Часто задают вопрос о чувствительности приемника, хотя получить однозначный ответ на такой вопрос можно только указав набор одинаковых условий для сравниваемых приемников. Не имеет смысла сравнивать, например, чувствительность телевизионного приемника и приемника в режиме CW.  Для телевизионного приемника важно качество изображения, которое оценивают по другим критериям, отличным от оценок CW приемника. Для SDR приемников в этом отношении есть еще и свои особенности. Давайте разберемся с параметрами SDR приемника.


Неизменно важными характеристиками для оценки свойств приемника будут:
- коэффициент шума (NF, Noise Figure),  но не нижний порог шумов (Noise Floor)!;
- полоса частот;
- уровень точки пересечения третьего порядка (IP3);

Также в приемнике, построенным на основе SDR- технологий будут влиять особенности применяемых электронных компонентов. Это связано, например с тем, что одним из основных узлов SDR- устройств, определяющих величину динамического диапазона радиоэлектронного устройства, является АЦП. В случае, когда входные сигналы превышают его динамический диапазон, АЦП действует в качестве жесткого ограничителя сигналов . Это приводит к резкому возрастанию уровней интермодуляционных составляющих третьего порядка и других комбинационных компонент.

Оценить параметры приемника, учитывая основные три параметра, указанные выше, можно используя параметр "отношение сигнал/шум" (SNR, signal-to-noise ratio), равный отношению мощности полезного сигнала к мощности шума, где P — средняя мощность, а A — среднеквадратичное значение амплитуды. Оба сигнала измеряются в полосе пропускания системы.


На рисунке ниже представлен спектр сигнала, полученный в результате оцифровки полезного сигнала на частоте 20МГц с частотой дискретизации 62МГц. На рисунке видно, что уровень полезного сигнала равен 0дБ, а уровень гармоник ( наиболее мощной паразитной частотной составляющей ) равен -88,2дБ. Вообще можно говорить о различных параметрах, имеющих отношение к отношению сигнал-шум. Это такие как:
- SFDR - динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (SFDR, Spurious-Free Dynamic Range) ,
- SINAD - отношение среднеквадратичного значения сигнала в диапазоне полной шкалы к среднеквадратичной сумме всех компонент шума ( Signal-to-noise and distortion ratio ),
- SNR (см. выше),
- THD - отношение мощности полезного сигнала к мощности гармоник без шума (Total Harmonic Distortion).

 

 

Значения этих параметров измеряются в dBc, когда опорным является уровень полезного сигнала ( на частоте несущей - carrier), либо dBFS, когда опорный уровень соответствует полной шкале приемника (от Full Scale — «полная шкала»).

На рисунке ниже приведены графики изменения основных перечисленных выше характеристик SDR приемника в зависимости от уровня входного сигнала от -60dBm до 0 dBm (нижняя шкала). Каждый график отражает специфические характеристики приемника, которые все в совокупности, дают полную картину приемных свойств устройства. При этом:
- SFDR(dBc) по отношению к опорному сигналу (кривая зеленого цвета), изменяется от -42dBc до -90dBc (шкала слева) и отображает превышение уровня сигнала над уровнем шума;
- SFDR(dBFS) динамический диапазон, свободный от паразитных составляющих (кривая синего цвета), изменяется от 98dBFS до 80dBFS (левая шкала);
- SNR(dBFS) отношение сигнал/шум в полной шкале приемника (красная линия), изменяется от 75dBFS до  73dBFS (правая шкала). Заметьте, что SNR снижается при относительно высоких значениях уровня входного сигнала.

 

Почему SNR, измеренный в полной полосе приема отличается от SFDR, измеренного по отношению к уровню полезного сигнала? Давайте рассмотрим это, используя моделирование измерения SNR с помощью программы Gnuradio.

 

На флоуграфе (файл snr1.grc для скачивания) ниже приведена блок-схема программы (кликните для увеличения):
- генератор шума (Noise Source) формирует гауссовский шум, энергию которого позволяет измерить блок RMS (root mean square, среднеквадратичное значение ) и это значение отображается в окне Noise (WX GUI Number Sink).
- генератор синусоидального сигнала (Signal Source) формирует сигнал частотой 2,6кГц со скоростью потока 100кГц, энергию которого позволяет измерить блок RMS  и это значение отображается в окне Signal (WX GUI Number Sink).
- среднеквадратичные значения с блоков RMS поступают на делитель Divide и логарифимируются (вычисление SNR по формуле, приведенной выше) для отображения SNR (Wx GUI Number Sink).
- сигналы с источников шума и полезного сигнала складываются блоком ADD и отображаются в виде спектрограммы (быстрое преобразование Фурье с количеством линий спектра 1000)  в окне FFT Plot (Wx GUI FFT Sink).





Взгляните на полученный спектр и попробуйте ответить на вопрос, какое отношение сигнал/шум для приведенных сигналов?

 

 Сразу скажу, что, хотя уровень сигнала 0dBm, а уровень шума -30dBm, отношение сигнал/шум вовсе не 30dB, а 0dB. Дело в том, что амплитуда и сигнала и шума одинаковая, но сигнал занимает одну из 1000 линий спектра в полосе 100кГц, а шум занимает все 1000 линий спектра и энергия его спектра суммируется так, что энергия шума равняется энергии полезного сигнала.

 


 Основным ограничивающим фактором, влияющим на характеристики SDR приемника являются показатели применяемых АЦП. Чем больше количество разрядов АЦП, тем большей чувствительности и динамического диапазона можно добиться.

Теоретически, SFDR(dBFS) составляет :

 SNR = 6,02N + 1,76dB,
где N -количество разрядов АЦП.

Таким образом, динамический диапазон SDR, в котором используется 16-разрядный АЦП может достигать 98.08дБ. Лучше всего использовать SDR приемник с максимальным количеством битов АЦП, но надо помнить, что увеличение этого параметра отражается в конечной стоимости SDR приемника не линейно, а по закону квадрата , т.е. стоимость равняется "биты в квадрате". Необходимо отметить, что динамический диапазон и чувствительность SDR зависят не только от количества разрядов АЦП, но и от соотношения частоты дискретизации к полосе сигнала после цифровой обработки. Выигрыш при обработке (processing gain) определяется как
где f -частота дискретизации, BW - полоса полезного сигнала. Это связано с тем, что в системах с оцифровкой шум квантования АЦП распределяется по всей полосе Найквиста/Котельникова, которая охватывает частоты от 0 до f/2. Если полоса cигнала BW после обработки меньше чем f/2, то фильтры системы убирают шумовые компоненты обрабатываемого сигнала за пределами полосы полезного сигнала, что уменьшает суммарную энергию щшума и увеличивает соотношение сигнал/шум. Например, если после дискретизации сигнала шириной 200кГц с частотой 26МГц провести децимацию, то выигрыш при обработке составит 10* log (26000000/(2*200000)) = 18.13дБ, а результирующий динамический диапазон для SDR с 16-разрядным АЦП составит 98.08+18.13=116.21дБ
 
Для того, чтобы познакомиться с тем, как разрядность АЦП влияет на характеристики SDR приемника, воспользуемся программой, представленной на флоуграфе (файл quantizer.grc для скачивания) ниже (кликните для увеличения).

 

На флоуграфе сигнал с генератора шума (Noise Source) после предварительной фильтрации полосовым фильтром с полосой 100кГц, смешивается в блоке ADD с полезным сигналом (Signal Source) и суммированный сигнал проходит квантователь (quantizer), а результирующий сигнал отображается в виде спектрограммы (FFT Plot), а также в виде гистограммы (Histogram Plot). Амплитуды сигнала и шума - регулируемые, а для квантователя можно выбрать количество разрядов от 8 до 16 бит.

Нас интересует как изменяется шум квантования ( в том числе корреляционный шум квантования) — ошибки, возникающие при оцифровке аналогового сигнала. Ошибка квантования (синяя линия) возникает при оцифровке синусоидального сигнала (красная линия), т.к. квантованный сигнал (зелёная линия) может принимать только определенные значения в зависимости от разрядности АЦП.

Запустив программу, увеличиваем уровень шума и наблюдаем как после квантования выглядит спектр отфильтрованного шума, а также видим на гистограмме распределение вероятностей всех уровней отсчетов, которое , как и ожидалось, соответствует гауссовскому распределению.

Теперь уменьшаем уровень шума и увеличиваем уровень полезного сигнала. Для 16-битного квантования наблюдаем уровень шума квантования -130дБ, изменив разрядность квантования на 14 бит, наблюдаем увеличение уровня шума квантования до -120дБ, при этом и в первом и во втором случае распределение уровней отсчетов на гистограмме равномерное по всей шкале.

После установки разрядности квантования 10 бит, видим, что в спектре до 20дБ увеличился уровень комбинационных составляющих на фоне вырожденной спектральной картины шума. В то же время на гистограмме видим, что выродилось и количество уровней отсчетов и они теперь принимают только определенные несколько значений, т.е. точность преобразования уменьшается в разы. Если мы попробуем уменьшить уровень полезного сигнала, то уже при -60дБ спектр сигнала вырождается в прямую линию, а на гистограмме остается только единственная линия, говорящая , что амплитуда изменений уровня сигнала не превышает половину шага квантования (LSB/2) и в результате все значения преобразования равны нулю.

Как же нам при маленьком уровне полезного сигнала определить, где в спектре спектральная составляющая полезного сигнала, а где результат ошибок квантования? В этом случае можно применить трюк. Если уровень с генератора шума увеличить немного больше нижнего порога шумов, то мы увидим, что хотя уровень шума увеличился, но также исчезают высокоуровневые комбинационные составляющие. Этот метод называется дизеринг (Dithering).

Дизеринг,
представляет собой подмешивание в первичный сигнал псевдослучайного шума при квантовании, чтобы  предотвратить корреляцию шума квантования с квантуемым сигналом, т.к. это приводит к появлению в сигнале нелинейных искажений и амплитудной модуляции шума квантования. Дизеринг применяют также при необходимости уменьшить разрядность в уже  существующем квантованном сигнале.


4-битный сигнал и 16-битный сигнал, полученный из 24-битного с помощью dithering’а

Вы можете возразить, зачем это делать, ведь мы добавляем к принимаемому сигналу лишние 5-6дБ шума, которые ухудшают шумовые свойства приемника. Для того, чтобы решить эту проблему, применяют еще один трюк - дизеринг совместно с нойз-шейпингом (noise shaping), т.е. смещают спектр подмешанного шума подальше от полезного сигнала и в результате полезный сигнал теперь можно обнаружить на 20дБ ниже уровня (в нашем случае, при 10-битном квантовании - это -80дБ вместо -60дБ),  когда не применялся метод дизеринга. Любопытно то, что сделав нойз-шейпинг уже не обязательно стремиться удерживать низкий уровень шума от дополнительного источника.

 Кстати, когда утверждают, что принимать можно только полезный сигнал, уровень которого изменяется больше, чем на шаг квантования, это в корне не верно. Достаточно, чтобы в приемном сигнале на любой частоте в полосе приема что-либо изменилось более чем половину шага квантования, и это не обязательно полезный сигнал, а как в нашем случае - это может быть шум.

Еще одно положительное свойство SDR  приемника: чем больше полоса обзора, тем выше чувствительность можно получить. Если, допустим, в наших примерах прозвучало, что SNR приемника составляет 75дБ при полосе приема (обзора) 1МГц, то этот же приемник при полосе приема 100МГц будет иметь на 20дБ меньший уровень шума во входном сигнале, т.к. шум, сконцентрированный в 1МГц в первом случае, во втором случае "размажется" в полосе 100МГц и при этом  его энергия на отдельно взятом участке спектра уменьшится.

 

 Попутно, информация о широко распространенном DVB-T приемнике на основе микросхемы RTL2832 -  Rafael Micro R820T работает в полосе частот 24 - 1766МГц, скорость преобразования 2.4Мбит/сек, разрядность АЦП - 8 бит. Также ниже приведены характеристики некоторых SDR УКВ трансиверов

 
HackRF
bladeRF
USRP
x40
x115
B100 Starter
B200
B210
Radio Spectrum
30 MHz – 6 GHz
300 MHz – 3.8 GHz
50 MHz –
2.2 GHz [1]
50MHz –
6 GHz
Bandwidth
20 MHz
28 MHz
16 MHz [2]
61.44 MHz [3]
Duplex
Half
Full
Full
Full
2x2 MIMO
Sample Size (ADC/DAC)
8 bit
12 bit
12 bit /
14 bit
12 bit
Sample Rate (ADC/DAC)
20 Msps
40 Msps
64 Msps /
128 Msps
61.44 Msps
Interface (Speed)
USB 2 HS
(480 megabit)
USB 3 (5 gigabit)
USB 2 HS
(480 megabit)
USB 3
(5 gigabit)
Cost
$300
$420
$650
$675
$675
$1100

У вас недостатньо прав для коментування