Обладнання для радіоаматорів, апаратура для радіоаматорів
SDR Трансивер SDR-2000.ua
SDR трансивер SDR-2000.ua побудований за схемою прямого перетворення частоти в нижчу проміжну частоту з подальшою обробкою сигналів комп'ютерною програмою. Всі конструктивно-схемні рішення були направлені на поліпшення технічних показників приймально-передавального тракту і конструкції. Для досліджень і налагодження застосовувалися сучасні вимірювальні засоби та комплекси: аналізатор спектра RSA3308A фірми Tektronix, сервіс монітор HP8935 фірми Agilent та інші прилади. Всі ці засоби дозволили провести достовірні вимірювання основних параметрів приймально-передавального тракту, а також в процесі "досліджень" бачити вплив деяких факторів на поліпшення або погіршення параметрів трансивера SDR-2000.ua.
Ціна: $700 без урахування вартості доставки.
Основні відмінності SDR-2000.ua від попередніх моделей:
- змінена структура приймального тракту;
- вимиканий попередній підсилювач високої частоти;
- термостатований генератор опорної частоти;
- вбудований блок комутації для двоканальних звукових карт;
- вбудований мікрофонний підсилювач;
- підсилювач і блок комутації для головних телефонів;
- індикація режимів роботи;
- роз'їм для підключення зовнішнього конвертера;
- застосування USB інтерфейсу;
- змінена структура передавального тракту;
- введена система регулювання придушення несучої частоти;
- вихідна потужність передавача 15 ват;
- індикація вихідної потужності і КСВ;
- регулювання вихідної потужності передавача з передньої панелі;
- вимірювальний генератор, для калібрування приймального тракту;
- вентилятор з термодатчиком регулювання зворотів;
- одноплатна конструкція.
Технічні характеристики:
| Найменування параметра | Значення |
|---|---|
| Діапазон частот | 1.6 MHz – 65 MHz (прийом) |
| Стабільність частоти (не гірше) | ±0.1 ppm (0 °C to +50 °C) |
| Крок перестроювання | 1Hz (мінімальний) |
| Режими прийому/передачі | A1A (CW), A3E (AM), J3E (LSB, USB), F3E (FM), F1B (RTTY), F1D (PACKET), F2D (PACKET) |
| Передача (тільки аматорські діапазони) | 160m – 6m |
| Вхідний опір | 50 Ohms |
| Трансвертерний вхід/вихід (IF 50 Ohms) | TX +5dBm RX MDS -135dBm Filter -2,4kHz |
| Струм споживання: У режимі прийому не більше У режимі передачі не більше |
0,8A 5,0A |
| Напруга живлення | 13.8 V ± 10% |
| Розміри | 264мм (ширина), 187мм (глибина), 53мм (висота) |
| Вага | 1,8 кг |
| Передавач | |
| Вихідна потужність | 1–15 Watts CW або SSB під час напрузі живлення 13,8 Вольт |
| 3rd-order IMD | Не хуже –36 dB @14.2 MHz 15 Watts |
| Види передачі | A1A (CWU, CWL), J3E (USB, LSB), A3E (AM), F3E (FM), DIGITAL |
| Придушення гармонік | Не гірше -60 dB (160 - 10m) по відношенню до максимальної потужності |
| Придушення несучої частоти в режимах SSB, CW, DIGITAL | Не гірше -65 dB (на аматорських діапазонах) по відношенню до максимальної потужності |
| Придушення неробочої бокової смуги | Не гірше -60 dB по відношенню до максимальної потужності |
| Приймач | |
| Тип приймача | Пряме перетворення в низьку проміжну частоту |
| Проміжна частота | Задається програмно до 20 kHz |
| Чутливість під час S/N 10dB (залежить від параметрів звукової карти, середнє значення) | 14,2 MHz Preamp High; Filter-2,4kHz – 0.16 µV 14,2 MHz Preamp High; Filter-500Hz - 0.07 µV |
| MDS (залежить від параметрів звукової карти, середнє значення) | 14,2 MHz Preamp High; Filter-2,4kHz – 135dBm 14,2 MHz Preamp High; Filter- 500Hz – 140dBm |
| IMD DR3 (залежить від параметрів звукової карти, середнє значення) | 14.2 MHz Preamp High; 102.5 dBm |
| IP3 (залежить від параметрів звукової карти, середнє значення) | +22 dBm на 14 MHz Preamp High рознос частот 2 kHz |
| Селективність (–6/–60 dB) – залежить тільки від програми управління | CW 500 Hz –6/-60 dB: 500/640 коефіцієнт прямоугольности -1.28 SSB 2.4 kHz –6/-60 dB: 2.39/2.54 коефіцієнт прямоугольности -1.06 AM 6.6 kHz –6/-60 dB: 6.60/6.74 коефіцієнт прямоугольности -1.02 |
| Придушення дзеркального каналу прийому | Не менее -60 dB (160m – 10m) |
Тракт приймання
До комп'ютера трансиверний блок підключається за допомогою USB кабелю. Дані з USB контролера надходять на контроллер управління трансивером, виконаного на ПЛІС фірми ALTERA. Перехід на використання ПЛІС дозволив різко зменшити розміри блоку вводу-виводу, довгі доріжок і переклад ПЛІС під час програмуванні в режим "мікроспоживання" один з факторів зменшення перешкод (Спур) при прийомі.
Рисунок 1. Блок-схема SDR-2000.ua
Розглянемо роботу трансивера згідно блок-схемі (Рисунок 1) в режимі прийому.
Сигнал з антенного роз'єму надходить на LPF фільтр 5-го порядку, який "допомагає" діапазоном смуговий фільтр (BPF) формувати важливий високочастотний скат в загальній частотної характеристики приймального фільтра. LPF фільтр, перемикається по діапазонах, використовується так само в режимі передачі для фільтрації гармонік підсилювача потужності. Індуктивності намотані на кільцях Т50-2, T50-6, T50-17 фірми AMIDON. Комутація фільтрів здійснюється за допомогою реле. Після LPF включений аттенюатор, який має загасання від 0dB до 30dB з кроком 10dB і управляється з консолі PSDR функцією - Preamp. Положення: OFF загасання-30dB, LOW-20dB, MED-10dB, HIGH-0dB. При цьому посилення в підсилювачах на INA163 встановлено рівним 20dB і в процесі роботи не змінюється. Ці заходи дозволяють поліпшити як динамічний діапазон приймального тракту в цілому, так і придушення дзеркального каналу прийому. Якщо змінювати коефіцієнт передачі підсилювача за допомогою реле (що використовується в оригіналі і в усіх відомих клонах), через розкиду величини застосовуваних опорів (1%), опору контактів реле, змінюється придушення дзеркального каналу прийому навіть на одному діапазоні при зміні посилення функцією-Preamp. Це відбувається через неминучою розбалансування амплітудної і фазочастотной характеристики підсилювачів.
Далі сигнал надходить на триконтурний діапазонний смуговий фільтр (BPF), який застосовувався у всіх конструкціях SDR-ов, починаючи з першої, так званої "Київської версії". Розрахунки фільтрів проводилися програмою RFSim99, з подальшою перевіркою в виготовлених виробах.
Сигнал після BPF надходить на вимиканий попередній широкосмуговий підсилювач (RF Amplifier), зібраний на малошумливом транзисторі 2SC3357 з посиленням +12 dB (2 бали за S-метру). Таке рішення застосовувалося у всіх версіях SDR-UA, особливо ця функція корисна на низькочастотних діапазонах 160м та 80м. Насправді, навіщо використовувати максимальну чутливість приймача на цих діапазонах, та ще й в міських умовах прийому. При калібруванні S-метра підсилювач повинен бути включений. При експлуатації трансивера з вимкненим попереднім підсилювачем необхідно пам'ятати, що S-метр буде показувати рівень прийнятих сигналів на 2 балу нижче. Управління попередніми RF підсилювачем (включенням / виключенням) визначає програмування Х2 Pins5 здійснюваного через Setup програми PSDR, закладка Ext.Ctrl.
На Рис.2 показаний приклад установок для управління попереднім підсилювачем ВЧ. На діапазонах 40-30-20-17-15-12-10 і 6м підсилювач буде включений, а на 160-80-60м вимкнений.
Рисунок 2. Приклад установок для управління попереднім підсилювачем ВЧ.
Після RF підсилювача приймальний сигнал надходить на комутатор, за допомогою якого до змішувача приймально-передавального тракту можна підключати або сигнал HF діапазону або VHF трансвертера через роз'єм XVRT розташований на задній панелі трансивера. Трансвертер повинен мати свої фільтри по ПЧ для режиму прийому та передачі. Тим самим проміжна частота трансвертера може бути будь-якой (14-30MHz) і задається в настройках програми.
Змішувач приймального тракту виконаний на мікросхемі FST3253 і симетрувальним трансформаторі Т4-1+.
На керуючі входи мікросхеми змішувача подається сигнал з синтезатора частоти DDS виконаного на мікросхемі AD9854.
Для зменшення перешкод від цифрової частини, перш за все, оптимізовані ланцюга живлення і землі як самого блоку DDS, так і приймально-передавача.
В якості опорного генератора DDS застосований кварцовий генератор, поміщений в термостат. Генератор зібраний за схемою рекомендованої фірмою Analog Device в Application note AN419.
Генератор має низький рівень фазового шуму. Кварцовий резонатор стійко збуджується на 5-7 механічних гармоніках. Резонатор типу АСТ753 фірми Advanced Crystal Technology. Дрейф частоти 200 MHz з прогрітим термостатом (3-5хв.) Не більше 10 ... 20 Hz (0,1 ppm).
На Рис. 3 показана спектрограма вихідного сигналу DDS після формувача в смузі огляду 2 kHz, а на Рис. 4 в смузі 40 kHz. Для порівняння на Рис. 5 представлена спектрограмма первого гетеродина трансивера Elecraft K3, а на Рис. 6 сспектрограма першого гетеродина трансивера YAESU FT1000 MK5 Field.
Рисунок 3. SDR-2000.ua LO вихід після формувача DS90LV028 (Огляд 2kHz).
Рисунок 4. SDR-2000.ua LO вихід після формувача DS90LV028 (Огляд 40kHz).
Рисунок 5. Elecraft K3 выхід LO1 (Огляд 2kHz).
Рисунок 6. FT1000MarkV field выхід LO1.
Вихідний сигнал IQ після фільтра змішувача надходить на малошумні підсилювачі, складені на мікросхемах INA163 з посиленням +20 dB. З виходів підсилювачів посилений IQ сигнал надходить на вихідні RCA роз'єми Sound Card LINE IN. За допомогою якісного аудіо кабелю роз'єм Sound Card LINE IN трансивера SDR-2000.ua з'єднуємо з роз'ємом зовнішньої звукової карти LINE IN, дотримуючись при цьому фазировку каналів.
Спільно з SDR-2000.ua можна використовувати різні сучасні звукові карти. Тільки майте на увазі, що інтегровані звукові карти в деяких ноутбуках мають поєднаний лінійний і мікрофонний вхід, що працює в МОНО режимі. Відповідно, коректна обробка IQ сигналів буде неможлива (придушення неробочої бокової смуги, придушення несучої і т.д.). Не слід очікувати від простих звукових карт високих параметрів всього приймального пристрою, адже в SDR техніці більшість найважливіших характеристик, чутливість, динамічний діапазон, придушення дзеркального каналу та невикористовуваної бічний смуги, швидкість обробки, залежать саме від звукової карти.
При використанні двохканальних звукових карт (E-MU 0204/0404 USB; CREATIVE 2NX USB) або інтегрованих звукових карт ноутбуків, в режимі роботи SSB на лівий канал лінійного входу звукової карти при переході на передачу необхідно подавати посилений мікрофонним підсилювачем сигнал з мікрофона. Для цієї мети служить вбудований мікрофонний підсилювач виконаний на малошумливим транзисторі BC850C і комутатор, виконаний на реле K1. Активація цієї функції здійснюється установкою джампера JP1 на платі SDR-2000.ua розташованого біля роз'єму LINE IN. При включенні передачі спрацьовує реле К1 підключаючи мікрофонний підсилювач до лівого каналу звукової карти. Мікрофонний передпідсилювач має посилення близько 10dB.
Мікрофон підключається до гнізда MIC, а головні телефони або зовнішня активна акустика підключається через роз'єм PHONES на передній панелі трансивера. Низькочастотний сигнал прийому, оброблений DSP, через роз'єм Line Out надходить на блок комутації (MUTE & MONITOR Block) і підсилення для навушників (HEADPHONE Amplifier). У блоці MUTE & MONITOR здійснюється захист від клацань при перемиканні прийом / передача. Ці вузли необхідні для коректного підключення і роботи мікрофону і навушників з двоканальними звуковими картами. При цьому з картами Delta44, INFRASONIC QUARTET зручно використовувати внутрішній мікрофонний підсилювач, вихід якого знаходиться на задній панелі SDR-2000.ua з маркуванням MIC, при цьому джампер JP1 на платі SDR-2000.ua необхідно відключити.
В даний час з бюджетних карт, найбільш якісної PCI картою є - INFRASONIC QUARTET, а з USB інтерфейсом E-MU 0204 USB.
Тракт передачі
У тракт передачі внесені зміни які торкаються поліпшення придушення несучої частоти і регулювання вихідної потужності.
З виходу звукової карти, через роз'єм Line Out сформований низькочастотний IQ сигнал подається на вхід драйвера IQ модулятора. Тут відбувається формування модулюючого сигналу і сигналів балансування передавального змішувача (QSE). Проводились "лабораторні" роботи для пошуку оптимального узгодження передавального змішувача. При цьому була змінена схема включення (додані кола узгодження, кола балансування). Процес настройки та оптимізації контролювався аналізатором спектра.
Для поліпшення балансування передавального змішувача застосований счетверенний цифровий потенціометр AD5263. Управляти ним можна по шині I2C. Для управління AD5263 використовується мікроконтроллер, який отримує код діапазону з блоку управління на МС ПЛІС і по шині I2C передає значення настройки в AD5263. Балансування змішувача на кожному діапазоні і запис цих значень в пам'ять мікроконтролера проводиться при налаштуванні вироби з використанням аналізатора спектра. Балансування передавального змішувача, не залежить від зовнішніх пристроїв (звукової карти, комп'ютера). Змінюючи вихідну напругу на кожному потенціометрі можна покращувати балансування змішувача передавача не менш ніж на 18-20dB. Особливо це необхідно на ВЧ діапазонах. У результаті пригнічена несуча знаходиться на рівні не гірше-70-75dB при такому ж рівні 2,3.4 гармоніки в неробочій (пригніченою) бічній смузі. Рівень 2,3.4 гармоніки залежить від якості звукової карти. Також дуже важливо не "перекачати" змішувач по НЧ.
На Рис. 7 показана спектрограма на виході BPF оптимізованого змішувача зі схемою балансування на AD5263 (рівень НЧ Drive = 80). Вихідний (корисний) ВЧ сигнал частотою 7,050 MHz рівнем -2,85 dBm (227mV), придушення несучої -68,3 dB.
Рисунок 7. Вихідний спектр передавача після BPF 7.050 MHz LSB.
На Рис. 8 показана спектрограма на виході BPF оптимізованого змішувача зі схемою балансування на AD5263 (рівень НЧ Drive = 100). Вихідний (корисний) ВЧ сигнал частотою 7,050 MHz рівнем +1,26 dBm (365mV), придушення несучої -70,6 dB.
Рисунок 8. Вихідний спектр передавача після BPF 7.050 MHz.
При цьому рівень 3 гармоніки виріс від рівня несучої на 12dBm, а по відношенню до корисного сигналу, третя гармоніка пригнічена на -58dBm. Як видно з діаграми вже наступає "перекачування" змішувача (зростає рівень третьої гармоніки). Змінивши розкачку по НЧ (Drive = 90), змішувач не буде перекачаниходной спектр передавача після BPF 7.050 MHz.
В результаті ми отримуємо змішувач передавача з хорошими параметрами (вихідна напругу близько 350mV, а придушення несучої частоти - не менш 70dB). Надалі, при проектуванні підсилювача потужності він був розрахований на рівень вхідного сигналу надходить від змішувача з урахуванням BPF -330...350mV pp.
На Рис. 9 показана спектрограма, стандартного, не модернізованого передавального змішувача.
Рисунок 9. Вихідний спектр передавача після BPF 7.050 MHz LSB без елементів оптимізації.
В результаті маємо вихідний (корисний) ВЧ сигнал з частотою 7,050 MHz і рівнем -6,09dBm(156mV p-p), придушення несучої -52,4dB. При цьому несуча частота і гармоніки пригнічені не більше -52dB, вихідний ВЧ сигнал не більше 150mV.
Всі вимірювання проводилися на одній тестовій платі. При цьому в якості мікросхеми змішувача використовувалася МС FST3253MTC, драйвер НЧ DRV135UA, трансформатор ВЧ типу Т4-1 фірми Mini-Circuits, система балансування з використанням МС AD5263.
Сигнал з виходу передавального змішувача (QSE) надходить на комутатор (XVTR Switch), і далі на смуговий діапазонний фільтр (BPF). Після фільтрації сигналу, подальше посилення до потужності в 15-25 ват відбувається двотактним підсилювачем потужності з використанням польових транзисторів середньої потужності RD06HHF1 і RD16HHF1 фірми MITSUBISHI c одній тільки особливістю, що потужність регулюється на вході УМ (після змішувача і BPF) за допомогою перемикається аттенюатора з кроком в 1dB. У програмі PSDR движок Drive встановлюється рівним 80-100 значень, а вихідна потужність, якщо необхідно, регулюється кнопками, встановленими на передній панелі SDR-2000ua. Все це зроблено для того, щоб не погіршувати співвідношення пригніченою несучої до робочої бічній смузі при передачі. При такому способі регулювання вихідної потужності одночасно змінюється рівень пригніченою несучої і рівень корисної бічної смуги. В результаті прийнятого способу регулювання, для будь встановленої вихідної потужності придушення несучої буде не гірше -70dB.
Якщо використовувати регулювання з програми за допомогою движка Drive, ми будемо зменшувати тільки корисний сигнал (рівень робочої бічний смуги), при цьому рівень пригніченою несучої змінюватися не буде.
Приклад: При максимальній вихідної потужності (движок Drive = 100) співвідношення корисного сигналу до пригніченою несучої одно -70 dB. Тепер, якщо нам потрібно змінити вихідну потужність (оптимізувати розкачку більш потужного підсилювача), наприклад, на 10dB нам необхідно перемістити движок Drive на більш низьку оцінку, при цьому ми зменшимо тільки рівень IQ сигналу (вихідний НЧ сигнал з SB), а рівень несучої залишиться незмінним. Тоді -70dB-(-10dB) =-60dB.І так далі, погіршуючи співвідношення між пригніченою несучої та рівнем робочої бічної смуги.
На виході підсилювача потужності встановлений діапазонний фільтр нижніх частот 5-го порядку (LPF). Він виконаний на кільцях Т50 фірми AMIDON. Фільтр послаблює другу і третю гармоніку до рівня не гірше -60 ... 65dB. Всі ці заходи застосовані для отримання якісного вихідного сигналу передавача, який в свою чергу буде використаний для розкачки більш потужного підсилювача потужності. Вихідна потужність підсилювача не менше 15 ватів при IMD 3 гармоніки-38dB, і 22-25 ватт при IMD-25dB
Після фільтра нижніх частот (LPF) встановлений вимірник КСВ. Він дає можливість індикації в програмі PSDR наступних параметрів: вихідний потужності, відображеної потужності та КСВ в антені або на вході зовнішнього підсилювача потужності.
Перемикання трансивера в режим передачі можливий за допомогою зовнішньої педалі або кнопки підключеної до гнізда PTT. Замикаючи контакт - переводимо трансивер в режим передачі.
Управління зовнішнім підсилювачем потужності зручно робити через роз'єм TX Ground. У режимі передачі на центральному штирі роз'єму TX Ground-земля.
Крім того, для управління зовнішнім підсилювачем потужності слід активувати функцію PTT на передній панелі програми (кнопка X2TR). В меню "Setup", можна вибрати час затримки подачі ВЧ напруги на підсилювач потужності (Х2 DELAY) в мілісекундах, на час, необхідний для спрацювання реле в УМ (оптимальний час затримки 10 ... 20mS). Реле включення передачі в УМ підключають через роз'єм X2 pin7 (PTT Output) або роз'єм TX Ground на задній панелі SDR-2000.ua. Із зовнішнім підсилювачем потужності і не активованою функцією X2TR - буде режим "ОБХІД" (Рис.10).
Рисунок 10. X2TR
Це основні схемні зміни, внесені в нову конструкцію SDR-2000.ua, для поліпшення технічних показників приймально-передавального тракту та конструкції трансивера.