sdr качество что это
Чем отличается HDR от SDR
Несмотря на все недостатки и устаревший технологический процесс, сегодня видеоконтент в формате SDR (Standard Dynamic Range) сохраняет доминирующее положение на медиарынке. HDR формат (High Dynamic Range) только начинает свою экспансию. В этой небольшой статье мы рассмотрим различия HDR и SDR.
Колориметрические параметры
SDR формат базируется на колориметрических параметрах, описанных в Rec. ITU-R BT. 709. Они охватывают всего лишь 35,9% видимого человеческим глазом спектра системы CEI 1931 (Рис. 1). В свою очередь HDR использует цветовые параметры Rec.ITU-R BT. 2020, охватывающие 75,8% спектра.
Рис.1 Цветовое пространство системы CEI 1931.
Глубина цвета SDR — 8 бит. SDR не запрещает использовать 10 бит, но на практике подавляющее большинство видеоконтента сжато с глубиной цвета 8 бит. Это означает, что у каждого из базовых цветов — красного, зеленого и синего — может быть 28 значений, равное 256 или суммарное количество 256х256х256 = 16 777 216 цветов. Это много, но человеческий глаз видит гораздо больше, поэтому на практике различает ступенчатые переходы у SDR видео (Рис. 2). Особенно это заметно на градиентных сценах фона, например неба.
Рис.2 Глубина цвета 8 и 10 бит.
У HDR минимальная глубина цвета — 10 бит: 1024 возможных значений для каждого базового цвета или суммарно 1 073 741 824 цветов, что в 64 раза больше, чем у SDR. Такое изображение гораздо ближе к действительному, однако при определенных обстоятельствах человеческий глаз все еще способен заметить ступенчатость цветовых переходов.
Яркость
Человеческий глаз устроен так, что помимо компонентов цветности различает и компонент яркости, причем яркость воспринимается гораздо острее. SDR ограничен яркостью в 100 кд/м2, в то время как теоретические возможности стандартов HDR достигают 10 000 кд/м2.
На практике дисплеи с поддержкой HDR из среднего ценового сегмента заявляют яркость 1000 кд/м2, премиальный сегмент предлагает яркость до 4000 кд/м2, но для определенных сцен и на непродолжительное время.
INFO: Что такое SDR и HDR в раздачах 4К видео?
Аббревиатура HDR знакома всем пользователям современной цифровой техники. Сегодня можно приобрести смартфон или телевизор с дисплеем HDR, а в фото и видеокамерах вы наверняка видели режим съёмки с таким же названием. Но если спросить, что означает этот термин, и какую задачу выполняет эта функция, наверняка у многих возникнут затруднения с ответом.
Что такое SDR и HDR?
SDR (Standard Dynamic Range) и HDR (High Dynamic Range) – это аббревиатуры, что часто используют для описания качества картинки, которую можно получить при помощи фото или видеотехники. Первая дословно переводится как «стандартный динамический диапазон», вторая – как «широкий динамический диапазон». Что это означает на человеческом языке, и в чем отличие между этими понятиями? Давайте разбираться!
Динамический диапазон фото (видео) камеры – это характеристика устройства, что описывает тот диапазон тонов, которые оно способно распознать и зафиксировать от абсолютно чёрного до белоснежного. Чем динамический диапазон устройства шире, тем лучше по качеству фото и видео. Это объясняется просто – чем больше тонов распознаёт устройство, тем больше деталей можно разобрать на ярко освещённых участках, и тех, что находятся в тени. Другими словами, широкий динамический диапазон позволяет получать картинку хорошего качества при любом освещении без пересветов и провалов в тенях.
Первое фото и видеооборудование не могло похвастать хорошей цветопередачей. Эта техника может воспринимать и передавать довольно ограниченный цветовой спектр – всего 20-30% от всей палитры красок, которую может уловить и различить глаз человека. Этот, немного устаревший на сегодня, стандарт динамического диапазона отображения яркости и цвета и называют SDR.
Современная техника оснащена режимом HDR – функцией, которая на порядок увеличивает передачу яркости и цвета гаджетом, существенно улучшая качество фото или видеозаписи. Благодаря этой функции, вы можете увидеть более яркую и контрастную картинку, на которой цветовая палитра расширена до 75-80%. Эта технология позволяет улучшить изображение не только при фото (видео) съемке, но и при воспроизведении записанных файлов.
Если говорить коротко, эта технология, делает темное еще темнее, а светлое – светлее. При этом она увеличивает точность передачи исходного изображения, делая его ярче и контрастнее.
Сам же принцип работы этой функции довольно прост. Устройство делает от 3 до 5 кадров с различной яркостью – от слегка засвеченного до затемнённого. Затем эти кадры совмещаются в одно изображение с улучшенными характеристиками яркости и цветопередачи. Именно эта улучшенная картинка будет отображаться на мониторе. Раньше фотографы и профессиональные видеооператоры делали эту процедуру в ручном режиме, совмещая снимки при помощи специальных программ. Сегодня фото и видеотехника умеет улучшать изображения в автоматическом режиме.
Software Defined Radio — как это работает? Часть 2
В первой части были описаны основные виды SDR-устройств и кратко были приведены их характеристики. Во второй части я расскажу подробнее о плюсах и минусах SDR, также будут приведены примеры использования этой технологии.
Продолжение под катом (осторожно, траффик).
Если кто пропустил первую часть, желательно начать с нее, чтобы лучше понимать о чем речь.
Преимущества SDR
Для начала поговорим о преимуществах SDR, о том, что они дают пользователю. Понятно, что приоритеты у всех разные, поэтому разные пункты собраны в перемешку. Какой из них «более главный» сказать сложно, да наверное и невозможно, каждый решит для себя сам.
Панорамный обзор эфира
Первое, и самое очевидное — SDR показывает панораму радиоэфира «как есть».
Это достаточно удобно, как в плане наглядности, так и в плане поиска новых сигналов. На экране сразу видно например, что какая-то станция работает справа на 100КГц выше по частоте, видны различные помехи, новые и особенно короткие сигналы, и пр. Сигналы с быстроизменяющейся частотой например, на обычном «классическом» приемнике или трансивере просто не видны, и человек даже не догадается об их присутствии.
Посмотреть как это выглядит и послушать что творится в эфире, может любой, открыв web-панораму на голландском SDR. Как пример картинки оттуда, хорошо видна работа ППРЧ (но это не точно).
Регулируемые цифровые фильтры и звуковые эффекты
Радиолюбители со стажем наверное помнят времена, когда узкополосные кварцевые фильтры докупались к радиостанциям отдельно, и стоили не таких уж малых денег. Еще хуже ситуация в дешевых бытовых приемниках — фильтры там попроще, и настроены вообще никак китайским рандомом, как повезет. Да и настроек в таких приемниках обычно только две — Wide и Narrow. В SDR все фильтры выполняются математически, поэтому любую ширину фильтра можно просто выбрать «мышкой» или задать в настройках. Прямоугольность фильтров тоже может быть практически идеальная — математически можно выбрать любой порядок фильтров, все ограничено лишь алгоритмом.
Аналогично могут задаваться настройки шумоподавления, коэффициенты АРУ и пр.
Кстати, некоторые аудиофилы считают что «обычные» аналоговые фильтры звучат теплее и ламповее лучше, мне сказать сложно. Возможно, вид цифровых фильтров и влияет на восприятие звучания, тут тоже есть поле для экспериментов.
Возможность измерений
SDR это довольно-таки точный измерительный прибор. Начиная от банального отображения уровней разных станций в децибелах, до оценки помех, качества сигнала и пр. Все недостатки своего или чужого сигнала отлично видны на спектре.
Для примера, на картинке виден сигнал FM-станций. Сразу видно кто где вещает, с каким уровнем, какие станции мешают друг другу.
Также можно использовать SDR как анализатор спектра.
Широкополосная обработка
Прием сигнала сразу широкой полосой в несколько мегагерц открывает удивительные возможности для обработки сигналов. Любители азбуки Морзе и радиосоревнований, например, могут декодировать позывные сразу в широкой полосе (хотя, по-моему, это неспортивно, но это другой вопрос).
Также можно создавать неограниченное количество «виртуальных приемников» в пределах полосы пропускания. Для примера показано декодирование радиолюбительских сигналов WSPR сразу на двух диапазонах с одного физического приемника.
С помощью SDR и Virtual Audio Cable пользователи с раздвоением личности могут слушать сразу две станции, одну в правое ухо, другую в левое 😉
Можно предположить, что в проф. устройствах обработка широкой полосы дает большие возможности по поиску, классификации, обнаружению и подавлению различных сигналов. Вероятно, технология активно используется в радарах и прочих устройствах.
Прием и передача практически любых видов модуляции
Обработка сигналов делается на ПК, поэтому вычислительные возможности ограничены лишь наличием нужных декодеров. AM, FM, WFM, DRM, DAB+, TETRA и много других страшных слов — практически для всех современных открытых протоколов можно найти декодер.
Что пока «не по зубам» SDR, это пожалуй GSM и WiFi, хотя и тут какие-то подвижки есть (Open BTS, WiFi Analyzer).
Что касается передачи, то владельцы URRP или LimeSDR могут, например, поэкспериментировать с DAB+.
Широкополосная запись и воспроизведение
Т.к. в SDR все данные пишутся изначально в цифре, нет проблем записать всю полосу сразу целиком, чтобы прослушать или проанализировать потом. В одной записи может содержаться сразу несколько радиостанций, которые можно прослушать точно также, как с реального приемника. Это чем-то похоже на RAW-файл с фотокамеры, где постобработку (баланс белого и пр) можно сделать уже после съемки.
По ссылке приведен пример записи с шириной полосы 760КГц, панорама которой выглядит вот так:
В записи можно найти сразу много чего — маяк точного времени, телеметрию, приводные маяки, вещательные станции. Открыть ее можно в Matlab бесплатной программе HDSDR. Недостаток здесь только один, это большой размер. Одна минута записи при таком битрейте занимает 350Мбайт. Но разумеется, при реальных записях нет смысла писать все подряд, можно выбрать ширину полосы в зависимости от задач.
Удаленная работа
Еще одно активно развивающееся направление. Некоторые SDR приемники и трансиверы имеют возможность удаленной работы — т.к. приемник доступен по IP-адресу, то нет принципиальной разницы, стоит он рядом на столе или в 100км на даче (разумеется, битрейт передачи нужно настроить в соответствии с шириной интернет-канала). Учитывая, что помех в городах все больше и больше, это может стать весьма актуальным.
Инженерные и исследовательские задачи
Разумеется, при наличии широкополосной записи и воспроизведения, открываются большие возможности для отладки разных сигналов, протоколов, тестирования методов ЦОС и пр. Специализированные девайсы для исследовательских целей (USRP) позволяют работать full duplex, также могут иметь несколько входов и возможность синхронизации, что позволяет тестировать такие алгоритмы как direction finding.
С помощью GNU Radio можно создавать и тестировать сложные системы обработки сигналов, используя большое количество готовых блоков.
Преимущества надеюсь, понятны, поговорим о недостатках.
Недостатки SDR
Только стационарная работа
Главный недостаток для большинства пользователей — SDR это фактически стационарный настольный прибор, брать его с собой весьма неудобно и некомфортно. В городах, увы, уровень помех зачастую зашкаливает, а портативных приемников с SDR и IQ-записью пока практически нет.
В последние годы стали появляться приемники и трансиверы, сделанные по SDR-технологии, но компактного и легкого устройства, которое можно было бы просто взять с собой, пока на рынке так и нет. Конечно, при желании можно взять с собой ноутбук, SDR, антенну, провода, адаптеры, powerbank, но все это достаточно громоздко и неудобно. Рынка портативных SDR-устройств пока де-факто не существует. Из исключений разве что RDR-Pocket, но его цена порядка 1500Евро, и он выпускается только под заказ. Современные технологии вполне позволяют делать такие устройства, но на них просто нет платежеспособного спроса.
Как очевидно из описания, хороший SDR — это достаточно дорогостоящий прибор. Сверхбыстрые АЦП и ПЛИС, малошумящие каскады на входе, многослойные печатные платы, качественные фильтры и пр — цена хороших DDC SDR начинается от 500$ и выше, и дешево такое никак не сделать. Профессиональные приемники (USRP, Winradio) стоят от 1500$ и выше.
Впрочем, подвижки тут тоже есть. Вполне неплохие приемники SDRPlay с диапазоном от 10КГц до 2ГГц продаются за 150$, и хотя это не DDC и АЦП всего 12бит, но для большинства задач приема его хватает. «Свистки» RTL-SDR за 30$ уже наверное есть у каждого радиолюбителя. Для любителей УКВ и обработки сигналов есть недорогие LimeSDR, которые при цене в 200-300$ покрывают диапазон до 6ГГц.
Сложная алгоритмическая часть
Понятно, что за внешней простотой и удобством «скрываются» серьезные алгоритмы цифровой обработки сигналов. За последние лет 10 создано большое количество разнообразного софта для SDR, и скорее всего обычному пользователю и не придется ничего дописывать. Но при желании что-то исправить или создать свое, это не так просто сделать, «порог входа» достаточно большой.
Энергопотребление и процессорные требования
Также очевидно, что ток потребления довольно высок, как и требования к CPU и видеокарте. Обычный «классический» радиоприемник может работать месяц от батареек, DDC SDR будет потреблять не менее 1-2А во время работы.
Заключение
В предыдущей части некоторые задавались вопросом, зачем это вообще нужно, надеюсь отчасти удалось ответить этот на вопрос.
Все что планировалось, в одну статью опять не влезло. В следующей части будет рассмотрен программный интерфес к SDR-приемнику на языке Python, и возможно, немного работы с GNU Radio.
Software Defined Radio — как это работает? Часть 1
Продолжая цикл статей про радио, есть смысл рассказать про последние достижения в этой области — Software Defined Radio. Я не знаю адекватного перевода термина на русский, поэтому оставим так, да и термин SDR уже прижился в технических и радиолюбительских кругах.
За последние 100 лет радио изменилось настолько, что вряд ли тогдашний инженер вообще понял бы, как это работает.
Мы все же попробуем разобраться.
История
Идея software defined radio базируется на двух китах:
Назвать точную дату, когда в продаже появились первые SDR-приемники, довольно сложно. Сама идея оцифровки радиосигналов звуковой картой существовала довольно давно — так например, декодировали RTTY или пейджинговые сообщения, но не было подходящих алгоритмов, чтобы объединить все это вместе.
Первая версия Winrad датируется 2007 годом, и выглядела она примерно так (можно обратить внимание на системные требования 🙂
Как можно видеть, интерфейс весьма минималистичный, но программа уже умела воспроизводить AM, FM, USB и LSB, и показывать спектр сигнала. По сравнению с шириной полосы обычного выхода для наушников любого приемника это был… ну почти прорыв. Разумеется, в проф. системах панорамные приставки существовали и раньше, но «простым смертным» оно было практически недоступно, а звуковая карта у каждого в ПК и так есть.
Типичным бюджетным решением для радиолюбителей были приемники Softrock — однодиапазонные приемники, содержащие переключаемый кварц, смеситель и выход на звуковую карту.
Разумеется, это было только начало. Появились приемники с перестраиваемой частотой, а всего за 2 года Winrad заметно эволюционировал, и в 2010 году выглядел уже так:
Стали появляться и профессиональные решения, тогда же в 2010 появился Perseus SDR — приемник с 14-битным DDC АЦП, частотным диапазоном 10КГц-30МГц и шириной полосы пропускания 1.6МГц (в принципе, параметры вполне достаточные и на сегодня).
Цена приемника составляла 825Евро, что для тех лет было не так уж мало.
Кстати, страница http://microtelecom.it/perseus/ существует до сих пор, и на ней также висят скриншоты под XP, хотя продается приемник или нет, непонятно.
Начало было положено, дальше уже как говорится, дело техники — стали появляться разные модели, чипы стали дешеветь и так далее. Следующим прорывом в любительской технике стало появление приемника на чипе rtl-sdr. Сообщение с форума radioscanner за 2012 год можно процитировать дословно, как говорится, не убавить, не прибавить:
Оказалось, что DVB донглы на базе чипа Realtek RTL2832U, рекламируемые иногда также как поддерживающие FM, DAB(+), способны передавать на компьютер поток 8ми битных квадратур при частоте дискретизации около 3-х MSPS.
Принимаемый диапазон ограничивается использованным в определенной модели донгла тюнером, например у Elonics E4000 от 64 до 1700 МГц. Этот тюнер используется также в FunCube донгле, только с дополнительным МШУ.
По этому поводу основан проект. Уже успешно были приняты TETRA (
430 МГц) и сигналы спутника Турaйя (
1550 МГц), что для 8-ми битных квадратур весьма и весьма неплохо.
В общем, как оказалось, дешевые USB-ТВ приемники ценой 10-20$ после замены драйвера могут отдавать IQ-поток, что позволяет использовать их с уже существующим программным обеспечением для SDR. Сами приемники выглядели вот так:
Первые 1-2 года толку от rtl-sdr было довольно мало — под них просто не было интересного софта. Потом появился SDR#, разные плагины, стало расти сообщество энтузиастов, и сейчас rtl-sdr наверное самый популярный (прежде всего, в силу цены) SDR-приемник. Современные версии RTL SDR V3 умеют принимать уже и КВ (хотя и с небольшой чувствительностью и динамикой), но при цене в 30$ и это весьма неплохо. Как работает RTL SDR на КВ, можно посмотреть на видео.
Виды SDR
Существующие SDR можно разделить на 3 вида:
— Уже устаревшие модели на базе звуковой карты — оцифровка сигнала в них происходит в ПК, а сигнал передается на линейный вход по аудиокабелю. Сейчас они давно сняты с производства, но иногда могут появиться на барахолке. Брать по большому счету, смысла никакого, разве что отдадут даром — цена хорошей звуковой карты превысит цену самого SDR. Интересующиеся «цифровой археологией» могут почитать сообщения на cqham за 2010 год о выборе звуковой карты для SDR.
— SDR, имеющие встроенный АЦП и передающие сигналы в ПК в цифровом формате. Это большинство современных устройств среднего ценового диапазона. Они построены по принципу гетеродинного приема, только после переноса частоты вместо НЧ-блока стоит АЦП. Такие приемники имеют ширину полосы пропускания от 2 до 10МГц, есть разные модели на разные частоты и диапазоны (rtl sdr, SDRPlay, Airspy). Недостаток любого супергетеродинного приемника — наличие зеркальных каналов приема — поскольку фильтры неидеальны, станции принимаются там где реально их нет. Даже если фильтры более-менее неплохие, сигналы мощных станций все равно могут «пролезать» и воспроизводиться в виде помех.
— DDC (direct down conversion) SDR. Это самая современная технология на сегодняшний день. Суть в том, что гетеродин здесь не нужен — сверхбыстрый АЦП с частотой оцифровки порядка 100млн семплов/с оцифровывает непосредственно входной сигнал с эфира, что позволяет (согласно теореме Котельникова/Шеннона) иметь прием до частоты, равной половине частоты дискретизации, т.е. в нашем примере до 50МГц. Битовый поток желающие могут прикинуть самостоятельно — на компьютер оно разумеется, не передается, а обрабатывается в быстродействующей ПЛИС прямо на плате, и нужная полоса (обычно до 6МГц) передается в компьютер. Такой приемник не имеет зеркальных каналов, и в нем все хорошо (кроме цены:).
Верхний предел частоты DDC-приемников обычно ограничен 30-50МГц, т.к. более быстродействующих АЦП в продаже либо нет, либо они стоят космических денег (кстати, сверхбыстрые АЦП вроде попадают в американские ограничения по поставке высокотехнологичных электронных компонентов в страны третьего мира, но это не точно). Их самого топового, что доводилось видеть в прайсах — Flex 6600 с 16bit 245.76Msps АЦП стоит порядка 4000$, т.е. им можно принимать в режиме DDC до частоты 122МГц. Вряд ли мы в скором времени увидим DDC-приемники до гигагерца, хотя хотелось бы. Есть ли что-то быстрее, например для военки — наверно есть, кто знает, напишите в комментариях.
Другой важный параметр — тип подключения. Большинство SDR подключаются по USB, но есть модели и с LAN-портом (Afedri, Colibri):
Это может быть удобно для организации удаленного приема или передачи — приемник или трансивер можно разместить на даче/в деревне, и использовать его из города. KiwiSDR делает даже готовые устройства, зайти на которое можно непосредственно через web-интерфейс. Свой приемник владельцы KiwiSDR даже могут «расшарить» другим, посмотреть список доступных устройств можно на https://sdr.hu.
Последний, но не менее важный параметр — разрядность АЦП. Дешевые RTL SDR имеют всего 8бит АЦП, и этого мало, приемник легко перегружается сильными сигналами, ему крайне желателен аттенюатор и преселектор. SDRPlay имеют 12-бит АЦП, более дорогие модели имеют 14-бит, что достаточно для большинства случаев. Топовыми являются 16-бит АЦП, и в принципе, не каждая антенна способна выдавать диапазон сигналов, способных перегрузить такой приемник.
И наконец, о ценах. Их диапазон весьма варьируется, от 30$ за RTL SDR v3, 150$ за SDRPlay RSP2 до 600$ за ELAD FDM-S2. SDR-трансиверы (способные работать не только на прием, но и на передачу) дороже, SunSDR2 стоит порядка 1500$, FLEX-6400 стоит 2000$.
Отдельно стоит упомянуть платы для цифровой обработки сигналов. Это например, HackRF, LimeSDR, USRP, Red Pitaya. Эти устройства изначально предназначались для опытов с радиосигналами в пределах «рабочего стола», и на дальний прием просто не рассчитаны — ни регулируемого усилителя, ни аттенюатора, ни фильтров в схеме зачастую просто нет. Ловить что-то они будут, но весьма плохо, либо потребуется «доработка напильником». Они также могут работать на передачу, но с мощностью порядка 100мВт (где «м» это милли а не мега;), и зачастую никакого софта кроме пары DLL и SDK для них просто нет.
О том зачем все это нужно, преимуществах и недостатках SDR, и о том, как получить данные из SDR с помощью Python, будет рассказано во второй части.
Чем отличается HDR от SDR
Несмотря на все недостатки и устаревший технологический процесс, сегодня видеоконтент в формате SDR (Standard Dynamic Range) сохраняет доминирующее положение на медиарынке. HDR формат (High Dynamic Range) только начинает свою экспансию. В этой небольшой статье мы рассмотрим различия HDR и SDR.
SDR формат базируется на колориметрических параметрах, описанных в Rec. ITU-R BT. 709. Они охватывают всего лишь 35,9% видимого человеческим глазом спектра системы CEI 1931 (Рис. 1). В свою очередь HDR использует цветовые параметры Rec.ITU-R BT. 2020, охватывающие 75,8% спектра.
Рис.1 Цветовое пространство системы CEI 1931.
Глубина цвета SDR — 8 бит. SDR не запрещает использовать 10 бит, но на практике подавляющее большинство видеоконтента сжато с глубиной цвета 8 бит. Это означает, что у каждого из базовых цветов — красного, зеленого и синего — может быть 28 значений, равное 256 или суммарное количество 256х256х256 = 16 777 216 цветов. Это много, но человеческий глаз видит гораздо больше, поэтому на практике различает ступенчатые переходы у SDR видео (Рис. 2). Особенно это заметно на градиентных сценах фона, например неба.
Рис.2 Глубина цвета 8 и 10 бит.
У HDR минимальная глубина цвета — 10 бит: 1024 возможных значений для каждого базового цвета или суммарно 1 073 741 824 цветов, что в 64 раза больше, чем у SDR. Такое изображение гораздо ближе к действительному, однако при определенных обстоятельствах человеческий глаз все еще способен заметить ступенчатость цветовых переходов.
Человеческий глаз устроен так, что помимо компонентов цветности различает и компонент яркости, причем яркость воспринимается гораздо острее. SDR ограничен яркостью в 100 кд/м2, в то время как теоретические возможности стандартов HDR достигают 10 000 кд/м2.
На практике дисплеи с поддержкой HDR из среднего ценового сегмента заявляют яркость 1000 кд/м2, премиальный сегмент предлагает яркость до 4000 кд/м2, но для определенных сцен и на непродолжительное время.
Подробнее об основных HDR стандартах, их идентификации и валидации для H.264/AVC, H.265/HEVC, VP9 и AV1 читайте в нашей статье «Всё об HDR».