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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Universelles Panorama-SDR-Präfix für HF-Transceiver. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Antennen. Messen, Justieren, Koordinieren Heutzutage gibt es wohl keinen Funkamateur mehr, der nicht zumindest im Allgemeinen weiß, was SDR (Software-Defined Radio) ist. Zu diesem Thema wurde bereits viel geschrieben, und im Rahmen dieses Artikels muss nicht näher darauf eingegangen werden, was es ist und wie es funktioniert. Wir gehen davon aus, dass der Leser über eine gewisse Vorstellung und Erfahrung auf diesem Gebiet verfügt. Diese relativ neue Signalverarbeitungstechnologie dringt zunehmend in unser Amateurfunkleben ein und es sind bereits viele Radiosender auf Sendung, die SDR-Transceiver verwenden. Einige Funkamateure hören die Luft ab und beobachten die Situation visuell auf SDR-Empfängern, übertragen ihr Signal jedoch immer noch über die Luft mit dem üblichen „klassischen“ Transceiver. Tatsächlich lockt neben der hervorragenden Qualität des Funkamateursignalempfangs in SDR-Technologie das Vorhandensein eines schönen und informativen Luftpanoramas auf dem Computerbildschirm. Aber auch die Übertragung mit einem herkömmlichen Transceiver hat seine Vorteile. Beispielsweise verfügen die meisten importierten Transceiver in der Regel über eine „Standard“-Ausgangsleistung von 100 W, viele Modelle verfügen zudem über einen eingebauten automatischen Tuner. Die meisten zum Kauf oder Nachkauf angebotenen SDR-Transceiver bieten eine geringe Senderausgangsleistung (nicht mehr als 20 W) und verfügen über keinen eingebauten Antennentuner. Daher müssen Sie sich in Zukunft auch um einen zusätzlichen linearen Leistungsverstärker und Ausgangstiefpassfilter kümmern. Im Allgemeinen kann ein SDR-Transceiver recht teuer sein. Für viele Amateure gibt es auch eine psychologische Barriere – eine virtuelle. Der Transceiver auf dem Computerbildschirm passt nicht jedem, und jemand hat lieber keine unscheinbare Box mit ein paar LEDs und Anschlüssen auf dem Tisch, sondern einen echten Transceiver mit schönen Knöpfen und Knöpfen, die man berühren und drehen kann. Nicht jeder kann auch beides haben und bei der Wahl bevorzugt die Mehrheit immer noch die „Klassiker“. Was also tun, wenn Sie einen guten normalen Transceiver haben, kein Geld für den Kauf eines separaten SDR-Transceivers vorhanden ist, es aber sowohl in Mode als auch wünschenswert ist, die „Vorteile“ von SDR zu nutzen? Es gibt zwei Hauptmethoden mit jeweils eigenen Vor- und Nachteilen. Betrachten wir sie separat. Die erste Möglichkeit besteht darin, einen separaten vollwertigen SDR-Empfänger zu kaufen oder herzustellen und die Übertragung auf altmodische Weise mit einem herkömmlichen Transceiver durchzuführen. In diesem Fall müssen Sie sich um mindestens zwei Dinge kümmern – die Antennenumschaltung, die im Empfangsmodus mit dem SDR-Empfänger und während der Übertragung mit dem Transceiver-Ausgang verbunden sein muss, und die Synchronisierung der Abstimmfrequenz und der Betriebsarten des Transceivers und einen separaten SDR-Empfänger. Wenn ein Eingriff in den Transceiver nicht geplant ist und für dessen Besitzer nicht akzeptabel ist, dann ist dies eine sehr komfortable Möglichkeit, den SDR-Empfang zu realisieren. Stimmt, nicht das billigste und einfachste. Ein gutes Beispiel ist der „Hanter“-Receiver (ca. 200 US-Dollar), der über eine eingebaute Antennenumschalteinheit verfügt. Das Schema dieses Receivers ist auf der Website des Herstellers verfügbar [1]. Dort können Sie viele interessante Schaltungslösungen (insbesondere Schalteinheit) selbst kennenlernen, falls Sie den Wunsch haben, ein solches SDR-Empfangssystem selbst zu bauen. Was die Synchronisierung der Einstellungen des SDR-Empfängers und des Transceivers angeht, ist bei der Eigenproduktion nicht alles so einfach. Der Empfänger muss in der Lage sein, Informationen über Frequenz und Betriebsarten mit dem SDR-Programm auszutauschen, das wiederum auch mit anderen Programmen kommunizieren kann. Und die Auswahl ist hier grundsätzlich gering. Grundsätzlich nutzt jeder zur Steuerung des Receivers die USB-Schnittstelle des Computers und nutzt einen Frequenzsynthesizer auf Basis des Si570-Chips (aufgrund der Verfügbarkeit von Software für den Mikrocontroller zur Steuerung von Synthesizer und Receiver). Dieser Synthesizer kommt in vielen SDR-Receivern und Transceivern der „SoftRock“-Serie zum Einsatz und kann auch als separates Gerät vom Receiver erworben werden [2]. Es gibt viele Informationen zur Herstellung sowie zu den Möglichkeiten, verschiedene SDR-Sets im Internet zu kaufen, und wenn Sie möchten, wird es Ihnen nicht schwer fallen, sie in jeder Suchmaschine zu finden. Es genügt die Eingabe der Schlüsselwörter „sdr softrock“ o.ä. Sie können die Überprüfung beispielsweise mit einer sehr informativen und interessanten Website RV3APM [3] beginnen. Nur auf einer der Seiten dieser Website [4] wird kurz auf die Synchronisierung eines separaten Empfängers und Transceivers eingegangen. Die zweite Möglichkeit, den SDR-Empfang zu implementieren, besteht darin, den einfachsten SDR-Empfänger (Panorama-Set-Top-Box) mit einer festen Frequenz an den ZF-Pfad des Transceivers anzuschließen. Diese Methode ist ausführlich auf der Website von WU2X, dem Autor des Spezialprogramms POWERSDR/IF STAGE [5], beschrieben. Als Beispiel wird auch beschrieben, wie ein solcher SDR-Empfänger an den ZF-Ausgang des TS-940S-Transceivers angeschlossen wird. Der einzige Nachteil eines solchen Verbindungsschemas besteht darin, dass nicht jeder Transceiver über einen gepufferten ZF-Ausgang verfügt, und zwar sogar über einen Breitbandausgang, der vom Empfangspfad zum Hauptauswahlfilter entfernt ist. Und wenn es keinen solchen ZF-Ausgang gibt, müssen Sie es selbst tun oder diese Methode aufgeben und zum ersten zurückkehren – einem separaten Empfänger. Wenn Sie ein einigermaßen qualifizierter Funkamateur sind, können Sie problemlos den ersten Empfängermischer in Ihrem Transceiver-Schaltkreis finden und eine Pufferstufe daran anschließen, von deren Ausgang Sie das ZF-Signal des Empfängers an die Rückseite des Transceivers ausgeben können. Zum Beispiel in Abb. In Abb. 1 zeigt einen Ausschnitt der IC-735-Transceiverschaltung mit eingebautem Pufferverstärker.
Nehmen wir also an, wir haben eine IF-Ausgabe. Jetzt müssen Sie einen Empfänger auswählen. Zu diesem Zeitpunkt gibt es auch eine gewisse Trennung der Optionen, abhängig von der ZF-Frequenz des Transceivers. Wenn die ZF-Frequenz „niedrig“ ist – weniger als 40 MHz, und sogar „rund“, zum Beispiel 9 MHz, dann haben Sie Glück. Am einfachsten ist es, zum Beispiel hier [6] einen preiswerten (21 $) Satz Single-Band-SDR-Empfänger „Softrock 6.2“ oder ähnliches zu kaufen, der für den Empfang einer Reichweite von 40 oder 30 Metern ausgelegt ist, und einen 12-MHz-Quarz Resonator. Die Lokaloszillatorschaltung des Empfängers ermöglicht es, diesen Resonator mit der dritten Harmonischen, also mit einer Frequenz von 36 MHz, anzuregen. Da das Lokaloszillatorsignal im Empfänger durch vier geteilt wird, bevor es dem Mischer zugeführt wird, erhalten wir eine SDR-Empfangsfrequenz von etwa 9 MHz. Dies ist die günstigste und man könnte sagen, die ideale Option. Sie können aber einen ähnlichen Empfänger mit fester ZF selbst zusammenbauen. Im Internet wurden viele Optionen für einfache Empfänger vorgeschlagen, die auf verschiedenen Komponenten basieren. Und hier ist es unmöglich, den bekannten und angesehenen Funkamateur Tasa (YU1LM) nicht zu erwähnen, der viele Arten von SDR-Empfängern und -Transceivern entwickelt und veröffentlicht hat. Es ist sehr nützlich, seine Website [7] zu besuchen, auf der Sie Diagramme und detaillierte Beschreibungen der Arbeit seiner Entwürfe sowie Zeichnungen von Leiterplatten finden (allerdings alles auf Englisch). Alles ist gut und verständlich, wenn ein Quarzresonator für die benötigte Frequenz vorhanden ist. Und wenn nicht? Was zu tun ist? Die Auswahl ist gering. Geben Sie diese Idee entweder auf oder bauen Sie einen Frequenzsynthesizer, der weiter unten besprochen wird. Betrachten wir nun die komplexeste (und leider häufigste) Option – einen Transceiver mit einer „hohen“ ZF und dementsprechend einer „Aufwärts“-Wandlung. Die überwiegende Mehrheit der proprietären Transceiver wird nach dieser Struktur hergestellt, aber nicht alle digitalen Mikroschaltungen, die üblicherweise in SDR-Empfängern verwendet werden, sind in der Lage, bei Frequenzen in der Größenordnung von 80 MHz zu arbeiten. Außerdem ist ein Quarzresonator mit der gewünschten Frequenz erforderlich. Es gibt auch andere Schwierigkeiten. In diesem Fall verwenden die Autoren einiger Designs die Doppelfrequenzumwandlung. Das Signal der ersten ZF des Transceivers (in den meisten Fällen 45...80 MHz) wird auf der zweiten ZF übertragen, und zwar auf einer Frequenz, mit der der SDR-Empfänger arbeiten kann. Dies ist nicht der beste Weg, da die Doppelkonvertierung die erreichbaren dynamischen Parameter des Empfängers verringert und bei falscher Wahl der Konvertierungsfrequenzen zu zusätzlichen internen Empfangsstörungen führen kann. Der Dynamikumfang einer Panorama-Set-Top-Box sollte ernst genommen werden, auch wenn man weiterhin über den Transceiver empfängt und nur das Panorama betrachtet. Jede Überlastung sowohl des ersten Mischers des Transceivers als auch des Mischers des SDR-Empfängers sowie des Eingangs der Soundkarte des Computers führt zum Erscheinen eines Panoramas falscher Signale, die im Bild nicht wirklich vorhanden sind. Eventuelle Clipping-Produkte und Intermodulationsprodukte sind im Panorama perfekt sichtbar. Daher ist es notwendig, den gesamten SDR-Empfangspfad hinsichtlich der Signalpegel gut anzupassen. Vermeiden Sie Überlastung. Ein einfaches Kriterium: Im „leisesten“ Bereich sollte die Panorama-Rauschspur nur geringfügig ansteigen, wenn die Antenne an den Transceiver angeschlossen ist, d. h. ein kleiner Empfindlichkeitsspielraum ist erforderlich, aber nicht mehr. Es sollten keine Situationen zugelassen werden, in denen der Luftlärm bei angeschlossener Antenne die Geräuschspur des Panoramas um einen halben Bildschirm, also um mehrere zehn Dezibel, erhöht. Sie verlieren einfach das Signal im Rauschen, wodurch der Dynamikbereich des gesamten Systems eingeschränkt wird. Verwenden Sie die Dämpfungsglieder des Transceivers oder ein separates Dämpfungsglied am Eingang der Panorama-Set-Top-Box. Vernachlässigen Sie außerdem nicht einen guten Bandpassfilter für die Frequenz der empfangenen ZF am Eingang Ihres SDR-Receivers. Am Ausgang des ersten Mischers des Transceivers liegt ein breites Spektrum verschiedener Kombinationsfrequenzen vor, und der SDR-Empfänger verfügt auch über Nebenempfangskanäle (z. B. bei den Harmonischen des Lokaloszillators) und eine Empfangsstörungssituation für Dieser Grund ist möglich. Und wenn wir bei einem herkömmlichen Transceiver Störungen nur dann hören, wenn sie in den Durchlassbereich des Hauptselektionsfilters fallen, dann sehen wir beim SDR-Empfang alles im Panorama. Dies sind allgemeine Empfehlungen. Als nächstes wenden wir uns der Betrachtung des zur Wiederholung vorgeschlagenen Panoramaaufsatzes zu, dessen Diagramm in Abb. dargestellt ist. 2.
Das Gerät ist ein Direktumsetzungsempfänger auf eine feste Frequenz und kommt schaltungstechnisch sehr nahe an „SoftRock 6.2“. Diese Option verfügt über ausgezeichnete dynamische Parameter und ein sehr gutes Verhältnis von Einfachheit/Preis/Qualität. Der Hauptunterschied zum ursprünglichen „SoftRock“ besteht in der Verwendung eines Frequenzsynthesizers auf dem Si570 CAC000141G (DD2)-Chip anstelle eines Quarzoszillators. Mit dieser Lösung können Sie die Panorama-Set-Top-Box an die Empfangsfrequenz des ersten ZF-Signals eines beliebigen Transceivers anpassen und müssen nicht nach dem gewünschten Quarzresonator suchen. Dies ist keine billige Lösung (ein Si570-Chip kostet etwa 30 bis 40 US-Dollar), aber höchste Qualität und einfachstes Schaltungsdesign. Mit einem solchen Synthesizer können Sie Signale von 1 bis 80 MHz und sogar höher empfangen. Der Si570-Chip (CMOS-Version) ist in der Lage, ein Signal mit einer maximalen Frequenz von bis zu 160 MHz zu erzeugen, die maximale Empfangsfrequenz wird jedoch durch die Geschwindigkeit der im Mischer verwendeten Analogschalter begrenzt – der FST3253 (DD4)-Chip. Der Betrieb der Set-Top-Box bei der ZF-Frequenz des ICOM-Transceivers – 70,4515 MHz – wurde wirklich überprüft. Das Empfängerschema kann in einer von zwei Optionen ausgewählt werden. Der Empfangsteil und der Synthesizer sind bei beiden Versionen der Panorama-Set-Top-Box gleich, der einzige Unterschied besteht in den Phasenschiebern. Welche Option Sie wählen, bleibt Ihnen überlassen. Auch die Platine ist für zwei Optionen ausgelegt. Die erste Option ist die Verwendung eines Phasenschiebers auf einem Teiler durch vier, d. h. die gebräuchlichste Variante, die in unserem Fall die maximale Empfangsfrequenz von 40 MHz (160 MHz / 4) liefert und keine Einstellung des Phasenschiebers erfordert. Diese Option ist für Transceiver mit niedriger ZF nützlich.
Die zweite Möglichkeit besteht darin, als Phasenschieber eine integrierende RC-Schaltung zu verwenden, die das Signal eines der Phasenschieberkanäle gegenüber dem anderen Kanal um 90° in der Phase verzögert (Abb. 3). Diese Option erfordert die Auswahl der Kapazität der Phasenschieberkondensatoren und eine Feinabstimmung mit einem Abstimmwiderstand. Mit einem solchen Phasenschieber können Sie anstelle eines Frequenzteilers durch vier zwei Signale direkt mit der Betriebsfrequenz des Synthesizers erzeugen, ohne ihn zu teilen. Bei einem Synthesizer auf Basis des Si570 ist es möglich, eine Ausgangsfrequenz des Phasenschiebers von bis zu 160 MHz zu erreichen. Diese maximale Frequenz wird durch die Geschwindigkeit der verwendeten Wechselrichter und den Einfluss der Montagekapazität bei hohen Frequenzen bestimmt. Eine ähnliche Option wird im Empfänger YU1LM „Monoband SDR HF Receiver DR2C“ verwendet. Auf seiner Website finden Sie eine vollständige Empfängerschaltung mit einer detaillierten Beschreibung der Funktionsweise dieses Phasenschiebers. Das YU1LM-Diagramm zeigt auch die ungefähren Werte der Kapazität des Phasenschieberkondensators in Abhängigkeit von der empfangenen Frequenz (der Frequenz der ersten ZF Ihres Transceivers). Der Eingangsbandpassfilter 2. Ordnung – C17L1C18 – ist recht breitbandig. Das Diagramm zeigt die Werte für die ZF-Frequenz im Bereich 8.10,7 MHz. Für einen anderen IF-Wert ist eine Neuberechnung der Werte der Filterelemente erforderlich. Dies geht sehr einfach und bequem mit dem Programm RFSim99 [8]. Zur Steuerung des Si570-Frequenzsynthesizers wird der beliebte und günstige Atmega8 (DD1)-Mikrocontroller verwendet, in dessen EEPROM die Programmcodes aus der Datei SOFT_UNIPAN.hex gespeichert sind. Spule L1 enthält 24 Windungen, die mit PEV-2 0,35-Draht auf einen Amidon T30-6-Ringmagnetkern gewickelt sind. Der Mischtransformator T1 ist auf einen ähnlichen Magnetkreis und mit demselben Draht gewickelt. Die Anzahl der Windungen der Primärwicklung beträgt 9, der Sekundärwicklung 2x3. Der 0PA2350 (DA4) Chip kann durch einen anderen rauscharmen Dual-Operationsverstärker ersetzt werden. Die Verstärkung wird durch Auswahl der Widerstände R8 und R10 eingestellt.
Das gesamte Gerät ist auf einer Leiterplatte mit den Maßen 60x65 mm (Abb. 4) aus doppelseitiger Glasfaserfolie montiert, und in Abb. In Abb. 5 zeigt die Position der Teile darauf (alle für die Empfängeroption mit einem Teiler durch vier). Fast alle Widerstände und Kondensatoren haben die Größe 0805.
Zum Programmieren des Controllers ist es praktisch, den USBasp-Programmierer zu verwenden. Es ist relativ kostengünstig und praktisch, da es eine USB-Verbindung zu einem Computer nutzt. Es gibt viele Informationen zu diesen Programmierern und Programmen dafür im Internet. Das Programmiergerät wird zur Programmierung über ein Standard-ISP-Kabel (im Lieferumfang der meisten Programmiergeräte enthalten) mit der Panorama-Set-Top-Box verbunden.
Die Konfiguration des Mikrocontrollers erfolgt gemäß Abb. 6 im Fenster des dem Programmierer dienenden Programms, d. h. es werden nur die Konfigurationsbits programmiert, die für die Arbeit mit dem internen 8-MHz-Oszillator erforderlich sind (CKSEL=0100 und SUT=10). Sie müssen außerdem die Bits EESAVE=0, BODEN=0, BODLEVEL=1 (2,7 V) setzen. Die Steuerung des Synthesizers ist äußerst einfach. Nach dem Schreiben des Programms wird die Standard-Generierungsfrequenz auf 35,32 MHz eingestellt, was bei einem Teiler durch vier eine Frequenz von 8,83 MHz ergibt, was der ZF-Frequenz des TS-940S-Transceivers entspricht. Mit den Tasten „FR-“ (SB3) und „FR +“ (SB4) kann die Erzeugungsfrequenz in einem weiten Bereich verändert werden. Durch langes Drücken der „FAST“-Taste (SB2) wird die Tuning-Geschwindigkeit erhöht. Nachdem Sie die gewünschte Frequenz eingestellt haben, sollten Sie die Taste „SAVE“ (SB1) drücken und der neue Wert wird in den nichtflüchtigen Speicher des Mikrocontrollers – EEPROM – geschrieben. Diese Frequenz wird jedes Mal eingestellt, wenn die Panorama-Set-Top-Box eingeschaltet wird. Die Erzeugungsfrequenz des Synthesizers kann durch Messgeräte gesteuert oder über einen Transceiver oder einen anderen Empfänger abgehört werden. Der X3 „MUTE“-Anschluss kann nützlich sein, um den SDR-Empfang zum Zeitpunkt der Übertragung zu blockieren, wofür Sie die Kontakte dieses Anschlusses schließen sollten. Chip DA1 – Spannungsabfalldetektor (Supervisor). Da es nicht vorhanden war, kam es bei anderen Designs zu Datenverlusten im nichtflüchtigen Speicher. Der Empfänger muss praktisch nicht konfiguriert werden und ist bei ordnungsgemäßer Installation sofort funktionsfähig.
Auf dem Foto von Abb. 7 zeigt eine Ansicht des fertigen Panoramaaufsatzes. Es unterscheidet sich etwas von den vorgeschlagenen Optionen, da beide Optionen darauf ausgearbeitet und getestet wurden – mit einem Teiler durch vier und einem RC-Phasenschieber. Aufgrund der geringen Abmessungen ist es in vielen Fällen möglich, diese Set-Top-Box direkt im Transceiver zu platzieren und bereits vom Transceiver ein vorgefertigtes I/Q-Signal zum Anschluss an den Line-Eingang einer Computer-Soundkarte auszugeben. Dann müssen Sie das Programm POWERSDR IF STAGE auf Ihrem Computer installieren und alle Informationen auf der WU2X-Website [5] sorgfältig studieren. Abschließend möchte ich einige Vorteile der Verwendung einer Panorama-Set-Top-Box gegenüber der Verwendung eines separaten SDR-Receivers erwähnen. Dies liegt an der relativen Einfachheit, der Billigkeit der Set-Top-Box selbst und der einfachen Verbindung mit dem Transceiver. Wenn keine Notwendigkeit zur Steuerung des Transceivers durch das SDR-Programm besteht, Sie also mit der Steuerung und Frequenzabstimmung des Transceivers zufrieden sind, können Sie fast jedes SDR-Programm zum Betrachten des Panoramas und des SDR-Empfangs verwenden (eine Synchronisierung ist nicht erforderlich). die Frequenzen eines separaten Empfängers und Transceivers). Der Nachteil besteht darin, dass Sie einen ZF-Ausgang im Transceiver benötigen. Derzeit wird die Panorama-Set-Top-Box mit einem Kenwood TS-940S Transceiver betrieben. Das Mikrocontroller-Programm und die Zeichnungen der zweiten Version der Empfängerplatine können unter ftp://ftp.radio.ru/pub/2013/07/SDR4z5ky.zip heruntergeladen werden. Literatur
Autor: Sergey Stolyarov
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