcia i stopnia mocy. Pomimo że w obecnej wersji poprawiono chłodzenie stabilizatorów, należy zadbać o dostatecznie dobrą wentylację.
W trakcie pracy pod napięciem należy też zachować szczególną ostrożność ze względu na łatwość uszkodzenia układów w wyniku zwarcia, dotyczy to przykładowo listwy kontaktowej na płytce filtrów albo kontaktów zasilania napięciami 12 i 5V.

• Strojenie programowe
Urządzenie wymaga wyłącznie programowego strojenia. Jakość pracy modulatorów kwadraturowych zależy przykładowo od dokładności symetrii obu kanałów. Odchyłki od symetrii powstałe w układzie elektrycznym są kompensowane dopiero w trakcie cyfrowej obróbki sygnałów. Oprogramowanie pozwala przykładowo na precyzyjne ustawienie tłumienia częstotliwości lustrzanych. Autor artykułu osiągnął tłumienie przekraczające 80 dB (rys. 3).
Również kalibracja wskaźnika siły odbioru jest dokonywana programowo i wymaga jedynie podania na wejście odbiornika sygnału wzorcowego.
Programowa kalibracja częstotliwości syntezera wymaga dostrojenia odbiornika do stacji o znanej i możliwie dokładnie stabilizowanej częstotliwości pracy (np. jednej ze stacji radiofonicznych). Po przełączeniu na odbiór dwuwstęgowy kalibracji dokonuje się w oparciu o słyszalny i wyświetlany na ekranie sygnał dudnień.
Oprogramowanie zawiera również ośmiokanałowy graficzny korektor charakterystyki przenoszenia toru modulacyjnego pozwalający na dopasowanie się do charakterystyki używanego mikrofonu.
W trakcie prób można zmieniać także szerokość pasma nadawanego sygnału.

• Doświadczenia praktyczne
Próby praktyczne wykazały wyjątkową stromość zboczy charakterystyki filtrów.
Do strojenia i obsługi SDR-1000 służy mysz (zarówno jej kółko, jak i klawisze) oraz klawiatura komputera. Osoby, którym to rozwiązanie nie w pełni odpowiada, mogą zaopatrzyć się w dodatkowe urządzenia poprawiające ergonomię obsługi np. w zewnętrzną gałkę strojeniową (rys. 8).
Wskaźnik SDR-1000 jest jego cennym uzupełnieniem i wyświetla m.in. widmo sygnału m.cz. także i w kanałach sąsiednich w granicach pasma przenoszenia odbiornika.
Oprogramowanie jest wyposażone w cyfrowy eliminator zakłóceń i automatyczny filtr zaporowy ale są one jeszcze ciągle udoskonalane.
W zakresie poniżej 2 MHz odbieranych jest jeszcze dużo gwizdów interferencyjnych, czasami nawet o sile sygnału zbliżonej do poziomu S9 lub przekraczającej go. Przypuszczalnym powodem jest promieniowanie zakłóceń dochodzących z komputera poprzez kabel sterujący. Autor nie osiągnął poprawy nawet po założeniu na kabel pierścieni ferrytowych. Dalszą przyczyną mogą być sygnały pasożytnicze pochodzące z syntezera cyfrowego.

• Poznane problemy
Sytuacja ulega pogorszeniu po podłączeniu anteny ponieważ wymienione sygnały pasożytnicze ulegają zmieszaniu z widmem odbieranych sygnałów.
Jednym z głównych winowajców okazuje sie znajdujący się na płytce sterującej (PIO) stabilizator impulsowy dostarczający napięcia 5 V. Istotną poprawę osiągnięto po zastąpieniu go przez liniowy stabilizator typu 7805 (wymaga to jednak powiększenia radiatora).
Dalszą redukcję zakłóceń można by osiągnąć po przerobieniu  płytek drukowanych (a być może i układu), tak aby zapewnić pełne ekranowanie i odsprzężenie syntezera cyfrowego, układu sterowania, mieszaczy i filtrów wejściowych. Autor może potwierdzić spostrzeżenia niektórych użytkowników, że wymienione problemy nie występują w przypadku korzystania z 50-omowej anteny dostrojonej do odbieranego pasma.
Pracę automatycznej regulacji wzmocnienia (ARW; rys. 5) – jej czas narastania – można uznać za dobrą. Jest to tym bardziej zadziwiające, że napięcie automatyki jest otrzymywane z sygnału niskiej częstotliwości. Charakterystykę ARW można dopasowywać do potrzeb w szerokich granicach, ale jej algorytm wymaga jeszcze udoskonalenia, ponieważ przy odbiorze słabych sygnałów czasami niepotrzebnie reaguje, powodując ich stłumienie o 20 dB.
Użytkownik musi też przyzwyczaić się do opóźnienia spowodowanego przez cyfrową obróbkę sygnału i wynoszącego 200 ms w każdą stronę. Jego znaczna część (185,6 ms dla częstotliwości próbkowania 44,1 kHz) jest spowodowana buforowaniem danych akustycznych.

• Wstępne pomiary
Wstępne pomiary dwóch egzemplarzy SDR-1000 zostały przeprowadzone w laboratorium Hansa Hilberlinga DK7LG. W ich trakcie korzystał on z komputera przenośnego wyposażonego w Augidy 2 firmy Creative Labs. Otrzymane wartości parametru IP3 i granice blokowania odbiornika, a także jego czułość w wyższych pasmach krótkofalowych okazały się raczej przeciętne.
Z tych powodów, jak również ze względu na przenikanie sygnału oscylatora do anteny, korzystne jest wyposażenie odbiornika w przedwzmacniacz.
Na rysunku 6 przedstawiony jest wygląd konstrukcji w wykonaniu autora artykułu. SDR-1000 jest wbudowany do obudowy fabrycznego wzmacniacza mocy 100W. Filtry pasmowe PA muszą być przełączane ręcznie ze względu na różne granice zakresów obu urządzeń. Na płycie czołowej widoczny jest woltomierz służący do kontroli napięcia zasilania (rys. 7).
Optymalnym rozwiązaniem może być umieszczenie we wspólnej obudowie radiostacji SDR-1000, zewnętrznej karty muzycznej i wzmacniacza o mocy 10 W. Pozwala to na znaczne skrócenie kabli m.cz., a jedynymi połączeniami z komputerem są kable prowadzące do złączy USB i drukarki.

• Podsumowanie
SDR-1000 nie stanowi na razie jeszcze alternatywy dla seryjnych radiostacji, ale może być potraktowany jako duży uniwersalny zestaw konstrukcyjny. Konstrukcja własnego urządzenia i to bez użycia kropli cyny otwiera przed krótkofalowcami nowe szanse. Koncepcja SDR-1000 pozostawia jednak także wiele możliwości i dla entuzjastów konstrukcji elektronicznych.

Klaus Lohmann DK7XL/WD5DQE
Z CQ/DL 7/2004, tłum. Krzysztof Dąbrowski OE1KDA

21-12-2004