DSP - Digital Signal Processing - Digitale signaalverwerking
 
 
Voordat we eens kijken naar de fantastische mogelijkheden van DSP in onze transceiver, is het belangrijk dat we eerst een beetje begrijpen
wat "digitaal" precies inhoudt. Wat is een digitaal signaal? Laten we, om het praktisch en relevant voor de amateurradio te houden.
 
Een RF-signaal in een elektrisch circuit is een wisselstroomsignaal (AC-signaal). Dat wil zeggen dat de elektronen in het circuit heen en weer
stromen met radiofrequenties, terwijl de spanning van polarisatie verandert. Hierdoor ontstaat eerst een elektrisch potentiaal in één richting,
waarna de polarisatie omkeert naar de tegenovergestelde richting. We noemen de gepolariseerde spanningen positief en negatief. We beelden dergelijke signalen (en hun elektromagnetische tegenhangers die door onze antennes worden uitgezonden) af met sinusgolven zoals links weergegeven, waarbij de amplitude (hoogte) van de golf ten opzichte van de centrale voortplantingsas de momentane spanning van het signaal
is terwijl het heen en weer pulseert.
 
RF - Hoogfrequent signaal
 

Hoogfrequent signaal gemeten op oscillscoop
 
Stel je voor dat we dit signaal meten met een oscilloscoop die de golfvorm op het scherm weergeeft. Aan de linkerkant van het scherm bevindt
zich een schaal waarmee we de amplitude (signaalspanning) op elk punt van de golfvorm kunnen meten. De oscilloscoop geeft ons een beeld van
de continue analoge golf per definitie een continue of ononderbroken meting van de golf, en in het bijzonder van de amplitude ervan.
 
Sample Spanning
1 0.20
2 0.75
3 0.99
4 1.85
5 0.32
6 0.46
7 0.89
8 0.98
9 0.70
10 0
 
Sample Spanning
11 0.72
12 0.99
13 0.88
14 0.40
15 -0.41
15 -0.90
17 -0.99
18 -0.68
19 -0.05
 
We zouden onze oscilloscoop zo kunnen instellen dat hij de amplitude van de golf in
discrete stappen over de golfvorm meet, bijvoorbeeld 10 afzonderlijke momentopnamen per golflengte met gelijke tijdsintervallen. In de onderstaande afbeelding representeert
elke blauwe stip een tijdstip van een discrete amplitudemeting. Een tabel met
meetwaarden is bijgevoegd die aangeeft hoe deze discrete amplitudemetingen
numeriek kunnen worden weergegeven, waarbij de metingen van links naar rechts over
de golfvorm worden uitgevoerd.
 
Als we een golfvorm zouden creëren puur op basis van de numerieke gegevens in de
tabel, zou deze er ongeveer zo uitzien als de oscilloscoopafbeelding rechts. De amplitude wordt alleen bijgewerkt bij elke nieuwe discrete meting, waardoor de golfvorm een ​​stapsgewijze vorm aanneemt – de informatie tussen de metingen gaat verloren,
maar veel van de informatie in de golfvorm zelf is nog steeds te achterhalen, zoals amplitudes, frequentie en golflengte.
 
voorbeeld van amplitude
 

metingen van de golfvorm
 
Als we in dezelfde tijd veel meer metingen uitvoeren, en dus vaker meten, zullen we een nauwkeurigere weergave van de golfvorm vastleggen
die meer lijkt op de werkelijke, vloeiende vorm. Dat vereist wel dat we veel meer getallen registreren. Als we te weinig meten, bereiken we een drempelwaarde waarbij de numerieke informatie onvoldoende is om de golfvorm nauwkeurig weer te geven.
 
Als we een golfvorm zouden creëren puur op basis van de numerieke gegevens in de tabel, zou deze er ongeveer zo uitzien als de oscilloscoopafbeelding rechts. De amplitude wordt alleen bijgewerkt bij elke nieuwe discrete meting, waardoor de golfvorm een ​​stapsgewijze
vorm aanneemt – de informatie tussen de metingen gaat verloren, maar veel van de informatie in de golfvorm zelf is nog steeds te achterhalen, zoals amplitudes, frequentie en golflengte. Als we in dezelfde tijd veel meer metingen uitvoeren, en dus vaker meten, zullen we een
nauwkeurigere weergave van de golfvorm vastleggen die meer lijkt op de werkelijke, vloeiende vorm. Dat vereist wel dat we veel meer
getallen registreren. Als we te weinig meten, bereiken we een drempelwaarde waarbij de numerieke informatie onvoldoende is om de golfvorm nauwkeurig weer te geven.
 
Het vastleggen van discrete metingen zoals deze over tijd is een vorm van analoog-digitaalconversie (ADC). Het digitale signaal is simpelweg een
lijst met getallen, zoals in de tabel hierboven. We kunnen deze lijst met getallen bewerken met een breed scala aan wiskundige wapens in ons
DSP-arsenaal, waardoor de digitale golfvorm zich aan onze wensen aanpast. In de digitale signaalverwerking van een ontvanger worden de digitale representaties natuurlijk gecreëerd door middel van sampling met zeer snelle en efficiënte elektronische circuits in plaats van een logge oscilloscoop. De processor zelf is vergelijkbaar met de microprocessor in een moderne pc, maar dan geoptimaliseerd voor snelle verwerking van de numerieke signaalgegevens. Na de wiskundige verwerking van de digitale signalen moet de DSP een digitaal-analoogconversie (DAC) uitvoeren, zodat de opnieuw afgevlakte golfvormen worden aangeleverd aan latere demodulatiestappen en uiteindelijk aan de audiocircuits van de ontvanger voor geluidsweergave. Door het toepassen van filters, middelcircuits en andere technieken worden de stapsgewijze digitale signaalrepresentaties weer afgevlakt tot analoge signalen.
 
Een typisch digitaal signaalverwerkingssysteem voert dus een analoog-naar-digitaal-conversie uit op ontvangen signalen, bewerkt de digitale representaties wiskundig en voert vervolgens een digitaal-naar-analoog-conversie uit voor een gemodificeerd RF-signaal, zoals dit:
 
 
Als je de signaalverwerking van een heterodyne-ontvanger hebt bestudeerd, zoals in paragraaf 6.2, Ontvangen, van de HamRadioSchool.com Technicuslicentiecursus, dan herinner je je vast het blokschema van de componenten van de ontvanger en de signaalverwerking die in elke fase plaatsvindt. En ik weet dat je je afvraagt: "Waar in de signaalverwerking van de ontvanger gebeurt het de DSP proces precies?"
 
Digitale signaalverwerking kan op verschillende plaatsen en voor diverse doeleinden worden toegepast. Sommige moderne ontvangers met
zeer snelle bemonsteringselektronica digitaliseren het RF-signaal direct – dat wil zeggen, de digitale representatie is van het RF-signaal zelf voordat
er analoge verwerking plaatsvindt. Vaak maken deze ontvangers deel uit van wat een software-defined radio (SDR) wordt genoemd.
Het RF-signaal wordt gedurende het gehele demodulatieproces als digitale informatie verwerkt, inclusief de hieronder beschreven processen,
en uiteindelijk omgezet in analoge audiosignalen voor geluidsweergave.
 
Andere ontvangers, wellicht van iets oudere datum, gebruiken mogelijk DSP na de tussenliggende filtertrap (IF). De IF is het resultaat van het
analoge mengproces tussen RF-signalen en een variabele frequentieoscillator, waarbij het gemoduleerde signaal naar een veel lagere frequentie
wordt verschoven op het demodulatiepad naar audio. (Zie ons artikel over heterodyne-ontvangers.) De IF wordt in bijna realtime bemonsterd
en bewerkt door de DSP om een ​​van de volgende taken uit te voeren:
 
- Ongewenste mengproducten uit de IF-doorlaatband van de ontvanger filteren
- Ruis filteren met behulp van verschillende digitale ruisonderdrukkingsalgoritmen
- Potentiële storende sterke draaggolfsignalen identificeren en deze (of deze) uit de doorlaatband filteren
- De breedte van het IF-doorlaatbandfilter aanpassen aan de bandbreedte van de bedrijfsmodus (SSB, CW, AM of digitale modusvarianten)
- Aangepaste filtervormen en -effecten leveren zoals gedefinieerd door de gebruiker
- Andere mogelijke signaalbewerking, afhankelijk van de door de fabrikant meegeleverde functies.
 
Digitale signaalverwerking (DSP) kan ook worden toegepast in de audioverwerkingsfase na de productdetector (aangeduid als "Mixer 1" in de onderstaande afbeelding). Hoewel veel van dezelfde soorten filters en effecten in deze fase kunnen worden geïmplementeerd als in de IF-fase,
is het meestal effectiever om die functies in de IF-filterfase uit te voeren en te voorkomen dat ongewenste signalen verder in het verwerkingspad
van de ontvanger terechtkomen. DSP kan echter gemakkelijk worden toegepast voor audiofuncties zoals het egaliseren van ontvangen audio, audiofiltering, audiomixing en spraakverwerking zoals compressie of expansie. DSP kan ook worden gebruikt om sommige van deze audioverwerkingsfuncties in een zender te bieden, met name voor spraakverwerking om de verstaanbaarheid van het verzonden signaal te verbeteren.
 
 
De algoritmen die in DSP worden gebruikt, zijn complex en zullen in dit artikel niet in detail worden beschreven. Laten we echter een vereenvoudigde weergave bekijken van een veelgebruikte techniek die een intuïtief begrip geeft van hoe DSP van binnenuit werkt.
 
Stel dat we een voorbeeld hebben van een zeer complexe RF-golfvorm. Door een wiskundige transformatie toe te passen,
de Fourier-transformatie, kan de tijdsafhankelijke weergave van de golfvorm worden omgezet in een frequentieweergave. Dat wil zeggen dat
de DSP alle verschillende sinusgolfcomponenten kan berekenen waaruit de complexe signaalvorm bestaat, evenals de amplitude van elke
frequentie. (Zie de kanttekening hieronder.)
 
 
 
Een Fourier-transformatie Opmerking: Elke golfvorm kan worden gecreëerd door een combinatie van meerdere sinusgolfcomponenten met verschillende frequenties en amplitudes. Elk RF-signaal kan dus worden "ontleed" in een grotere set van mooie sinusgolfsignalen. De Fourier-transformatie laat ons de set frequenties en de amplitude van elk zien die samen een complexer of onregelmatig gevormd signaal vormen. 
 
Met de digitale signaalgegevens georganiseerd in een frequentiespectrumweergave kunnen de frequenties op verschillende manieren worden
gefilterd. Zo kunnen bijvoorbeeld alle frequenties boven een gewenste afsnijfrequentie digitaal worden geëlimineerd (amplitude op nul gezet),
en alle frequenties onder een andere afsnijfrequentie kunnen op dezelfde manier worden geëlimineerd, waardoor alleen een smallere gewenste frequentieband overblijft, zoals hieronder weergegeven. De hoge en lage afsnijfrequenties bepalen de filterbreedte, oftewel de doorlaatband.
Deze smallere band kan via een DA-conversie (digitaal-naar-analoog) weer worden omgezet naar een analoge vorm voor verdere verwerking
door de ontvanger, waarbij de ongewenste signalen achterblijven. 
 
 
 
Stel je voor dat er in dit spectrum een ​​zeer smalle piek in de frequentieamplitude aanwezig is, een klein frequentiebereik met een amplitude die
veel groter is dan die van de omliggende frequenties – wat wijst op de aanwezigheid van een ongewenste draaggolf in deze band. Dit scenario
wordt hieronder weergegeven. De digitale signaalverwerking kan het ongewoon sterke draaggolfsignaal identificeren aan de hand van de hoge amplitude en met behulp van logica een filter creëren dat de amplitude van precies die smalle band met ongewoon sterke frequenties op nul zet.
Het is in een oogwenk verdwenen dankzij digitale logica! Dit is een notchfilter, dat de gewenste doorlaatband ontdoet van het hinderlijke sterke draaggolfsignaal. 
 
 
 
In digitale signaalverwerkingsalgoritmen worden veel andere technieken gebruikt om ruisonderdrukking en andere functies te implementeren.
DSP kan je helpen om die echt zwakke signalen van verre stations op te vangen die je anders misschien helemaal zou missen! Als je
SSB-ontvanger DSP-functies heeft, of als je een geschikte software-defined radio hebt, lees dan de gebruikershandleiding en maak jezelf
vertrouwd met de basisbediening en mogelijkheden voor het gebruik van DSP. Nu je een basisintroductie tot digitale signaalverwerking hebt,
zou je de meeste functies en beschrijvingen moeten kunnen interpreteren. 
 
Bron: Ham Radio School