Использование программных DSP фильтров

Обновлено: 23 Июнь 2014
Просмотров: 2756

ЖУРНАЛ "РАДИОКЛУБ"  Image ОСНОВЫ И ПРАКТИКА ЛЮБИТЕЛЬСКОЙ РАДИОСВЯЗИ Image 

UA1ACO Владимир Васильевич Кононов, UA1ACO UA1ACO

В этой статье дано краткое описание программных DSP (с цифровой обработкой сигнала) фильтров, применительно к использованию их для PSK31. Статья была подготовлена для публикации в журнале "Радио" в 2005 году.

Изначально PSK31 занял свою нишу между CW и RTTY, вобрав в себя все лучшее, что было достигнуто в цифровых видах связи на момент создания этого протокола. Высокая помехоустойчивость, меньшая полоса излучения, вот что отличало PSK31 от того же RTTY. С того времени появились видоизмененные варианты этого протокола, а также некоторые другие протоколы, с лучшей помехоустойчивостью. Тем не менее, PSK31 используется очень многими радиолюбителями и, на настоящий момент времени, является самым распространенным из всех цифровых видов связи. Кажется, что все параметры уже достигли своего максимума, и совершенствовать более нечего. Но резерв еще есть и есть пути повышения помехозащищенности при проведении связей.

Один из этих путей - использование DSP (Digital Signal Processor). Ради справедливости надо сказать, что сам вид связи PSK31 и начинался с применения микросхем DSP, но "расцвет" PSK31 произошел только после использования "звуковых карт" компьютера в совокупности с программным обеспечением, что значительно удешевляло аппаратуру. В те времена микросхемы DSP стоили довольно дорого. В настоящее время, DSP процессоры применяются довольно широко и с каждым годом их "поле деятельности" увеличивается, проникая во все области техники, в том числе и в радиолюбительские трансиверы. Цены DSP процессоров также падают. Наравне с микросхемами DSP, существуют программы, в которых роль DSP процессора выполняет программа, моделирующая алгоритм работы DSP процессора, совместно со "звуковой картой" компьютера. Вот о таких программных DSP, для их использования в PSK31, и пойдет речь.

Существует несколько программ, которые реализуют алгоритм DSP программным путем, например: DSPhil японского радиолюбителя JE3HHT (Makoto Mori), кстати, разработчика прекрасных программ для RTTY и PSK31 (MMTTY и MMVARI). А также русифицированный вариант этой программы DSPPhilrus, описание которой было опубликовано1, надо заметить также, что программа бесплатна. Хорошее впечатление производит программа SR5 Spectrum Analyzer, содержащая богатый инструментарий и дающая возможность "на ходу" изготавливать любые фильтры с помощью "мышки" компьютера. Приличные результаты можно получить при использовании программы DSP ChromaSaund - имеющей прекрасный интерфейс и дающей возможность сделать "заготовки" фильтров пользователя. Еще одна программа DSP фильтра VE3AGM DSP filter, разработана радиолюбителем VA3AGM (Mircea)2. Совсем простой DSP фильтр YVF радиолюбителя UT1YV (Владимир Овдиенко). Все перечисленные программы работают под управлением Windows®, есть и другие программы. Кроме того, существуют программы для среды MSDOS®. Самая из них популярная - DSP Blaster (DB) американского радиолюбителя K6CTI (Brian Beezley). Программа предназначена для среды DOS (она написана на Ассемблере), а значит, работает быстро, что является ключевым моментом для программ, обрабатывающих сигналы в реальном времени. Есть, правда, и одно ограничение - программа работает только со "звуковыми картами" фирмы Creative Labs®.

И так, для чего нужно применять программные DSP? Применений, при проведении связей PSK31 (и не только PSK31) найдется много. Приведем лишь некоторые. Полосовые и режекторные фильтры с изменяемой полосой пропускания, "вырежут" мешающие сигналы или наоборот оставят тот участок полосы, в котором проводится связь. Понижение уровня шумов - позволит проводить связи со станциями, имеющими слабый уровень сигнала. АРУ - поддержит сигнал на заданном уровне. Адаптивные фильтры, сами настроятся на необходимые параметры (отсюда и название - адаптивные), в зависимости от характера сигнала и т.д. Все это есть в программных DSP. Что необходимо иметь, чтобы можно было использовать программный DSP? Вопрос не простой, так как многое зависит от того, для чего предполагается использование DSP, а далее следует выбор необходимой программы (а при необходимости и типа "звуковой карты"). Применительно к PSK31, сразу можно сказать, что наилучшие результаты будут достигнуты с применением второго компьютера (можно и старенького P1), на котором и будет установлена программа DSP. Но для многих приложений достаточно и одного компьютера (а при работе на SSB + DSP достаточно и "AC`97 звука" на МВ компьютера).

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 1

Вернемся к PSK31. Как будет выглядеть схема включения DSP? На рисунке Рис 1, показана блок схема работы PSK31, с использованием DSP программы. На компьютере стоят сразу две "звуковые карты". При использовании, например, ноутбука, вторую звуковую карту можно использовать типа PCMCI или на порт USB. В этом варианте, когда используется один компьютер, определенные ограничения накладываются на программу DSP и программу приема PSK31 сигнала, а именно, они должны иметь в своем интерфейсе выбор подключения источников НЧ сигнала по входу и выходу. Не все программы предоставляют такую возможность, а некоторые, дают такую возможность только в зарегистрированных версиях. Это относится и к случаю использования "звуковой карты" на USB. К тому же компьютер должен иметь хорошую производительность, так как на нем лежит задача обработки и PSK31 сигнала и дополнительно обработки сигнала DSP программой.

Можно рассмотреть более простой вариант с использованием двух компьютеров: тогда на один компьютер устанавливается DSP программа, а на второй - программа работы с PSK31. Входной сигнал подается на вход "звуковой карты" первого компьютера, а уже с выхода "звуковой карты", подается обработанный DSP программой НЧ сигнал на вход "звуковой карты" второго компьютера (на рисунке Рис 1, это "звуковая карта 2" и "программа приема PSK31"), на котором стоит программа работы с PSK31. Эта система более гибкая и позволяет использовать компьютеры с меньшей производительностью. К тому же на втором компьютере можно использовать ряд дополнительных сервисных программ (LOG, DX Atlas и т.д.). Что не маловажно, имея второй компьютер, его можно использовать (с установленной, дополнительно, программой приема PSK31 и контрольным приемником SSB) для мониторинга своего сигнала!

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 2

На фотографии Рис 2, представлена система из двух ноутбуков, на одном из них (справа) установлена программа DSP и ряд сервисных радиолюбительских программ, на втором (слева) используется программное обеспечение для приема PSK31 (в данный момент сразу две программы, для лучшего приема PSK31 сигналов). Кроме того, для большей эффективности "сервиса", компьютеры объединены в локальную сеть и, таким образом, есть возможность доступа к этим двум компьютерам, в реальном времени, с третьего (удаленного) компьютера. В эту же сеть можно подключить и дополнительные компьютеры, работающие с другими трансиверами и на другие антенны и т.д. (но это тема отдельного разговора).

Насколько же эффективно можно использовать такие программные DSP фильтры? Как говорят, "лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать" (к слову сказать, для радиолюбителей это не всегда верно hi).

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 3

На совмещенном скриншоте Рис 3, сделанном с экранов ноутбуков, мы видим работающую DSP программу SR5 (верхняя часть рисунка, выше горизонтальной желтой линии) с несколькими сигналами PSK31. В программе SR5 сформированы два полосовых фильтра по 150-200 Гц на частоты двух работающих PSK31 станций ( в верхней части рисунка, желтым цветом, отмечены полосы пропускания этих фильтров). В нижней части рисунка, фрагмент "водопада" программы MixW, где явно видны эти полосы пропускания (за пределами полос пропускания - черный цвет, отсутствие шумов), с сигналами станций PSK31, в каждом из фильтров. Динамический диапазон таких фильтров довольно высок и может достигать 60 db!

Программа SR5 имеет довольно хороший инструментарий, включающий в себя оперативное "рисование" фильтров любой конфигурации (полосовых, режекторных) с помощью "мышки". Эффективную, регулируемую систему шумопонижения. Конечно, в статье не показать работу всех возможностей программы, но для примера приведем некоторые скриншоты.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 4

На рисунке Рис 4 совмещены скриншоты программ SR5 и MixW. На короткое время включался режекторный DSP программный фильтр с полосой около 150 Гц для того, чтобы вырезать сигнал сильной станции, и это явно видно на "водопаде" программы MixW.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 5

Работу системы шумопонижения иллюстрирует рисунок Рис 5, на котором, в верхней части рисунка, сигнал в шумах, а в нижней части рисунка, с включенным шумопонижением.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 6

На рисунке Рис 6 показана работа системы АРУ. В верхней части рисунка без АРУ, в нижней, с включенной АРУ (включен полосовой DSP фильтр 200 Гц). Можно даже выделять участки из общего спектра. где система шумопонижения будет работать адаптивно (автоматически). Программа имеет довольно хорошую АРУ, дополнительно экран 3D (объемного изображения), запись обрабатываемых сигналов в файл, большой, масштабируемый, анализатор спектра, на котором все четко видно и т.д. И что важно, программа позволяет производить выбор и конфигурацию звуковых устройств, установленных в компьютере.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 7

Общий интерфейс программы показан на рисунке Рис 7.

Довольно хорошие результаты дает программа "Chroma Sound". Работу программы можно увидеть на совмещенных скриншотах Рис 8.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 8

В верхней части рисунка (выше желтой полосы) - программа "Chroma Sound", с включенным полосовым фильтром в 250 Гц (60 db). В нижней части рисунка, результат работы этого фильтра на "водопаде" программы MixW. В программе можно сделать заготовки большого количества различных фильтров (полосовых, режекторных, нижних и верхних частот) и оперативно их выбирать кнопками на интерфейсе программы, а также корректировать "мышкой". Программа также имеет АРУ, "шумопонижение" и т.д. Единственный недостаток программы (для незарегистрированной версии), невозможность выбирать источник звукового сигнала, что накладывает существенное ограничение на ее использование (это, конечно, не относится к варианту использования двух компьютеров, как рассматривалось выше).

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 9

Можно также использовать популярную программу японского радиолюбителя JE3HHT (Makoto Mori). На этой программе останавливаться не будем, так как она подробно описывалась (1). Скриншот программы можно увидеть на рисунке Рис 9.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 10

Кратко оснатовимся на программе VE3AGM DSP filter радиолюбителя VA3AGM (Mircea). Программа проста в использовании, на графическом дисплее, мышкой можно непосредственно задать граничные частоты фильтра. Уровень подавления 60 db. Есть специальные кнопки для настройки фильтра на центральную частоту по максимуму сигнала, запись пользовательских фильтров в память и т.д. Эта программа предназначена в большей мере для работы SSB (есть даже кнопки для включения заранее записанных голосовых фрагментов - фраз), чем для PSK31. Скриншот интерфейса программы, совмещенный с "водопадом" программы MixW, изображен на рисунке Рис 10.

Простая программа радиолюбителя UT1YV - YVF позволяет формировать конфигурацию фильтра, передвигая движки уровней на дискретных частотах. Имеет два "водопада" до фильтра и после фильтра.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 11

Скриншот программы UT1YV - YVF, также совмещенный с "водопадом" программы MixW показан на рисунке Рис 11.

Немногочисленные программы для MSDOS® используются до настоящего времени. Как пример, можно привести программу DSP Blaster (DB), американского радиолюбителя K6CTI (Brian Beezley). Эта программа до сих пор довольно активно используется, особенно для SSB и CW, благодаря ее высокой эффективности. Программа имеет характерный для DOS интерфейс.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 12

Как выглядит программа DSP Blaster (DB), показано на рисунке Рис 12.

Настоящая статья не призвана рассматривать подробно работу и характерные особенности программных DSP фильтров, а лишь показывает возможности их использования, для улучшения приема PSK31 сигналов. Здесь, даже кратко, не рассмотрены все программы DSP фильтров, а лишь некоторые из них. Тем не менее, видно, что идея использования программных DSP фильтров пользуется успехом, иначе их не было бы так много. А в цифровых видах связи, и в частности на PSK31, их использование намного упрощается и становится еще эффективнее. Посмотрите на современные трансиверы. Теперь почти каждый более-менее солидный трансивер оснащен DSP фильтром. Программные же DSP фильтры намного более "гибкие", и позволяют быстрее и оперативнее отслеживать обстановку в эфире. Конечно есть плюсы и минусы у тех и у других.

Не надо забывать, что применение описанных DSP программных фильтров возможно только по НЧ. Таким образом, эти фильтры не влияют на характеристики приемного тракта самого трансивера, его динамические характеристики. А это значит, что фильтры основной селекции в трансивере как играли решающую роль в приемном тракте, также и будут ее играть. DSP фильтры могут только улучшить характеристики приемного PSK31 тракта по низкой частоте.

РАДИОКЛУБ: DSP-фильтры для работы в PSK

Рис. 13

На рисунке Рис 13 показан скриншот "водопада" программы MixW. В нижней его части можно увидеть работу кварцевого фильтра 250 Гц трансивера, а в верхней части - "водопад" с включенным кварцевым фильтром 250 Гц трансивера + DSP фильтр 180 Гц в программе SR5.

Здесь мы рассматривали, что можно сделать для улучшения качественных показателей PSK31 сигнала на выходе НЧ трансивера. Есть и еще один резерв - сама "звуковая карта". Так как это активное электронное устройство, оно тоже вносит свою лепту в "ухудшение" PSK сигнала в виде собственных шумов, наряду с полезной функцией обработки сигнала. Естественно есть разные "звуковые карты", с разными параметрами. При выборе "звуковой карты" надо обращать на это внимание. Например, внешняя (USB) "звуковая карта" "Audigi2 NX" фирмы Creative Labs®, при 24-битном преобразователе, имеет соотношение сигнал/шум 102 db! Конечно, если трансивер имеет не совсем качественный, шумящий, радиотракт - никакая "звуковая карта" и никакой программный DSP фильтр уже не помогут.

Вывод можно сделать один: использование программных DSP фильтров улучшает динамические характеристики приемного PSK31 тракта. Имея довольно большое подавление за полосой пропускания (для полосовых фильтров) или в полосе подавления (для режекторных фильтров), эти фильтры могут значительно облегчить проведение связей, в условиях помех от соседних станций (ведь выделенный диапазон для проведения PSK31 связей составляет всего несколько килогерц! (3, 4). Но, еще раз повторю, если сама "динамика" и линейность трансивера "хромают", фильтры по НЧ уже не помогут. Дополнительно о применении программных DSP фильтров можно прочитать на форумах (5, 6) в интернете.

СОДЕРЖАНИЕ раздела журнала РАДИОКЛУБ

Яндекс.Метрика