Современные трансиверы с DSP технологией уже давно появились на рынке и, кажется, оповещают звоном триумфальное шествие цифровой обработки сигналов. Что же дает цифровая обработка сигналов — DSP?
Для тех, кто еще не знает, что такое DSP (Digital Signal Processor) — это цифровой процессор, предназначенный для специальной цифровой обработки сигналов. Аналогично DSP существовала и существует до сих пор хорошо известная аналоговая обработка сигналов — ASP. В целом же, DSP не такое уж новое устройство. Более 20 лет назад, с появлением TTL — электроники, некоторые соответствующие задачи стали реализовывать на цифровых микросхемах, но тогда эти устройства еще не получили название DSP.
В радиолюбительской практике уже в 1975 году появилась схема 10Гц фильтра для CW, автором которой является Рей Петит — W7GHM. В те времена использовались простые схемы. Сегодня же цифровые процессоры позволяют решать множество разнообразнейших задач. Своему дальнейшему развитию любительская радиосвязь обязана именно появлению DSP процессора — интегральной микросхемы с большой степенью интеграции.
Теорию цифровой обработки сигналов невозможно описать вкратце. Но в ARRL Handbook наиболее важные положения описаны на 18-ти страницах.
Очевидно, что далеко не все возможности DSP в области радио уже исчерпаны. О наиболее важных из них, на сегодняшний день, мы имеем хорошее представление. Самыми большими ограничениями применения DSP являются верхняя граничная частота обрабатываемого сигнала и пока еще высокая цена, поэтому DSP используются, в основном, в высококлассных устройствах. Некоторые модели DSP работают на частотах до 10 МГц. Если же требуются большие объемы математических вычислений по обработке сигналов, то приходится ограничиваться частотами до 100 кГц. Например, для реализации полосового фильтра промежуточной частоты (ZF-фильтр).
К целому ряду преимуществ, уже предоставляемых DSP, добавилась возможность снижения искажений при модуляции речевым сигналом. Человеческая речь, с точки зрения ее обработки, обладает чрезмерной избыточностью. Большой динамический диапазон речи и музыки можно сжать, но при этом возникают проблемы с приданием естественности и разборчивости.
Все попытки оптимизировать речевую передачу с помощью аналоговых устройств были не особенно удачными. DSP позволяет управлять амплитудно-частотной характеристикой тракта приема-передачи без внесения каких-либо видимых искажений. А перемодуляции, которая вызывает пресловутые «Splatters», можно избежать.
Существует естественный барьер, препятствующий новым видам передачи. Этим барьером является инерция самих радиолюбителей. Достаточно вспомнить о том, какая инерция проявлялась при переходе от AM модуляции к SSB. Передача цифровых сигналов производится в полосе SSB канала (AFSK). Будут ли задействованы другие методы модуляции покажет будущее. Остается только подождать. Но, в тоже время, практически не сдают свои позиции старый Бодо — RTTY и щелкающий телеграф.
Новые DSP демодуляторы работают значительно линейнее, чем аналоговые SSB детекторы и более помехоустойчивы. Несмотря на то, что их схемы различны, — функциональное предназначение однотипно. Автоматическая настройка на однополосный сигнал с помощью DSP будет рано или поздно решена — это вопрос времени и пресловутый «голос Буратино» уйдет в прошлое.
Теперь о двух важнейших применениях DSP, которые уже можно использовать на практике. С их помощью приемная техника становится наиболее эффективной.
Фильтры для устранения шумов и помех.
В радиоприемниках цифровая обработка демодулироваииых сигналов превосходит вое известные способы аналоговой обработки. В США в профессиональной технике подобные устройства получили название DENOISER — шумоподавитель. Но могут употребляться и другие обозначения.
В DENOISERe цифровым фильтром выделяется НЧ область, в которой распознаются связанные когерентные сигналы (частоты), а фильтровые коэффициенты вычисляются с помощью специально адаптированных LMS-алгоритмов по Hoff-Widrow методике. На английском языке этот процесс называется «Dynamic peaking around all cohereni signals». Шумы радиоприемника, которые, как правило, осложняют прием слабых сигналов, могут быть снижены на 10—20 дБ.
Цифровой Notch-фильтр определяет и реагирует на все помехи в полосе пропускания и ослабляет их, не требуя ручной подстройки, причем степень ослабления превосходит известные нам аналоговые Nolch- фильтры, и может достигать 50 дБ.
SSB операторы, страдающие от телеграфных помех, могут практически забыть про них, поскольку CW сигнал прослушивается в качестве еле слышимых щелчков. Более того, фильтр автоматически заглушает даже собственные свисты (пораженные точки), В новых трансиверах часто встречается название Auto Notch. Но пренебрегать аналоговым Notch-фильтром пока не следует, он может быть полезен в режиме CW.
Существенное ослабление помех — это хорошее приобретение для радиоприемника. Некоторые сигналы, благодаря DSP обработке, становятся более разборчивыми, Но к использованию DSP еще надо привыкнуть, поскольку в зависимости от степени ослабления помех наблюдается некоторое «обезличивание» принимаемых корреспондентов. Вместе с ослаблением помех очень эффективно происходит снижение шумов, но еще большего чуда от Denoiser’a ожидать ие приходится.
Цифровые фильтры для приемника.
Если, что и может вас заинтересовать для обеспечения селекции в радиоприемнике, так это способность DSP реализовывать хорошую фильтрацию в области промежуточной и низкой частоты. С помощью соответствующего программного обеспечения становится возможным выполнение разнообразных режимов фильтрации. Легко реализуются цифровые полосовые фильтры и фильтры низких и высоких частот, которые могут быть наделены различными свойствами. На сегодняшний день существуют два способа цифровой фильтрации.
Фильтр с импульсной характеристикой бесконечной длительности — IIR (Infinite Impuls Response) для своей реализации не требует сложного программного обеспечения. По своим характеристикам IIR близок к аналоговым фильтрам. Подобные фильтры обладают незначительной групповой задержкой в полосе пропускания.
Фильтр с импульсной характеристикой конечной длительности — FIR (Finite Impuls Response) требует серьезной программной поддержки и с его помощью могут быть реализованы лучшие характеристики — он обладает высокой крутизной, малой неравномерностью в полосе пропускания и малыми фазовыми искажениями. И в отличии от аналоговых фильтров не вносит отражений.
DSP фильтры в не конкуренции, особенно, если требуется узкополосная фильрация, например, фильтрация в полосе 250 Гц с коэффициентом прямоугольности. Даже полосы пропускания для специальных режимов, таких как EME и CCW — 50 и 10 Гц, соответственно, могут быть легко реализованы с помощью DSP.
К недостаткам можно отнести то обстоятельство, что FIR фильтры имеют несколько большую групповую задержку от 10 до 100 мс, которая может сказываться при работе Amtor/Pactor Dx. Обычно принимается в расчет задержка от 18 до 32 мс. Таким образом, особого выигрыша здесь нет.
Как было отмечено выше, появляется все больше новых траисиверов, предоставляющих возможность точной настройки с шагом 1—2 Гц. При каком значении полосы пропускания возможен компромисс между повышенной четкостью приема и более затруднительной настройкой, предстоит выяснить только на практике. К употреблению очень узкополосных фильтров необходимо привыкнуть, особенно, если раньше не приходилось иметь с ними дело. По всей видимости, хорошо будут читаться телеграфные сигналы с 50 Гц DSP фильтром, хотя это и противоречит теории.
Границы цифровой обработки сигналов.
Только в редких случаях становится заметным то, что DSP фильтры ие идеальны.
На рисунках показаны типичная АЧХ NF фильтра с полосой пропускания 200 Гц. Измерения проводились в лаборатории ARRL. Из графика видно, что справа и слева от полосы пропускания расположено множество всплесков АЧХ с внеполосным затуханием — 52 дБ. Несколько усовершенствованные алгоритмы цифровой обработки позволяют отодвинуть эту границу до — 60 дБ. Больших достижений добиться пока не удается. Все сведения о прямоугольности DSP фильтра основываются на этих данных и нигде не удается встретить более достоверную информацию.
Для нормального применения DSP предельная частота уже называлась и сейчас прилагаются усилия, чтобы увеличить верхнюю границу до 455 кГц.
Хорошо известно — все цифровые схемы создают сильные помехи в широком спектре частот и DSP также не являются исключением, поэтому необходима тщательная экранировка и хорошая развязка по цепям питания. Как бы не были хороши цифровые фильтры с их узкополосностью и крутизной скатов, они не могут существенно исправить то, что происходит в широкополосной части приемника — интермодуляцию и т.п.
Еслн кварцевые фильтры очень чувствительны к фазовым сдвигам, то и DSP фильтр пока не может снять эту проблему. Это является одним из недостатков DSP NF-фильтра.
Структурная схема DSP:
На рисунке показана типичная схема DSP NF фильтра. Ее автор W9GR. И хотя это любительская конструкция, но по такому же принципу строятся и профессиональные устройства. Основное достоинство структурных схем — их наглядность. Важнейшими компонентами являются AD/DA (аналого-цифровые и цифро-аналоговые) преобразователи. Здесь используются 8-ми разрядные преобразователи, которые выбраны только из-за сходной цены, но не является исключением использование и 12-13-ти разрядных преобразователей. Более совершенные DSP рассчитаны для обработан 16-ти и даже 32 разрядных слов.
Тактовая частота DSP — 20 МГц, но уже встречаются DSP с тактовой частотой — 40 МГц и выше. На входе и на выходе DSP установлены активные низкочастотные фильтры, а в дорогих устройствах — интегральные SC фильтры. Управляющая программа, хранящаяся в PROM (ПЗУ), определяет свойства цифрового фильтра — ее поставляет производитель. Она является гордостью разработчика, стоит дорого и ее, как правило, держат в тайне. Хотя имеются некоторые отличия в схемных решениях разных производителей, ио абсолютного превосходства нет ни у кого. Цифровые устройства строятся таким образом, чтобы имелась возможность замены микросхемы PROM с имеющейся программой иа более совершенную.
Среди производителей выделяются три фирмы, которые выпускают полные комплекты микросхем для построения DSP. Это Texas Instruments, Analog Devices и Motorola. Для каждого определенного применения они поставляют простые и более сложные микросхемы. 32-х разрядные DSP фирмы Motorola позволяют расширить их области применения, но они существенно дороже.