Mjukvarudefinierad radio (Software Defined Radio - SDR) är en radioarkitektur där signalbehandlingen i stor utsträckning sker digitalt med mjukvara, d.v.s. med någon form av dataprogram.

HF-transceivern SDR-1000 från FlexRadio Systems, som presenteras här, utgör i kombination med en PC en mjukvarudefinierad radioarkitektur. SDR-1000 levereras som en byggsats innehållande tre färdigmonterade och provade kretskort samt ett medföljande dataprogram. Kretskorten kopplas ihop till en enhet och anslutes dels till antennen och dels till en för detta ändamål disponerad PC med Windows OS. I denna PC installeras det dataprogram, som medföljer kretskorten.

Efter framgångsrik installation har man dels en högvärdig radiomottagare för frekvens- området 0-65 MHz och dels en sändare för alla amatörradioband mellan 160 och 6 meter och en uteffekt av 2 watt PEP.

Konverteringen mellan arbetsfrekvens (HF) och basband (MF) görs digitalt i kretskorts-enheten. Signalerna i de två fasförskjutna (I- och Q-)basbanden har en mellanfrekvens av +11.025 kHz. Demodulering respektive modulering och övrig signalbehandling görs digitalt i datorns ljudkort (DSP) med hjälp av mjukvara.

Radions manöverpanel är en bild på datorns display och de manöverorgan och inställningar som visas där kan påverkas med tangentbordet och datamusen.

 1.0 Bakgrunden till utvecklingen av SDR-I000

Upphovsmanen till transceivern SDR-1000 är Gerald Youngblood, AC5OG.  Han säger sig ha tagit på sig uppgiften att "Överföra kunskapen från den akademiska till den praktiska nivån och att göra den digitala teknologin användbar för experimenterade radioamatörer". Gerald erhöll nyligen ARRLs "Award of Excellency" för sina arbeten. 

Han har presenterat transceivern med fyra artiklar i tidskriften QEX, vilka kan hämtas från Geralds hemsida.  Presentationen här är en kort sammanfattning av dem.

Vissa tekniska utvecklingar inträffar samtidigt och skapar då möjligheter till utveckling av nya produkter och metoder som tidigare bara existerat som fantasifoster.

Följande samtida tekniska innovationer möjliggjorde SDR-1000:

Internet och utvecklingen av webbrowsern.

Utvecklingen av snabba, billiga hemdatorer, ljudkort och modem.

DSP (Digital Signal Processing), d.v.s. i detta sammanhang mjukvaran för digital signalbehandling, framtagen av till exempel Intel som skapat ett DSP-bibliotek med programfiler för olika applikationer. Dessa program används redan delvis i moderna transceivrar.

Utveckling av snabba mikroelektronikkomponenter som idag kan digitalisera och bearbeta högfrekventa signaler upp till vhf-området.

2.0 SDR-1OOO konceptet

Med nämnda tekniska innovationer har det blivit möjligt att skapa helt nya, mjukvarudefinierade  anpradioapparater, som består av ett minimum av nödvändig hårdvara (komponenter) och har ett maximum avassbarhet och flexibilitet genom en fortlöpande mjukvaruutveckling. Radions funktionalitet  kan alltså ändras genom ändringar i mjukvaran. På så sätt är det möjligt att förbättra prestanda, göra anpass- ningar till önskade applikationer, göra uppgraderingar med nya mottagnings- och sändningsmoder o.s.v. Lödkolven ersätts således alltmer av programmeringsverktyg och kunskap att använda sådana.

Det finns redan radioamatörutrustning med fast inbyggda, färdigprogrammerade DSP-funktioner. I jämförelse med sådana transceivrar är en mjukvarudefinierad transceiver en anordning som kan göras om helt och hållet genom modifiering av mjukvaran. På grund av sådana egenskaper kallas SDR-1000 för en "Software Defined Radio" och företaget som säljer den har det passande namnet "Flex-Radio Systems".

3.0 Mål och medel

Geralds målsättning var som sagts att överföra kunskaper och metoder från den akademiska nivån till en för radioamatörer praktiskt användbar nivå. För genomförandet av projektet och tillvägagångssättet satte han upp följande mål:

Användning av enkel matematik som ryms på en avancerad fickkalkylator.

Användning av en vanlig PC med ljudkort för den digitala signalbehandlingen. Idén är att alla som äger en PC redan har den viktigaste och dyraste beståndsdelen i en SDR-transceiver.

Manöverpanelen skall vara en bild på datorns monitor. Programspråket för det för SDR-1000 nödvändiga operativsystemet skall vara VISUAL BASIC. Detta för att ge andra radioamatörer bättre möjlighet till utveckling av transparenta program och tillgång till dem.

Användning av Intels bibliotek med färdiga DSP-program. Detta för att spara utvecklingstid och för att nå bästa prestanda.

Användning av en direktkonverterande kvadratursamplingsdetektor för mottagaren och sändaren p.g.a. dess enkelhet, förlustfrihet och goda dynamik.

Användning av DDS, d.v.s. direkt digital frekvenssyntes, för att ge transceivern en flexibel frekvenskontroll och minneskapacitet för lagring av arbetsfrekvenser.

Framtagning av en transceiverbyggsats bestående av färdigtillverkade och testade kretskort.

Försäljning av kretskorten genom det för ändamålet bildade företaget Flex-Radio Inc.

Överlåtelse av mjukvaran enligt GNU-avtalet (General Public License) till intresserade radioamatörer. (Samma som för Linux-användare och -utvecklare)

Skapandet av ett Internetforum för användare av SDR-1000 och andra intresserade radioamatörer med syfte till vidareutveckling av programmen, programutbyte, teknisk assistans, fortlöpande info om utvecklingsstatus, personliga och sociala kontakter mellan projektdeltagarna m.m.

Här följer en närmare förklaring av de nämnda målen och medlen.

 Enkel matematik

 Gerald menar att ingen medvetet avstår från att använda en fickräknare bara för att man inte förstår vad som pågår på insidan. Låga mattekunskaper är därför inget hinder för att köra denna radio. Var och en måste själv bedöma om den använda matematiken är enkel. Exempel finns i Geralds artiklar i tidskriften QEX. Dessa kan hämtas från FlexRadio´s hemsida. 

Det behövs kunskap i Visual Basic 6.0 för att använda filer där matematiken förekommer. Ett helt Visual Basic program, version 6.0, kostar $ 600, men demoversioner för att kunna öppna filerna finns på Internet. Källor för fördjupning av kunskaper i digital signalbehandling och tillhörande matematik är angivna på Flex-Radio´s hemsida. Avdammning av gamla matematikböcker kan bli nödvändig för den experimenterande radioamatör som vill förkovra sig i DSP tekniken.

Användning av en vanlig PC med ljudkort för den digitala signalbehandlingen.

Idén är att alla som äger en PC redan har den viktigaste och dyraste beståndsdelen i en högpresterande transceiver.

Programmering i Visual Basic

Basic är ett välkänt programmeringsspråk och tillgängligt för dem som vill och kan delta i vidareutveckling av mjukvaran. Programmen för SDR-1000 är väl kommenterade så att användare lätt skall kunna följa programstegen och vad de avser. Exempel kan studeras i artiklarna som publicerats i tidskriften QEX och finns som hämtfiler på FlexRadio´s hemsida

Användning av Intels DSP-bibliotek

Intel ställer sitt DSP-bibliotek  till förfogande för köpare av Intel-produkter. Denna färdigutvecklade programvara används för filterprogrammen och för snabba Fourier-transformationer och spektrumanalys i SDR-1000. Delar av Intel´s bibliotek ingår som bifogade WINZIP-filer i grundprogrammet eller de kan hämtas från FlexRadio´s "Download Center" på Internet. Radioamatören kan därmed experimentera med olika filterprogram och bidra till vidareutvecklingen av radion.

Direktkonverterande kvadratursamplingsdetektordetektor (QSD)

Denna detektor är en teknisk nyhet som direkt digitaliserar den inkommande högfrekventa signalen och det behöver en närmare förklaring. Denna anordning utvecklades av en experimenterade radioamatör, Dan Tayloe N7VE,  och patenterades av mikroelektronikföretaget Motorola. Kvadratursamplingsdetektorn liknar ett direktkonverterande blandarsteg i enkla direktomvandlande mottagare, sådana som många självbyggare känner till. Nedanstående blockschema visar en direkt-omvandlande blandare och bilden därefter spektrumet av den utgående signalen.

När en bärvåg (carrier) med frekvensen Fc blandas med signalen från en lokaloscillator med frekvensen Flo resulterar det i s.k. blandningsprodukter: 

 Fc + F lo = 14,001 MHz + 14.000 MHz =28.001 Mhz Summafrekvens

 Fc- F lo= 14,001 MHz  - 14.000 MHz =0.001 MHz Spegelfrekvens USB

-Fc + F lo  = -14,001 MHz + 14.000 MHz = -0.001 MHz Spegelfrekvens LSB

-Fc  - F lo = -14,001 MHz  - 14.000 MHz =  -28.001 MHz Differensfrekvens

Blandningsprodukterna bildar ett frekvensspektrum som på följande förenklade bild, där ett filter undertrycker summa- och differensfrekvenserna 28.001 resp. -28.001 MHz, men däremot inte spegelfrekvenserna 0,001 eller -0,001 MHz.

 

En vidareutveckling för att undertrycka oönskade spegelfrekvenser var kvadratur-blandaren eller fasningsmetoden som användes förr i tiden innan billiga kvartsfilter och filtermetoden kom i användning. Bärvågen Fc tillförs två parallella blandare som matas med två 90 grader fasförskjutna signaler från samma oscillator. Vid de två blandarnas utgångar uppstår då summa- och differensfrekvenser som här ovan, men de är 90 grader fasförskjutna till varandra. Den signal som är i fas med ingångssignalen kallas I- (Inphase) signal och den 90 grader fasforskjutna och fördröjda signalen kallas Q- (Quadratur) signal. Summa- och differensfrekvenserna filtreras bort med lågpassfilter och vid summering av resterande frekvenser över ett motstånd eller differentialförstärkare upphävs en spegelfrekvens, vilket kan visas med en trigonometrisk ekvation som den intresserade kan finna på Internet.

 

Detta är en enkel metod, men svår att använda p.g.a. de varianser som uppstår i de analoga konventionella komponenter som står till buds, vilket gör att fas- eller/och amplitudobalans uppstår mellan de två signalerna. Det är därför svårt att uppnå en bättre undertryckning av spegelfrekvensen än 40 dB. Det finns dock byggsatser för sådana mottagare, men bara för ett fast frekvensband eftersom frekvensomkopplare ger oacceptabla varianser och därmed medför dålig spegelfrekvensundertryckning.

Tayloe-detektorn

För utvecklingen av en mottagare och sändare med höga prestanda och demodulering / modulering av alla moder behövs I- och Q-signaler, vars momentana värden av amplitud och fasläge är kända och precisa.

Gerald Youngblood utlovar profetiskt in sina artiklar: "GIVE ME I AND Q AND I CAN DEMODULATE ANYTHING" (Ge mig I (in-fas signalen) och Q (kvadratursignalen) och jag kan demodulera vad som helst). I en matematisk utflykt visar Gerald att det är möjligt att med enkla trigonometriska ekvationer demodulera AM, FM, SSB och andra moder.

För att få fram dessa önskade, oförvrängda och balanserade I- och Q-signaler använder Gerald en ny metod och anordning som kallas direktkonverterande kvadratursamplingsdetektor (QSD) eller Tayloe-detektor.

Följande bild visar principen för Tayloe-detektorn.

En bärvåg matas till en tänkt vridomkopplare som roterar med samma frekvens som bärvågen. De fyra kondensatorerna laddas då vardera en gång per varv med bärvågens momentanvärde vid olika fasvinklar. Två av kondensatorerna laddar I-(inphase) signaler vid 0 respektive 180 graders ställning på vridomkopplaren medan de övriga två kondensatorerna laddar Q-(Quadratur) signaler vid 90 respektive 270 graders vridomkopplarställning.

I- och Q-signalparen summeras i två efterföljande differentialförstärkare till en I- och en Q-signal.

 

 

I ovanstående bild har vridomkopplaren ersatts med modern mikroelektronik med samma funktionsprincip, men här utförd med snabba FET grindar. Kretsen FST 3253 är en demultiplexer som har omkopplarens funktion och matar de fyra samplingskondensatorerna. Oscillatorfrekvensen alstras med en direkt digital syntes. Utgångarna från de fyra samplingkondensatorerna summeras i den lågbrusiga differentialförstärkaren INA 163 som levererar I- och Q- signalen för anslutning till datorns ljudkort.

 

Utöver generering av de precist fasförskjutna signalerna I och Q har Tayloe-detektorn andra intressanta egenskaper. I en typisk diod- eller transistorblandare med efterföljande filter är utgångssignalen under 50% av en bärvågscykel lika med noll.

I en Tayloe-detektor blir utgången aldrig noll eftersom de fyra integrerande samplings- kondensatorerna håller de sist aktuella signalvärdena kvar tills nästa uppdatering kommer.

Detta medför att en vanlig blandare har en konverteringsförlust på 6-7 dB och ett brustal som ligger 1 dB över förlusten medan Tayloe-detektorn är teoretiskt förlustfri. I verkligheten finns små förluster även i Tayloe-detektorn genom motståndet i demultiplexern. Enligt mätningar och försök blir denna skillnad märkbar och prestationshöjande genom en lägre brusmatta på de högre frekvensbanden.

I nedanstående bild används Tayloe-detektorn som uppkonverter för sändning och modulering av signaler, som då så att säga går den omvända vägen genom demultiplexern än vid mottagning.

 

Användning av DDS (Direkt Digital Syntes) för frekvenskontroll.

Geralds avsikt var redan från början att transceiverns manöverpanel skall  visas som en bild på datorterminalens monitor. Resultatet är bilden av en transceiverpanel med virtuella knappar och skalor, som manövreras med tangentbordet och musen. I SDR-1000 används DDS för att åstadkomma en bra frekvensvisning, inställning och stabilitet samt för att skapa en databas för frekvensminne och snabba frekvensbyten.

Framtagning av en transceiverbyggsats.

Komponenterna för SDR-1000 är mestadels ytmonterade. Sådana är svåra att hantera för radioamatören utan den därtill nödvändiga utrustningen. Transceivern  SDR-1000 består av tre stycken kompletta kretskort som staplas på varandra så som visas på nedanstående foto och kopplas ihop med kontaktlister och distansstycken. Efter hopsättning är enheten klar för anslutning till datorns printerkontakt, ljudkortet, 12 volts spänningsförsörjning, högtalare, mikrofon, morse-paddel och antenn eller eventuellt ett slutsteg (PA). Beställning av kretskorten och betalning görs enklast på Internet.

 

Försäljning av transceiverbyggsatsen genom Flex-Radio.

Gerald startade företaget FlexRadio för att kunna marknadsföra och sälja kretskorten och andra framtida tillbehör (låda, slutsteg) på ett kommersiellt sätt. En annan uppgift för FlexRadio och Gerald är samordning av projektdeltagarnas utvecklingsarbeten. Gerald testar och debuggar modifierad programvara som skickas till FlexRadio av projektdeltagarna. Efter funktionskontroll överlåts programmen på FlexRadio´s "Download Center" till SDR-1000-användare. Vid behov görs också betaversioner av program för bedömning och feedback från användarna innan de släpps.

Överlåtelse av programvaran enligt GNU avtal (General Public License).

Programvaran kan utan kostnad hämtas på Internet från FlexRadio´s "Download Center". Genom hämtningen accepterar avhämtaren GNU-avtalet som finns som fil på "Download Center". Nödvändiga manualer med kopplingsschema, instruktioner för programinstallation, felsökningsschema, m.m. finns också färdig för kostnadsfri hämtning på "Download Center". Linux-användare arbetar f.ö. på liknande villkor.

Skapandet av ett Internet-forum för användare av SDR-1000.

SDR-1000 är framtagen av radioamatörer för radioamatörer. Ett FlexRadio´s Forum på Internet skall bidra till denna radios fortsatta utveckling och även utbyte av vunna erfarenheter. Varje köpare av en SDR-1000 och andra motiverade intressenter kan delta i forumet, som är öppet för allmänheten på Internet. Forumet är mycket välstrukturerat och aktivt med snart hundra deltagare och över 800 insända artiklar. Det bildas också arbetsgrupper för speciella uppgifter. 

Som exempel framförde jag, Willi, på forumet ett problem med SDR-1000 och fick problemlösande svar inom några timmar från radioamatörer på alla kontinenter. Jag kände då att radioamatörandan liksom har uppstått igen, men i en annan skepnad.

4.0 Dator- och ljudkortspecifkationer.

Enligt samlade erfarenheter med transceivern SDR-1000 rekommenderas följande datorkonfiguration:

Windows 2000 eller Windows XP samt vissa andra program från Microsoft som kan hämtas kostnadsfritt från de i installationsguiden angivna download-sidorna på Internet.

Installation av det ljudkortsprogram som följer med på en CD vid köp av ljudkortet.

CPU med minst 600 MHz klockhastighet.

RAM 256 Mb.

Standard PC parallell printerport med 25 kontakter. Alla kontakter används och kabeln måste ha 25 genomgående ledare.

Lämpliga ljudkort:

Turtle Beach Santa Cruz, PCI, 16-bit upplösning    På intern kortplats

Creative Labs MP3+ (USB anslutning, 16-bit upplösning)   Externt kort

Creative Labs Audigy (PCI, 24-bit upplösning)   På intern kortplats

Creative Labs Extigy (USB, 24-bit upplösning)   Externt kort

 

Stereohörlur eller stereohögtalare med förstärkare

Redan i datorn inbyggda ljudkort fungerar också, under förutsättning att linjeingången har biaural anslutning (stereo). Ljudkort med lägre upplösning bidrar till mer brus och sämre sidbandsundertryckning och därmed begränsar SDR-1000s prestanda.

På Internet finns testprogrammet "Rightmark" för utvärdering av ljudkort och dess prestanda.  

Enligt erfarenhet kan även långsammare datorer användas med framgång, om alla onödiga program, animationer, högupplösande färgskalor m.m. avinstalleras, kopplas från eller minskas i intensitet på kontrollpanelen och device-managern. Detta för att frigöra CPU-hastighet för applikationerna i SDR-1000. Insättning av ett modernt grafikkort kan också göra underverk på äldre datorer. Mera info om detta finns på forumet.

5.0 Sammankoppling av SDR -1000 med datorn och ljudkortet.

 

Sammankopplingen görs enkelt med skärmade kablar försedda med standard stereo- och datakontakter, sådana som finns att köpa färdiga i Radio/TV-affärer. SDR-1000 parallellport med 25 kontakter kopplas till datorns printerutgång med en så kort kabel som möjligt.

Inget kopplingsmaterial följer med på köpet utom en koaxialkontakt för strömförsörjningen. Närmare upplysningar finns i Hardware Manual som kan hämtas från FlexRadio´s Download Center.

6.0 Manöverpanelen för SDR-1000 som den visas på datamonitorn.

 

7.0 Manöverpanelens layout och funktioner

SDR-1000 är en knapplös radio som visas som en slags virtuell transceiver på dataterminalen. Layouten av imaginära omkopplare, skalor, mätinstrument och spektrumdisplayer, frekvensangivelser m.m. får den att likna fronten på en modern transceiver av senaste modell. Genom programändringar kan nya manöverelement, instrument, beteckningar och språk infogas efter behov och tycke.

Dataskärmens storlek, mindre storlek på de operativa elementen och manövrering med musen eller tangentbordet gör det möjligt att skapa diskreta knappar, instrument och skalor m.m. för varje önskad radiofunktion, liknande dem i tidigare generationer av transceivrar, men som det blev för dyrt att tillverka. Den snabbare tillgängligheten till olika inställningsparametrar utan multifunktionsknappar gör det enklare att ändra inställningar under ett QSO.

·  Kalibrering av VFOn och Tayloe-detektorn

·  Talkompressorn

·  Frekvensinställningar 

·  Moder

· Filterinställningar 

·  Minnesfunktioner

· Spektrumanalys

8. Lyssning till amatörradiotrafik och rundradio på olika frekvenser   Försök till QSO

Jag avslutar här den första delen av presentationen och övergår till att, med hjälp av projicering av manöverpanelen på vita duken, visa hur man manövrerar SDR-1000.

-----------------

Nedanstående uppgifter är hämtad från FlexRadio Systems hemsida www.flex-radio.com 

 

Modes Supported

 

 

Current                      Future

  SSB & DSB TX/RX       PSK31

  CW TX/RX                 RTTY

  AM TX/RX                  Slowscan TV

  SAM RX                     WSJT

  FMN TX/RX                 Digital Voice

  DRM RX                     You add it !

Coming Soon

 144MHz Undersampling Converter

 QSD Low Noise Preamp

  Enclosure

  20W Linear Amplifier & Filters

Why Direct Quadrature Sampling

· Doubles BW for Sampling Rate

· Simple/Low Cost Hardware

· I & Q - Any Modulation

· DSP Overcomes Analog Imbalance

· Low Cost/High Resolution ADCs

· Amazing Audio

Samtliga bilder och diagram Copyright © FlexRadio Systems, USA
Återpublicerade av ESR med skriftligt tillstånd av FlexRadio Systems, USA