9.6. FABRYCZNE FILTRY CYFROWE

  Do urządzeń COS najczęściej spotykanych w wyposażeniu stacji amatorskich należą filtry cyfrowe. Są one włączane na wyjście słuchawkowe lub głośnikowe odbiornika, a do ich gniazdka wyjściowego podłączany jest dodatkowy głośnik, słuchawki lub dowolne inne urządzenie, np. kontroler TNC. Ze względu na to, że są to urządzenia dodatkowe nie mające dalszych powiązań z układami odbiornika i nadajnika radiostacji można stosunkowo łatwo na ich przykładzie przedstawić możliwości i najważniejsze parametry urządzeń cyfrowych.
    Obecnie rozpowszechnione filtry cyfrowe podłączane są na wyjściu odbiornika, dlatego też nie należy oczekiwać, że będą one mogły radykalnie poprawić odbiór w przypadku odbiorników o niskiej odporności na modulację skrośną lub inne szkodliwe efekty występujące na ich wejściu lub w torze p.cz. Filtry cyfrowe mogą też same być źródłem zakłóceń odbioru, dlatego należy zadbać o właściwe ekranowanie i uziemienie urządzeń. Częstotliwości zegarowe procesorów cyfrowych leżą w zakresie kilkudziesięciu MHz (przeważnie między 20 i 40 MHz) a w układach występują ciągi impulsów o amplitudach TTL i dość stromych zboczach, co powoduje, że są one bogate w harmoniczne.
    Najczęściej spotykane na rynku filtry cyfrowe przeznaczone do zastosowań krótkofalarskich mogą być wykorzystywane do pracy różnymi rodzajami emisji: telegrafią, fonią, faksymile, sstv i transmisji danych - RTTY, pakiet radio, AMTOR, PACTOR itp. Podane poniżej charakterystyki i zakresy częstotliwości są przykładami odnoszącymi się do filtrów DSP-NIR i MFJ-784B (patrz zdjęcia). Podobnymi parametrami charakteryzują się także inne spotykane na rynku modele filtrów. Wykres 9.17 przedstawia charakterystykę przenoszenia wąskopasmowego filru telegraficznego modelu NIR. Szerokość pasma na poziomie -6 dB wynosi ok. 200 Hz, a na poziomie -60 dB - ok. 300 Hz, co daje współczynnik prostokątności równy 1:1,5. Przy zachowaniu stałej szerokości pasma można wybrać częstotliwość środkową 400, 600 lub 750 Hz. Można także zawęzić pasmo do 100 Hz. Wybór dokonywany jest za pomocą zwieraczy wewnątrz urządzenia. W podobny sposób ustawia się także i inne rzadziej zmieniane wartości parametrów nie tylko w modelu NIR, ale i w innych. W modelu MFJ-784B częstotliwość środkowa filtru telegraficznego może leżeć w zakresie 300-1000Hz, szerokość przenoszenia regulowana jest w zakresie 30-700 Hz, a tłumienie w odległości 60 Hz od granicy pasma wynosi 47 dB. Kombinacje niemożliwe do zrealizowania (np. szerokość pasma 700 Hz przy częstotliwości środkowej 300 Hz) są ignorowane.

    [rys. 9_17] Charakterystyka filtru NIR dla telegrafii.

    [rys. 9_18] Charakterystyka filtru NIR dla emisji RTTY.

    [rys. 9_19] Charakterystyka filtru NIR dla emisji pakiet radio (KF).

    [rys. 9_20] Charakterystyka filtru NIR dla emisji SSTV.

    [rys. 9_21] Charakterystyka filtru MFJ-784B dla telegrafii.

    [rys. 9_22] Charakterystaka filtru MFJ-784B dla emisji SSTV.

    Wąskopasmowy filtr SSB w modelu NIR charakteryzuje się zakresem przenoszenia od 150 do 1800 Hz, (współczynnik prostokątności 1:1,1) natomiast szerokopasmowy - zakresem przenoszenia od 150 do 2700 Hz (wsp. prostokątności - 1:1,06). Częstotliwość środkowa filtru SSB w modelu MFJ może być zmieniana między 600 i 1700 Hz, a szerokość pasma może wynosić 1000-2500 Hz. Tłumienie w odległości 75 Hz od granicy pasma dochodzi do 57 dB.
    Oba modele wyposażone są także w filtry dolno- i górnoprzepustowe o regulowanej częstotliwości granicznej. W modelu MFJ-784B dolna częstotliwość graniczna może leżeć w zakresie 200-2200 Hz, a górna w zakresie 1400-3400 Hz. Tłumienie sygnałów niepożądanych w odległości 75 Hz wynosi 57 dB. Kombinacja filtrów dolno- i górnoprzepustowego może być więc w miarę potrzeby filtrem pasmowym lub pasmowo-zaporowym.
    Częstotliwość środkowa filtru pasmowego (w modelu MFJ) może być regulowana między 300 i 3400 Hz, a szerokość pasma przenoszenia - między 30 i 2100 Hz, przy tłumieniu wynoszącym 47 dB w odległości 60 Hz od granicy pasma przenoszenia. Także i tu kombinacje absurdalne są ignorowane.
    Specjalnością modelu MFJ jest podwójny filtr pasmowy o parametrach identycznych z przedstawionym powyżej filtrem pojedyńczym. Filtr podwójny może być wykorzystywany m.in. do odbioru emisji cyfrowych (patrz rys. 9.26).
    Przedstawione powyżej filtry stanowią ulepszoną wersję filtrów analogowych. Istotną nowością w stosunku do układów analogowych jest automatyczny filtr zaporowy (oznaczony na płycie czołowej jako "Notch" lub "Auto notch"). Dzięki inteligencji oprogramowania może on wykryć i wytłumić automatycznie do czterech sygnałów zakłócających leżących w paśmie przenoszenia szerokopasmowego filtru fonicznego. W paśmie tym poszukiwane są i wykrywane składowe o stałej lub wolno zmieniającej się amplitudzie i częstotliwości - wykazujące duże podobieństwo do poprzednich części przebiegu. Odróżniają się one od szybko zmieniających się składowych mowy i są traktowane jako zakłócenia (np. interferencyjne). Już sama zasada rozpoznawania zakłóceń wskazuje, że filtr zaporowy nie może być stosowany w trakcie pracy emisjami cyfrowymi lub telegrafią. Czas wykrycia i wytłumienia zakłócenia wynosi ok. 10 ms (w niektórych przedstawionych dalej modelach nawet poniżej), a poziom tłumienia dochodzi do 50 dB. Filtr zaporowy może w pewnym zakresie śledzić sygnały zakłócające i nadążać za powolnymi zmianami częstotliwości spowodowanymi niestabilnościami odbiornika lub źródła zakłóceń nawet jeżeli częstotliwości zmieniają się w różnych kierunkach. Charakterystyka zaporowa filtrów jest b. wąska (kilkadziesiąt Hz) dzięki czemu sygnał użyteczny ulega tylko minimalnemu zafałszowaniu. Niektóre modele filtrów pozwalają na wytłumienie więcej niż czterech składowych zakłócających, odbywa się to jednak kosztem ograniczenia maksymalnego tłumienia.
    Filtr firmy MFJ jest też wyposażony w ręcznie przestrajany podwójny filtr zaporowy o tłumieniu 40 dB. Ponieważ odróżnienie sygnału użytecznego od zakłócającego dokonywane jest przez operatora, filtr ręczny może być stosowany także w trakcie odbioru emisji cyfrowych i telegrafii. Dla osiągnięcia większego tłumienia można ustawić oba filtry na tą samą częstotliwość.
    Następną funkcją występującą wyłącznie w filtrach cyfrowych jest dynamiczne tłumienie szumów (oznaczane na płytach czołowych jako "Peak" lub "Noise reduction"). Podobnie jak w przypadku zakłóceń rozpoznawanie polega porównaniu podobieństwa przebiegu bieżącego z przebiegiem w poprzednim odcinku czasowym (autokorelacji). Przebieg szumowy jest przebiegiem przypadkowym (nieskorelowanym) w przeciwieństwie do sygnału mowy zawierającego składowe okresowe. Jeszcze większy stopień autokorelacji wykazują sygnały modulacji cyfrowych (np. RTTY). Rozpoznane w ten sposób przez program szumy mogą być tłumione o 10 do 20 dB przy wystąpieniu tylko niewielkich zmian w sygnale użytecznym. Stopień tłumienia jest w obu filtrach regulowany na płycie czołowej. Tłumienie szumów może być włączone równolegle z automatycznym filtrem zaporowym. Efekt tłumienia szumów zilustrowany jest na wykresach 9.23 i 9.24 przedstawiających odpowiednio sygnały odbierany i wyjściowy filtru.

    [rys. 9_23] Sygnał wejściowy z szumami.

    [rys. 9_24] Sygnał wyjściowy po redukcji szumów.

    Oba prezentowane urządzenia wyposażone są w filtry dla emisji cyfrowych. Przykładowe charakterystyki filtrów dla emisji RTTY, pakiet radio (w zakresie KF) i SSTV dla NIR przedstawione są na wykresach 9.18 - 9.20. Filtr RTTY jest dostosowany do standardu tonów niskich (europejskiego) i ma częstotliwość środkową 2210 Hz przy szerokości pasma 270 Hz i wsp. prostokątności 1:1,43. Filtr dla pakiet radio różni się od niego jedynie szerokością pasma wynoszącą 540 Hz (wsp. prostokątności wynosi 1:1,24). Alternatywną, wybieraną za pomocą zwieraczy częstotliwością środkową jest 1700 Hz. Charakterystyka przenoszenia filtru SSTV zawiera dwa podzakresy: jeden o częstotliwości środkowej 1200 Hz służy do odfiltrowania sygnału synchronizacji, drugi przenosi sygnał wizyjny w paśmie 1500-2300 Hz. Sygnały zakłócające leżące między obydwoma podzakresami są tłumione nawet o 50 dB. Filtr SSTV może być używany także do odbioru emisji faksymile. MFJ-784B oferuje użytkownikowi jeszcze więcej charakterystyk do wyboru. Filtry dla emisji AMTOR, PACTOR, RTTY i pakiet radio (w zakresie KF) ustawione są fabrycznie na częstotliwość środkową 2210 Hz i różnią się między sobą szerokością pasma przenoszenia, zależną od szybkości transmisji (RTTY - 250 Hz, AMTOR - 340 Hz, PACTOR - 440 Hz, pakiet radio - 540 Hz). Częstotliwość środkowa oraz szerokość pasma mogą być zmieniane za pomocą zwieraczy wewnątrz obudowy. MFJ-784B jest również wyposażony w filtr dla odbioru SSTV i faksymile, a także w 10 pamięci pozwalających na szybkie wywołanie charakterystyk ustawionych przez użytkownika. Filtr SSTV przenosi podzakresy 1050-1350 i 1450-2350 Hz, a tłumienie składowych niepożądanych wynosi 45 dB w odległości 60 Hz od granicy pasma. Rysunki 9.22 i 9.23 przedstawiają charakterystyki filtrów telegraficznego i SSTV dla MFJ-784B. Rysunek 9.25 przedstawia widmo zakłóconego sygnału RTTY (z lewej) i widmo sygnału na wyjściu filtru cyfrowego (z prawej).

    [rys. 9_25]

    Oba urządzenia wyposażone są w automatyczą regulację wzmocnienia pozwalającą uniknąć przesterowania przetwornika analogowo-cyfrowego.
    Rozwiązaniem przeznaczonym specjalnie dla miłośników emisji cyfrowych jest filtr MFJ-781. Wyposażony jest on w charakterystyki przenoszenia dostosowane do odbioru emisji pakiet radio (w zakresach KF i UKF), AMTOR, PACTOR, GTOR, Clover, RTTY, SSTV, faksymile i telegrafii, z różnymi (w miarę potrzeby) szybkościami transmisji i przesuwami częstotliwości. Filtr ten jest w USA o ok. połowę tańszy od uniwersalnego MFJ-784B. Filtr włączany jest między wyjście głośnikowe lub słuchawkowe odbiornika i wejście dowolnego kontrolera lub modemu. Część elektroniczna filtru MFJ-781 jest też montowana w uniwersalnych kontrolerach TNC typu MFJ-1278B/DSP. Uzupełnienie dla starszych modeli TNC nosi oznaczenie MFJ-780.
    Filtry cyfrowe są produkowane również przez inne firmy. Jedną z nich jest firma JPS. Dostarcza ona całej rodziny filtrów począwszy od najprostszych NF-60 i NTR-1 wyposażonych jedynie w automatyczny filtr zaporowy i dynamiczną redukcję szumów aż po najbardziej rozbudowany NIR-12 o możliwościach zbliżonych do obu opisanych powyżej modeli. Rodzina filtrów JPS zawiera też filtr SSTV-1, który jak sama nazwa wskazuje przeznaczony jest do odbioru emisji SSTV i faksymile. Zasadnicze parametry filtrów JPS pokrywają się z przedstawionymi powyżej.
    Do modeli wyższej klasy należy także DSP-59+ firmy Timewave. W porównaniu z MFJ-784B rzuca się w oczy brak filtru SSTV, przełączanych filtrów dla emisji cyfrowych i pamięci dla własnych ustawień. Oczywiście pokrętła regulacji częstotliwości środkowej i szerokości pasma pozwalają na uzyskanie charakterystyk niezdędnych do pracy dowolnym rodzajem emisji wymaga to jednak każdorazowo przeprowadzenia odpowiedniej regulacji. Niedostatki te usunięto w modelu DSP-599zx. Oprócz sześciu gotowych charakterystyk dla emisji cyfrowych zawiera on też sześć pamięci dla własnych konfiguracji. DSP-599zx jest także wyposażony w koder i dekoder sygnałów CTCSS i modem RTTY.
    Pomimo przedstawionych na początku ograniczeń wynikających z konstrukcji lub zasady działania filtry cyfrowe mogą stanowić cenne uzupełnienie wyposażenia stacji amatorskich. Są one także w coraz szerszym stopniu instalowane w radiostacjach, odbiornikach i sprzęcie dodatkowym (np. kontrolerach TNC).

    [rys. 9_26] Filtr MFJ-784B.