САЙТ МЕДИКОВ-РАДИОЛЮБИТЕЛЕЙ SMHAM ГлавнаяРегистрацияВход
Главная » Статьи » Приемники, узлы и блоки. » Самодельные

Андрей Белоконь, UR5FFR. SDR «Полигон»

Из Википедии:

«Программно-определяемая радиосистема (ПОР) (англ. Software-defined radio, SDR) —

радио-телекоммуникационная система, которая может быть настроена

 на произвольную полосу частот и принимать различные виды

модулированного сигнала, состоящая из программируемого

 оборудования с программным управлением».

 

В публикациях по теме SDR встречается очень мало разработок промежуточного уровня. Попадаются либо простейшие конструкции с кварцем, либо «монстры» с синтезаторами. Идея этого проекта и родилась как некое промежуточное звено. А именно - всеволновый (в разумных пределах, конечно) приемник SDR с "ручным" управлением, который связан с компьютером только через аудиокарту РС (в дальнейшем систему ПОР будем упоминать именно как приемник, для краткости – SDR «Полигон»).

 

Естественно, что принципиальный вопрос перекрытия диапазона 2 – 30 МГц – применение высокостабильного гетеродина 60 – 120 МГц. Т.к. конструкция изначально задумывалась, как собранная из «тумбочных» деталей, то, понятное дело, «ддски и сишки» из рассмотрения были исключены. Решено было применить ЦАПЧГ, которая в зарубежной литературе фигурирует под названием Huff&Puff VFO stabilizer.

 

Существует три разновидности данной методики. Выбрана была самая простая с частотой коррекции, равной шагу перестройки. «В лоб» применять уже существующие схемы не представляется возможным, т.к. они предназначены для стабилизации относительно низкочастотных ГПД (до 20 МГц).

 

В результате недели экспериментов родилась схема ГПД, представленная на рис.1. Неспешно была опробована работа этой структурной схемы.


Рис.1

 

Некоторые ремарки:

1. Детектировать фазу непосредственно на рабочей частоте задающего генератора не получилось. Скорее всего, виной тому наводки. Схема получается очень нестабильной, поэтому частота гетеродина предварительно делится на 8 цепочкой из трех триггеров; таким образом квадратурный детектор будет тактироваться от второго гетеродина 32 МГц;

2. Опорная частота (которая и определяет шаг перестройки) выбрана в 1,2 кГц и формируется счетчиком 74HC4060 из кварца 10 МГц. С учетом деления на 8, ГПД будет перестраиваться с шагом в 8*1,2=9,6 кГц, что более чем предостаточно;

3. Сигнал ошибки интегрируется цепью R7, C9, C10 и поступает на варикап, осуществляя коррекцию ухода частоты.


Казалось бы, все просто и банально, но это не совсем так.
    Начнем с задающего генератора. Изначально он был запущен по упрощенной схеме (рис.2). Катушка L1 - три витка посеребренного провода 1 мм, отвод от 1 витка снизу.

Т.к. в качестве КПЕ очень хотелось использовать малогабаритный сдвоенный от УКВ-блоков с перекрытием 10 – 40 пФ, то встал вопрос минимизации всякого рода емкостей в контуре.


Рис.2

 

После этого были определены минимальные емкости C3 и C5. Емкость конденсатора C3 влияет на запуск генератора. C5 - на амплитуду сигнала, которая должна быть достаточной для срабатывания первого триггера. Емкость конденсатора связи варикапа с контуром C1 выбрана минимальной. И даже, несмотря на это, крутизна управления составляет 32 кГц/В на частоте 64 МГц и 250 кГц/В на частоте 120 МГц.

 

Теперь, что касательно интегрирующей цепи. В доступных источниках по ЦАПЧ не удалось встретить сколь-нибудь аргументированного выбора параметров этой цепи. А от нее, как оказалось, очень существенно зависят параметры генератора. Пришлось "изобрести" свою теорию.

 

В устоявшемся режиме, когда частота кратна опорной на входе интегратора присутствует Fref/2 положительных и Fref/2 нулевых импульсов (за 1 сек). На выходе цепи Uпит/2.

 

В случае изменения входной частоты на 1 Гц/сек, у нас появится один импульс коррекции (за 1 сек). Длительность этого импульса будет равна 1/Fref сек. При этом на выходе интегратора напряжение изменится примерно на 2.5/(Fref*R*C) вольт (здесь 2,5 - амплитуда импульса коррекции). Если нам известна крутизна управления VCO (назовем ее dFvco), то можно составить простое уравнение:


dFvco = Fref*R*C/2.5

 

При его выполнении цепь ЦАПЧ будет полностью компенсировать дрейф. Т.к. точное равенство никогда не выполняется, то интересно посмотреть что получится.

В частности, если напряжение на выходе интегратора меньше чем необходимо для коррекции, то цепь все равно стабилизируется, но время вхождения в синхронизм будет тем дольше, чем больше соотношение крутизны управления VCO и коэффициент передачи частотного детектора.

 

В другом случае, когда интегратор выдает напряжение больше, чем необходимо для коррекции, наблюдается рассинхронизация системы, и ни о какой стабилизации речи быть не может.

 

Исходя из всего изложенного выше, были определены параметры цепи интеграции. А именно:


R9 = dFvco * 2.5 / (Fref * C) = 32000 * 2.5 / (1220 * 0.0002) = 327 кОм


Расчет велся для максимальной частоты. Номинал резистора был выбран с 10% запасом.


В результате система оказалась устойчивой во всем диапазоне перестройки и имеет максимальную скорость коррекции на верхнем краю диапазона перестройки.

Уход частоты проверялся в течение 12 часов. Всякие "трещалки" и "жужжалки" на панораме с места не сдвинулись. При том, что катушка не экранирована и вся схема собрана в "манхэттенском" стиле. Никаких "бульканий" и "кваканий" опорной частоты в принятом сигнале обнаружить не удалось. Выбег частоты минимальный и стабилизируется в течении 1 - 2 мин.

 

КПЕ желательно оборудовать верньером. Вполне достаточно замедления соотношением 1:2..3. Перестройка по панораме вполне адекватная. А на «вещалки» можно настроиться только одним КПЕ.

 

Теперь по поводу примененных компонент и возможных замен. Полевые транзисторы - любые ВЧ-слаботочные. 2N4401 в буфере меняется на любой маломощный высокочастотный. Возможно, придется подобрать смещение, чтобы на коллекторе была примерно половина напряжения питания. Все 74AC74 можно заменить на 74HC74, за исключением первого триггера, который стоит после гетеродина и работает на частотах 60 – 120 МГц. Ибо по паспорту 74HC такие частоты уже "не тянет". Можно попробовать применить другие серии логических микросхем – главное, чтобы они работали по частоте.

 

Формирователь опорной частоты на 74HC4060 - узел совершенно некритичный и может быть собран на чем угодно. Основная его задача - выдать высокостабильный сигнал частотой около 1 - 2 кГц. Скважность - любая.

 

При запуске первым делом проверяем линейку делителей частоты. Далее частоту замеряем на самом низкочастотном выходе линейки (8 – 16 МГц). Не надо подключать всякую лишнюю нагрузку к генератору - это приводит к сдвигу генерируемых частот и/или к срыву колебаний.

Первоначально цепь коррекции частоты размыкаем. Подавая на варикап 0/+5 В, делаем замер изменения частоты на максимальной рабочей частоте. Если уход больше, чем 160 кГц/5 В (не забываем, что контроль частоты ведется после линейки делителей!), то корректируем параметры интегрирующей цепи, согласно формулы:


dFvco = измеренный уход * 8 / 5
(т.к. уход меряем после деления на 8 и при изменении напряжения на варикапе на 5 В);


R9 = dFvco * 2.5 / (1220 * 0,0002)

 

При другом значении опорной частоты так же необходимо корректировать интегрирующую цепочку.
В устоявшемся режиме напряжение на варикапе должно составлять примерно половину напряжения питания, т.е., 2,5 В.

 

Ниже приведены более точные замеры по фазовым шумам гетеродина. Списком - отстройка/шум:
100 Hz – 47 dBc/Hz
200 Hz – 74 dBc/Hz
300 Hz – 78 dBc/Hz
400 Hz – 83 dBc/Hz
500 Hz – 85 dBc/Hz
600 Hz - 96 dBc/Hz
1 kHz – 103 dBc/Hz
2 kHz – 109 dBc/Hz


    В спектре гетеродина обнаружены два "пичка": один на расстоянии 1,2 кГц и с амплитудой – 80 dBc, второй - 3,7 кГц, амплитуда - 98 dBc.

 

Особенности схемы (рис.3). Резисторы R10, R11 подобраны такого номинала, чтобы входное сопротивление составляло 50R. Цифровой фазовращатель несколько усложнен с целью выровнять емкостную нагрузку на выходы. Входной трансформатор выполнен 6-тью витками скрутки на кольце 1500НМ.

 

Конденсаторы C5 - C8 емкостью 1500 пФ выбраны из условий работы с картами с частотой оцифровки 192 к (собственно на такой карте все и работает). БОльший номинал приводит к завалу по краям панорамы.

Питание схемы не показано. Цифровая часть запитана +5 В. Операционные усилители лучше питать +/-12 В. Но можно их запитать также и от однополярного источника +5 В, обеспечив должную развязку от цифровой части питания.


Рис.3

 

Теперь самое интересное. Как видно из схемы количество проводов, идущих на аудиокарту, больше чем обычно. Дело в том, что большая часть профессиональных карт имеют дифференциальные входы (это указывается в документации). Почему бы их не использовать полностью? Тем более, что это даст дополнительное подавление синфазной составляющей. Собственно, это и сделано и SDR великолепно работает. УНЧ и смеситель вообще никак не экранировались, плата лежала сверху на внешней аудиокарте, в 20 см РС и два монитора. И абсолютно никаких наводок!

 

Известно, что счетчик Джонсона, применяемый в формирователе квадратур на серии 74AC, начинает давать большую ошибку после 14 МГц. С целью решения этого вопроса, для обеспечения более точного формирование фаз, применяют микросхему 74AC164. Ввиду относительной дефицитности последней было решено применить 8-ми битные "защелки" 74AC574. Подкупала надпись в даташите – 250 МГц.

 

В результате проведенных экспериментов точность формирования квадратур получилась выше, чем у 74AC164. Вот схемы и замеры (рис.4):


Рис.4

 

Все три схемы по очереди были впаяны и испытывались в одном и том же SDR-тракте с одними и теми же ключами 74HC4066 (рис.8). В тракте имеется некоторый амплитудный разбаланс, около 1%, поэтому цифры подавления зеркалки скорее референсные, для данного амплитудного дисбаланса. Фазовую ошибку просчитала сама программа.

 

Аналогичный эффект уменьшения ошибки можно получить и на 74AC175 (не проверялось). Существенного разброса в зависимости от экземпляров, как регистров, так и ключей-коммутаторов, в отличие от сообщений при применении ЦФВ на 74АС164+74НС4060 (подавление нерабочей полосы было 45-60 дБ!) - выявлено не было.


В варианте применения 74AC175 можно обойтись без инвертора (рис.5)


Рис.5

 

ДПФ были рассчитаны из условия максимального подавления паразитного канала приема на третьей гармонике гетеродина.

 

На рис.6 показан вариант для стандартных индуктивностей.


Рис.6

 

Вариант под колечки К7*4*2 50ВЧ показан на рис.7.


Рис.7

 

В схеме квазисенсорного селектора диапазонов и коммутатора ГПД (рис.8) для коммутации лучше применить отечественные КД409, т.к. применение 1N4148 ограничивает динамику.


Рис.8

 

Ниже (ссылка) приведена АЧХ фильтра 2 – 4 МГц и 2.5 - 4 МГц из схемы http://ur4qbp.ucoz.ua/_pu/0/31309.jpg

АЧХ фильтра SDR «Полигон» на рис.9 помечена зелеными звездочками. Маркер на частоте 10,43 МГц - это 3-я гармоника от 3,8 МГц. Разница в подавлении паразитного канала приема – 25 дБ.


Рис.9

 

По замерам MDS схема SDR «Полигон» показала в полосе 3 кГц – 124 дБм, что соответствует чувствительности 0,46 мкВ при соотношении СШ=10 дб. И это все без УВЧ!

 

Ниже приведены результаты (ссылка) и комментарии теста чувствительности и SFDR SDR «Полигон» - (при просмотре звук лучше выключить): http://youtu.be/w5-7BjVjSrU

S-метр справа проградуирован в dBuV, т.е., 0 соответствует 1 мкВ. Полоса 3 кГц.

Вначале SDR выключен - видны собственные шумы карты -24 dBuV (-131 dBm).

Включаем SDR - видим его шумы с уровнем -16 dBuV (-123 dBm).
 

Подаем сигнал 14 МГц с Г4-107 уровнем 1 мкВ (-107 dBm). Увеличиваем ступенями по 10 дБ.

При доперегрузочном уровне 90 dBuV (-17 dBm) измеряем уровень второй гармоники -73 дБ и третьей -78 дБ. Шумовая дорожка поднялась на 10 дБ по сравнению с отсутствием сигнала.

При входном уровне 94 dBuV (-13 dBm) фиксируем перегрузку звуковой карты.

Итого имеем SFDR=-13 (-123)=110 дб. Чувствительность 0,5 мкВ при полосе 3 кГц и СШ=10 дБ.

Звуковая карта Terratec Phase X-24fw, по паспорту 109 dB(A) SNR. Максимальное входное напряжение 2 Vrms.


Интермодуляционные искажения и динамический диапазон представлены на рис.10.


Рис.10

 

По следующей ссылке можно прослушать прием на диапазоне 40 м утром (слушать – стерео). В конце записи звук запаздывает за картинкой - как выяснилось, это особенность программы видеозахвата.

http://youtu.be/rAR5q-_3rdU

 

А.Н.Белоконь, UR5FFR

г. Одесса


                                                                                                                                                                          Источник: http://dspview.com/viewforum.php?f=9


Категория: Самодельные | Добавил: Author (18.12.2012) | Автор: А.Н.Белоконь E
Просмотров: 7293 | Теги: SDR | Рейтинг: 5.0/1
Всего комментариев: 0
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Среда, 18.07.2018, 12:46
Меню сайта
Категории раздела
Промышленные [15]
Самодельные [63]
Вход на сайт

Поиск
Наш опрос
Какие статьи Вы хотите увидеть на сайте?
Всего ответов: 678
Друзья сайта
  • Официальный блог
  • Сообщество uCoz
  • FAQ по системе
  • Инструкции для uCoz
  • Статистика

    Онлайн всего: 1
    Гостей: 1
    Пользователей: 0
    Copyright MyCorp © 2018