Трансивер «Маламут»: сигнал на выходе и как избежать сюрпризов

В этой статье рассматривается выходной сигнал трансивера «Маламут» первой версии с бесплатными прошивками. Приведённые здесь наблюдения не имеют никакого отношения к прошивкам версий SX, а так же к трансиверу «Маламут-М2», построенному по схеме DUC/DDC.

Необходимость более внимательного исследования выходного сигнала появилась в процессе настройки усилителя мощности (УМ). Изначально ему не хватало раскачки и для увеличения выходной мощности, я решил из меню настроек трансивера увеличить уровень сигнала, поступающего на вход УМ. В результате этих действий обнаружились странные искажения выходного сигнала. Таким образом, было принято решение разобраться в вопросе: какие же параметры в меню настроек и каким образом влияют на ВЧ сигнал, поступающий в антенну.

Сигнал на выходе основной платы трансивера

Мой вариант трансивера «Маламут» собран на платах от Александра (UR4QBP) и имеет некоторые отличия от оригинальной авторской разработки Евгения (R3DI). Документацию на основную плату трансивера (версии 5) можно скачать здесь.

В схему основной платы были внесены некоторые изменения, связанные с питанием. DC-DC преобразователь MINI-360 был заменён линейными стабилизаторами. Так же, по мотивам статей Андрея (UR8QP), было изменено включение линейных стабилизаторов на основной плате и способ подачи питания на микросхему предусилителя ERA-3SM+. Однако эти изменения никак не влияют на поднимаемые в статье вопросы.

Измерения формы сигналов, поступающих на вход УМ, производились с использованием осциллографа Rigol DS1054Z на эквиваленте нагрузки сопротивлением 50 Ом. Эквивалент подключался к разъёму RF_IN_OUT основной платы трансивера. Делитель на щупе осциллографа выставлен в положение 1:10. Фильтр нижних частот (ФНЧ) на измерительном входе осциллографа отключён: BW Limit → Off. Полоса пропускания осциллографа — 50 МГц.

Перед началом измерений, в трансивере был осуществлён сброс всех настроек в FRAM. После сброса корректировка каких либо параметров, в том числе и коэффициентов для компенсации IQ дисбаланса, не производилась.

Путь формируемого сигнала следующий: кодек CS4272 → буферные усилители → смеситель → согласующий трансформатор → ДПФ → эквивалент нагрузки.

Для большей наглядности была воспроизведена принципиальная схема рассматриваемых узлов трансивера со всеми позиционными обозначениями:

Принципиальная схема формирователя радиосигнала трансивера "Маламут" в версии UR4QBP
Схема узлов трансивера «Маламут» (основная плата V5 от UR4QBP), отвечающих за формирование радиосигнала

На схеме показаны узлы трансивера, непосредственно отвечающие за формирование радиосигнала: аудио-кодек CS4272 (U14), усилители на NE5532 (U8, U9), синтезатор частоты SI5351 (U4), схема формирования тактовых сигналов CLK_I и CLK_Q со сдвигом фазы в 90 градусов (U2, U5), смеситель SN74CBTLV3253PWR (U28), согласующий трансформатор (T2), твердотельный ВЧ-коммутатор PE4259 (K23), а так же блок переключаемых ДПФ — диапазонных полосовых фильтров (упрощённо показаны единым схематическим блоком).

Измерения производились со следующими настройками. Значение параметра Tx Setup → TxOut[BAND] установлено по умолчанию в 50%. Автоматическая регулировка усиления (АРУ) в режиме передачи выключена — AGCoF. Версия прошивки — 4.9. Рабочая частота, на которой производятся измерения — 7100 кГц.

Как выяснилось, при использовании встроенного программного генератора тонального или двухтонального сигнала, включение или отключение АРУ не играет никакой роли. Поэтому, в дальнейших измерениях работа АРУ была возобновлена.

Однополосная модуляция (SSB)

Рассмотрим как выглядит осциллограмма выходного сигнала в режиме однополосной модуляции (SSB) при подаче двухтонального сигнала со встроенного программного генератора:

Осциллограмма двухтонального сигнала на выходе трансивера "Маламут" в режиме однополосной модуляции
Осциллограмма при подаче двухтонального сигнала в SSB

Форма сигнала полностью соответствует двухтональному сигналу в однополосной модуляции. Но видно, что сам сигнал немного недофильтрован.

Для прояснения природы этих «шероховатостей» достаточно посмотреть на этот же сигнал, но в обход ДПФ (первая осциллограмма). А затем — после фильтра нижних частот (ФНЧ), который установлен за УМ (вторая осциллограмма):

Добавление ФНЧ улучшило форму сигнала, подавив высшие гармоники. И теперь форма сигнала выглядит практически идеальной, как из «учебников».

Амплитудная модуляция (АМ)

Перевожу трансивер в режим амплитудной модуляции (АМ) и подаю тональный сигнал от встроенного программного генератора:

Осциллограмма тонального сигнала в амплитудной модуляции на выходе трансивера "Маламут"
Осциллограмма при подаче тонального сигнала в АМ

Выглядит хорошо, но есть нюанс. В настройках Tx Setup → Am mod. установлено значение 90%, но на осциллограмме видно, что глубина модуляции отличается в меньшую сторону.

Частотная модуляция (FM и FM2)

Следующая осциллограмма снята при подаче тонального сигнала от встроенного генератора в режиме частотной модуляции FM:

Осциллограмма тонального в модуляции FM на выходе трансивера "Маламут"
Осциллограмма при подаче тонального сигнала в FM

Сигнал выглядит немного странно, ведь частотная модуляция должна характеризоваться исключительно изменением частоты. Но присутствуют так же и изменения амплитуды сигнала.

Напоследок рассмотрим ещё один вид модуляции — FM2. Из названия может показаться, что это частотная модуляция с девиацией 2 кГц, которая применяемая в Си-Би радиосвязи. Но если заглянуть в miniFAQ v.1.6, то оказывается, что с девиацией это никак не связано. Более того, именно этот тип модуляции рекомендуется для проведения радиосвязей, так как используется не нулевая промежуточная частота (ПЧ), в отличии от FM. При этом модуляция FM больше позиционируется как предназначенная для разнообразных экспериментов и прослушивания УКВ радиостанций.

Подаю тональный сигнал со встроенного генератора:

Осциллограмма тонального в модуляции FM2 на выходе трансивера "Маламут"
Осциллограмма при подаче тонального сигнала в FM2

А вот это выглядит уже совершенно странно и абсолютно не похоже на частотную модуляцию в её энциклопедическом смысле! На лицо какие-то математические ошибки при вычислении значений амплитуд для I- и Q-составляющих из-за чего происходит изменение не только фазы сигнала, но и его амплитуды.

Безусловно, это должно сказаться и на дальности связи, так как при таких изменениях амплитуды скорее всего сократится зона уверенного приёма.

Спектр ЧМ сигналов

Для визуального исследования спектра сигналов в ЧМ воспользуюсь приёмником RTL-SDR v3 и программой SDRSharp. С помощью этой же программы будет производиться оценка демодулированного сигнала на слух.

Размещённые в статье изображения спектрограмм получены из снимков экрана и содержат два представления участка спектра в одинаковом масштабе: сверху — непосредственно сам спектр, а снизу — частотно-временная диаграмма (водопад). Так как основной интерес будет представлять частотно-временная диаграмма, то далее по тексту при упоминании спектрограммы чаще всего будет подразумеваться водопад.

Все последующие наблюдения ЧМ сигналов будут производиться на частоте 1,90 МГц. Мне показалось уместным использовать более низкую рабочую частоту, так как приёмник будет работать в режиме прямой оцифровки. Частота семплирования была выбрана равной 1,8 MSPS.

Осталось привести в соответствие отображение принимаемой частоты с рабочей частотой трансивера. Калибровка DDS трансивера производилась в режиме приёма SSB сигнала на частоте 1,90 МГц с помощью генератора UNI-T UT932E и программы Spectrum Lab V.2.93 b7 (анализировался звук, поступающий через USB соединение).

Были установлены такие значения корректирующих коэффициентов, при которых отклонение сигнала на частоте 1 кГц в USB и LSB модуляциях было одинаковым. Это вызвано тем, что при настройке по одной из боковых полос, на другой происходит смещение тона на несколько герц. А вот в зеркальном канале такого смещения не наблюдается (напомню, что корректировка IQ-дисбаланса не производилась). Отсюда можно сделать вывод, что это вызвано какими-то программными особенностями при работе с разной боковой полосой.

Калибровка приёмника не понадобилась, так как никаких отклонений частоты от установленной замечено не было. Наблюдения производились при максимальном частотном разрешении (4194304 бинов) функции быстрого преобразования Фурье (FFT) в программе SDRSharp.

Все приведенные в статье изображения спектрограмм сделаны при частотном разрешении 65536 бинов. Это разрешение мне показалось оптимальным для визуального наблюдения происходящих процессов.

Устанавливаю выходную мощность PWR в 10% (параметр Tx Setup → TxOut[BAND] равен 50%) и подаю тональный сигнал со встроенного программного генератора (в модуляции FM):

Спектрограмма тонального сигнала на выходе трансивера "Маламут" при модуляции FM
Спектрограмма тонального сигнала при частотной модуляции FM

На спектрограмме можно видеть, что кроме несущей и гармоник тонального сигнала присутствует так же и просачивающийся на выход трансивера сигнал гетеродина. Отсюда уже можно сделать вывод, что низкая мощность не сильно подходит для работы в реальном эфире некоторыми видами модуляции.

С другой стороны, при выборе AM или FM2, частота гетеродина будет совпадать с частотой несущей. Осталось только выяснить: есть ли кто-то в радиолюбительской среде, работающий самой низкой выходной мощностью в AM, да ещё и без использования «помощника» — лампового усилителя?

Второе наблюдение заключается в том, что спектр сигнала смещён относительно установленной рабочей частоты. Как оказалось, подобное отклонение наблюдается и при выборе других видов модуляции. У меня получились следующие значения отклонения несущей частоты от частоты настройки трансивера (при максимальном частотном разрешении FFT):

МодуляцияОтклонение несущей, Гц
AM+92
FM+200
FM2-20
Таблица отклонений несущей частоты передаваемого сигнала относительно частоты настройки трансивера

Раз уж на спектрограмме просматривается частота гетеродина, то можно так же пронаблюдать насколько частота гетеродина отличается от частоты настройки трансивера при выборе разных видов модуляции. Особой информации при исследовании качества выходного сигнала это не несёт, но пусть будет:

МодуляцияОтклонение частоты гетеродина, Гц
LSB, USB+1
CWL+699
CWR-701
AM, FM0
FM2+3000
RTTY-L+1142
RTTY-1138
Таблица отклонений частоты гетеродина от частоты настройки трансивера

Измерения могут быть не точными, так как производились RTL-SDR приёмником, а не частотомером.

Выходной сигнал всё же лучше рассматривать при максимальной выходной мощности, поступающей с основной платы трансивера. Но при установке PWR в 100% или повышении параметра Tx Setup → TxOut[BAND], вход приёмника начинает перегружаться. Не секрет, что RTL-SDR приёмник обладает крайне невысокими характеристиками, а перегрузка его входа приводит к появлению множества побочных сигналов на спектрограмме.

Чтобы ослабить входной сигнал был собран простой самодельный П-образный аттенюатор из «трех» резисторов. Но в процессе сборки я так увлёкся, что собрал аттенюатор аж на 80 дБ! Из-за такого существенного ослабления входного сигнала пришлось даже включать АРУ, чтобы этот ослабленный сигнал немного усилить. Да, это не очень хорошо, но аттенюатор решил уже не переделывать:

Самодельный П-образный аттенюатор на 80 дБ собранный на макетной плате
Аттенюатор, подключённый между трансивером и RTL-SDR приёмником

На следующем изображении содержится спектрограмма ВЧ-сигнала при поочерёдной подаче тонального и двухтонального звукового сигнала со встроенного программного генератора в режиме частотной модуляции FM2:

Спектрограмма тонального и двухтонального сигнала на выходе трансивера "Маламут" при модуляции при модуляции FM2
Спектрограмма тонального сигнала и двухтонального сигнала при частотной модуляции FM2

Такая вот происходит «свистопляска» на водопаде, сопровождающаяся шумами и плавающим тоном. Послушать можно здесь.

При работе голосом в режиме модуляции FM наблюдаются искажения, но речь разборчива. В модуляции FM2 искажения звучат иначе, но качество голоса и разборчивость выше.

Влияние полосы фильтра на качество сигнала в ЧМ

Программный фильтр, очевидно, на что-то влияет. Но на что именно? Ограничивает полосу модулирующего сигнала или же всего спектра выходного сигнала?

Если заглянуть в настройки трансивера, то можно увидеть, что в настройках фильтров SSB модуляции имеются установки для нижней и верхней частоты. А для AM и FM модуляций — только верхней.

Практика показала, что для SSB сигнала границы фильтра определяют частотные границы спектра результирующего сигнала (что и логично). А вот в AM полоса сигнала оказалась в два раза шире полосы установленного фильтра (полоса фильтра соответствует лишь боковой полосе).

Однако в FM всё ещё интереснее. И тут уже сложно понять границы чего определяет выбранный фильтр. А самое удивительное, что при разных значениях полосы фильтра могут возникать совершенно неожиданные и непредсказуемые явления!

После сброса всех настроек FRAM и выборе модуляции FM или FM2 по умолчанию устанавливается фильтр с полосой 6 кГц. Но, как можно было наблюдать выше, это абсолютно не мешало сигналу иметь как более широкую полосу, так и более узкую, в зависимости от выбранного типа модуляции.

Девиация частоты в меню Tx Setup → FM dev имеет значение 5,00 кГц. Известно, что для узкополосной ЧМ, применяемой в связи, ширина полосы выходного сигнала равняется удвоенному значению девиации — то есть 10 кГц.

Остаётся посмотреть, что же будет происходить с выходным сигналом при установке разной полосы фильтра. Для быстрой и наглядной оценки масштаба, на всех спектрограммах, опубликованных в статье, установлена одна и та же полоса пропускания ЧМ демодулятора — 12 кГц (отображается выделенным участком спектра).

На следующей группе изображений показаны спектрограммы при подаче тонального сигнала со встроенного программного генератора в модуляции FM при использовании фильтра с разной полосой пропускания:

Как можно видеть, при выборе фильтра с полосой 2,7 кГц происходит существенное искажение исходного сигнала и расширение спектра результирующего.

Так же видно, что увеличение полосы пропускания фильтра влияет на полосу радиосигнала в спектре. Но при этом спектр результирующего сигнала превышает удвоенное значение девиации, установленное в меню Tx Setup → FM dev.

А вот что происходит при подаче тонального сигнала в режиме модуляции FM2:

Здесь ситуация куда более яркая! Использование фильтров с полосой 2,7 кГц — 6 кГц, а так же 24 кГц приводит к крайне заметным искажениями выходного сигнала. А вот при полосе фильтра в диапазоне от 8 кГц до 12 кГц искажения сигнала отсутствуют.

Осталось посмотреть, как же выглядит осциллограмма выходного сигнала при подаче тонального и двухтонального сигнала при полосе фильтра 10 кГц, а не 6 кГц как до этого.

И вот тут ещё более интересный поворот! Сначала (при подаче «тональника») мне показалось, что это просто какой-то «пожёванный» AM сигнал. Но после того как был подан двухтональный сигнал никаких сомнений не осталось! В модуляции FM2 одновременно происходит и частотная и амплитудная модуляции:

Но и это не всё. При увеличении полосы фильтра до 12 кГц, осциллограмма стала ещё больше похожей на осциллограмму AM сигнала.

Напоследок осталось посмотреть как же выглядят спектрограммы реального звукового сигнала в FM и FM2, если сильно подуть в микрофон. Для усиления эффекта система АРУ была отключена — AGCoF:

Ну что же. Теперь можно сделать некоторые выводы.

При использовании модуляции FM2 полоса фильтра соответствует полосе результирующего сигнала (а не его половине, как в AM).

А вот при FM модуляции и установке фильтра 5 кГц и ниже — полоса сигнала в два раза шире установленного фильтра (как в AM). Ну а при установке фильтра с полосой более 5 кГц, полоса сигнала особо не меняется.

Ещё одним интересным наблюдением являются летящие «хвосты» на водопаде. Они наблюдаются в модуляции FM при установке фильтра с полосой 5 кГц, а в модуляции FM2 — 10 кГц. И скорее всего это как-то связанно между собой. Сам же «эффект» многократно воспроизводился и не является случайностью, попавшей на скриншоты.

С другой стороны, при включении системы АРУ подобные «хвосты» практически полностью пропадают и могут проявляться разве что на очень резких и громких звуках.

В завершении обзора частотной модуляции приведу записи реального звука из программы SDRSharp. Приёмник был подключён напрямую к выходу трансивера без аттенюатора. Это позволило практически полностью избавиться от «шума эфира». Полоса фильтра в трансивере — 10 кГц, а у демодулятора в программе SDRSharp — все те же 12 кГц. Смещение спектра при использовании FM модуляции так же учитывалось и приёмник подстраивался.

Как по мне, модуляция FM абсолютно не подходит для проведения радиосвязей, так как имеются ярко выраженные искажения звука в результирующем сигнале. Это можно отчетливо услышать на записи.

А вот использование модуляции FM2 имеет смысл даже несмотря на то, что выходной сигнал дополнительно модулирован амплитудной модуляцией. Голос при этом звучит очень качественно и без каких-либо заметных искажений!

Понятно, что в процессе записи звука я не «алёкал» на весь дом, но изменение громкости голоса было значительным. И программно реализованная система АРУ с этим легко справилась не допустив искажений звукового сигнала.

Влияние параметров из меню настройки трансивера на выходной сигнал

Теперь давайте рассмотрим как на выходной сигнал влияют некоторые параметры в меню настройки трансивера. Это крайне важно для избежания непредвиденных искажений выходного сигнала.

Параметр Tx Setup → TxOut[BAND]

Амплитудная модуляция. Повышаю постепенно значение Tx Setup → TxOut[BAND] с 50% до 100%. При этом, как и ожидалось, повышается и уровень выходного сигнала.

Но в один прекрасный момент начинают появляться странные артефакты на огибающей. Особенно хорошо эти искажения видны при значении TxOut[BAND] равном 100%:

Давайте же разбираться, что происходит. Может быть это вызвано какими-то аппаратными причинами, возникающими на пути сигнала от кодека до выхода RF_IN_OUT?

Пробую понизить выходную мощность PWR со 100% до 10%. Для большей наглядности оставлю такое же значение развёртки по вертикали — 200мВ/дел:

Осциллограмма тонального сигнала на выходе трансивера "Маламут" в АМ при TxOut[BAND] равном 100% и PWR равном 10%
Осциллограмма АМ-сигнала при значении TxOut[BAND] равном 100% и PWR равном 10%

Как видно, ничего кроме амплитуды сигнала не изменилось. Искажения сохранились и наблюдаются при любых значениях PWR.

Если заглянуть в открытые исходные коды прошивки версии 2.0, окончательно становится очевидным то, что регулировка выходной мощности осуществляется путем изменения громкости звукового сигнала на выходе кодека (файл CS4272dig.c):

void CodecTXPwrSet( void ){

/*
  %     p/      vol
100%    1       0db     4
80%     1.26    -2db    3
50%     2       -6dB    2
25%     4       -12B    1       
10%     10      -20dB   0
 
*/ 
  
  if(SdrStr.SdrMode.TX_PWR == 0){//10%
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_B,  20,  CODEC_CS_TX );
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_A,  20,  CODEC_CS_TX );
  }
  if(SdrStr.SdrMode.TX_PWR == 1){//25%
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_B,  12,  CODEC_CS_TX );
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_A,  12,  CODEC_CS_TX );
  }
  if(SdrStr.SdrMode.TX_PWR == 2){//50%
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_B,  6,  CODEC_CS_TX );
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_A,  6,  CODEC_CS_TX );
  }
  if(SdrStr.SdrMode.TX_PWR == 3){//80%
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_B,  2,  CODEC_CS_TX );
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_A,  2,  CODEC_CS_TX );
  }
  if(SdrStr.SdrMode.TX_PWR == 4){//100%
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_B,  0,  CODEC_CS_TX );
    Spi_wr ( DAC_VOLUME_A,  0,  CODEC_CS_TX );
  }
}

Напомню, что кодек имеет дифференциальные выходы. Результирующий сигнал между дифференциальными выходами может изменяться в пределах от 0 до 5 В, а на самих выходах относительно общего провода — от 1,25 В до 3,75 В:

График изменения напряжения на дифференциальных выходах кодека CS4272 из datasheet
Пределы изменений напряжения на дифференциальных выходах кодека CS4272

Давайте теперь посмотрим форму сигнала на одном из дифференциальных выходов сразу после усилителя, например в точке между C41 и R32:

Осциллограмма сигнала TXIP в трансивере "Маламут" при подаче тонального сигнала в АМ и значении TxOut[BAND] равным 100%
Сигнал TXIP во время подачи тонального сигнала в АМ при значении TxOut[BAND] равным 100%

Забавно, не правда ли? Похоже, что на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП) кодека изначально поступают искажённые значения! А происходит это из-за двоичного переполнения при математических операциях. Это так же подтверждается тем, что при снижении значения TxOut[BAND] искажения амплитуды сигнала пропадают.

Чтобы исключить влияние любых аналоговых цепей после кодека, были произведены измерения на выходах самого кодека. Как и ожидалось, форма сигнала полностью повторила вышеприведенную. А замена микросхемы кодека окончательно отбросила аппаратную природу возникающих искажений!

Для более наглядной демонстрации, прилагаю осциллограмму с сигналами на дифференциальных выходах формирующий Q-составляющую выходного сигнала. Измерения производились в точках C33 — R24 (TXQP) и C32 — R23 (TXQN):

Осциллограмма дифференциальных сигналов TXQP и TXIP, а так же результирующей Q-составляющей выходного сигнала в трансивере "Маламут" в режиме амплитудной модуляции при подаче тонального сигнала и TxOut[BAND] равным 100%
Сигналы TXQP, TXQN и результирующий TXQ

На осциллограмме так же имеется и результирующий сигнал Q-составляющей, полученный с помощью математической разности дифференциальных составляющих сигнала TXQP и TXQN. Развертка математического канала по вертикали — 5 В/дел.

Я произвел исследование на доступных прошивках и выявил, что подобные искажения проявляются только в версии 4.9.

Уже в предыдущей версии 4.7 такого явления не наблюдалось. Но там наблюдаются другие искажения выходного сигнала:

Осциллограмма тонального сигнала в амплитудной модуляции в прошивке версии 4.7 трансивера "Маламут"
Осциллограмма тонального сигнала в АМ (прошивка версии 4.7)

Из осциллограммы видно, что значение Vpp при тех же настройках существенно ниже, чем при использовании прошивки 4.9, и составляет 640 мВ, вместо 921 мВ. Параметр в меню настроек так же носит другое название — Mix Out.

Но вернёмся обратно к версии 4.9. При использовании частотной модуляции FM искажения сигнала так же наблюдаются. И наступают они при превышении параметром TxOut[BAND] значения 70%.

Спектрограмма выходного сигнала при подаче тонального сигнала со встроенного программного генератора с постепенным изменением значения TxOut[BAND] от 70% до 73% и обратно имеет следующий вид:

Спектрограмма тонального сигнала на выходе трансивера "Маламут" при модуляции FM и изменении параметра TxOut[BAND] от 70% до 73% и обратно
Спектрограмма тонального сигнал в FM модуляции при изменении TxOut[BAND] от 70% до 73% и обратно

Тест с микрофоном показал, что искажения звука в виде треска начинают проявляться при достижении параметром TxOut[BAND] значения 71%. При повышении значения до 73%, полезный сигнал практически теряет разборчивость. Дальнейшее повышение значения параметра приводит к полной невозможности выделить из треска полезный сигнал.

В модуляции FM2 с установленным фильтром полосой 6 кГц искажения начинают обнаруживаться уже при значениях TxOut[BAND] выше 49%! Так выглядит спектрограмма выходного сигнала при подаче двухтонального сигнала со встроенного генератора при постепенном повышении значения TxOut[BAND] от 49% до 80% и обратно:

Спектрограмма двухтонального сигнала на выходе трансивера "Маламут" в модуляции FM2 и установленном фильтре 6 кГц при изменении TxOut[BAND] от 49% до 80% и обратно
Спектрограмма двухтонального сигнала в модуляции FM2 при изменении TxOut[BAND] от 49% до 80% и обратно (фильтр 6 кГц)

Во время работы микрофоном, искажения в виде треска появляются не мгновенно, а нарастают постепенно с увеличением значения параметра TxOut[BAND]. По достижению параметром значения 59%, на громких звуках появляются первые слышимые искажения. Дальнейшее повышение значения TxOut[BAND] до 62% делает эти искажения выраженными и отчетливыми.

Если же установить фильтр с полосой 10 кГц, то искажения начинают появляться при достижении TxOut[BAND] значения 70 %, как и при FM. На следующем изображении можно видеть как изменяется спектр сигнала при изменении параметра TxOut[BAND] от 69% до 73% и обратно:

Спектрограмма двухтонального сигнала на выходе трансивера "Маламут" в модуляции FM2 и установленном фильтре 10 кГц при изменении TxOut[BAND] от 49% до 80% и обратно
Спектрограмма двухтонального сигнала в модуляции FM2 при изменении TxOut[BAND] от 69% до 73% и обратно (фильтр 10 кГц)

Стоит отметить, что только при фильтре с полосой 10 кГц искажения начинаются уже при достижении параметром TxOut[BAND] значения 70%. При выборе же фильтра с полосой 8 кГц или 12 кГц искажения появляются, как и при использовании модуляции FM, — при значениях TxOut[BAND] выше 70%.

Параметр SDR → Sampl Rate

Повышение частоты дискретизации с 48k до 96k приводит к повышению загрузки микроконтроллера до 99%. Из-за этого возникают и искажения выходного сигнала. Однако, при более низких (и адекватных) значениях частоты дискретизации никаких проблем не наблюдается.

А ещё, если не ошибаюсь, автор трансивера заявлял, что частоты дискретизации отличные от 48k используются лишь для тестов. И это стоит учитывать.

Параметр SDR → FFT Size

Параметр FFT Size влияет на частотное разрешение спектра, полученного в результате Быстрого преобразования Фурье (БПФ, FFT). Чем больше значение параметра — тем выше точность представления спектра исходного сигнала в виде дискретных значений, так как каждый бин («спектральная линия») будет отстоять от соседнего на меньший частотный интервал.

На частотное разрешение так же влияет и частота дискретизации исходного сигнала. Чем ниже частота дискретизации — тем выше частотное разрешение спектра, так как снижается максимальная частота оцифрованного сигнала. Значение параметра FFT Size по умолчанию — 2048.

В прошивке версии 4.9 замечено, что при подаче тонального сигнала от встроенного генератора в AM или SSB, изменение величины параметра FFT Size влияет так же и на частоту модулирующего сигнала. При каждом изменении значения FFT Size в два раза, в два раза изменяется и частота тона!

Но есть и хорошие новости: искажения модулирующего сигнала касаются только встроенного программного генератора. На сигнал, поступающий с микрофона, эти изменения никакого влияния не оказывают!

В прошивке версии 4.7 и ниже происходят куда более странные искажения сигнала. Следующие осциллограммы были сняты на эквиваленте нагрузке, подключённой к антенному входу. Мощность передачи — 100%. Параметр Mix Out так же составляет 100%. Изображения содержат осциллограммы тонального сигнала в AM с разными значениями FFT Size:

При подаче двухтонального сигнала от встроенного генаратора в режиме SSB, так же происходит пропорциональное изменение частоты модулирующего сигнала (как и в случае AM).

Если же говорить непосредственно о ВЧ-сигнале, то он достаточно хороший (как и в прошивке версии 4.9). Прочертив мысленную огибающую видно, что сигнал соответствует истине, но катастрофически не хватает фильтрации:

Такая картина вызвана сильным уменьшением размера FTT с сохранением частоты дискретизации в 48 кГц. Если же уменьшать частоту дискретизации, то форма сигнала восстанавливается.

В более старых версиях прошивки (например, 4.4) можно обнаружить куда более причудливые формы выходного сигнала. Но рассматривать их здесь я не буду.

Параметр SDR → AGC Limit

Этот параметр, как можно догадаться из названия, ограничивает амплитуду модулирующего сигнала с помощью автоматической регулировки усиления (АРУ). Значение по умолчанию — 62%.

Ещё одной особенностью является то, что при повышении значения параметра повышается и амплитуда всего результирующего сигнала. А при снижении — снижается. Это необходимо учитывать, особенно если до этого был изменён параметр Tx Setup → TxOut[BAND]. Повышение амплитуды сигнала может вызвать уже описанные выше искажения, возникающие при увеличении значения параметра TxOut[BAND].

Параметр так же влияет и на глубину амплитудной модуляции! Несмотря на то, что имеется отдельная регулировка глубины модуляции параметром Tx Setup → AM mod, глубина АРУ накладывает дополнительные ограничения по амплитуде сигнала. Таким образом, для повышения глубины модуляции придётся увеличивать и значение параметра SDR → AGC Limit. Можно и вообще отключить работу АРУ, но в этом случае крайне легко столкнуться с ограничением сигнала.

Вот как выглядит сигнал при воспроизведении из динамика мобильного телефона громкого звука с частотой 1 кГц в микрофон гарнитуры трансивера при отключенной АРУ, а так же с включенной АРУ и значением параметра SDR → AGC Limit равным 100%:

Как видно, в первом случае происходит ограничение сигнала чуть ли не до меандра. А во втором случае — глубина модуляции становится явно выше, чем на осциллограммах приведенных в начале статьи.

Выводы

Если стоит выбор версии прошивки из тех, что доступны бесплатно, то здесь однозначно рекомендую использовать последнюю — 4.9. Она вносит меньше всего искажений в результирующий ВЧ-сигнал.

Хорошим решением так же является сохранение значений по умолчанию у параметров из меню SDR и Tx Setup. Большинство пользователей, скорее всего, именно так и делают. Или же работают на передачу только в CW и SSB. Как следствие, со многими поднятыми в статье вопросами никогда и не сталкивались.

При необходимости повысить или выровнять выходную мощность по диапазонам через параметр Tx Setup → TxOut[BAND], следует учитывать, что искажения (при значении SDR → AGC Limit равном 62%) возникают в следующих случаях:

  • AM: TxOut > 91%;
  • FM: TxOut > 70%;
  • FM2: TxOut > 69% (при полосе фильтра 10 кГц).

Если предполагается работать исключительно в SSB, то параметры Tx Setup → TxOut[BAND] и SDR → AGC Limit можно увеличивать до 100%. Эксперимент показал, что при подаче двухтонального сигнала в микрофон или использовании встроенного программного генератора, напряжение Vpp выходного сигнала (на диапазоне 40 метров) увеличивается в 3 раза — с 272 мВ до 808 мВ, а мощность (если смотреть по Vrms) — в 9 раз:

Осциллограмма двух сигналов: двухтонального сигнала в однополосной модуляции при значениях параметров TxOut[BAND] и AGC Limit по умолчанию, и этого при TxOut[BAND] и AGC Limit равным 100%
Двухтональный сигнал в однополосной модуляции при TxOut[BAND] и AGC Limit равным 100% и при значениях по умолчанию

Повышение глубины амплитудной модуляции осуществляется путём увеличения параметра SDR → AGC Limit. Но при этом не стоит забывать и о значении параметра Tx Setup → TxOut[BAND]. Так как увеличение значения параметра AGC Limit без уменьшения значения параметра TxOut[BAND] может привести к двоичному переполнению и искажению результирующего ВЧ-сигнала.

Модуляция FM абсолютно не подходит для радиосвязи. Звук имеет искажения, которые никак не устраняются. К тому же спектр сигнала имеет смещение относительно частоты настройки трансивера.

В модуляции FM2 звук имеет очень хорошее качество (фильтр 10 кГц). Но выходной ВЧ-сигнал кроме частотной модуляции промодулирован так же и амплитудной!

Так же стоит учитывать, что в частотной модуляции величина полосы фильтра играет крайне важную роль. Для модуляции FM2 применимы только фильтры с полосой 8 кГц — 12 кГц. К тому же, при выборе фильтра с полосой 10 кГц, спектр выходного сигнала может значительно превышать значение полосы фильтра (особенно на очень громких звуках или при выключенной системе АРУ). Поэтому, лучшим решением в данном случае будет использование фильтра с полосой 12 кГц.

Уменьшать значение параметра SDR → FFT Size смысла нет, так как это приведёт только к снижению частотного разрешения модулирующего сигнала.

В списке изменений к прошивкам коммерческой серии SX упоминается, что в версии 8.1 «исправлены работы всех модуляторов SSB AM FM», а в версии 10.5 «улучшена модуляция АМ (передача)». Отсюда можно сделать вывод, что возможно все указанные в статье проблемы с выходным сигналом были устранены.

Как бы там ни было, стоит поблагодарить автора R3DI за разработку трансивера и наличие бесплатных версий прошивок. Но так же стоит учитывать все особенности, которые описаны в данной статье и могут самым неожиданным образом повлиять на качество выходного сигнала.