SDR трансиверы DUCSI-VD15, DUCSI-100, SDR-2000ua от UT5UUR (Киев, Украина)

К компьютеру SDR трансивер подключается с помощью USB кабеля. Данные с USB контроллера поступают на контроллер управления SDR трансивером, выполненного на ПЛИС фирмы ALTERA. Переход на использование ПЛИС позволил резко уменьшить размеры блока ввода-вывода, длинны дорожек и перевод ПЛИС при программировании в режим “микропотребления”  один из факторов уменьшение помех (спуров) при приеме.

Тракт приёма

Рассмотрим работу SDR трансивера согласно блок-схеме Рис.1  в режиме приёма.

Сигнал с антенного разъёма поступает LPF фильтр 5-го порядка, который  “помогает” диапазонному полосовому фильтру (BPF) формировать важный высокочастотный скат в общей частотной характеристики приёмного фильтра. LPF фильтр, переключаемый по диапазонам, используется так же в режиме передачи для фильтрации гармоник усилителя мощности. Индуктивности намотаны на кольцах Т50-2, T50-6, T50-17 фирмы AMIDON. Коммутация фильтров осуществляется с помощью реле. После LPF  включен аттенюатор, который имеет затухание от 0dB до 30dB с шагом 10dB и  управляется  из консоли  PSDR  функцией -Preamp. Положение: OFF затухание -30dB, LOW -20dB, MED-10dB, HIGH-0dB. При этом  усиление в усилителях на INA163 установлено равным 20dB и в процессе работы не изменяется. Эти меры позволяют улучшить как динамический диапазон приёмного тракта в целом, так и подавление зеркального канала приёма. Если  изменять коэффициент передачи усилителя при помощи реле (что используется в оригинале и во всех известных клонах), из-за разброса величины применяемых сопротивлений (1%), сопротивления контактов реле, изменяется  подавление зеркального канала приёма даже на одном диапазоне при смене усиления функцией-Preamp. Это происходит из-за неизбежной разбалансировки амплитудной ифазочастотной характеристики усилителей.

Далее сигнал поступает на трёх контурный диапазонный полосовой фильтр (BPF), который применялся во всех моих конструкциях сдр-ов, начиная с первой так называемой “Киевской версии”. Расчеты фильтров производилась программой RFSim99, с последующей проверкой в изготовляемых изделиях.

Сигнал после BPF поступает на отключаемый предварительный широкополосный усилитель (RF Amplifier), собранный на малошумящем транзисторе 2SC3357 с усилением +12dB (2 бала по S-метру). Такое решение применялось во всех версиях SDR-UA, особенно эта функция полезна на низкочастотных диапазонах 160м и 80м. На самом деле, зачем использовать максимальную чувствительность приёмника на этих диапазонах, да ещё и в городских условиях приёма.  При калибровке S-метра усилитель должен быть включён. При эксплуатации трансивера с выключенным предварительным усилителем  необходимо помнить, что S-метр будет показывать уровень принимаемых сигналов на 2 бала ниже. Управление предварительным RF усилителем (включением/выключением)  определяет программирование Х2 Pins5 осуществляемого через Setup программы PSDR, закладка Ext.Ctrl.

После RF усилителя принимаемый сигнал поступает на коммутатор, с помощью которого к смесителю приемо-передающего тракта можно подключать либо сигнал HF диапазона или VHF трансвертер через разъём XVRT расположенный на задней панели трансивера. Трансвертер должен иметь свои фильтры по ПЧ для режима приема и передачи. Тем самым промежуточная частота трансвертера может быть любой  (14-30MHz) и задается в сетапе программы.

Смеситель приёмного тракта выполнен на микросхеме FST3253 и симметрирующем трансформаторе Т4-1+.

На управляющие входы микросхемы смесителя подаётся сигнал с синтезатора частоты DDS выполненного на микросхеме AD9854.

Для уменьшения помех от цифровой части, прежде всего, оптимизированы цепи питания и земли, как самого блока DDS так и приемо-передатчика.

В качестве опорного генератора DDS применен кварцевый генератор, помещенный в термостат. Генератор собран по схеме рекомендованной фирмой Analog Device в  Application note AN419.

Генератор имеет низкий уровень фазового шума. Кварцевый резонатор устойчиво возбуждается на 5-7 механических гармониках. Резонатор типа АСТ753  фирмы Advanced Crystal Technology. Дрейф частоты 200 MHz с прогретым термостатом (3-5мин.) не более 10…20 Hz (0,1ppm).

На Рис. 3 показана спектрограмма выходного сигнала DDS после формирователя  в полосе обзора 2 kHz, а на Рис. 4 в полосе 40 kHz. Для сравнения на Рис. 5 представлена спектрограмма первого гетеродина трансивера Elecraft K3, а на Рис 6 спектрограмма первого гетеродина трансивера YAESU FT1000 MK5 Field.

Выходной сигнал IQ после фильтра смесителя  поступает на малошумящие  усилители, собранные на микросхемах INA163 с усилением +20dB. С выходов усилителей усиленный IQ сигнал поступает на выходные RCA разъёмы Sound Card LINE IN. При помощи качественного аудио кабеля разъём Sound Card LINE IN трансивера SDR2000ua соединяем с  разъёмом внешней звуковой карты  LINE IN, соблюдая при этом фазировку каналов.

С SDR-2000ua можно использовать различные современные звуковые карты. Только имейте ввиду, что интегрированные звуковые карты в некоторых ноутбуках имеют совмещенный линейный и микрофонный вход, работающий в  МОНО режиме. Соответственно,корректнаяобработка IQ сигналов будет невозможна (подавление нерабочей боковой полосы, подавление несущей и т.д.). Не следует ожидать от простых звуковых карт высоких параметров всего приёмного устройства, ведь в SDR технике большинство важнейших характеристик, чувствительность, динамический диапазон, подавление зеркального канала и неиспользуемой боковой полосы, скорость обработки, зависят именно от звуковой карты.

При использовании двухканальных звуковых карт (E-MU 0202/0404 USB; CREATIVE 2NX USB) или интегрированных звуковых карт ноутбуков, в режиме работы SSB на левый канал линейного входа звуковой карты при переходе на передачу необходимо подавать усиленный микрофонным усилителем сигнал с микрофона. Для этой цели служит встроенный микрофонный усилитель выполнен на малошумящем транзисторе BC850C и коммутатор, выполненный на реле K1. Активация этой функции осуществляется установкой джампера  JP1 на плате SDR2000ua расположенного около разъёма LINE IN. При включении передачи срабатывает реле К1 подключая микрофонный усилитель к левому каналу звуковой карты. Микрофонный предусилитель имеет усиление около 10dB.

Микрофон подключается к разъёму MIC, а головные телефоны или внешнюю активную акустику подключают используя разъём PHONES на передней панели трансивера. Низкочастотный сигнал приёма, обработанный DSP, через разъём Line Out поступает на блок коммутации (MUTE&MONITOR Block) и усиления для головных телефонов (HEADPHONE Amplifier).  В блоке MUTE&MONITOR осуществляется защита от щелчков при переключении приём/передача. Эти узлы  необходимы для корректного подключения  и работы микрофон – головные телефоны с двухканальными звуковыми картами. С поддерживаемыми или четырёхканальными картами микрофон и головные телефоны соединяют с соответствующими разъёмами на звуковой карте. При этом с картами Delta44, INFRASONIC QUARTET удобно использовать внутренний микрофонный усилитель, выход которого находиться на задней панели SDR2000ua с маркировкой MIC, при этом джампер JP1 на плате SDR2000ua необходимо отключить.

В настоящее время из бюджетных карт, наиболее качественной PCI картой является – INFRASONIC QUARTET, а с USB стыком E-MU 0202USB.

Тракт передачи

В тракт передачи внесены изменения затрагивающие улучшения подавления несущей частоты и регулировки выходной мощности.

С выхода звуковой карты, через разъём Line Out сформированный низкочастотный IQ сигнал подается на вход драйвера IQ модулятора. Здесь происходит формирование модулирующего сигнала и сигналов балансировки передающего смесителя (QSE). Проводились “лабораторные” работы для поиска оптимального согласования передающего смесителя. При этом была изменена схема включения (добавлены цепи согласования, цепи балансировки). Процесс настройки и оптимизации контролировался анализатором спектра.

Для улучшения балансировки передающего смесителя применен счетверенный цифровой потенциометр AD5263. Управлять им можно по шине I2C. Для управления AD5263 используется микроконтроллер, который получает код диапазона из блока управления на МС ПЛИС и по шине I2C передает значения настройки в AD5263. Балансировка смесителя на каждом диапазоне и запись этих значений в память микроконтроллера производится при настройке изделия с использованием анализатора спектра. Балансировка передающего смесителя, не зависит от внешних устройств (звуковой карты, компьютера). Изменяя выходное напряжение на каждом потенциометре можно улучшать балансировку смесителя передатчика не менее чем на 18-20dB.Особенно это необходимо на ВЧ диапазонах. В итоге подавленная несущая находится на уровне не хуже -70-75dB при таком же уровне 2,3.4 гармоники в нерабочей (подавленной) боковой полосе. Уровень 2,3.4 гармоники зависит  от качества звуковой карты. Также очень важно не “перекачать” смеситель по НЧ.

На Рис 7 показана спектрограмма на выходе BPF оптимизированного смесителя со схемой балансировки на AD5263 (уровень НЧ  Drive=80). Выходной (полезный) ВЧ сигнал частотой 7,050MHz уровнем -2,85dBm(227mV), подавление несущей -68,3dB.

На Рис 8 показана спектрограмма на выходе BPF оптимизированного смесителя со схемой балансировки на AD5263 (уровень НЧ  Drive=100). Выходной (полезный) ВЧ сигнал частотой 7,050MHz  уровнем +1,26dBm(365mV), подавление несущей -70,6dB.

При этом уровень 3 гармоники вырос от уровня  несущей на 12dBm, а по отношению к полезному сигналу, третья гармоника подавлена на -58dBm. Как видно из диаграммы уже наступает ‘перекачка” смесителя (растет уровень третьей гармоники). Изменив раскачку по НЧ (Drive=90), смеситель не будет перекачан.

В итоге мы получаем смеситель передатчика с хорошими параметрами (выходное напряжение около 350mV, а подавление несущей частоты – не менее 70dB). В дальнейшем, при проектировании усилителя мощности он был рассчитан на уровень входного сигнала поступающего от смесителя с учетом BPF -330…350mV p-p.

На Рис 9 показана спектрограмма, стандартного, не модернизированного передающего смесителя.

Выходной (полезный) ВЧ сигнал частотой 7,050MHz  уровнем -6,09dBm(156mV p-p), подавление несущей -52,4dB. При этом несущая частота и гармоники  подавленны  не более -52dB.  Выходной ВЧ сигнал не более150mV.

Все измерения проводились на одной тестовой плате. При этом в качестве микросхемы смесителя использовалась МС FST3253MTC, драйвер НЧ DRV135UA, трансформатор ВЧ

типа Т4-1 фирмы Mini-Circuits, система балансировки с использованием  МС AD5263.

Сигнал с выхода передающего смесителя (QSE) поступает  на коммутатор (XVTR Switch), и далее на полосовой диапазонный фильтр (BPF). После фильтрации сигнала, дальнейшее усиление до мощности в 15-25 ватт происходит  двухтактным  усилителем мощности с использованием полевых транзисторов средней мощности RD06 и RD16. С одной только особенностью, что мощность регулируется на входе УМ (после смесителя и BPF) с помощью переключаемого аттенюатора с шагом в 1dB.. В программе PSDR движок  Driveустанавливается равным 80-100 значений, а выходная мощность, если необходимо, регулируется  кнопками, установленными на передней панели SDR2000UA. Все это сделано для того, чтобы не ухудшать соотношение подавленной несущей к рабочей боковой полосе при передаче. При таком способе регулировки выходной мощности – одновременно  изменяется  уровень подавленной несущей и уровень полезной боковой полосы. В результате принятого способа регулировки, для любой установленной выходной мощности подавление несущей будет не хуже -70dB.

Если использовать регулировку из программы с помощью движка Drive мы будем уменьшать только полезный сигнал (уровень рабочей боковой полосы) при этом уровень подавленной несущей изменяться не будет.

Пример: При максимальной выходной мощности (движок Drive=100) соотношение полезного сигнала к подавленной несущей равно -70 dB. Теперь, если нам нужно изменить выходную мощность (оптимизировать раскачку более мощного усилителя), например, на 10dBнам необходимо переместить движок Drive на более низкую отметку, при этом мы уменьшим только уровень IQ сигнала (выходной НЧ сигнал с  SB), а уровень несущей останется неизменным. Тогда -70dB-(-10dB)= -60dB.И так далее, ухудшая  соотношение между подавленной несущей и уровнем  рабочей боковой полосы.

На выходе усилителя мощности установлен диапазонный фильтр нижних частот 5-го порядка (LPF). Он выполнен на кольцах Т50 фирмы AMIDON. Фильтр ослабляет вторую и третью гармонику до уровня не хуже -60…65dB. Все эти меры применены для получения качественного выходного сигнала передатчика, который в свою очередь будет использован для раскачки более мощного усилителя мощности. Выходная мощность усилителя не менее 15 ватт при IMD 3 гармоники -38dB, и 22-25 ватт при IMD  -25dB.

После фильтр нижних частот (LPF) установлен измеритель КСВ. С его помощью, имеется возможность индикации в программе PSDR -выходной мощности, отраженной мощности и КСВ в антенне или на входе внешнего усилителя мощности.

Переключение трансивера в режим передачи возможен с помощью внешней педали или кнопки подключенной к разъёму  PTT. Замыкая контакт – переводим трансивер в режим передачи.

Управление внешним усилителем мощности удобно производить через разъём TX Ground. В режиме передачи на центральном штырьке разъёма TX Ground- земля.

Кроме того, для управления внешним  усилителем мощности следует активировать функцию PTT на передней панели программы (кнопка X2TR). В меню Setup,  можно выбрать время задержки  подачи ВЧ напряжения на усилитель мощности (Х2 DELAY) в миллисекундах, на время необходимое  для срабатывания реле в УМ ( оптимальное время задержки 10…20mS). Реле включения передачи  в УМ подключают через разъём X2 pin7(PTT Output) или разъём TX Ground на задней панели SDR-2000ua. С внешним  УМ и не активированной функцией X2TR  – будет режим “ОБХОД” (Рис.10).

Это основные схемные изменения, внесенные в новую конструкцию SDR-2000UA, для улучшения технических показателей приемо-передающего тракта и  конструкции трансивера.