TRANSCEIVER UNDE SCURTE SDR - QRP
Augustin Șerban YO7LJJ
Având în vedere avansurile tehnologice în electronică/comunicații (miniaturizarea, compactarea circuitelor integrate simultan cu creșterea complexității și integrarea de noi funcții, creșterea frecvenței de lucru cu implicații în materialele folosite, creșterea puterii de calcul, dezvoltarea tehnologiei SDR, etc.), se poate pune întrebarea dacă un radioamator mai poate construi un transceiver modern în atelierul propriu. Răspândirea pe scară largă a abordărilor SDR a dus și la ieftinirea componentelor electronice necesare (FPGA-uri, ADC-uri, microcontrolere, Single-Board-Computer, etc.), chiar dacă prețul nu este chiar „radioamatoricesc”. Este foarte greu să pornești un proiect SDR (DDC) de la zero (nu imposibil!), deoarece aceasta include foarte multe specializări și, chiar dacă le-ai putea face pe toate, timpul de realizare ar fi prea mare. Comunitatea internațională a radioamatorilor a oferit de-a lungul timpului proiecte „open source”, care pun la dispoziție doritorilor toate informațiile necesare realizării concrete a lucrării. Evident, pentru proiectele simple putem comenta punerea „pe tavă” a documentației de realizare în sensul că devenim comozi, nu mai gândim noi, luând totul de-a gata. Nu este chiar așa. Pentru reușită trebuie să înțelegi foarte bine despre ce este vorba, să le „aranjezi” astfel încât să funcționeze. Poate, astfel, îți faci timp să te concentrezi pe aspectele care-ți plac (așa este într-un hobby) sau care sunt deficitare în proiect. Pentru proiectele open-source complexe, dezvoltate în echipe, problema se pune dacă poți să-ți însușești cât mai mult din proiect și să-l adaptezi propriilor preferințe. În orice situație, radioamatorul rezolvă diferite provocări tehnice, financiare și de timp care până la urmă ne bucură și ne definesc o parte din hobby-ul nostru.
Revenind la proiectele de transceivere open-source, m-am gândit la ce caracteristici tehnice aș dori să îndeplinească: să acopere banda 1-30Mhz (poate chiar si 50Mhz), să se conecteze nativ și izolat galvanic cu un PC (comunicație TCP/IP), să aibă un panadapter cu o lărgime de minim 100Khz, să genereze un semnal la emisie cu o putere de minim 1W. Sensibilitatea receptorului sau atenuarea produselor nedorite la emisie sunt dictate de ADC/DAC-ul folosit, numărul de biți la cuantizare, frecvența lor de lucru, diferite filtre/amplificatoare utilizate în calea de semnal.
O problemă în alegerea gradului de complexitate o reprezintă lipirea componentelor cu capsulă BGA (ball grid array), care necesită o altă experiență și, eventua,l dotări suplimentare (preheater). Astfel, am ales proiectul open-source Hermes Lite 2, care prezenta avantajele tehnologiei SDR cu circuit FPGA (Field Programmable Gate Arrays) fără a utiliza componente BGA, fiind realizabil în totalitate în regim de radioamator, evident cu o îmbunătățire a laboratorului propriu prin achiziționarea unei camere video cu obiectiv de mărire (microscop, ~25$), up-gradarea stației de lipit și a stației cu aer cald (~100$). Bineînțeles că, și proiectele cu capsule mari BGA sunt realizabile în condiții de amator, dar aceasta reprezintă o provocare viitoare.
Pentru controlul proiectului SDR am ales aplicația open-source piHPSDR rulată pe o platformă Raspberry PI4. Acest software are implementată o consolă cu 4 encodere duble și 16 push-butoane, configurabile în totalitate cu funcționalități specifice unei stații radio complexe (flexibilitate maximă: orice buton/encoder poate fi setat independent, personalizând tranceiverul pentru DX sau pentru concursuri).
După stabilirea componentelor proiectului, am trecut la vizualizarea cablajelor (realizate în KiCad), la generarea fișierelor pentru comandă și expedierea acestora către fabricant. Proiectul se află la a 9 iterație, deci nu prea am avut ce îmbunătățiri să-i aduc. Pentru achiziționarea componentelor, am folosit furnizorii tradiționali din Europa și SUA, dar câteva componente nu le-am găsit decât pe piața asiatică.
Lipirea componentelor pentru 2 exemplare a fost un exercițiu foarte bun, iar experiența anterioară a fost determinantă.
Prelucrările mecanice le-am executat tot în „atelierul” meu, cu mare grijă, pentru a nu deranja vecinii de apartament. Pentru placa frontală, am realizat un fișier în CorelDraw utilizat de un amic pentru tăierea tablei și imprimarea scrisului.
Pentru introducerea firmware-ului în circuitului FPGA, am cumpărat un programator USB Blaster (10$), iar ca software am folosit „Quartus II 13.1 Programmer”.
Modificările aduse codului aplicației piHPSDR au fost făcute utilizând Visual Studio Code, iar cu aplicația WinSCP au fost transferate pe Raspberry PI pentru a fi compilate.
O parte din îmbunătățiri a vizat soft-urile pentru platforma Raspberry PI, pentru a fi adaptate la programele de lucru în modurile digitale (recompilarea pentru rezoluția de 800x480), la menținerea ceasului (montarea unui ceas extern) și la realizarea unui mod de lucru cât mai natural, prin utilizarea la maxim a ecranului tactil și reducerea (eliminarea) dispozitivelor auxiliare gen mouse sau tastatură.
Așa cum este prezentat în schema bloc, transceiverul este construit în jurul circuitului FPGA, EP4CE22E22C8N, care realizează la recepție DDC- direct down conversion, iar la emisie DUC-direct up conversion, în banda da 136 Khz – 30 Mhz. În acest sens, controlează un modem rf de bandă largă, AD9866 pe 12 biți, care conține ADC-ul, DAC-ul, amplificator rf în front-end și un atenuator programabil cu pas de 1db.
La recepție, semnalul din antenă trece prin filtrul de bandă selectat corespunzător prin comunicație I2C, este prelucrat și eșantionat de circuitul ADC și în format digital este preluat de FPGA care prin interfața TCP/IP comunică cu un sistem de calcul, un Raspberry PI4 sau un alt sistem mai performant. Sistemul de calcul (aplicația software implementată este piHPSDR) face prelucrările digitale (filtre, reducere de zgomot, demodulare, transformate, afișare, etc.), iar conversia în semnal audio este realizată de o placă de sunet. Semnalul audio poate fi ascultat la căști sau poate fi amplificat(3W) și redat stereo în 2 difuzoare încorporate. Folosind conexiunea TCP/IP, se poate folosi orice altă aplicație software (linux sau windows) sau se poate conecta un router WIFI pentru conexiunea cu dispozitivele mobile (aplicația android openHPSDR).
La emisie, semnalul captat de microfon ajunge la placa sunet unde este digitizat și preluat de aplicația software (piHPSDR), care îl prelucrează așa cum se dorește (mod de lucru, filtrare, egalizare, amplificare) și se transmite circuitului FPGA care, prin DAC-ul modemului de bandă largă, în transformă în semnal de radiofrecvență. Semnalul este amplificat de 2 circuite operaționale și se poate folosi ca semnal de mică putere sau se aplică etajului de amplificare cu 2 mosfet-uri în push-pull care, la ieșire, livrează o putere de 5W. Prin filtrul de bandă selectat, semnalul de emisie ajunge în antenă.
O caracteristică importantă este „pure signal”, corecția distorsiunilor la emisie, prin preluarea unui eșantion din semnalul rf transmis, simultan cu realizarea semnalului de emisie. Există 2 moduri de preluare a eșantionului de putere, unul intern, care prelucrează semnalul de ieșire din transceiverul sdr și altul extern, prin care în bucla de corecție se poate introduce și amplificatorul de putere.
Prin utilizarea aplicației software piHPSDR transceiverul beneficiază de un set complex de facilități – moduri de lucru, filtre, mai multe receptoare etc. În acest sens, există un set de parametrii setabili pentru a configura atât interfața cu utilizatorul, cât și regimurile de funcționare. Aceștia fac obiectul unui manual de utilizare prezentat la bibliografie.
Studiind documentația open-source a proiectului, am ajuns la concluzia efectuării unor modificări software și hardware:
- pentru lucru în portabil a fost introdusă o baterie de acumulatori litiu-ion, 4 celule cu 2 acumulatori în paralel, prin intermediul unui BSM (batery system management) care asigură protecția la scurt circuit, supraîncărcarea sau descărcarea exagerată. O protecție suplimentară a fost realizată prin introducerea unei siguranțe de 3A, care asigură și scoaterea din circuit a bateriei de acumulatori. Elemenții bateriei sunt prevăzuți cu socluri pentru înlocuirea rapidă sau pentru creșterea capacității. Pentru afișarea în aplicația de bază piHPSDR a tensiunii la bornele acumulatorilor, am scris codul necesar și am utilizat intrare ADC pentru reflectometru la emisie, la recepție fiind liberă (calibrarea afișării utilizând o interpolare cu un polinom de gradul 2);
- conectarea unui RTC (real time clock) la platforma Raspberry PI și preluarea acestuia de către sistemul de operare raspbian;
- realizarea codului pentru afișarea ceasului sistemului în partea dreaptă a aplicației piHPSDR atât la recepție, cât și la emisie;
- calibrarea afișării puterii la emisie în aplicația piHPSDR (practic schimbarea codului aferent);
- rearanjarea S-metrului și ponderarea afișării valorilor în aplicație piHPSDR (modificarea codului sursă);
- modificarea culorilor stridente din bările de meniu ale parametrilor din aplicația piHPSDR(modificarea codului sursă);
- evitarea afișării inutile a cursorului de mouse în aplicația piHPSDR(modificarea codului sursă);
- redimensionarea rezoluției la 800x480 pixeli a aplicațiilor wsjtx și JTDX, prin modificarea codului sursă și recompilarea acestora pe platforma Raspberry PI;
- realizarea modificărilor necesare pornirii directe a aplicației de bază, afișării logo-ului, introducerea tastaturii virtuale și a programului de log a legăturilor radio (instalări și setări în raspbian).
Avantajul major al acestui transceiver îl reprezintă prezența sistemului de operare linux (cu un LCD de 7 inch cu touchscreen) și rularea simultan cu piHPSDR a programelor de evidență a legăturilor radio, de utilizare a modurilor digitale, clustere, browser, email, etc, făcând inutilă utilizarea interfețelor audio, CAT sau problema izolării galvanice între calculator și stația radio. Raspberry Pi are modul WIFI și dispune, astfel, de conexiune la internet prin intermediul unui router WIFI sau a unui hotpoint de pe telefonul mobil. Pe partea laterală există conectorul TCP/IP care permite folosirea SDR-ului cu un alt software decât cel de bază (PowerSDR, Thetis, etc.), pentru diverse comparații, experimente sau curiozități tehnice. Chiar daca are doar 5W la emisie, lucrul în portabil cu diferite ocazii se poate face pe o perioadă de peste 4 ore și, evident, mult mai mult, cu încărcarea în tampon a acumulatorilor de la o sursă.
În concluzie, pot spune că se poate construi un transceiver modern în regim de amator, cu „stăpânirea” totală a proiectului, grație punerii la dispoziție open-source a codurilor sursă, a schemelor electronice și a cablajelor. Pentru cei interesați, există posibilitatea îmbunătățirii tuturor elementelor proiectului, de la programul din FPGA la structurile din aplicația piHPSDR și adaptarea altor componente pe schema electronică.
Principalele caracteristici ale transceiverului:
- recepție și emisie continuă, neîntreruptă, de la 136kHz la 30MHz;
- suportă afișarea în timp real a întregului spectru de la 0-53 MHz (cu software-ul PC adecvat- 384khz pe receptor);
- suportă 7 receptoare complet independente (partajând aceeași antenă - și cu software-ul PC adecvat);
- fiecare receptor poate afișa 48/96 / 192/384 kHz de spectru (cu PiHPSDR);
- receptor de înaltă performanță - Dynamic Range = 123dB, conform specificațiilor circuitului ADC;
- rejecție frecvență imagine la emisie și recepție > 110dB(specificațiile circuitului AD9866);
- la emisia cu două tonuri, intermodulațiile de ordinul III sunt de -50dBc la 400mW;
- 5W ieșire RF pe 160 - 10m, 3.5W pe 6m;
- preamplificator de înaltă performanță încorporat în ADC;
- atenuator de intrare de 31dB selectabil prin software în pași de 1dB;
- codul FPGA poate fi actualizat prin conexiunea Ethernet standard a rețelei TCP / IP;
- 7 ieșiri open-collector configurabile de utilizator, selectabile independent pe bandă și Tx / Rx ;
- conexiune separată PTT cu colector deschis pentru controlul unui amplificator;
- amplificator reglabil pentru microfon;
- 4 intrări analogice configurabile de 12 biți (pentru ALC, SWR etc.)
- poate funcționa de la o sursă de curent continuu de 11-16V, 2A de la acumulatori sau retea;
- funcționare completă QSK (performanță dependentă de PC-ul asociat și software-ul de control);
- ieșire emițător de nivel scăzut pentru utilizarea unui transverter, prin atenuatorul de ieșire selectabil de utilizator;
- ieșiri audio stereo la nivel de difuzor sau căști;
- amplificator audio stereo încorporat de 3W pentru acționarea directă a difuzoarelor;
- conexiuni directe, de conectare pentru o cheie telegrafica și PTT;
- zgomot de fază scăzut (-140dBc / Hz @ 1kHz la 14MHz), 76,8MHz ceas master, care poate fi sincronizat în fază de un TCXO intern de 10MHz sau la o referință de frecvență externă;
- interfață directă prin I2C, pentru comutare filtre de bandă sau comanda amplificatoare de putere (ex. N2ADR);
- interfața Ethernet standard a rețelei TCP / IP acceptă adresele IP statice sau DHCP;
- răspunde la solicitările de ping și ARP și detectează automat viteza conexiunii la rețea;
- PCB-ul are 100mm x 100mm, 4 straturi (Hermes Lite2);
- are dimensiunile 285x175x90 mm și greutatea de 5,4 kg.
Repere bibliografice:
-Hermes Lite2: https://github.com/softerhardware/Hermes-Lite2;
-cod sursa piHPSDR: https://github.com/g0orx/pihpsdr;
-manual consolă piPHSDR: https://apache-labs.com/download_file.php?downloads_id=1012;
-instalari raspberry: https://dl1gkk.com/setup-raspberry-pi-for-ham-radio;
-rtc:https://www.raspberrypi-spy.co.uk/2015/05/adding-a-ds3231-real-time-clock-to-the-raspberry-pi.
*** Dacă sunt în măsură, răspund întrebărilor tuturor celor care doresc să abordeze construcția, iar dacă nu sunt, putem studia împreună.
Album foto
Panou frontal consola (exemplarul 2)
Sdr Hermes Lite 2 cu filtrele de intrare/ieșire (exemplarul 2)
Interior și ansamblul acumulatorilor
Bateria de acumulatori
- Augustin Șerban YO7LJJ
-
Articol aparut la
19-11-2021
4862
Inapoi la inceputul articolului
|
