Gradnja programsko definiranega radijskega sprejemnika
Pripravili: Miha Zatler (S50RM), Andrej Romih (S56WAN) in Boštjan Vlaovič (S56WBV)
V sodelovanju z UM FERI in ŠOUM smo pripravili delavnico “Gradnja programsko definiranega radijskega sprejemnika za radioamaterska frekvenčna pasova 3.5 MHz in 7 MHz“. Udeleženci se na delavnici spoznajo s sodobnim pristopom k načrtovanju radijskih sprejemnikov, kjer stremimo k čim večji prilagodljivosti. To dosegamo s tehniko programsko definiranega radia (Software Defined Radio), ki poenostavi zgradbo sistema in razširi funkcionalnost sprejemnika. Za demodulacijo, procesiranje in poslušanje radioamaterskih frekvenc bomo uporabili osebni računalnik. Delavnico je primerna za vse, ki jih zanima radiotehnika in imajo veselje do praktičnega dela.
Predznanje ni potrebno!
V uvodnem terminu predstavimo princip programsko definiranega radia, razložimo delovanje vezja in njegovo upravljanje s programsko opremo. Sledi priprava na gradnjo vezja s predhodno pripravljeno tiskanino in vsem potrebnim materialom. V drugem terminu nadaljujemo z gradnjo in zaključimo s praktičnim preverjanjem delovanja ter nasveti za uporabo.
Na dosedanjih delavnicah smo uspeli posneti nekaj fotografij (december, februar) in kratek video zapis:
Delavnice izvajamo na na Fakulteti za elektrotehniko, računalništvo in informatiko, Smetanova ulica 17, 2000 Maribor, in sicer, v laboratoriju LUMEN (3. nadstropje novega objekta G2). Delavnica je sofinancirana s strani ŠOUM, zato je prispevek vsakega udeleženca le 5 EUR. Zaradi omejenega števila delovnih mest, zbiramo predhodne prijave na e-naslov s59dxx@gmail.com.
Obvestilo
Žal je pri dobavi integriranih vezij (v shemi IC3) prišlo do napake, kar je imelo za posledico napačno označitev na shemi. Pravilno integrirano vezje SN74CBT3253, in ne SN74CBT3257. Zaradi tega so nivoji sprejetih signalov z napačnim integriranim vezjem nižji, prav tako delovanje na 80m ni zagotovljeno.
Za neljubo napako se iskreno opravičujemo!
Kdor je vezje zgradil na delavnicah oz. v KIT kompletih, z integriranim vezjem SN74CBT3257, lahko brezplačno prejme pravilno različico, SN74CBT3253, na zahtevo v radioklubu, po e-pošti.
Odzivi udeležencev
Komentar S56WAN: Najbolj me je navdušila izjava študenta, ki je prišel v Lumen in slišal SDR ter vprašal: “Kaj to bomo lahko doma poslušali?” Ko je dobil pritrdilni odgovor pa: “Vauuuu, noro”.
Vse udeležence vabimo, da nam posredujejo svoje komentarje, ki jih bomo objavili na koncu te strani.
Uvod v tematiko
Programsko definirani radio (Software Defined Radio) ali krajše SDR je zelo zanimiv in sodoben pristop k načrtovanju radijskih sprejemnikov in oddajnikov. Funkcije fizičnega sloja, z drugimi besedami to, kar je bilo v preteklosti v napravi »trdo-ožičeno«, je delno prevzela programska oprema, seveda na ustrezni strojni (elektronski) osnovi. Tako je delovanje radia postalo programsko definirano, pogoj pa je digitalizacija radijskega signala.
Z razvojem naprav po tem pristopu za profesionalno področje radijskih frekvenc se je hkrati pričel razvoj na radioamaterskem področju.
Leta 2003 se je tako pojavila prva programsko-definirana radioamaterska postaja SDR-1000, t.i. all-mode transceiver, ki je omogočal sprejem radijskih frekvenc od 11 kHz do 65 MHz, torej vključno z radioamaterskim področjem (160 metrov do 6 metrov) ter oddajo z oddajno močjo na teh pasovih (v kasnejši različici) do 100 W.
Do sedaj se je zvrstilo veliko število večjih in manjših projektov, kjer se na razne načine lotevajo reševanja digitalizacije izbranega dela radijskega pasu. Domišljija rešitve je tako omejena samo z zmogljivostjo uporabljenih elektronskih sklopov.
Obsežen (in dokaj aktualen) pregled projektov na tem področju je prikazan na naslednji povezavi.
Da natančneje spoznamo koncept programsko definiranega radia, poglejmo naslednjo blok shemo:
Za sprejemno anteno stoji pasovno prepustno sito, s katerim se omeji sprejem na želeni radijski spekter tako, da se ostali del spektra oslabi (filtrira). Sledi nizkošumni ojačevalnik, s katerim ojačamo izbrani del radijskega spektra. Za tem pa sledi analogno-digitalna pretvorba sprejemanega radijskega spektra, tako da dobimo na izhodu digitalizirani signal sprejemanega radijskega spektra. Seveda je s samim A/D pretvornikom predpisano dopustno področje pretvorbe z zgornjo frekvenčno mejo, prav tako število bitov pretvorbe, s čimer je določeno razmerje signal/šum itd.
Digitalni del sedaj predstavlja osrednji del delovanja programsko definiranega radia. Tukaj so kritične funkcionalnosti delovanja sprejemnika opisane programsko, od filtriranja, demodulacije, pretvorbe navzdol, odstranjevanje šuma, itd.
Če sedaj preskočimo opise možnih različic digitalnega dela, kjer se digitalni signal procesira z uporabo digitalnih signalnih procesorjev (DSP), programirljivih logičnih vezij (FPGA) ali kakšnih drugih namenskih integriranih vezij (ASIC), se vprašajmo, kaj bi bila priročna metoda, naprava za digitalno procesiranje signalov? Verjetno je odgovor večine osebni računalnik, kar je tudi res.
Osebni računalnik je namreč vsesplošno prisoten, vsekakor pa pri radioamaterjih. Za analogno-digitalno pretvorbo lahko odlično koristimo vgrajeno zvočno kartico, ki so dandanes pri »povprečnih« računalnikih dovolj zmogljive za to nalogo, sploh pri 24 ali celo 32- bitni različici pretvorbe (dodatna kartica ali celo zunanja naprava). Seveda je potrebno želeni signal prilagoditi dopustnim razmeram na vhodu A/D pretvornika zvočne kartice, saj smo omejeni tako z amplitudo vhodnega signala kot dopustno frekvenčno pasovno širino (z vzorčevalno frekvenco zvočne kartice).
Znova si oglejmo blokovno shemo sprejemnika, sedaj prilagojeno za uporabo osebnega računalnika in zvočne kartice:
Začetni del izgleda kot enojni superheterodinski sprejemnik, le da sta namesto ene medfrekvenčne stopnje uporabljeni dve. Ti sta izvedeni kot I/Q modulator z lokalnim oscilatorjem, vezjem za zamik faze signala oscilatorja za 90° in mešalnima vezjema. S tem, poenostavljeno povedano, premaknemo izbrani (ožji) frekvenčni spekter na nižjo medfrekvenco, kjer je centralna frekvenca dobljenega frekvenčnega spektra določena s frekvenco lokalnega oscilatorja (OSC). Sledi ojačanje obeh vej signalov, kjer sta I in Q signala med seboj fazno premaknjena za 90°. Za digitalizacijo tega signala koristimo oba kanala stereo zvočne kartice, nadaljnjo digitalno procesiranje pa prevzame splošno namenski procesor osebnega računalnika, skupaj z ostalo prisotno periferijo.
Tako smo se okvirno spoznali s pristopom k programsko definiranem radiu, ki ga bomo zgradili. Ta temelji na preverjeni shemi SoftRock Lite v6.2:
Kratka razlaga:
v levem zgornjem delu sheme je prikazan oscilator s kvarčnim kristalom (imenovan tudi Collpits-ov oscilator), ki niha na štirikrat (4x oz. 8x) višji frekvenci (28,224 MHz), kot je sprejemna frekvenca. Sledijo štiri D-flip-flop vezja (IC1 in IC2) za generiranje dveh pravokotnih prožilnih signalov, kjer je drugi fazno premaknjen za 90° za prvim signalom (glej sliko 2). Ta signala krmilita izbiro enega od štirih analognih stikal v integriranem vezju IC3.
Sprejemna antena (BNC1) je preko vhodnega pasovno-prepustnega sita (filtra) povezana na transformator, kjer na sekundarni strani dobimo dva protifazna signala iz sprejetega in filtriranega signala. Ta dva signala vodimo na analogna stikala (IC3), ki zaradi vezave deluje kot I/Q demodulator, izhod pa vodimo na eno izmed (-) sponk operacijskih ojačevalnikov. Tukaj je izvedeno še nizkoprepustno sito, da zmanjšamo (oziroma izničimo) neželjeni vpliv I/Q demodulatorja. Izhod obeh operacijskih ojačevalnikov vodimo na oba vhoda (levi in desni kanal) zvočne kartice.
Pripadajoče tiskano vezje (TIV) z elementi je prikazano na naslednji sliki:
Programska oprema, ki se uporablja za krmiljenje digitalnega procesiranja tega programsko definiranega sprejemnika:
Na sprejemnik lahko priklopite enostaven dipol, ki ga izdelate iz nekaj žice in ga priključite na RG58 koaksialni kabel.
Pri navijanju transformatorja si pomagamo s tem delovnim listom. Prav tako je dostopen seznam potrebnega materiala in PCB za izdelavo filma za fotopostopek.
NOVO – Programsko definiran radijski sprejemnik SDR V2
Novosti:
– tiskanina vsebuje sita za oba frekvenčna področja (3.5 MHz in 7 MHz),
– na tiskanini je predvideno mesto za dva kristala.
Vse potrebne podatke dobite tukaj. (popravljeno število ovojev na feritih, 21. 2 .2009)
Meritev vhodnih sit za 3.5 MHz in 7 MHz ter meritve na določenih merilnih točkah.