Наш обзор Airspy HF+: по сравнению с ColibriNANO, Airspy Mini, RSP2

За последние несколько месяцев мы публиковали материалы и воодушевлялись новостью о Airspy HF+, предельно динамично диапазонный HF/VHF-приёмник, предназначенный для DX‑приёма. Команда Airspy любезно предоставила нам ранний предпродакшн‑образец для обзора.

Короче говоря, Airspy HF+ вероятно является одним из лучших недорогих SDR, которые мы видели для DX‑приёма или приёма слабых сигналов. До сих пор опубликовано немного деталей о доступности HF+, но нам известно, что предпродажи скоро начнутся, а предполагаемая цена ожидается около 149 USD на iTead Studio в Китае.

Далее следует полный обзор и сравнение с другими SDR аналогичного ценового диапазона. Команда Airspy хочет, чтобы мы и читатели понимали, что наш обзорный экземпляр является предпродакшн‑моделью, и, по всей видимости, уже выровка и следовательно SNR улучшены примерно на 2–4 дБ, поэтому звуковые образцы, приведённые ниже, будут звучать ещё лучше с более новой ревизией.

Отказ от ответственности: мы получили HF+ бесплатно в обмен на честный обзор, но не связаны с Airspy. Мы поддерживаем контакт с командой Airspy, которая помогла разъяснить некоторые вопросы об архитектуре и технологиях, применённых в дизайне.

Введение

Airspy HF+ спроектирован как HF/VHF‑специализированный приёмник с диапазоном частот от константы DC до 31 МГц, а затем 60–260 МГц. Максимальная ширина полосы пропускания составляет 768 кГц. Возникает вопрос: зачем покупать его вместо обычного Airspy R2/Mini или SDRplay RSP2, которые имеют больший диапазон частот и пропускание? HF+ стоит покупать именно потому, что он спроектирован с приёмом DX и слабых сигналов в виду. Главная идея HF+ — спроектировать его так, чтобы он никогда не перегружался при наличии очень сильных сигналов. В сочетании с высокой чувствительностью слабые или DX‑сигналы должны быть намного чище, чем на других радиоприёмниках, особенно если рядом есть мощные помехи, такие как вещательное AM/FM.

К sidenote: что такое перегрузка, интермодуляция и динамический диапазон?

По существу сильные сигналы могут заглушать слабые сигналы, делая их трудноуловимыми, даже если они присутствуют на вашей антенне. Это называется перегрузкой или насыщением. Интермодуляция возникает, когда SDR перегружается и в спектре появляются «образы» нежелательных сигналов.

Простая аналогия: представьте, что вы пытаетесь вести автомобиль, но солнце ярко слепит. Дорога плохо видна, потому что солнце слишком ярко и прямо в глаза. Человеческий глаз не имеет достаточного «динамического диапазона» для такой ситуации. Динамический диапазон — это мера того, насколько хорошо радиоприёмник (глаз) может обрабатывать сильные (яркие) и слабые (темные) сигналы одновременно. Та же аналогия применима к радиоприёмникам, которым трудно «увидеть» слабые сигналы, если рядом на частотном спектре находится очень сильный сигнал. Есть несколько способов решения этой проблемы:

Фильтрация: блокируйте сильные сигналы, которые не хотите, с помощью LC‑фильтров.
- Аналогия с глазом: как козырёк, блокирующий солнце.
Атенюация: уменьшайте мощность всех сигналов.
- А analogiya: солнечные очки или щурение.
Увеличение динамического диапазона: получите лучший SDR с более продвинутым дизайном/технологиями и большим числом бит в АЦП.
- А analogiya: улучшение зрения.

Технология и архитектура

HF+ использует типичную архитектуру Filter → Tuner → ADC. Поэтому это не прямой приёмник с дискретизацией, как многие более дорогие SDR. Приёмники с прямым сэмплингом напрямую считывают аналоговый спектр, не требуя тюнера, что помогает избежать потерь и проблем интермодуляции, как правило возникающих на стадиях смешения. Но в архитектуре HF+ есть некоторые крупные современные технологические различия, которые должны сделать его работу ещё лучше по сравнению с прямым сэмплингом.

Тюнер: Тюнер HF+ — один из первых, кто использует архитектуру «Polyphase Harmonic Rejection». По сути это означает, что гармоники, образующиеся на стадиях смешения, естественным образом отбрасываются, что делает требования к входной фильтрации значительно более relaxed. Так что в отличие от тюнеров, применяемых в других SDR, этот практически не перегружается на стадии смешения.

Дополнительным преимуществом этой архитектуры является очень низкие потери в смесителе, поэтому предусилитель LNA в тюнере может работать при низком усилении, что даёт очень высокий IIP3. Поэтому первый LNA, который обычно является ещё одной точкой перегрузки и интермодуляции, менее вероятно saturates в HF+ конструкции. Большая часть усиления происходит после стадии смешения с фильтрованным узкополосным выходом тюнера.

Аналогово‑цифровой преобразователь (ADC): ADC имеет 16 бит и использует схему «Сигма‑дельта» (ΣΔ). По существу АЦП сигма‑дельта обладает естественной фильтрацией благодаря своей узкополосности. Вместо того чтобы видеть, скажем, сигнал в 30 МГц, он видит лишь 1–2 МГц, что повышает динамический диапазон и уменьшает вероятность перегрузки вне полосы.

Цифровой даун-конвертор (DDC): Затем после АЦП идёт DDC, который уменьшает дискретизацию выхода АЦП, тем самым увеличивая эффективное число бит. Чем больше бит — тем выше разрешение цифро‑ RF сигнала, поэтому слабые сигналы менее подвержены потере при конвертации из аналога в цифру.

Итак, поток блок‑диаграммы идёт так:

Слабо фильтрованный сигнал поступает в тюнер, слабо усиливается LNA тюнера, понижается до базовой полосы и фильтруется до 1–2 МГц. Затем он усиливается и дискретизируется с помощью сигма‑дельта АЦП в 16 бит. DDC уменьшает выход до 18 бит, после чего он отправляется микроконтроллеру и на ПК через USB.

Команда Airspy также подготовила для нас сравнительную диаграмму архитектуры текущих SDR на рынке (нажмите, чтобы увеличить). Это показывает, что HF+ представляет собой другой тип конструкции по сравнению с другими SDR. В целом лучшие SDR на рынке сейчас — это приемники прямого сэмплирования с несколькими фильтрами. HF+ подходит к задаче по‑другому и, согласно спецификациям,, по‑видимому, соответствует или даже превосходит характеристики сильно фильтрованных приемников прямого сэмплинга.

Производительность HF+ на странице продукта заявлена как:

-141.0 dBm (0.02 мкВ / 50 Ом) MDS Typ. при полосе пропускания 500 Гц в HF
-141.5 dBm MDS Typ. при полосе пропускания 500 Гц в диапазоне FM вещания (60–108 МГц)
-139.5 dBm MDS Typ. при полосе пропускания 500 Гц в диапазоне VHF авиации (118–136 МГц)
-139 dBm MDS Typ. при полосе пропускания 500 Гц в VHF коммерческом диапазоне (136–174 МГц)
-138 dBm MDS Typ. при полосе пропускания 500 Гц в верхнем диапазоне VHF (>174 МГц)
+26 dBm IIP3 на HF при максимальном усилении
+13 dBm IIP3 на VHF при максимальном усилении
110 дБ динамического диапазона подавления на HF
95 дБ динамического диапазона подавления на VHF

Программное обеспечение и удобство использования

Airspy HF+ работает с обычным программным обеспечением SDRSharp. Первое, что вы замечаете при выборе HF+ в меню SDRSharp, — насколько просты элементы управления. Нет ручной регулировки усиления — AGC автоматически подбирает внутреннее усиление для максимального SNR, при этом гарантируя отсутствие перегрузок. Единственный элемент управления — селектор полосы пропускания, из которого можно выбрать 768 кГц, 384 кГц, 192 кГц, 96 кГц и 48 кГц. Просмотр спектра без необходимости настраивать ползунок усиления — довольно освежающий опыт, и AGC всегда, кажется, оптимизирует прием.

All the controls you get/need for the HF+ — Все необходимые элементы управления HF+.

HF+ также совместим с программным обеспечением SpyServer, которое позволяет транслировать IQ‑данные радиоустройства по сети. SpyServer экономит сетевой трафик, отправляя только текущий активно настраиваемый IQ‑сигнал, плюс данные водопада. Это отличается от SDR‑устройств вроде KiwiSDR, которые передают только сжатое аудио, или rtl_tcp, который передает полномасштабные IQ‑данные. Передача IQ‑данных, а не сжатого аудио, позволяет выполнить на стороне хоста различные DSP‑алгоритмы к сигнала, например шумоподавление. Передача IQ‑данных (даже если только их часть) по‑прежнему требует значительно большего пропускного канала по сравнению с передачей сжатого аудио, поэтому интернет‑соединение и широкополосные сигналы, такие как BCFM, могут плохо работать на больших расстояниях и при медленном интернете.

Внешний дизайн/Фотографии

Обратите внимание, что наш предпродакшн‑образец ещё не имеет полной металлической отделки. Окончательная версия, как ожидается, будет иметь более эстетичную металлическую отделку корпуса.

HF+ примерно по размеру как пачка карточек и поставляется в металлическом корпусе размером 90 × 55 × 3 мм, с логотипом Airspy HF+ на верхней стороне. Такой мощный корпус добавляет HF+ значительный вес — 190 г, и очень прочное чувство. Слева находятся два SMA‑порта для антенн HF и VHF, справа — USB‑микро порт. Рядом с портами SMA расположены две маленькие светодиодные индикаторы состояния.

Внутри — печатная плата, а основная радиочастотная часть экранирована металлическим кожухом (игнорируйте низкое качество пайки на этом кожухе — она была снята и заменена нами при выполнении небольшого модуля на предпродакшн‑образце). Такое двойное экранирование обеспечивает HF+ надёжную защиту от посторонних радиочастотных помех и шума USB. Также интересной особенностью является использование заземляющей пружины на нижней plate, что обеспечивает заземление USB‑разъёма с низким импедансом к металлическому корпусу.

Сравнение SDR

В этом обзоре мы проводим параллельные сравнения HF+ с SDR аналогичной цены, включая ColibriNANO, Airspy Mini + SpyVerter Upconverter и SDRplay RSP2.

Название	Диапазон частот	Полоса пропускания	Технология	Цена
Airspy HF+	DC до 31 МГц 60–260 МГц	768 кГц – 18 бит	Polyphase Harmonic Rejection	$TBA – «Ниже $200» Команда Airspy отмечает «ожидаемая цена примерно $149 USD на iTead Studio»
ColibriNANO	100 кГц – 55 МГц До 500 МГц подсемплирование.	768 кГц – 24 бита 3 МГц – 16 бит	Прямой сэмплинг + LPF‑фильтр	$350 USD
Airspy Mini	24–1800 МГц С понижением DC через SpyVerter Upconverter	6 МГц – 12 бит	Upconverter + Direct Conversion	$99 USD $148 USD (включая SpyVerter)
SDRplay RSP2	1 кГц – 2 ГГц	10 МГц – 12 бит	Upconverter + Direct Conversion	$169.95 USD

Тесты сравнения

В этих тестах мы сравниваем каждый SDR на реальном сигнале. SDR‑устройства проходят по очереди, мы делаем скриншоты и записываем аудио как можно быстрее, чтобы условия не менялись. Чтобы проверить, не изменились ли условия в ходе теста, мы дважды прогоняем цикл, чтобы подтвердить, что зафиксированы аналогичные результаты.

Тесты HF и ниже выполняются с антенной Wellbrook Loop. Тесты VHF используют дискон или диполь, настроенный на проверяемый диапазон. Радиоокружение — это зона с сильными вещательными радиостанциями AM и FM. Местоположение — примерно в 10 км от башни AM и прямой видимости до башни FM/TV.

Во всех случаях сигнал интереса максимально оптимизирован под наилучшее отношение SNR без перегрузки SDR. Для каждого SDR мы использовали официально рекомендуемое программное обеспечение. Для устройств Airspy это был SDRSharp, для ColibriNANO — ExpertSDR, а для RSP2 — SDRUno.

С RSP2 мы использовали рекомендуемый HiZ‑порт для всех LF–HF сигналов и также переключались между режимами Zero и Low‑IF, выбирая лучший. Чтобы убедиться, мы протестировали порты A и B на RSP2, но столкнулись с тяжёлой перегрузкой AM (при выключенных фильтрах) и более слабими сигналами, чем с HiZ‑портом и фильтрами включенными, поэтому не продолжили использование этих портов.

На ColibriNANO мы использовали полосы частот на 768 кГц или ниже, чтобы получить 24‑битный выход.

Для всех тестов использовался современный ноутбук на базе Core i7 2016 года, работающий от аккумулятора, но все SDR были подтверждены как работоспособные на более старом настольном ПК с Core i5.

LF (Low Frequency 40 кГц Time Signal)

Этот сигнал представляет собой временной сигнал 40 кГц, исходящий из Японии. Его называют Ohtakadoya‑yama LF Standard Time and Frequency Transmission Station (NICT).

По скриншотам видно, что единственными SDR, успешно принимающими эту станцию, оказались HF+ и Airspy Mini + SV.

HF+ принимает сигнал очень чисто и без признаков перегрузки от вещательного AM. Также хорошо видны и копируются VLF‑сигналы до 20 кГц.
The Mini + SV принимает сигнал тоже, но заметно перегружен вещательными AM‑станциями вокруг сигнала.
The ColibriNANO не может принимать сигнал вообще. По заявленным характеристикам ColibriNANO начинает принимать примерно с 100 кГц, поэтому это ожидаемо. По скриншоту мы видим отклик примерно с 70 кГц.
The RSP2 едва принимает сигнал (на водоразделе видна очень слабая полоса), но аудио не копируется. Также имеются некоторые признаки перегрузки от вещательного AM.

NDBs (~325 кГц)

NDBs или Non‑Directional Beacons — маяки, помогающие навигации воздушных судов. В этом тесте все SDR смогли принимать NDB с хорошей производительностью, и разницы между SDR не было заметно.

HF+
The Mini + SV
The ColibriNANO
The RSP2

Ам broadcasting (день)

Здесь мы тестировали радиовещательное AM в дневное время. Днем локальные вещательные радиостанции обычно сильнее и более подвержены перегрузкам приемника. Мы настроили на слабую станцию и протестировали прием.

HF+ принимает сигнал хорошо и аудио копируется.
The AS Mini + SV наиболее шумный, но всё ещё способен передать едва копируемый сигнал.
The ColibriNANO также шумный и звучит с зашумленным голосом. Были предприняты попытки улучшить приём, но ничего не помогло.
The RSP2 похоже не может чётко принять станцию и имеет перегрузку. Гейн пришлось установить почти на минимум, чтобы избежать дополнительной перегрузки.

Ам Broadcasting (ночь)

Здесь мы настроились на диапазон вещательного AM и протестировали приём одной из слабых станций.

HF+ принимает эту слабую станцию чётко, затухание незначительно.
The ColibriNANO принимал станцию, но казался немного более шумным, с большим количеством шума на выходе.
The RSP2 также хорошо принимает станцию, но присутствует больше шума в фоне. Однако звук всё же чётко различим, однако шум и помехи заметны.

2.6 МГц FAX

Получение факсового сигнала примерно на 1 МГц выше диапазона вещательного AM.

HF+ получал факс чисто.
The AS Mini + SV не тестировался, так как fax завершился до того, как мы успели добраться до него.
The ColibriNANO получал Fax чисто.
The RSP2 получал Fax так же, как и другие приёмы, но на водопаде видны образы вещательных AM. Уменьшение Гейна снижало сигнал Fax, но изображения сохранялись.

7 МГц коротковолновый диапазон

HF+ хорошо принимает слабые коротковолновые станции с довольно чистым звуком.
The Mini + SV имеет схожие характеристики с HF+,
The ColibriNANO кажется немного более шумной.
The RSP2 столкнулся с заметным угасанием, которое не было столь интенсивным на других SDR. Кажется, это не связано с изменением условий, так как после возврата к другому SDR эффект пропал.

88.9 МГц FM

Слабая приёмность с этого места, TX на 50 км и не рассчитано на покрытие области RX.

The HF+ принимает эту станцию достаточно чётко.
The AS Mini аналогично HF+, но чуть более шумный.
The ColibriNANO не может принять эту станцию вовсе, так как внешние фильтры необходимы в режиме undersampling.
The RSP2 тоже может принять станцию, но как и в случае с AS Mini аудио едва слышно. Различные настройки усиления и ZIF/LIF не помогли; сигнал продолжал слабеть.

96.03 МГц FM

Это приватный ретранслятор частной радиостанции малой мощности, который кажется незаконно излучает. Очень близко расположен к мощной станции на частотном спектре.

The HF+ заметно превосходит по чувствительности радиочастотный диапазон вещательного FM, как видно из аудио примеров. Звук HF+ кажется значительно чище.
The AS Mini принимает станцию тоже, но заметно шумнее.
The ColibriNANO не может принять эту станцию вовсе, так как работает в undersampling и для корректной работы требуются фильтры.
The RSP2 работает аналогично AS Mini.

96.2 МГц FM

Приём обычной FM‑станции на расстоянии около 120 км.

HF+ смог принять станцию довольно чётко
The AS Mini может тоже принимать станцию, но звук заметно громче. Увеличение усиления вызывает перегрузку, рост шума и ослабление SNR.
The ColibriNANO не может принять эту станцию вовсе. В режиме undersampling фильтры необходимы.
The RSP2 тоже может принять станцию, но как и у AS Mini, аудио едва слышно.

96.2 MHz FM

Приём частной повторной радиостанции небольшой мощности, близко к другим станциям.

The HF+ смог принять FM‑станцию довольно чётко
The AS Mini тоже принимает станцию, но звук заметно шумнее.
The ColibriNANO не может принять эту станцию вовсе. Так как он работает в undersampling, без фильтров не обойтись.
The RSP2 тоже может принять станцию, но как и у AS Mini звук едва слышен.

Пейджеры

Здесь мы имеем очень сильные пейджеры на 158 МГц, и у большинства SDR возникают признаки перегрузки поблизости от частоты пейджера. HF+ похоже справлялся с ними довольно хорошо, однако когда два передавали одновременно, возникал период перегрузки около 100 мс, прежде чем AGC снизилGain.

Здесь мы протестировали слабый сигнал примерно на 2,5 МГц ниже пейджеров.

The HF+ четко принимает данные станции без признаков перегрузки от пейджеров.
The Airspy Mini тоже может принимать станцию, но намного слабее. Повышение усиления приводит к перегрузке и появлению помех от пейджера и WFM‑шума над частотой во время передачи пейджера. Даже при настройке усиления на 10 заметны лёгкие помехи на снимке, когда пейджер передает.
The RSP2 тоже может принимать станцию, но как и у AS Mini, аудио едва слышно. Интермодуляция была значительной при передаче пейджера, что приводило к потере сигнала. Уменьшение усиления не помогло избавиться от помех и только снижало силу сигнала интереса. Включение фильтра MW/FM не помогло, так как помеха пейджера находится за пределами этого Notch‑диапазона.
The ColibriNANO не смог принять эту станцию.

Обновление 7 дек 2017: под экранирующим кожухом

Как и обещано, теперь, когда Airspy HF+ отправляется в серию продаж и выпущен в полном объёме, мы покажем, что находится под кожухом. Пожалуйста, не обращайте внимания на модифицированные компоненты и «хакнутые» перемычки, так как у нас был ранний прототип, в котором требовались модификации для достижения полной производительности.

Как уже догадались, основной чип — STA709, который является новым цифровым тюнером, спроектированным для автомобильной промышленности. Технология в этом чипе довольно передовая, поэтому в сочетании с хорошим дизайном печатной платы и качественным DSP‑кодом это один из секретов Airspy HF+.

Under the Airspy HF+ Shielding — Под экраном Airspy HF+.

Выводы

Airspy HF+ — исключительный SDR и действительно порадует DX‑еры и тех, кто желает слушать слабые станции. Это относительно узкополосный SDR (по сравнению с Mini/R2 и RSP2), который может настраиваться только до 260 МГц, поэтому не ожидайте, что он будет широкополосным сканером для trunked‑radios. Но на VHF он отлично подходит для FM‑DX, поиска радиовысотной авиации и 137 МГц WX спутников. Приём на HF+ практически не подвержен перегрузкам сильными пейджерами в диапазоне 157 МГц.

Ниже 30 МГц HF+ демонстрирует выдающуюся работу. VLF до MW — лучший показатель среди любых SDR стоимостью менее 300 долларов. Перегрузка отсутствует на вещательном AM и никаких эффектов от сильных AM‑сигналов выше по спектру не наблюдается.

Ближий конкурент HF+ по цене и задачам (разработанный для HF) — ColibriNANO. Однако ColibriNANO стоит заметно дороже — около 350 USD. По HF производительность кажется сопоставимой, но HF+ выигрывает за счёт небольшой, но заметной переваги. ColibriNANO имеет недостаток слабой LF/VLF‑приёмности (рекцензированные диапазон начинается примерно с 100 кГц) и сильно искажённый VHF/UHF из‑за undersampling. Для корректной работы на VHF/UHF нужен фильтр. ColibriNANO сам по себе очень хорош, но HF+ явно выигрывает по соотношению цена/производительность и по общему качеству, и мы не видим ситуацию, когда ColibriNANO был бы лучшим выбором на данный момент.

Airspy Mini/R2 и SDRplay RSP2 также показывают хорошие результаты для большинства сигналов, но будут давать слабину при очень сильных сигналах. Сравнивая эти SDR на слабых сигналах рядом с сильными помехами, HF+ действительно блистает. Но при сравнении с обычными (не слабо‑сигнатурными) сигналами или в тихой RF‑среде без сильных помех определить, какой SDR лучше, почти невозможно.

Очевидно, в этот приёмник вложена передовая технология — полифазовый гармонический подавитель смесителя и АЦП сигма‑дельта, что, возможно, ставит его на один уровень с очень дорогими SDR с прямой выборкой. Приём слабых и DX‑сигналов HF+ заметно проще. Цена‑производительность (ожидаемая $149) — феноменальная. Это SDR с высокой степенью рекомендации.

Источник: