Страница:
Реальные пропорции между приемниками на рисунке сохранены. Трудно поверить, но это так. Как же работает такой чудо-приемник?
Начнем с названия новой технологии: SDR (Software Defined Radio). В переводе на русский это значит "программно определяемое (зависимое) радио". Чем же это радио «определяемо» и от каких программ оно "зависит"? Непривычно выглядит сам принцип построения приемника, состоящего как бы из двух частей: маленькой схемной части и программного обеспечения. Вот на программное обеспечение и возложена основная нагрузка.
По сути, компьютер моделирует все узлы приемника программно. Причем делает это с высочайшим качеством. На долю «железа» остаются только три первых «квадратика» на рис. 1: коричневый, голубой и красный, но и они упрощены до предела. Даже питание теперь можно взять от USB-порта компьютера.
На рис. 3 показана схема простейшего SDR-приемника. Я решился привести ее потому, что она на удивление проста и нам легче будет понять принцип работы устройства. Итак, сигнал от антенны подается через фильтр (можно и через ФНЧ) на быстродействующие ключи. От этих ключей зависит многое, поэтому они должны быть хорошего качества (быстродействующие, с малым переходным и высоким сопротивлением отключенного состояния и т. д.). К выходам ключей подключены два операционных усилителя. К усилителям тоже предъявляются высокие требования. О гетеродине (синтезаторе) писать нечего.
Используя стандартную микросхему синтезатора DDS (Direct Digital Synthesis – цифровой синтезатор прямого синтеза) и делители с выходами сигналов, сдвинутыми на 90 градусов, можно перекрыть тот диапазон, который вам необходим. Вот и весь приемник, в простейшем варианте.
С выхода операционных усилителей сигнал передается на левый и правый каналы аудиокарты. Все остальное делает программа: обрабатывает сигнал, перестраивает приемник по диапазону (используется управляемый DDS), моделирует необходимые фильтры (причем с такими характеристиками, которые в железе не получить), моделирует работу АРУ (гораздо лучше, чем в «реальном» приемнике), имеет панорамный индикатор, отображающий спектрограмму (на котором видно обстановку в эфире), измеряет уровни сигнала и многое, многое другое. Конечно, есть одно "но". Компьютер, при использовании такого приемника, должен быть производительным, да это и понятно, на компьютер взвалена вся работа по обработке сигналов и информации: формирование характеристик полосовых фильтров, режекторных фильтров, моделирование системы АРУ (автоматическая регулировка усиления), ограничение шумов и подавление импульсных помех, индикация уровней сигналов, отображение спектрограммы и т. д. К тому же надо учесть, что современные приемники, как правило, способны одновременно работать на разных диапазонах или на разных участках одного диапазона (по сути, моделируется работа сразу двух приемников). Если же предполагается использовать приемник в цифровых видах связи (что бывает очень часто), то для этого требуются дополнительные ресурсы компьютера. Скажем, компьютер с процессором Celeron 1000 МГц при использовании большинства SDR программ загружен на 80–95%. А поскольку важную роль играет звуковая карта компьютера или аудиоинтерфейс, они тоже должны быть высококачественными, с хорошим соотношением сигнал/шум и большим динамическим диапазоном. Если же SDR-программу предполагается использовать не только на прием, но и на передачу (при моделировании в компьютере узлов SDR-передатчика), то требования к аудиоинтерфейсу становятся еще выше.
Генрих Рудольф Герц (1857—1894) родился в Гамбурге в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, а еще писал стихи и с удовольствием работал на токарном станке. По окончании гимназии юноша поступает в Берлинский университет.
Герц тщательно изучил все, что было известно к тому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в практическом плане. Использовав пару индукционных катушек, он обнаружил, что при разряде лейденской банки (конденсатора) через одну из двух расположенных поблизости спиралей Рисса, в другой спирали наводится напряжение. Это можно было принять за проявление открытой еще Фарадеем взаимной индукции, но Герц доказал, что в данном случае имеет место излучение, носящее волновой характер. Меняя расстояние между катушками, он определил положения пучностей и узлов генерируемых электромагнитных волн. Период этих колебаний оказался около одной пятимиллионной доли секунды, что определило длину волны порядка шести метров. Так в 1886 году начались опыты, продлившиеся 25 месяцев.
В результате дальнейших экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им вибратором. Вибратор состоял из двух проводящих сфер диаметром 10–30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров. Для решающих опытов, долженствующих показать тождественность электромагнитных и световых волн, установить поляризацию волн и доказать не только отражение, но и преломление, нужно было перейти к еще более коротким волнам. Герцу удается получить волны длиной около 60 см и с ними провести завершающие опыты. Для создания столь коротких волн Герц использовал медные стержни диаметром 3 см и длиной 9 см в качестве эквивалента катушки колебательного контура. На концах стержней располагались медные шары диаметром 4 см как эквиваленты конденсатора. Впоследствии такой вибратор был назван его именем.
В качестве детектора, или приемника, Герц использовал кольцо (иногда прямоугольник) с разрывом – искровым регулируемым промежутком. Диаметр кольца с более чем метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.
"Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки", – сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Так, для фокусировки электромагнитных волн было выгнуто внушительное параболическое зеркало из тяжелого листа оцинкованного железа размером 2х1,5 м. А для доказательства преломления лучей была изготовлена асфальтовая призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1,2 т.
Приемное кольцо Герц назвал резонатором. Опыты показали, что изменением геометрии резонатора – размеров, взаимного положения и расстояния относительно вибратора – можно добиться гармонии, или синтонии (резонанса), между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3–7 мм, а искра в резонаторе – всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть ее можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.
После публикаций 1877–78 гг. и доклада, сделанного 13 декабря 1888 года в Берлинском университете, Герц стал одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться лучами Герца. Его опыты были многократно повторены, усовершенствованы и в конечном счете привели к изобретению радио и телевидения. Не случайно первая в мире осмысленная радиограмма, переданная 12 марта 1896 года А. С. Поповым, содержала всего два слова: "Генрих Герц", как дань уважения памяти великого ученого, который сам о таком использовании своего, как он считал, чисто научного открытия даже не помышлял.
Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему его сына токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил:
– Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь.
Борис Кошелев
Почему же у столь простого приемника такие прекрасные характеристики? Вспомните, о чем мы говорили, обсуждая проблемы с динамическим диапазоном приемников. Здесь почти нет аналоговых элементов, которые могут вносить искажения. Шумы приемника (соотношение сигнал/шум) и его динамический диапазон определяются теперь характеристиками звуковой платы [Вот пример из практики: в минувшем марте был проведен сеанс связи между Санкт-Петербургом и Москвой на частоте 7 МГц. Мощность SDR-радиостанции (SDR-приемник и передатчик) всего 800 мВт (причем в Петербурге использовалась так называемая ЕН-антенна длиной лишь 1 м)].
Какие же еще преимущества мы получим от применения такого приемника? Например, не надо перепаивать схему или проектировать и изготавливать новое устройство при смене, скажем, видов модуляции – достаточно поменять программу (если нужный вид модуляции в ней не заложен). Только одно это дорогого стоит. Мы, по сути, будем получать новый приемник, с новыми функциями при каждой смене программного обеспечения. А если не нравится дизайн – подстройте его под себя (помните, сколько «шкурок» у WinAmp?).
В конце прошлого года в Великобритании проходила конференция по телекоммуникациям и компьютерам. Там обсуждался и проект "Вавилонская башня" ("Tower of Babel"), призванный объединить большинство существующих сегодня протоколов связи. Основой, конечно, станет SDR, а реализацией займется европейский концерн EADS Astrium. Разумеется, первые разработки будут предназначены для военных. Представьте себе устройство (даже и не знаешь, как его назвать: радиостанция, компьютер, мобильный телефон или коммуникатор), которое сможет исполнять роль мобильного телефона (всесистемного), спутникового навигатора, компьютера, радиостанции и т. д., и все это реализовано программно, а потому места занимает мало.
Вот теперь самое время посмотреть на программное обеспечение, оценить возможности SDR-приемника как инструмента. На рис. 4 мы можем увидеть интерфейс одной из программ, поддерживающих SDR-технологию. Глаза разбегаются от возможностей такого приемника (простите, оговорился – такой программы).
Пробежимся по интерфейсу. Диапазон частот – КВ и УКВ, но имеются дополнительные фиксированные кнопочки для приема эталонной частоты из эфира (по которой, кстати, можно откалибровать приемник с точностью, намного превышающей лабораторную, и притом оперативно). Виды модуляции (иными словами, виды принимаемого сигнала приемника) – АМ, ЧМ, SSB (USB, LSB, DSB), CW, цифровые (ограничиваются лишь программой для декодирования цифровых видов работ, а это еще два десятка протоколов!).
Далее – полосы пропускания (помните, мы говорили о важности этого параметра и о том, сколько стоит каждый кварцевый фильтр). Так вот, мы имеем десяток фиксированных (кстати, настраиваемых) фильтров плюс возможность изменить характеристики по своему вкусу и запомнить эти характеристики. Полосы пропускания фильтров можно менять программно от 10 Гц до 10 000 Гц (!). Коэффициент прямоугольности фильтров может достигать 1,02 (!). Для неспециалистов скажу, что создателям программы пришлось оставить возможность ухудшать параметры фильтров, чтобы при приеме на слух звук был привычным, как в аналоговом приемнике. Впрочем, сейчас принимают сигналы не только на слух, а для цифровых видов связи такие идеальные параметры фильтров очень даже кстати.
Обозреваем интерфейс дальше… Программа может работать не только с приемником, но и с передатчиком SDR, поэтому есть встроенный автоматический телеграфный ключ. В программе имеется как бы два виртуальных гетеродина: А и В, поэтому можно быстро переходить с частоты на частоту нажатием одной кнопки. Есть встроенные подавители шумов, подавитель импульсных помех, автоматический режекторный фильтр и т. д.
Теперь «поднимаемся» по левому краю интерфейса вверх: ограничитель шумов (регулируемый), выбор задержек или отключение АРУ, включение/отключение входного предусилителя, а также встроенного калиброванного аттенюатора (для увеличения динамического диапазона это очень важно). Конечно, имеют место регуляторы усиления по низкой и высокой частоте. Даже как-то странно об этом говорить, зная, что никакого усилителя высокой частоты и в помине нет – он виртуальный.
В верхней части интерфейса находятся индикаторы частоты приема соответственно для гетеродинов А и В, с точностью отсчета до 1 Гц. Справа – измеритель силы сигнала (и цифровой, и аналоговый), с возможностью точной калибровки.
В середине находится черное окно спектроанализатора (в левой части окна линейка с уровнями сигнала в децибелах). Эту программу можно с большим успехом использовать как хороший анализатор спектра с высоким динамическим диапазоном. Причем уровни сигналов можно отслеживать как по шкале спектроанализатора, так и на встроенном измерителе силы сигнала. Кстати, измеритель можно использовать в роли высокоточного селективного вольтметра. И хотя мы понимаем, что эту программу можно за несколько минут заменить другой и получить приемник с совершенно другими параметрами, я рискнул кратко перечислить органы управления программой, чтобы иметь хоть какое-то представление о ПО и возможностях приемника.
Взглянем на рис. 5. Здесь мы используем встроенную в компьютер звуковую карту (AC’97) и более простую программу (тоже freeware). Это реальный эфир. Полоса обзора несколько больше 10 кГц. Шумы на уровне 100 dB (при использовании внешнего аттенюатора 12 dB). Этот вариант, конечно, хуже, в основном из-за использования не самой лучшей звуковой карты (по отношению сигнал/шум не хватает десятка два децибел), но даже в таком варианте – параметры отличные.
Еще одна важная способность SDR-приемника. То, что мы видим на спектроанализаторе (участок диапазона), мы можем записать на винчестер (кнопочка «Save» в верхней части рисунка)! Можем записывать, насколько хватит памяти, а потом «воспроизвести» файл с помощью этой же программы. При воспроизведении создается полное впечатление, что мы в живом эфире: мы можем настраиваться на разные станции (в пределах того участка диапазона, который записали на винчестер и который был виден на спектроанализаторе), менять полосы пропускания и виды модуляции и т. д. Такого раньше не было, да и трудно было это даже вообразить. Какая-то "машина времени", а не SDR-технология!
Совершенно ясно, что не обязательно применять стандартный РС (это простейший вариант, но даже он дает большие преимущества), можно взять специализированный вычислитель. Есть и такие. Например, отечественная российская фирма «Элвис» недавно выпустила СБИС 1288ХК1Т, «заточенную» под SDR.
Может показаться, что в статье описаны перспективные разработки. Нет. Та программа (freeware), которую мы только что исследовали, прилагается к серийному трансиверу (радиостанции) SDR с выходной мощностью 100 Вт. Есть и другие серийно выпускаемые конструкции, с применением технологии SDR. На мой взгляд, интересен конструктор одной из зарубежных фирм, состоящий из центральной платы с процессором ALTERA Cyclone, на которую навешиваются (вставляются в разъемы) дополнительные компоненты для приема (или передачи) в различных диапазонах частот от 50 до 2700 МГц (рис. 6). Можно одновременно (!) использовать от четырех приемников до четырех передатчиков, в различных комбинациях.
Прекрасно, скажет читатель, но где же практический "выход", для быта? А он на том же скриншоте (рис. 4). Посмотрите на правый край рисунка: в меню Mode вы увидите кнопочку под названием "DRM". Что это за "гусь"? А это цифровое вещание, работающее уже сейчас, вещание с высококачественным звуком и прочими прибамбасами, которых большинство еще не видело. Жаль, что в журнальной статье нет возможности показать примеры звучания цифровых радиостанций! Достаточно приобрести маленькую коробочку SDR-приемника (вопрос – где?), подключить его к своему компьютеру и… впрочем, можно этого и не делать, а вставить ваш любимый CD в дисковод и наслаждаться музыкой.
Надеюсь, мне удалось порадовать читателей такими приятными перспективами, да что перспективами – реальными вещами. Приятно, когда новые (здесь уместно подчеркнуть – компьютерные!) технологии несут нам что-то, радующее нас и облегчающее нам жизнь.
Среди ученых, повторивших опыты Герца, дальше всех продвинулся английский физик Оливер Лодж, создавший в 1893 году весьма удачный индикатор электромагнитных волн, основанный на использовании металлических опилок. Оказалось, что под действием электрических разрядов порошки и опилки резко увеличивают электропроводность, но при этом теряют чувствительность, для восстановления которой трубку нужно встряхивать. Лодж, повторяя и совершенствуя опыты Герца, сконструировал прибор, названный им когерером (сцепителем), который лег в основу первых радиоприемников.
Но Лодж, как и Герц, абсолютно не думал о применении своего прибора для связи без проводов и не пошел дальше лекционных опытов, хотя был в одном шаге от изобретения радио. Лишь тридцать лет спустя после изобретения Александра Попова, в 1925 году, на заседании английского Радиообщества Лодж сознался в своей оплошности и с горечью подтвердил, что считал беспроволочное телеграфирование с помощью электромагнитных волн бредовой мечтой.
Опыты Лоджа, как ранее опыты Герца, повторили все физики мира. Среди них был и преподаватель минного офицерского класса в Кронштадте А. Попов.
Александр Степанович Попов (1859—1906), будучи работником Морского ведомства, хорошо знал о потребности флота в средствах дальней связи, а как физик он был прекрасно осведомлен обо всех достижениях в области использования электромагнитных волн. Попов понимал, что для создания беспроводных средств связи нужно решить две важные технические задачи: увеличить чувствительность когерера и создать устройство, возвращающее когереру чувствительность после приема каждого сигнала.
Решение первой задачи, потребовавшее многочисленных экспериментов, завершилось созданием усовершенствованного когерера в виде трубочки с платиновыми контактными листочками, укрепленными на ее внутренних поверхностях с противоположных концов.
В результате решения второй задачи была создана такая комбинация элементов приемного устройства, при которой связь между опилками после прихода сигнала разрушалась автоматически, восстанавливая чувствительность когерера для приема следующего сигнала. Это же устройство являлось звуковым сигнализатором принятых сигналов. В качестве основного автоматического прибора всей комбинации Попов применил электрический звонок. При прямом ходе молоточек ударял по чашечке звонка, создавая звук, а при обратном ударял по когереру и встряхивал его, разрушая связь между опилками.
7 мая 1895 года Попов впервые продемонстрировал работу своего "прибора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний" на заседании Русского физико-химического общества. Прибор откликался на посылки волн от "герцевского вибратора", возбуждаемого катушкой Румкорфа, на расстоянии 25 м.
Это была демонстрация первого в мире радиоприемника.
Еще отрабатывая схему, Попов обнаружил, что дальность действия прибора значительно возрастает, если присоединить к когереру длинный и поднятый над землей провод. Так появилась первая антенна, хотя сам Попов не считал себя изобретателем антенны, отдавая приоритет Никола Тесле.
В последующие годы все более быстрыми темпами совершенствуются схемы и идут натурные испытания. В течение 1897 года, за счет увеличения антенн и мощности передатчиков, Попов достиг дальности связи 5 км, что позволило оборудовать военные корабли радиотелеграфными аппаратами. В ходе летних экспериментов на море было обнаружено явление отражения радиоволн от корпуса судна, пересекающего направление связи. Эти наблюдения, описанные в отчетах Попова, были впоследствии (1902—1904) развиты немецким инженером Х. Хюльсмайером, сконструировавшим «телемобилоскоп» – некий прототип радара. Таким образом, наблюдения Попова легли в основу будущей техники радиолокации – обнаружения объектов по отраженным ими радиоволнам.
Борис Кошелев
[2] www.rw3ps.qrz.ru/Download/DRM1.zip – файл с примером DRM на КВ.
[3] www.ettus.com – сайт компании Ettus.
[4] www.rfspace.com/index.html – сайт компании RF Space.
[5] www.radiomuseum.ur.ru.
ГОЛУБЯТНЯ: Дети и ремейки
Начнем с названия новой технологии: SDR (Software Defined Radio). В переводе на русский это значит "программно определяемое (зависимое) радио". Чем же это радио «определяемо» и от каких программ оно "зависит"? Непривычно выглядит сам принцип построения приемника, состоящего как бы из двух частей: маленькой схемной части и программного обеспечения. Вот на программное обеспечение и возложена основная нагрузка.
По сути, компьютер моделирует все узлы приемника программно. Причем делает это с высочайшим качеством. На долю «железа» остаются только три первых «квадратика» на рис. 1: коричневый, голубой и красный, но и они упрощены до предела. Даже питание теперь можно взять от USB-порта компьютера.
На рис. 3 показана схема простейшего SDR-приемника. Я решился привести ее потому, что она на удивление проста и нам легче будет понять принцип работы устройства. Итак, сигнал от антенны подается через фильтр (можно и через ФНЧ) на быстродействующие ключи. От этих ключей зависит многое, поэтому они должны быть хорошего качества (быстродействующие, с малым переходным и высоким сопротивлением отключенного состояния и т. д.). К выходам ключей подключены два операционных усилителя. К усилителям тоже предъявляются высокие требования. О гетеродине (синтезаторе) писать нечего.
С выхода операционных усилителей сигнал передается на левый и правый каналы аудиокарты. Все остальное делает программа: обрабатывает сигнал, перестраивает приемник по диапазону (используется управляемый DDS), моделирует необходимые фильтры (причем с такими характеристиками, которые в железе не получить), моделирует работу АРУ (гораздо лучше, чем в «реальном» приемнике), имеет панорамный индикатор, отображающий спектрограмму (на котором видно обстановку в эфире), измеряет уровни сигнала и многое, многое другое. Конечно, есть одно "но". Компьютер, при использовании такого приемника, должен быть производительным, да это и понятно, на компьютер взвалена вся работа по обработке сигналов и информации: формирование характеристик полосовых фильтров, режекторных фильтров, моделирование системы АРУ (автоматическая регулировка усиления), ограничение шумов и подавление импульсных помех, индикация уровней сигналов, отображение спектрограммы и т. д. К тому же надо учесть, что современные приемники, как правило, способны одновременно работать на разных диапазонах или на разных участках одного диапазона (по сути, моделируется работа сразу двух приемников). Если же предполагается использовать приемник в цифровых видах связи (что бывает очень часто), то для этого требуются дополнительные ресурсы компьютера. Скажем, компьютер с процессором Celeron 1000 МГц при использовании большинства SDR программ загружен на 80–95%. А поскольку важную роль играет звуковая карта компьютера или аудиоинтерфейс, они тоже должны быть высококачественными, с хорошим соотношением сигнал/шум и большим динамическим диапазоном. Если же SDR-программу предполагается использовать не только на прием, но и на передачу (при моделировании в компьютере узлов SDR-передатчика), то требования к аудиоинтерфейсу становятся еще выше.
История вторая: Генрих Герц
По-настоящему победоносное шествие теории Максвелла началось только после 1898 года, когда Герц экспериментально открыл электромагнитные волны и опубликовал результаты своих работ.Генрих Рудольф Герц (1857—1894) родился в Гамбурге в семье адвоката, ставшего позже сенатором. Учился Герц прекрасно, а еще писал стихи и с удовольствием работал на токарном станке. По окончании гимназии юноша поступает в Берлинский университет.
Герц тщательно изучил все, что было известно к тому времени об электрических колебаниях и в теоретическом, и в практическом плане. Использовав пару индукционных катушек, он обнаружил, что при разряде лейденской банки (конденсатора) через одну из двух расположенных поблизости спиралей Рисса, в другой спирали наводится напряжение. Это можно было принять за проявление открытой еще Фарадеем взаимной индукции, но Герц доказал, что в данном случае имеет место излучение, носящее волновой характер. Меняя расстояние между катушками, он определил положения пучностей и узлов генерируемых электромагнитных волн. Период этих колебаний оказался около одной пятимиллионной доли секунды, что определило длину волны порядка шести метров. Так в 1886 году начались опыты, продлившиеся 25 месяцев.
В результате дальнейших экспериментов Герц создал источник электромагнитных волн, названный им вибратором. Вибратор состоял из двух проводящих сфер диаметром 10–30 см, укрепленных на концах проволочного разрезанного посредине стержня. Концы половин стержня в месте разреза оканчивались небольшими полированными шариками, образуя искровой промежуток в несколько миллиметров. Для решающих опытов, долженствующих показать тождественность электромагнитных и световых волн, установить поляризацию волн и доказать не только отражение, но и преломление, нужно было перейти к еще более коротким волнам. Герцу удается получить волны длиной около 60 см и с ними провести завершающие опыты. Для создания столь коротких волн Герц использовал медные стержни диаметром 3 см и длиной 9 см в качестве эквивалента катушки колебательного контура. На концах стержней располагались медные шары диаметром 4 см как эквиваленты конденсатора. Впоследствии такой вибратор был назван его именем.
В качестве детектора, или приемника, Герц использовал кольцо (иногда прямоугольник) с разрывом – искровым регулируемым промежутком. Диаметр кольца с более чем метра в первых опытах к их концу уменьшился до 7 см.
"Я работаю, как рабочий на заводе и по времени, и по характеру, я по тысяче раз повторяю каждый подъем руки", – сообщал профессор в письме своим родителям в 1877 году. Так, для фокусировки электромагнитных волн было выгнуто внушительное параболическое зеркало из тяжелого листа оцинкованного железа размером 2х1,5 м. А для доказательства преломления лучей была изготовлена асфальтовая призма в виде равнобедренного треугольника с боковой гранью 1,2 м, высотой 1,5 м и массой 1,2 т.
Приемное кольцо Герц назвал резонатором. Опыты показали, что изменением геометрии резонатора – размеров, взаимного положения и расстояния относительно вибратора – можно добиться гармонии, или синтонии (резонанса), между источником электромагнитных волн и приемником. Наличие резонанса выражалось в возникновении искр в искровом промежутке резонатора в ответ на искру, возникающую в вибраторе. В опытах Герца посылаемая искра была длиной 3–7 мм, а искра в резонаторе – всего несколько десятых долей миллиметра. Увидеть ее можно было только в темноте, да и то воспользовавшись лупой.
После публикаций 1877–78 гг. и доклада, сделанного 13 декабря 1888 года в Берлинском университете, Герц стал одним из самых популярных ученых, а электромагнитные волны стали повсеместно именоваться лучами Герца. Его опыты были многократно повторены, усовершенствованы и в конечном счете привели к изобретению радио и телевидения. Не случайно первая в мире осмысленная радиограмма, переданная 12 марта 1896 года А. С. Поповым, содержала всего два слова: "Генрих Герц", как дань уважения памяти великого ученого, который сам о таком использовании своего, как он считал, чисто научного открытия даже не помышлял.
Однажды, когда мать Герца сообщила мастеру, обучавшему его сына токарному делу, что Генрих стал профессором, тот весьма огорчился и заметил:
– Ах, как жаль. Из него получился бы великолепный токарь.
Борис Кошелев
Почему же у столь простого приемника такие прекрасные характеристики? Вспомните, о чем мы говорили, обсуждая проблемы с динамическим диапазоном приемников. Здесь почти нет аналоговых элементов, которые могут вносить искажения. Шумы приемника (соотношение сигнал/шум) и его динамический диапазон определяются теперь характеристиками звуковой платы [Вот пример из практики: в минувшем марте был проведен сеанс связи между Санкт-Петербургом и Москвой на частоте 7 МГц. Мощность SDR-радиостанции (SDR-приемник и передатчик) всего 800 мВт (причем в Петербурге использовалась так называемая ЕН-антенна длиной лишь 1 м)].
Какие же еще преимущества мы получим от применения такого приемника? Например, не надо перепаивать схему или проектировать и изготавливать новое устройство при смене, скажем, видов модуляции – достаточно поменять программу (если нужный вид модуляции в ней не заложен). Только одно это дорогого стоит. Мы, по сути, будем получать новый приемник, с новыми функциями при каждой смене программного обеспечения. А если не нравится дизайн – подстройте его под себя (помните, сколько «шкурок» у WinAmp?).
В конце прошлого года в Великобритании проходила конференция по телекоммуникациям и компьютерам. Там обсуждался и проект "Вавилонская башня" ("Tower of Babel"), призванный объединить большинство существующих сегодня протоколов связи. Основой, конечно, станет SDR, а реализацией займется европейский концерн EADS Astrium. Разумеется, первые разработки будут предназначены для военных. Представьте себе устройство (даже и не знаешь, как его назвать: радиостанция, компьютер, мобильный телефон или коммуникатор), которое сможет исполнять роль мобильного телефона (всесистемного), спутникового навигатора, компьютера, радиостанции и т. д., и все это реализовано программно, а потому места занимает мало.
Пробежимся по интерфейсу. Диапазон частот – КВ и УКВ, но имеются дополнительные фиксированные кнопочки для приема эталонной частоты из эфира (по которой, кстати, можно откалибровать приемник с точностью, намного превышающей лабораторную, и притом оперативно). Виды модуляции (иными словами, виды принимаемого сигнала приемника) – АМ, ЧМ, SSB (USB, LSB, DSB), CW, цифровые (ограничиваются лишь программой для декодирования цифровых видов работ, а это еще два десятка протоколов!).
Далее – полосы пропускания (помните, мы говорили о важности этого параметра и о том, сколько стоит каждый кварцевый фильтр). Так вот, мы имеем десяток фиксированных (кстати, настраиваемых) фильтров плюс возможность изменить характеристики по своему вкусу и запомнить эти характеристики. Полосы пропускания фильтров можно менять программно от 10 Гц до 10 000 Гц (!). Коэффициент прямоугольности фильтров может достигать 1,02 (!). Для неспециалистов скажу, что создателям программы пришлось оставить возможность ухудшать параметры фильтров, чтобы при приеме на слух звук был привычным, как в аналоговом приемнике. Впрочем, сейчас принимают сигналы не только на слух, а для цифровых видов связи такие идеальные параметры фильтров очень даже кстати.
Обозреваем интерфейс дальше… Программа может работать не только с приемником, но и с передатчиком SDR, поэтому есть встроенный автоматический телеграфный ключ. В программе имеется как бы два виртуальных гетеродина: А и В, поэтому можно быстро переходить с частоты на частоту нажатием одной кнопки. Есть встроенные подавители шумов, подавитель импульсных помех, автоматический режекторный фильтр и т. д.
Теперь «поднимаемся» по левому краю интерфейса вверх: ограничитель шумов (регулируемый), выбор задержек или отключение АРУ, включение/отключение входного предусилителя, а также встроенного калиброванного аттенюатора (для увеличения динамического диапазона это очень важно). Конечно, имеют место регуляторы усиления по низкой и высокой частоте. Даже как-то странно об этом говорить, зная, что никакого усилителя высокой частоты и в помине нет – он виртуальный.
В верхней части интерфейса находятся индикаторы частоты приема соответственно для гетеродинов А и В, с точностью отсчета до 1 Гц. Справа – измеритель силы сигнала (и цифровой, и аналоговый), с возможностью точной калибровки.
В середине находится черное окно спектроанализатора (в левой части окна линейка с уровнями сигнала в децибелах). Эту программу можно с большим успехом использовать как хороший анализатор спектра с высоким динамическим диапазоном. Причем уровни сигналов можно отслеживать как по шкале спектроанализатора, так и на встроенном измерителе силы сигнала. Кстати, измеритель можно использовать в роли высокоточного селективного вольтметра. И хотя мы понимаем, что эту программу можно за несколько минут заменить другой и получить приемник с совершенно другими параметрами, я рискнул кратко перечислить органы управления программой, чтобы иметь хоть какое-то представление о ПО и возможностях приемника.
Еще одна важная способность SDR-приемника. То, что мы видим на спектроанализаторе (участок диапазона), мы можем записать на винчестер (кнопочка «Save» в верхней части рисунка)! Можем записывать, насколько хватит памяти, а потом «воспроизвести» файл с помощью этой же программы. При воспроизведении создается полное впечатление, что мы в живом эфире: мы можем настраиваться на разные станции (в пределах того участка диапазона, который записали на винчестер и который был виден на спектроанализаторе), менять полосы пропускания и виды модуляции и т. д. Такого раньше не было, да и трудно было это даже вообразить. Какая-то "машина времени", а не SDR-технология!
Совершенно ясно, что не обязательно применять стандартный РС (это простейший вариант, но даже он дает большие преимущества), можно взять специализированный вычислитель. Есть и такие. Например, отечественная российская фирма «Элвис» недавно выпустила СБИС 1288ХК1Т, «заточенную» под SDR.
Прекрасно, скажет читатель, но где же практический "выход", для быта? А он на том же скриншоте (рис. 4). Посмотрите на правый край рисунка: в меню Mode вы увидите кнопочку под названием "DRM". Что это за "гусь"? А это цифровое вещание, работающее уже сейчас, вещание с высококачественным звуком и прочими прибамбасами, которых большинство еще не видело. Жаль, что в журнальной статье нет возможности показать примеры звучания цифровых радиостанций! Достаточно приобрести маленькую коробочку SDR-приемника (вопрос – где?), подключить его к своему компьютеру и… впрочем, можно этого и не делать, а вставить ваш любимый CD в дисковод и наслаждаться музыкой.
Надеюсь, мне удалось порадовать читателей такими приятными перспективами, да что перспективами – реальными вещами. Приятно, когда новые (здесь уместно подчеркнуть – компьютерные!) технологии несут нам что-то, радующее нас и облегчающее нам жизнь.
История третья: Оливер Лодж и Александр Попов
Изучение свойств электромагнитных волн, практически открытых Герцем, приводило к мысли о возможности их использования для организации беспроволочной связи.Среди ученых, повторивших опыты Герца, дальше всех продвинулся английский физик Оливер Лодж, создавший в 1893 году весьма удачный индикатор электромагнитных волн, основанный на использовании металлических опилок. Оказалось, что под действием электрических разрядов порошки и опилки резко увеличивают электропроводность, но при этом теряют чувствительность, для восстановления которой трубку нужно встряхивать. Лодж, повторяя и совершенствуя опыты Герца, сконструировал прибор, названный им когерером (сцепителем), который лег в основу первых радиоприемников.
Но Лодж, как и Герц, абсолютно не думал о применении своего прибора для связи без проводов и не пошел дальше лекционных опытов, хотя был в одном шаге от изобретения радио. Лишь тридцать лет спустя после изобретения Александра Попова, в 1925 году, на заседании английского Радиообщества Лодж сознался в своей оплошности и с горечью подтвердил, что считал беспроволочное телеграфирование с помощью электромагнитных волн бредовой мечтой.
Опыты Лоджа, как ранее опыты Герца, повторили все физики мира. Среди них был и преподаватель минного офицерского класса в Кронштадте А. Попов.
Александр Степанович Попов (1859—1906), будучи работником Морского ведомства, хорошо знал о потребности флота в средствах дальней связи, а как физик он был прекрасно осведомлен обо всех достижениях в области использования электромагнитных волн. Попов понимал, что для создания беспроводных средств связи нужно решить две важные технические задачи: увеличить чувствительность когерера и создать устройство, возвращающее когереру чувствительность после приема каждого сигнала.
Решение первой задачи, потребовавшее многочисленных экспериментов, завершилось созданием усовершенствованного когерера в виде трубочки с платиновыми контактными листочками, укрепленными на ее внутренних поверхностях с противоположных концов.
В результате решения второй задачи была создана такая комбинация элементов приемного устройства, при которой связь между опилками после прихода сигнала разрушалась автоматически, восстанавливая чувствительность когерера для приема следующего сигнала. Это же устройство являлось звуковым сигнализатором принятых сигналов. В качестве основного автоматического прибора всей комбинации Попов применил электрический звонок. При прямом ходе молоточек ударял по чашечке звонка, создавая звук, а при обратном ударял по когереру и встряхивал его, разрушая связь между опилками.
7 мая 1895 года Попов впервые продемонстрировал работу своего "прибора для обнаружения и регистрирования электрических колебаний" на заседании Русского физико-химического общества. Прибор откликался на посылки волн от "герцевского вибратора", возбуждаемого катушкой Румкорфа, на расстоянии 25 м.
Это была демонстрация первого в мире радиоприемника.
Еще отрабатывая схему, Попов обнаружил, что дальность действия прибора значительно возрастает, если присоединить к когереру длинный и поднятый над землей провод. Так появилась первая антенна, хотя сам Попов не считал себя изобретателем антенны, отдавая приоритет Никола Тесле.
В последующие годы все более быстрыми темпами совершенствуются схемы и идут натурные испытания. В течение 1897 года, за счет увеличения антенн и мощности передатчиков, Попов достиг дальности связи 5 км, что позволило оборудовать военные корабли радиотелеграфными аппаратами. В ходе летних экспериментов на море было обнаружено явление отражения радиоволн от корпуса судна, пересекающего направление связи. Эти наблюдения, описанные в отчетах Попова, были впоследствии (1902—1904) развиты немецким инженером Х. Хюльсмайером, сконструировавшим «телемобилоскоп» – некий прототип радара. Таким образом, наблюдения Попова легли в основу будущей техники радиолокации – обнаружения объектов по отраженным ими радиоволнам.
Борис Кошелев
Литература
[1] www.rw3ps.qrz.ru/sdr.htm – отечественный сайт по SDR-технологии.[2] www.rw3ps.qrz.ru/Download/DRM1.zip – файл с примером DRM на КВ.
[3] www.ettus.com – сайт компании Ettus.
[4] www.rfspace.com/index.html – сайт компании RF Space.
[5] www.radiomuseum.ur.ru.
ГОЛУБЯТНЯ: Дети и ремейки
Автор: Сергей Голубицкий
Даю ненавязчивую самоджинсу под видом увертюры: 18 апреля на телеканале «Культура» состоялась передача «Власть факта», посвященная аферам как творческому подходу к бизнесу. Гость передачи – ваш старый голубятник, а по совместительству – диспашер мировых гешефтов, выступил на голубом глазу в голубом джемпере и весьма характерном гриме. Короче, как пишут форумные ефрейтора-модераторы: «Всем смотреть!» – зрелище незабываемое. Для удобства читателей, предпочитающих телепузику Интернет, выложил запись передачи на своем портале: internettrading.net/kultura.avi (размер файла 59 мегабайт).
Начнем культурповидлианствовать с анализа странного явления, о существовании которого ведал давно, однако лишь днями удостоверился, до какой степени все запущено. Речь о так называемых ремейках, популярных в современном пиндосском кино. Самые яркие и в художественном отношении удачные примеры – фильм "Ванильное небо" и две переделки японских оригиналов – «Звонок» и "Темная вода".
Крепко сбитый (хоть слегка и банальный) сюжет "Ванильного неба" (2001) разыгран блестящими лицедеями: Пенелопой Крус, Камерон Диас, Томом Крузом и Куртом Расселом. Смотрится на одном дыхании. Создатели никакой тайны из вторичности постановки не делают, с самого начала сообщая зрителям, что их картина – ремейк испанского "Abre los ojos", снятого Алехандро Аменабаром. Очевидно предполагается, что никакому нормальному человеку в голову не придет докапываться до оригинала. Мне бы тоже не пришло, кабы не любовь к Аменабару, крепко запавшему в душу после «Других» с Николь Кидман и "Моря внутри" с Хавьером Бардемом. Нашел испанский торрент "Abre los ojos", посмотрел и глазам не поверил: мало того что сюжет одинаковый и дословно совпадает сцена за сценой, так еще и главная актриса скоммунизжена – Пенелопа Крус!
Вопрос: для чего было создавать ремейк? Зачем менять самобытного режиссера Аменабара на безликого ремесленника Камерона Кроу? Чтобы свести и окольцевать Пенелопу с Томом?
Идем дальше. Великий японский мастер urban legends [(англ.) Городские легенды – специфический фольклор обитателей многоэтажных коробок, известный читателям по образам Кэндимена, Человека-паука и Супермена] Наката Хидео выпустил две ленты – «Ringu» (1998) и "Honogurai Mizu No Soko Kara" (2002), ремейки которых появились в Америке в виде «Звонка» (2002) и "Темной воды" (2005). Первый ремейк сделан безликим ремесленником Гором Вербинским, второй – не менее безликим Уолтером Саллесом. Забавно, что Наоми Уоттс так гениально сыграла в "Звонке", что Наката Хидео взял ее на главную роль в своем сиквеле "Звонок 2" (тоже весьма удачном).
Как бы то ни было, оба ремейка оказались зеркальными копиями японских оригиналов. Остается предположить, что ремейки делались лишь для того, чтобы заменить хороших, но неизвестных в Америке режиссеров на плохих, однако пребывающих на слуху. Правильно? Неправильно. Камерон Кроу в 2001 году был столь же неприметным на американском киногоризонте, что и Алехандро Аменабар. Последний, однако, после выхода «Других» – кстати, в том же 2001 году, что и "Ванильное небо", – обрел популярность и славу, а звезда Кроу закатилась обратно под шкаф, где и пребывала до "Ванильного неба". Аналогичный перевертыш случился и с Наката Хидео: именно ему, а не Гору Вербинскому предложили делать сиквел "Звонок 2".
Разумеется, версии, основанные на персонах, совершенно вздорны. Что же тогда? На вопрос отвечу в духе анекдота про Василия Ивановича, Петьку и аквариум (надеюсь, реставрация исторической памяти у читателей пройдет без осложнений, как было в случае с большим агрегатом Вовочки, – повторного аншлага мой почтовый ящик не выдержит).
Каждую неделю с пятницы по понедельник мы с сыном-первоклашкой изучаем английский язык по программе The Rosetta Stone. Пару лет назад я настоятельно рекомендовал читателям «Голубятен» эту удивительную аудиовизуальную систему, разработанную специально для дипломатов и позволяющую в кратчайшие строки погрузиться с головой в чужую языковую среду. Уже через месяц занятий вы получаете бесценные навыки так называемого лингвистического фона, то есть спокойно ориентируетесь в потоках окружающей вас иностранной речи. Преодоление именно этого барьера является самым сложным шагом в освоении неродного языка. Остальные элементы – грамматика, словарный запас, постановка произношения – добираются в рабочем порядке, поскольку, единожды устранив страх перед звучанием иностранного языка и общения на нем, человек с легкостью усваивает номинальную информацию.
Каждый урок в Розетте начинается с воспроизведения сорока наборов картинок, состоящих из четырех сюжетов. Носитель языка произносит фразу, которую надлежит угадать (либо вспомнить значение уже известных слов) и выбрать для нее сюжетное соответствие. Удачные попытки сопровождаются победным гонгом, неудачные – тревожным "та-да". Чувство удовлетворения достигается при прохождении урока без единой ошибки и наборе максимально возможных ста баллов. Стоит ли говорить, что дети воспринимают "игру в Розетту" на полном серьезе и с большим азартом, а каждое неудачное угадывание соответствия между фразой и визуальным сюжетом воспринимается ими чуть ли не как апокалипсис? По крайне мере мой маленький Сережка реагирует на ошибки при обучении именно таким образом.
Даю ненавязчивую самоджинсу под видом увертюры: 18 апреля на телеканале «Культура» состоялась передача «Власть факта», посвященная аферам как творческому подходу к бизнесу. Гость передачи – ваш старый голубятник, а по совместительству – диспашер мировых гешефтов, выступил на голубом глазу в голубом джемпере и весьма характерном гриме. Короче, как пишут форумные ефрейтора-модераторы: «Всем смотреть!» – зрелище незабываемое. Для удобства читателей, предпочитающих телепузику Интернет, выложил запись передачи на своем портале: internettrading.net/kultura.avi (размер файла 59 мегабайт).
Начнем культурповидлианствовать с анализа странного явления, о существовании которого ведал давно, однако лишь днями удостоверился, до какой степени все запущено. Речь о так называемых ремейках, популярных в современном пиндосском кино. Самые яркие и в художественном отношении удачные примеры – фильм "Ванильное небо" и две переделки японских оригиналов – «Звонок» и "Темная вода".
Крепко сбитый (хоть слегка и банальный) сюжет "Ванильного неба" (2001) разыгран блестящими лицедеями: Пенелопой Крус, Камерон Диас, Томом Крузом и Куртом Расселом. Смотрится на одном дыхании. Создатели никакой тайны из вторичности постановки не делают, с самого начала сообщая зрителям, что их картина – ремейк испанского "Abre los ojos", снятого Алехандро Аменабаром. Очевидно предполагается, что никакому нормальному человеку в голову не придет докапываться до оригинала. Мне бы тоже не пришло, кабы не любовь к Аменабару, крепко запавшему в душу после «Других» с Николь Кидман и "Моря внутри" с Хавьером Бардемом. Нашел испанский торрент "Abre los ojos", посмотрел и глазам не поверил: мало того что сюжет одинаковый и дословно совпадает сцена за сценой, так еще и главная актриса скоммунизжена – Пенелопа Крус!
Вопрос: для чего было создавать ремейк? Зачем менять самобытного режиссера Аменабара на безликого ремесленника Камерона Кроу? Чтобы свести и окольцевать Пенелопу с Томом?
Идем дальше. Великий японский мастер urban legends [(англ.) Городские легенды – специфический фольклор обитателей многоэтажных коробок, известный читателям по образам Кэндимена, Человека-паука и Супермена] Наката Хидео выпустил две ленты – «Ringu» (1998) и "Honogurai Mizu No Soko Kara" (2002), ремейки которых появились в Америке в виде «Звонка» (2002) и "Темной воды" (2005). Первый ремейк сделан безликим ремесленником Гором Вербинским, второй – не менее безликим Уолтером Саллесом. Забавно, что Наоми Уоттс так гениально сыграла в "Звонке", что Наката Хидео взял ее на главную роль в своем сиквеле "Звонок 2" (тоже весьма удачном).
Как бы то ни было, оба ремейка оказались зеркальными копиями японских оригиналов. Остается предположить, что ремейки делались лишь для того, чтобы заменить хороших, но неизвестных в Америке режиссеров на плохих, однако пребывающих на слуху. Правильно? Неправильно. Камерон Кроу в 2001 году был столь же неприметным на американском киногоризонте, что и Алехандро Аменабар. Последний, однако, после выхода «Других» – кстати, в том же 2001 году, что и "Ванильное небо", – обрел популярность и славу, а звезда Кроу закатилась обратно под шкаф, где и пребывала до "Ванильного неба". Аналогичный перевертыш случился и с Наката Хидео: именно ему, а не Гору Вербинскому предложили делать сиквел "Звонок 2".
Каждую неделю с пятницы по понедельник мы с сыном-первоклашкой изучаем английский язык по программе The Rosetta Stone. Пару лет назад я настоятельно рекомендовал читателям «Голубятен» эту удивительную аудиовизуальную систему, разработанную специально для дипломатов и позволяющую в кратчайшие строки погрузиться с головой в чужую языковую среду. Уже через месяц занятий вы получаете бесценные навыки так называемого лингвистического фона, то есть спокойно ориентируетесь в потоках окружающей вас иностранной речи. Преодоление именно этого барьера является самым сложным шагом в освоении неродного языка. Остальные элементы – грамматика, словарный запас, постановка произношения – добираются в рабочем порядке, поскольку, единожды устранив страх перед звучанием иностранного языка и общения на нем, человек с легкостью усваивает номинальную информацию.
Каждый урок в Розетте начинается с воспроизведения сорока наборов картинок, состоящих из четырех сюжетов. Носитель языка произносит фразу, которую надлежит угадать (либо вспомнить значение уже известных слов) и выбрать для нее сюжетное соответствие. Удачные попытки сопровождаются победным гонгом, неудачные – тревожным "та-да". Чувство удовлетворения достигается при прохождении урока без единой ошибки и наборе максимально возможных ста баллов. Стоит ли говорить, что дети воспринимают "игру в Розетту" на полном серьезе и с большим азартом, а каждое неудачное угадывание соответствия между фразой и визуальным сюжетом воспринимается ими чуть ли не как апокалипсис? По крайне мере мой маленький Сережка реагирует на ошибки при обучении именно таким образом.