Крок до нейтронних зірок 9. Принцип роботи RTL-SDR приймача.

Найкраща стаття, що я бачив по принципам роботи приймача описана тут. Тут наводиться короткий конспект цієї статті. У кілька простих кроків я спробую розповісти як працює цей приймач.

Крок 1. Проста демодуляція

Нехай маємо амплітудно модульований сигнал $s(t)$ на частоті $f_c$:

$s(t)=A m(t)cos(2\pi f_ct)$

Аби демодулювати сигнал, помножимо його на косинус з частотою $f_c$. Добуток косинусів:

$cos(\alpha)cos(\beta)=\frac{1}{2}(cos(\alpha-\beta)+cos(\alpha+\beta))$

або в нашому випадку:

$Am(t)cos(2\pi f_ct) cos(2\pi f_ct) =\frac{1}{2}A m(t) (1+cos(4\pi f_ct ))$

Високочастотна складова (на подвійній частоті) чиститься фільтром низької частоти. Схематично це можна зобразити так:

Тоді залишається лише модульований сигнал $\frac{1}{2}A m(t)$. Проте в реалі існує ще ненульова фаза $\phi$ сигналу і тоді:

$s(t)=A m(t)cos(2\pi f_ct+\phi)$

А результат демодуляції:

$s(t)cos(2\pi f_ct)=\frac{A}{2}m(t)\{[1+cos(4\pi f_ct)]cos(\phi)-sin(4\pi f_ct)sin(\phi)\}$

А після фільрації маємо $\frac{1}{2}A m(t) cos(\phi)$. В найгіршому випадку $cos(\phi) =0$ і демодуляція неможлива. Розв'язок цієї проблеми -- одночасно змішувати ще й зсунутим на $\pi/2$ сигналом (по суті синусом).

$s_b(t)=h_{LP}(t)\times s(t) \begin{bmatrix}cos(2\pi f_ct) \\sin(2\pi f_ct) \end{bmatrix} = \frac{A}{2}m(t) \begin{bmatrix}cos( \phi ) \\sin( \phi ) \end{bmatrix}$

Оскільки синус і косинус ніколи не перетворюються одночасно в 0, то ми завжди можемо демодулювати повідомлення. Наприклад, взявши Евклідову норму. Схематично це зображено на малюнку внизу:

Тоді на виході (незалежно від фази), завжди матимемо $\frac{1}{2}A m(t)$. Фактично це схема синхронного підсилювача. Окрім амплітуди в ньому вимірюється ще й фаза. Компонента у фазі (In-phase), тобто домножена на косинус є I-компонентою, а та що на синус є Q-компонентою (quardrature).

Крок 2. Супергетеородин

Суть в тому, що сигнал завжди іде із шумами. Тому спершу іде фільтр на високій частоті (Radio Frequency). Аби простіше працювати зі сигналом (підсилити, відфільтрувати), робиться перетворення не на 0-у частоту (як в попередньому випадку), а на певну проміжну (Intermediate Frequency). Супергетеородинна схема також корисна тим, що не вимагає супершвидких АЦП.

Сигнал змішується з локальним осцилятором з частотою $f_{c}\pm f_{IF}$. Після змішування матимемо сигнал на проміжній частоті $f_{IF}$. Оскільки, на ту ж частоту може попасти і інший (image) сигнал, що є на частоті $f_{c}\pm 2f_{IF}$, то фільтр по входу є необхідним. RF AMP -- це LNA підсилювач.

Крок 3. RTL-SDR

Цей приймач має по суті дві основні мікросхеми:

1. Тюнер. Це вище описаний супергетеородин.
2. RTL2832U вимірює сигнал і робить певну цифрову обробку. Також містить блок USB контролю.

Загальна схема представлена на малюнку нижче:

Отже, сигнал спершу підсилюється LNA, потім іде на смуговий фільтр. Цей фільтр також ріже Image частоти до 65дБc. Сигнал керованого PLL синтезатора (генератора) змішується зі вхідним сигналом. Результат змішування фільтрується. Проміжна чатота для RT820T становить від 3.57 до 4.57 МГц. Частоти на яких RTL SDR здатен працювати, визначаються діапазоном частот генератора. У паспотрі на мікросхему вказано від 42 до 1002 МГц, але практика показує, що частоти від 24 до 1766 МГц є досяжні (з експериментальними драйверами навіть від 13 до 1864 МГц).

Далі сигнал знову фільтрується і йде на керований підсилювач (Variable gain amplifier). Фільтр проміжної частоти є більш селективним ніж ВЧ (особливість архітектури супергетеородина). Фільтр складається з ФНЧ і ФВЧ і може бути налаштований на смугу пропускання до 300кГц (знизу) і до 8 МГц зверху. Загалом тюнер містить три налаштування підсилення: LNA, міксер, VGA. Налаштування підсилення може відбуватись автоматично аби досягти найкращого відношення сигнал/шум.

Далі сигнал іде на RTL мікросхему, це оцифровується на частоті 28.8 МГц. Далі іде цифровий синхронний підсилювач, що був розглянутий вище. Після ФНЧ іде downsampling, бо корисний сигнал є обмежений фільтром на меншій частоті. Далі дані проходять FIR (Finite impulse response) фільтр аби обмежити вибірку до ~2.56 МГц чи менше. Цей фільтр і визначає максимальну смугу пропускання приймача.

На виході маємо 8-бітний IQ сигнал, що передається на комп'ютер через USB.