Компьютерра - Журнал «Компьютерра» № 17 от 8 мая 2007 года
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.
