Waterfall - jak to działa

[SP6FRE]

Witam!
Przymierzam się do zrobienia zwartego modułu z wyświetlaczem kolorowym TFT ST7735S, (SPI), 128x160, który miałby pokazywać panoramicznie co się dzieje na paśmie, jak to mają współczesne urządzenia fabryczne - taki "waterfall" dla ubogich ;-)

Założenie pierwsze to rodzaj wyświetlacza, jego koszt jest na tyle niewielki, że taki moduł można byłoby dołączyć np. do działającego odbiornika a jednocześnie ilość pixel-i pozwala już na przyzwoity wygląd obrazu a kolor jest niewątpliwie zaletą prezentowanej informacji.

Drugim założeniem jest użycie taniego procesora, w pierwszym przybliżeniu byłby to ATMega 64 o czym dalej.

Na początek usiłuję wyobrazić sobie jak to robią inni i na razie wyczytałem gdzieś na temat Xiegu, że posiada w zasadzie dwa odbiorniki. Jeden pracujący z systemem operacyjnym Linux i ten odbiornik to odbiornik właściwy a drugi odbiornik to odbiornik typu DC zarządzany procesorem STM, który jednocześnie steruje wyświetlaczem i zarządza sterowaniem urządzenia.



Na rysunku pokazałem jak wstępnie wyobrażam sobie ideę rozwiązania. Odbiornik DC działa z częstotliwością 4-krotnie większą niż odbierany sygnał. I tu mam pierwszą wątpliwość bo o ile dla wysokich pasm ryzyko, że heterodyna DC wpadnie gdzieś w pośrednią (dla jednej lub dwóch przemian) odbiornika jest niewielkie to dla niskich pasm na pewno jakiś konflikt nastąpi.
Heterodyna DC przemiatana jest kilka razy na sekundę i nie jest chyba dobrze izolowana w typowym odbiorniku DC a z faktu, że oba odbiorniki mają wspólną antenę prawie na pewno da znać we właściwym odbiorniku.
Jeśli właściwy odbiornik nie będzie typu heterodynowego ale DC to konflikt jest niemal pewny. Dlatego na rysunku wstawiłem znak zapytania w torze antenowym odbiornika DC. Można tam wstawić jakiś izolator a izolację rzędu 30-40dB da się chyba uzyskać w rozwiązaniu jak dla mostka SWR.

Liczę na jakieś fachowe wyjaśnienia i porady.

L.J.

---

Witam!

Na początek spróbowałem zrobić dwa elementy związane z panoramicznym przeglądem stanu pasma: wykres siły sygnału oraz właściwy "waterfall" lub mówiąc po polsku - wodospad.
Wynik można obejrzeć w tych linkach:

waterfall mp4
lub
waterfall mpeg

Zasymulowałem trzy sygnały o sile wzajemnej 50, 120 i 210 jednostek.
Dodatkowo, zaszumiłem wykres danymi rand o wielkości 40 co powoduje, że zakres zmienności sygnałów sięga odpowiednio: 10-90, 80-160 oraz 170-250.
Co 5 linii symuluję także zmianę częstotliwości o ok. 3% pokazywanego pasma co wyraźnie widać w przesunięciu pasków wodospadu.
Na razie nie zajmowałem się także optymizacją doboru kolorów wodospadu. Wybrałem na początek 6 stopni z odcienia koloru żółtego a zatem najsilniejszy sygnał jest zbliżony do żółtego a zero sygnału to prawie czarny.

Sam wodospad ma "pojemność" 12 linii o szerokości 112 pixel-i jako kompromis pomiędzy zajętością pamięci oraz prędkością pracy.

Jak wspominałem działa to na Mega64 a na nagraniu użyty zegar to ok. 10MHz. Oczywiście ok, 3 krotnie szybciej działa to z zegarem 24MHz.
Z szerokości wodospadu (112 pixel-i) wynika oczywiście ziarnistość prezentacji. Dla szerokości przemiatania 1.12MHz będzie to 10KHz i kolejno 1kHz dla 112kHz, 200Hz dla ok. 20kHz itp.

Zamierzam dorobić pole częstotliwości podstawowej i zapasowej i jakiś graficzny miernik siły sygnału.
Mam nadzieję, że ciąg dalszy nastąpi ;-)

L.J.

[SP6FRE]

Witam!

Przedstawiam pomysł na moduł śledzenia pasma.



Sercem urządzenia będzie ATMega64 sterujący generatorem, wyświetlaczem kolorowym oraz obsługujący impulsator do zmiany częstotliwości z kilkoma klawiszami.

Generator SI5351 ma 3 wyjścia i jedno z nich używane będzie do przemiatania pasma układu wodospadu. Zakładam bezpośrednią przemianą z użyciem FST3125 z heterodyną o czterokrotnej częstotliwości w stosunku do odbieranego sygnału.
Drugi generator SI5351 będzie można zaprogramować jako heterodynę dla zewnętrznego odbiornika z jedną przemianą a trzeci generator jako dobieraną częstotliwość BFO. Zarówno częstotliwość BFO jak i operację sumowania lub odejmowania heterodyny będzie można zaprogramować w procedurze setup dla konkretnych wartości filtru pośredniej.

Pierwszy generator powiązany będzie z drugim w taki sposób, że środek pasma przemiatania będzie miał właśnie częstotliwość drugiego generatora. Szerokość przemiatania będzie regulowana skokowo od kilkuset kHz do kilku kHz a biorąc pod uwagę szerokość wodospadu (112 pixel-i) ziarnistość przemiatania wyniesie od kilku kHz do kilkudziesięciu Hz na pixel.

Odbiornik wodospadu będzie możliwie prosty a więc po mieszaczu na FST3125 nastąpi sumowanie i wzmocnienie sygnału m.cz za pomocą wzmacniacza operacyjnego do poziomu akceptowalnego dla detektora AD8307. Biorąc pod uwagę, że ten układ działa bez napinania od -70dBm (ok. 70uV) to wstępne wzmocnienie m.cz musi wynosić ok. 100-200 razy. Za to dalsza obróbka sygnału będzie dość łatwa bo stałe nachylenie detekcji (25mV/dB) uprości obliczenia i prezentację sygnału na wyświetlaczu a brak ARW pozwoli na łatwe i jednoznaczne zdefiniowanie siły sygnału w jednostkach S.



Nie mam doświadczenia z przenikaniem sygnałów heterodyny między wodospadem a ewentualny odbiornikiem więc wyobrażam sobie, że może być konieczne użycie izolacji np. takiej jak w klasycznym układzie do pomiaru SWR. Choć zdaje się, że można zastosować bardziej zwarty moduł zawierający od razu izolację dla czterech portów.



Na razie zajmuję się graficzną stroną wyświetlacza ze względu na ocenę prędkości pracy oraz układem wyświetlanych elementów i na razie jestem przy tworzeniu fontów. Chcę dorobić jakiś wskaźnik siły sygnału S (z zamianą na wskaźnik SWR i mocy przy nadawaniu). Wyświetlacz zawierał będzie dane o częstotliwości podstawowej i zapasowej, szerokości przemiatania a dla wersji z nadajnikiem także wskaźniki rodzaju emisji i inne elementy ważne przy nadawaniu. To bardzo czasochłonna procedura, która wymaga podwójnej pracy w miejscach gdzie dane będą się zmieniać bo najpierw trzeba stare dane wyczyścić kolorem tła a dopiero później nanieść w to miejsce aktualne dane.

Liczyłem na nieco większy odzew w tym temacie bo nie mam kompletnie doświadczenia jak to zrobić, mam jedynie pomysł i kilka zachęcających prób więc ponawiam zaproszenie do podjęcia tematu, przedstawienia alternatyw lub szczegółowych rozwiązań pokazanej koncepcji. W szczególności interesuje mnie kwestia izolacji wzajemnej wejść antenowych wodospadu i zewnętrznego odbiornika oraz sprawa przemiany DC i wstępnego wzmacniacza m.cz przed detektorem.

L.J.

[SP9BSL]

(11-05-2022 22:03)SP6FRE napisał(a):  [...]
Liczyłem na nieco większy odzew w tym temacie bo nie mam kompletnie doświadczenia jak to zrobić, mam jedynie pomysł i kilka zachęcających prób więc ponawiam zaproszenie do podjęcia tematu, przedstawienia alternatyw lub szczegółowych rozwiązań pokazanej koncepcji. W szczególności interesuje mnie kwestia izolacji wzajemnej wejść antenowych wodospadu i zewnętrznego odbiornika oraz sprawa przemiany DC i wstępnego wzmacniacza m.cz przed detektorem.

Witaj Leszku,
dosyć trudne zadanie sobie postawiłeś do wykonania używając takiego procesora.
Pytałeś jak to robią inni - od wielu lat w odbiornikach pokazujących widmo jakiegoś pasma robi się to niejako "przy okazji" ponieważ tego typu odbiorniki mają cyfrową demodulację z zebranych danych IQ z szerokością od 48kHz do 192kHz. Sama demodulacja opiera się na obróbce fragmentu tego zakresu z uzyciem filtrów Hilberta, decymacji i arytmetyki, troszkę na temat zasady działania tego o czym właśnie napisałem możesz znaleźć tutaj. Widmo i wodospad liczone są za pomocą FFT i z dodatkową obróbką wyświetlane.

Co do samego procesora, ostatnimi laty większość amatorskich projektów opiera się o procesor ARM z rdzeniem Cortex M4/M7. Po pierwsze to procesor 32bit z jednostką zmienno przecinkową a po drugie ma DMA. Obsługa wyświetlacza w sposób płynny jest możliwa dzięki właśnie DMA - procesor ma w tedy czas na inne "zajęcia".
Dodatkowo utrudniłeś sobie życie przez zastosowanie wyświetlacza z kontrolerem który nie ma pionowego scroll'a. W przypadku tej ostatniej funkcji można w prosty sposób odciążyć interface przez wysyłanie tylko najnowszej linijki wodospadu a pozostałe po prostu logicznie przesunąć w pamięci LCD. Z AVRem będzie trudno osiągnąć namiastkę płynności nawet używając assemblera.

Co do izolacji samego odbiornika - będzie problem z przeciekiem LO do wejścia antenowego szczególnie na wyższych pasmach. Tego problemu nie ma nowsza generacja odbiorników pracująca w oparciu o bezpośrednie próbkowanie (ADC+FPGA), w tym przypadku można umieszczać dowolną liczbę odbiorników pracujących na tym samym wejściu. Tak ma to zrobione np. Icom 7300 i podobne.
Tak też jest w moim SParkle (a docelowo drugi odbiornik będzie przemiatał pozostała część pasma).

Tutaj masz przykład jak to działa w odbiorniku DDC na FPGA z pasmem ~60MHz. Na początku filmu widać jeden kanał pracujący jako klasyczny odbiornik a drugi robi skanowanie całego dostępnego pasma na wejściu ADC. Jako ciekawostkę podam że w HiQSDRmini mamy 4 takie odbiorniki w FPGA i wszystko chodzi pięknie (inna sprawa ile ich rzeczywiście potrzeba).

A tutaj jak działa w SParkle/UHSDR widmo z wodospadem. LCD ma rozdzielczość 480x320 choć UHSDR obsługuje także 800x480.

Tak nawiasem mówiąc najłatwiej byłoby wyjąć odpowiedni fragment kodu z UHSDR i wykonać PCB z STM32F405 lub podobnym. Kod jest otwarty wszystko jest na Githubie.

[SQ4AVS]

Leszku najprostsze rozwiązanie z przeciekiem druga sztuka SI5351. Dodatkowo bardzo trudno jest uzyskać prosto na odbiorniku iq odpowiednią izolację kanału lustrzanego lepiej to zrobić na AD8307 z filtrem kwarcowym -jeśli ma być prosto. Również w tego typu projekcie bardzo ważne jest w jaki sprzęt i język znamy biorąc pod uwagę koszty jakie możemy ponieść (czas to też koszt)

[SP6FRE]

Witam!

Sławku, dziękuję za podjęcie tematu. Oczywiście mam świadomość, że mój pomysł nijak się ma do istniejących wykonań za pomocą choćby oprogramowania SDR. Najbardziej teraz interesuje mnie w jaki sposób w jednym urządzeniu udaje się uniknąć wpływu przemiatania w wodospadzie na odbiornik. W szczególności tajemniczo brzmi "bezpośrednie próbkowanie (ADC+FPGA)". Jak możesz to napisz kilka zdań na ten temat. Przychodzi mi do głowy jedynie taki pomysł, że próbkowanie jest na tyle szybkie, że jedną z próbek, właśnie na częstotliwości dedykowanej do odbioru wykorzystuje się właśnie w dalszej obróbce do odbioru.

O SDR mam jako takie pojęcie, oraz świadomość, że klasyczny odbiornik cyfrowy DC to jedynie w "analogowej cześci" wydzielenie sygnałów I oraz Q a resztę "załatwia" oprogramowanie. Mam nawet pewne osiągnięcia na tym polu, udało mi się na ATMega 328 uruchomić algorytm Fast FFT (Cooley-Tukey) dla ok. 15 bin-ów co pozwala na śledzenie sygnału w paśmie do mniej wiecej 15kHz. W ten sposób zrobiłem prosty analizator widma dla pasma akustycznego.
Moim zamierzeniem jest zrobienie namiastki wodospadu o ograniczonym rozmiarze ale jednak opartym o prawdziwe sygnały z pasma i widzę taką możliwość.

Jak pokazałem na rysunku koncepcyjnym nie zależy mi na dokładnej analizie cyfrowej odbieranego sygnału ale raczej na wykorzystaniu go jako źródło danych dla układu A/C procesora który utworzy sygnał wodospadu. Oczywiście w takim prostym układzie można śledzić jedynie poziom sygnału bez możliwości jakie daje cyfrowa analiza gdzie można po kształcie śladu w wodospadzie określić typ modulacji, precyzyjnie ustalić siłę sygnału a nawet widziałem udane próby wysyłania do "wodospadu" obrazów graficznych.

Mój wodospad ma 12 linii i jak pisałem to kompromis pomiędzy możliwościami procesora a założonym celem. Całość nie może być kosztowna stąd taki procesor i wyświetlacz a poza tym nie znam się na programowanbiu STM-ów.
Ale tak jak sugerujesz, stosuję zasadę nadpisania ostatniej linii bieżącymi danymi a wyświetlanie osiągam nie przez przepisanie z linii do linii ale przez wyświetlenie linii w odpowiednim porządku. Oszczędza to ponad tysiąc operacji przepisywania danych co w tej skali ma znaczenie mimo, że to operacje jedno lub dwutaktowe. Na razie nie opanowałem jeszcze w pełni kontrolera ST7735 więc być może tu są jeszcze jakieś rezerwy.

Rafale, nie widzę zysku z kolejnego SI ale może się mylę. Na rysunku pokazałem jak sobie wyobrażam połączenie z odbiornikiem z pojedynczą przemianą. Właśnie ta potrójność tego generatora tu się może przydać. Nie bardzo rozumiem idei użycia filtra kwarcowego skoro z założenia odbiornik wodospadu jest typu DC a więc pośrednia to w zasadzie odbierany sygnał w paśmie akustycznym. Początkowo wydawało mi się, że to dobre rozwiązanie ale przełącznik detektora odbiornika DC jest wprawdzie sterowany sygnałem 4 krotnie wyższym niź odbierany sygnał ale jednak z podziałem na 4 sygnały sterujące o częstotliwości odbioru. W zasadzie więc można użyć dowolny detektor DC na częstotliwości odbioru chyba, że detektor Tayloe ma bardzo dobrą izolację w kierunku wejścia. To pytania, które należy sprawdzić empirycznie a może któryś z kolegów może zobaczyć u siebie ile z sygnału heterodyny przecieka na wejście antenowe w odbiorniku DC?

L.J.

[SP9BSL]

(12-05-2022 21:25)SP6FRE napisał(a):  Najbardziej teraz interesuje mnie w jaki sposób w jednym urządzeniu udaje się uniknąć wpływu przemiatania w wodospadzie na odbiornik. W szczególności tajemniczo brzmi "bezpośrednie próbkowanie (ADC+FPGA)". Jak możesz to napisz kilka zdań na ten temat. Przychodzi mi do głowy jedynie taki pomysł, że próbkowanie jest na tyle szybkie, że jedną z próbek, właśnie na częstotliwości dedykowanej do odbioru wykorzystuje się właśnie w dalszej obróbce do odbioru.

Leszku, zasady pracy DDC (Direct Digital Conversion) były poruszane już wielokrotnie na tym forum przy okazji Tulipana DDC czy Radioberry. Paweł SQ8MVY i Potr SP9FKP próbowali popularyzować ten rodzaj odbioru ale jakoś tak się złożyło że było małe zainteresowanie tematem. Polega to na tym że sygnał z anteny po wzmocnieniu i klasycznej filtracji pasmowej "wchodzi" na ADC. Filtracja pasmowa ma duży wpływ na poziom podłogi szumowej ale nie jest niezbędna, wystarczy LPF na ~40% f próbkowania. Najpopularniejszy ADC to 14 lub 16 bit 122.88 Msps (tak: 122.88 MHz!). Zgodnie z teoria Nyquista-Shannona masz do dyspozycji na raz około 60MHz pasma analogowego. Następnie taki strumień wchodzi do FPGA gdzie odbywa się przemiana + decymacja (zawężanie pasma) i filtracja. Efekt jest taki że na wyjściu otrzymujemy strumień danych IQ z pasmem 48...192kHz wokół żądanej częstotliwości odbioru a dodatkowo dzięki decymacji na dużej ilości próbek rozdzielczość wzrasta do 24 bit - efekt podobny do processing gain w FFT. Dalej kolejną obróbką zajmuje się już DSP - dla firmware UHSDR jest to STM a interface to I2S(SAI). Ostatnio mamy kolejny przypadek transceivera dzialającego w ten sposób - ruskiego Wilka. Notabene opartego w bardzo dużym stopniu na naszym firmware UHSDR.
W tym układzie bardzo prosto robi się kolejny kompletny odbiornik - po prostu powielasz bloczek w FPGA tyle razy ile potrzebujesz i masz do tego zasoby. Bloczki podłączasz do tej samej magistrali danych wejściowych. DSP musi sobie z tym później poradzić ale to nie problem dzięki np. kolejnym decymacjom.
Jeden odbiornik zajmuje w fpga około 4 tys. makrokomórek co dla kostki za 40PLN stanowi około 25% zasobów. Nadajnik robi się podobnie a dodatkowo układ może pracować w pełnym dupleksie.

Zgodnie z teorią próbkowania można także odbierać sygnały o f dużo wyższej niż połowa częstotliwości próbkowania - vide film który podlinkowałem z próby odbioru przemiennika SR9P.

Cytat:
Ale tak jak sugerujesz, stosuję zasadę nadpisania ostatniej linii bieżącymi danymi a wyświetlanie osiągam nie przez przepisanie z linii do linii ale przez wyświetlenie linii w odpowiednim porządku. Oszczędza to ponad tysiąc operacji przepisywania danych co w tej skali ma znaczenie mimo, że to operacje jedno lub dwutaktowe. Na razie nie opanowałem jeszcze w pełni kontrolera ST7735 więc być może tu są jeszcze jakieś rezerwy.

Oczywiście - nie podejrzewałem nawet że przesuwasz pamięć choć i to w STM jest możliwe dzięki DMA 2D. Chodziło mi o to że niektóre kontrolery LCD mają "sprzętowy" scroll w tedy wysyłasz tylko najnowszą linię wodospadu do lcd a pozostałe poprzednie przesuwane są przez zmianę kolejności wyświetlania linii w samym kontrolerze - nie przesuwa się pamięci ekranu, to stary trik który stosowaliśmy jeszcze w latach 80-tych na C64

Co do pomiaru poziomu wejściowego - FFT w UHSDR jest liczone dla 512, 1024 i 2048 punktów w zależności od wymaganej rozdzielczości ekranu. Obliczanie poziomu sygnału odbieranego jest na podstawie sumy amplitud binów które znajdują się w zakresie filtra odbiorczego (dodatkowo obszar ten jest podświetlony na widmie). pomiary były sprawdzane z uzyciem tłumika kalibrowanego i zgadzają się idealnie.

[SP6FRE]

Witam!

Sławku, dziekuję za rozszerzenie informacji na ten temat.
Niestety, technika cyfrowej obróbki sygnału, poza oczywistymi podstawami, jest mi mało znana :-( i chyba jestem juz za stary aby się w to zagłębiać.
Pamiętam, jak zaczynałem na początku lat 90-tych pracę z komputerami osobistymi i wtedy możliwe było, że jeden człowiek był w stanie zgłębić zarówno hardware jak i software ówcześnie używany. Po 20 lat od tamtej pory nastąpił silny podział nie tylko na hardware i software ale dodatkowo w ramach obu tych dziedzin a ilość programów i rozwiązań jest tak wielka, że jedynie z konieczności staram się być na bieżąco w bardzo wąskim wycinku tej tematyki. Cyfrowa obróbka sygnałów, łącznie z łącznością cyfrową (telefonia, komórkowa, protokoły itd) jakoś przeszły obok mnie i są daleko z przodu ;-)

Niemniej spróbuję pociągnąć temat według mojego pomysłu. Największą obawę mam co do izolacji sygnałów w moim rozwiązaniu między układem wodospadu a ewentualnym odbiornikiem - w zamyśle wodospad można byłoby dołączyć właśnie do odbiornika lub trx-a. Może z tego pomysłu ostanie się jedynie prosty układ do panoramicznego przeglądu stanu pasma?

L.J.

[SP9BSL]

Leszku oczywiście, wtrąciłem się do tematu bo z widmem/wodospadem mam sporo do czynienia jako jeden z programistów UHSDR. Problem izolacji LO/RF to kropla która przepełniła czarę w kombinowaniu przy układach tradycyjnych, dla mnie już odwrotu nie ma.
Mimo wszystko zachęcam do zajęcia się STMami lub LPC choćby do takich zastosowań, nie ma co narzekać na wiek - lepiej już nie będzie

[SP9FKP]

Każdy temat wart jest uwagi, w szczególnośći wiodący na nowe, nie zbadane obszary wiedzy. W naszym wieku (myśle, że między nami nie ma dużej róznicy) Leszku cele wydają się dalsze bo za nami pasma sukcesów ale i porażek dających ostrożność w podejściu do nowego, niemniej ja też namawiam Cię do zaaprobowania nieuninionego i przesiadki na 32 bitowe procesory. Środowiska IDE są darmowe, w internetach jest od groma wiedzy pozwalającej na wystartowanie "od kopa" a gotowce wymagające tylko zasilania, do wyboru, do koloru.
Gdybyś jednak pragnął zmierzyć sie z tematem "po swojemu" zerknij jak zrobił to mój guru dość dawno temu a ja podjąłem próbe reimplementacji jego prac w oparciu o AVR. Warto zeknąć bo jest tam też mnóstwo niezbędnej wiedzy nie tylko w tym temacie.
Trzymam kciuki.

[SQ5KVS]

W module śledzenia pasma nie do końca rozumiem czemu heterodyna ma być 4x f odbierana, bo wg schematu nie wynika czy dalej następuje analogowa obróbka sygnałów I/Q tak aby wyeliminować odbiór lustrzany, czy nie. Jeśli tak, lub i nawet jeśli nie, nikt Ci nie zabroni aby detektor ad8307 lub 8310 pracował na pośredniej np 50-200kHz. Wtedy odsuwasz vfo przemiatacza daleko od vfo odbiornika.
Czyli zakładamy np:
Fpcz 9MHz, Fodb=14260kHZ, VFO_odb=23260kHz.
Pcz_wf=100kHz, Vfo_wf=(100kHz+23260kHz +/- 50kHz zakresu przemiatania), i detektor na 100kHz. Z I/Q tez się chyba da ale nie mam teraz jak narysować sobie jak wypadnie przemiana (tzn albo i/Q na pcz 100kHz albo obróbka fazowa NA pcz 100kHz , nie mam pod ręka kartki bo jestem w podróży