La ora actuală, conversia digitală directă ce implică eșantionarea semnalului chiar pe frecvența de recepție, a devenit o tehnologie standard și pentru radioamatori. Performanțele care pot fi atinse cu aceste echipamente sunt superioare precedentei generații de SDR-uri hibride. După ce am folosit primul meu transceiver SDR hibrid pe o perioada de cca. 7 ani, am considerat că e timpul să trec și eu la generația următoare de SDR. Păstrând idea de "Home-Made" am adoptat o soluție modulară, de această dată complexitatea construcției fiind considerabil mai mare. Spre deosebire de primul SDR care era 100% Home-Made, la noul transceiver am folosit câteva blocuri prefabricate, construind însă singur ceea ce era necesar pentru a obține performanțe maxime. Un obiectiv esențial a fost ca hardware-ul rezultat să fie 100% compatibil cu software-ul PowerSDR mRX (HPSDR).
De un număr de ani, mi-am îndrept atenția asupra grupului HPSDR (High Perfromance SDR) care și-a propus construirea pentru uzul radioamatorilor a unor echipamente cu performanțe ridicate. Inițial grupul HPSDR a realizat o structură modulară ce a permis evaluarea câtorva tehnologii cheie, după care toate aceste module au fost reunite ulterior pe o singură placă de cablaj.
Este vorba de placa Hermes, în esență un transceiver aproape complet (fără filtre de intrare), cu o putere la emisie de 0.5W și care a fost prezentat în articolul SDR V. Placa Angelia (vezi foto), reprezintă o dezvoltare a plăcii Hermes, fiind dotată cu două convertoare A/D, ce permite recepția simultană cu coerență de fază, pe două antene/frecvențe separate. Atât plăcile Hermes cât și Angelia pot fi achiziționate complete și testate, sau se pot achiziționa doar plăcile de cablaj dacă amatorul are componentele și dorește să le asambleze în regim propriu. De menționat că un număr considerabil de radioamatori au asamblat în regim propriu placi Hermes, tehnologia SMT fiind cu mult mai accesibilă decât cred unii. Pentru că sunt foarte interesat de recepția cu diversitate spațială și experimente beam-forming, pentru noul meu transceiver am achiziționat placa Angelia.
Pentru alimentare placa Angelia necesită mai multe tensiuni de alimentare Am folosit o sursă în comutație de PC tip pico-ATX. Semnalele parazite produse de această sursă în benzile de amatori, sunt mult sub nivelul de zgomot al benzii și nu deranjează (<-120dBm). Firește se pot folosi și surse liniare, care sunt mai "curate" însă cu eficiența și disipația termică de rigoare. Consumul de curent al întregului transceiver la recepție (Firmware V4.9) este de cca. 1A@13.8V (13.8W).
Pentru circuitele de intrare am optat pentru setul filtre pe două plăci –ALEX- disponibile la TAPR, de la care am comandat plăcile de cablaj goale. Am comandat componentele pe care nu le aveam de la Digikey, după care am trecut la asamblare. Poate că soluția Digikey este mai costisitoare decât altele, însă am evitat în acest fel componentele de calitate îndoielnică (contrafăcute).
Componentele comandate de la Digikey |
Gata pentru asamblare |
Aceste filtre sunt probabil mult peste ceea ce voi avea vreodată nevoie, însă... toate facilitățile vin la pachet. Sunt utilizate filtre trece jos și trece sus independente, ce pot fi configurate la dorință, cu un Q în sarcină redus ce asigură performanțe la intermodulație foarte bune. Se folosesc toruri de ferită (cu pulbere de fier) de dimensiuni relativ reduse (T50). Utilizatorul are la dispoziție o matrice de conectori ce permite comutarea a trei antene de emisie și două antene de recepție, permite intercalarea unui preamplificator pentru recepție sau un preselector extern precum și o intrare pentru un transverter.
Iată mai jos câteva detalii succesive din cursul asamblării componentelor SMD și a execuției bobinelor executată în shack-ul propriu:
Una din plăci conține doar filtrele trece jos care sunt folosite la emisie (TX), iar cealaltă placă conține filtrele trece sus (RX). La recepție sunt folosite atât filtrele trece sus cât și cele trece jos pentru a crea filtre trece bandă, cu lărgimi ce pot fi selectate de către utilizator fie manual, fie automat. Comutarea filtrelor este făcută cu relee miniatură. RL-ul acestor filtre este suficient de redus ca să poată fi folosite fără probleme fie individual fie înseriate.
Pe placa TX se află și un cuplor direcțional, necesar pentru măsurarea puterii directe și reflectate, respectiv SWR. Comanda filtrelor ca și a releelor ce asigură comutarea antenelor este făcută prin intermediul plăcii Angelia.
Pentru a măsura valoarea exactă a bobinelor am folosit un Q-metru HP, unul din acele instrumente pe care din păcate prea puțini amatori știu la ce folosește (poate fi achiziționat uneori de pe internet, la un preț mai mic decât prețul transportului ...). Am testat însă valorile obținute și cu un MFJ-269 (corect calibrat). Este important să se măsoare inductanța bobinelor cât mai aproape de frecvența de operare.
Iată mai jos și plăcile complet asamblate. După finalizare, testarea inițială și asamblare, am realizat că trebuie să extrag din această placă un semnal de control intern de care uitasem, așa că a trebuit să execut câteva modificări de urgență ce au necesitat între altele modificarea unor trasee pe cablaj... (se întâmplă și la case mai mari...hi,hi).
Pentru ecranare, atât pentru placa Angelia cât și pentru filtrele trece bandă, am folosit carcase prefabricate (Digikey) din aluminiu extrudat și care necesită o prelucrare mecanică minimală. În mod cert nu e cea mai economică soluție, însă având în vedere posibilitățile mele reduse de prelucrare mecanică, aceasta a fost pentru mine soluția optimă. Se asigură în acest fel o ecranare eficientă și un aspect aproape decent. Semnalelel de control sunt aplicate cu cablu panglică și conectori IDE.
Funcționarea corectă a filtrelor a fost evaluată (evident!) tot cu ajutorul plăcii Angelia, operând în mod VNA.
Mai jos se poate observa filtrul trece jos pentru banda de 80m. Cu albastru e prezentată caracteristica amplitudine-frecvență iar cu roșu este arătată variația fazei.
Placa Angelia (ca și Hermes) este special concepută pentru a da posibilitatea celui ce dorește să experimenteze, o versatilitate maximă. Astfel, este prevăzut un conector auxiliar ce permite controlul logic a până la 7 dispozitive externe (de exemplu, o cutie cu relee externă –telecomandată- pentru selecția antenelor, care se poate face automat pe baza frecvenței de operare). Semnalele PTT IN și PTT OUT sunt de asemenea disponibile la acest conector, ca și ieșirea pentru difuzor, Line IN și Line Out ce permit conectarea fie a unei surse de semnal externe, fie semnalul audio generat poate fi conectat la un procesor extern.
Plăcile Hermes și Angelia pot opera în regim duplex, căile de emisie și recepție fiind complet independente. Regimul duplex implică recepție în timpul emisiei, și această facilitate este de fapt esențială pentru a efectua pre-distorsionarea corecta a semnalului la emisie.
Așa cum am menționat deja, placa Angelia permite recepția simultană cu coerență de fază pe două antene separate. Recepția poate fi pe benzi diferite de frecvență sau se poate recepționa pe aceeași frecvență și se poate face "beam forming".
Pentru aplicații care necesită o stabilitate ridicată a frecvenței (JT9, Chirp, Transverter Microunde), se poate conecta o referință externă de frecvență de 10MHz (Rubidiu sau GPS). Am folosit un circuit suplimentar care permite detecția prezenței referinței externe și care determină comutarea automată de pe referința internă pe cea externă. Oscilatorul de clock intern operează pe 122.88MHz, este de tip VCXO și este operat într-o buclă PLL ce conține o referință TCXO de 10MHz cu stabilitate mai bună de +/-0.1ppm (+/-5Hz la 50MHz). (Angelia/Hermes în variantă standard sunt echipate cu TCXO-uri de 2.5ppm) Se asigură în acest fel o stabilitate excelentă chiar și cu referința internă, cu un zgomot de fază foarte redus. În lipsa unui etalon de frecvență extern, calibrarea se poate face foarte ușor recepționând una din stațiile radio etalon și folosind facilitățile integrate în programul PowerSDR ce permit etalonarea cu precizie de sub 1Hz.
Zgomotul de fază redus al VCXO-ului, operat în buclă PLL pentru stabilizarea frecvenței, combinat cu un jitter de apertură foarte redus al convertorului A/D, asigură performanțe superioare transceiverelor clasice pentru radioamatori care folosesc sinteză de frecvență (atât la recepție cât și la emisie).
Protecția celor două intrări de recepție este făcută cu un bloc extern, ce conține circuite de protecție ultrarapide, dar și relee ce pot pune la masă antena de recepție în timpul emisiei, fie se poate înseria un atenuator de 50dB pe calea de recepție în timpul emisiei (dacă se face pre-distorsionare pentru emisie). Tot prin acest bloc de protecție, se poate injecta în timpul recepției o tensiune de 12V în cablul coaxial pentru antenă. Aceasta este necesar când se folosesc antene de recepție separate, cu preamplificator montat chiar pe antenă, alimentat prin cablul coaxial.
Pe baza experienței acumulate cu primul transceiver SDR, am adăugat și la acest transceiver izolare optică pentru liniile PTT IN și PTT OUT. Aceasta permite nu doar evitarea buclelor de masă dar și protecția transceiverului la diverse experiențe/întâmplări nefaste...
Finalul de emisie l-am realizat cu un LDMOS operând la 32V, de bandă ultra-largă și e capabil să genereze 100W în regim continuu, de la 3.5MHz la 450MHz.... Pentru răcire am folosit un radiator cu ventilator pentru procesoarele Intel (recuperat dintr-un calculator defect), metodă deja experimentată anterior de mine cu succes. Este cu mult peste ceea ce ar fi fost necesar pentru un transceiver HF+6m, însă dacă ulterior voi decide să adaug un transverter pentru 2m/70cm, partea de emisie de putere e deja funcțională.
Blocurile principale, ecranate individual, sunt montate pe o placă de aluminiu. Aceasta asigură un plan de masă bine definit. Conectorii esanțiali sunt accesibili pe "panoul" frontal (realizat din cornier de Al 25mm), iar pentru antene conectorii sunt direct pe blocul de filtre.
Controlul acestui transceiver este efectuat printr-o conexiune Ethernet (CAT6) cu ajutorul unei versiuni a programului PowerSDR (PowerSDR mRX-PS), creată special pentru transceiverele gen HPSDR. Deși arată oarecum similar cu PowerSDR folosit de FlexRadio, acest program este de fapt foarte diferit. Partea de DSP a fost rescrisă în întregime și au fost adăugate multe funcțiuni specifice pentru transceiverele HPSDR.
Programul PowerSDR mRX-PS permite nu doar controlul local al transceiverului, cu ajutorul unui mouse (eventual buton de acord), dar permite și interfațarea directă cu alte programe cum ar fi log/DX-cluster, CW Skimmer, programe pentru comunicații digitale sau procesoare de semnal extern, fie chiar sincronizarea în frecvență al unui al doilea transceiver.
În ciuda aspectului oarecum ciudat, acest transceiver nu este un echipament de laborator ci este conceput pentru a fi utilizat efectiv în trafic. Soluția constructivă adoptată îmi asigură maximum de flexibilitate atât pentru necesitățile actuale dar și viitoare. Aceasta însemnă implicit, că forma și aspectul va putea fi diferit peste un an sau doi și implicit că noi funcțiuni și elemente hardware vor fi adăugate în timp.
Așa cum am menționat în articolul SDR V, tehnologia SDR oferă îmbunătățiri substanțiale nu doar la recepție dar și la emisie.
Imaginea de mai sus arată distorsiunile de intermodulație (test bi-tonal) produse de amplificatorul final folosit la transceiverul meu SDR, la o putere PEP de cca. 130W. Distorsiunile IM3 sunt de ordinul a -22dBc (-28dB PEP), IM5 -32dBc (-38dB PEP), IM7 -40dBc (-46dB PEP), IM9 -43dBc (-49dB PEP).
Imaginea de mai sus arată îmbunătățirea dramatică obținută prin aplicarea predistorsionării adaptive. Puterea de ieșire este aceeași ca în testul anterior. Distorsiunile IM3 sunt de -50dBc, IM5 -50dBc,
IM7 -58dBc, IM9 -65dBc. Testul a fost făcut cu ajutorul generatorului bi-tonal inclus în PowerSDR. Îmbunătățirea în acest caz a IM3 (cca. 28dB), este posibilă și datorită efectului de memorie redus al amplificatorului final pe care îl utilizez (LDMOS de tensiune mare).
Pre-distorsionarea adaptivă are efecte nu doar asupra produselor de intermodulație care cad în afara benzii utile transmise, dar și asupra componentelor spectrale care cad chiar în banda semnalului SSB, asigurând o claritate îmbunătățită a semnalului când se operează cu putere maximimă. Este posibilă și liniarizarea unui amplificator extern (chiar și cu tub). Cu excepția transceiverelor HPSDR, la ora actuală nu există nici un produs comercial pentru radioamatori care să aibă performanțe nici măcar apropiate în această priviință.
Imaginea alăturată prezintă caracteristica de amplitudine (albastru) și fază (galben) a amplificatorului meu de putere (pentru 100W), funcție de mărimea semnalului aplicat la intrare. Este arătată și corecția de amplitudine (curba roșie) și cea de fază (verde) necesară pentru a se obține liniarizarea și reducerea intermodulațiior.
În afară de folosirea pre-distorsionării adaptive, care permite reducerea substanțială a distorsiunilor de intermodulație la emisie, iată încă două tehnologii, aflate în fază de testare în acest moment:
EER (Envelope Elimination and Restauration) este o metodă ce permite creșterea eficienței unui emițător ce operează în mod liniar (de ex. SSB), indiferent de nivelul de putere. Practic se recurge la modularea tensiunii de alimentare. Aceasta poate duce însă la distorsiuni majore, care pot fi însă eliminate complet cu ajutorul pre-distorsionării adaptive. Practic se pot folosi în acest fel pentru SSB amplificatorare în clasa C sau E, cu o eficiență de peste 80%.
CE-SSB (Controlled Envelope SSB) este o metodă pentru creșterea puterii medii transmise în SSB, puterea de vârf rămânând constantă. Spre deosebire de alte metode de compresie (inclusiv RF Clipper), produce distorsiuni audio cu mult mai reduse în special pentru semnalele tranzitorii. Experimentele inițiale arată o creștere a puterii medii transmise de cca. 2.5dB pentru un semnal care este deja procesat. Aceasta ar trebui să producă o creștere notabilă a inteligibilității unui semnal SSB în condiții de propagare la limită. Controlul anvelopei este folosit în mod curent în domeniul profesional (pentru stațiile de radiodifuziune), însă nu și în echipamentele pentru radioamatori.
Plăcile Hermes și Angelia sunt folosite și în câteva produse comerciale, realizate de către Apache Labs. Este vorba de Anan 10 și 100 (Hermes) și Anan 100D (Angelia).
FlexRadio are în fabricație seria Flex 6000 ce folosește același concept de conversie digitală directă. Performanțele transceiverelor Anan și Flex 6000 sunt foarte apropiate.
ARRL a publicat în revista QST din Aprilie 2015 rezultatul măsurătorilor de laborator pentru transceiverele Flex 6300 si 6700. Rezultatele sunt excelente, la câțiva parametrii ieșind în afara scalei de măsură folosite în QST...hi,hi. Cei ce doresc să vadă niște date concrete, pot vedea și rapoartele de măsurători făcute de VE7OJ pentru ANAN100 și 100D:
http://www.ab4oj.com/sdr/apache/anan100d200d_notes.pdf,
respectiv Flex 6700: http://www.ab4oj.com/sdr/flex/6700rev1_38_notes.pdf
Numărul din octombrie 2014 al revistei Radcom prezintă de asemenea o analiză comparativă a celor două transceivere. Rob Sherwood menține un site ce prezintă comparativ performanțele la recepție a unui mare număr de transceivere/receptoare folosite de radioamatori (vezi Flex6700).
Noile tehnologii care devin posible cu ajutorul echipamentelor SDR, permit accesul la un numar de facilități care sunt practic imposibil de atins cu echipamente clasice.
Față de primul meu transceiver SDR care a fost un proiect făcut mai mult în în glumă (....însă cu rezultate cât se poate de competitive), noul transceiver SDR este cu mult mai sofisticat și a necesitat substanțial mai multă muncă. Deși este complet funcțional în acest moment, dat fiind că l-am folosit o perioada de timp prea scurtă, nu am să fac acum o evaluare completă. Voi remarca totuși că până acum a îndeplinit toate așteptările mele și nu numai...
Sper că ultimele două articole despre SDR au răspuns convingător la întrebarea: "Este posibil să construiești astăzi un transceiver care să fie competitiv cu cele industriale?".
Oricât de elocventă ar fi însă o expunere de genul acesta, cred că o demonstație a ceea ce se poate face cu un transceiver SDR de calitate ar putea fi și mai convingătoare. Aceasta cu atât mai mult cu cât pentru o exploatare eficientă și operatorul trebuie să se ridice la nivelul echipamentului. Despre aceasta însă, ca și o fișă tehnică a noului meu transceiver, într-un alt articol.
- Florin Cretu YO8CRZ
-
