Software Defined Radio (SDR)
a 144 MHz,
come IF per i 10 GHz
Jeffrey Pawlan (WA6KBL)
Maggio
2009
Introduzione e scopi
La maggior parte dei transverter a 1296 ed oltre usano
i 2 metri come IF per facilitare la reiezione
dell’immagine. Per esempio, il transverter di DB6NT ha
un OL a 10224 MHz, con risposta immagine a 10080
MHz; questa frequenza si trova ancora nei limiti della
banda 144, con scarsa probabilità che un segnale
intenso (commerciale o d’altro tipo) possa interferire.
I filtri a cavità presenti nel transverter sono sufficienti
ad eliminare il rumore in eccesso in ricezione e ad
attenuare molto il segnale trasmesso a questa
frequenza immagine.
Per lungo tempo abbiamo usato vari tipi di ricevitori
analogici multimodo in 2 metri come IF
sintonizzabile. Fino adesso solo pochi hanno tentato
l’uso di ricevitori SDR in portatile. Lars(AA6IW) ha
usato il DSP-10 ed in seguito anche una variante
commerciale di SDR costruita dalla Ten-Tec.
Io stesso avevo modificato un QS1R Quicksilver,
usandolo poi per alcuni collegamenti.
Recentemente
ho
acquistato
un
Perseus
(microtelecom.it), modificandolo quindi per il
sottocampionamento.
Ho usato l’apparecchio con la mia stazione portatile
effettuando con successo dei collegamenti col
programma Winrad ed un computer portatile.
Le verifiche hanno mostrato che la rete di
adattamento funzionava bene a 144 MHz ed era
accettabile anche a 50 e 432 MHz..
Naturalmente occorrono anche un preamplificatore
ed un preselettore esterni in funzione della banda
desiderata.
►Il
9 Maggio 2009 ho ricevuto un invito a
presentare l’ SDR per uso in microonde alla riunione
annuale della IEEE MTT-S tenutasi al Laboratorio
dell’acceleratore lineare di Stanford (CA).
I partecipanti erano circa 100, alcuni seguivano
dai loro tavoli ed altri si sono avvicinati osservando
Winrad su uno schermo LCD ad alta luminosità.
►
Il luogo delle prove non era ideale per la
presenza di vegetazione nelle vicinanze e per la
presenza di edifici che bloccavano alcune direzioni;
tuttavia siamo riusciti a fare dei buoni collegamenti.
►
►
Presento alcune foto dell’attività. (FOTO da 1 a 6)
La stazione completa. Manca solo il laptop
Puntando verso il monte Diablo attraverso la vegetazione
Difficile puntamento verso le colline “Oakland Hills” attraverso una casa
Il collegamento verso AA6HA era una rifrazione a lama di coltello
attraverso la grande parabola di Stanford
Diagramma a blocchi del Transceiver dei 10GHz. :
Come funziona la sottocampionatura?
Tutti i campionatori digitali, inclusi i convertitori A/D, hanno
la possibilità di sotto campionare. Il principio di Nyquist ci
dice che è possibile acquisire e quindi ricostruire un segnale
fino al 50% della cadenza di campionatura.
Tutte le frequenze presenti all’ingresso di ogni campionatore,
inclusi i convertitori A/D, saranno specchiate dentro la
gamma che costituisce la normale copertura in frequenza, e
cioè la Regione 1 di Nyquist.
Nel caso di Perseus, la frequenza di campionatura è di 80
MHz; quindi la frequenza di Nyquist é 40 MHz., e la Regione
1 di Nyquist è di 0-40 MHz.
Escludendo il preselettore del Perseus, è possibile
ricevere la frequenza di 50 MHz specchiata a 30 MHz.
Qui siamo nella Regione 2 di Nyquist. Le regioni con
numero pari vengono sovrapposte a quelle con numero
dispari, proprio come con l’iniezione di segnali lato alto.
La sintonia si fa quindi in senso retrogrado: ad esempio
i 79 MHz si riceveranno quando la sintonia dell’RX è ad
1 MHz.
La regione 3 di Nyquist si trova fra 80 e 120 MHz.
Almeno un utente del Perseus ha ascoltato una stazione
FM commerciale locale sintonizzandosi a 15 MHz. Dato
che la regione ha numero dispari, la sintonia sarà
diretta e non retrograda.
La regione 4 di Nyquist va da 120 a 160 MHz. Così, se
voglio ricevere i 144 MHz, la sintonia dovrà essere a 16
MHz, con spettro invertito.
Esiste ora una nuova versione di Winrad che contiene gli
algoritmi appropriati per inviare a Perseus la frequenza
corretta corrispondente a quella indicata sul display. E’ in
grado, inoltre, di reinvertire lo spettro,in modo che le
frequenze di ricezione in aumento appaiono sullo schermo da
sinistra a destra, come normalmente avviene; in più la USB é
demodulata correttamente come USB e non come LSB.
►
La mia frequenza IF 144 MHz appare direttamente sullo
schermo Winrad. Sarebbe anche possibile aggiungere dati
dall’oscillatore locale per leggere direttamente i 10368 MHz,
ma si genererebbero troppe cifre e la lettura sarebbe difficile.
►
Modificando Perseus
►Ho
deciso di acquistare un secondo Perseus e
modificarlo per la sottocampionatura per vari motivi. La
progettazione del ricevitore è eccellente.
►La
campionatura in uscita dalla FPGA varia fra 125
kHz e 2 MHz, con buona linearità e senza risposte
spurie. Dunque, eventuali risposte spurie sono solo
dovute al convertitore A/D e circuiti a monte. I drivers
per Winrad sono eccellenti e funzionano sempre
benissimo.
►Altro
fattore importante è la mia passione per il
progetto, la costruzione e la messa a punto di nuovi
circuiti, quindi questo ha rappresentato una
interessante sfida per me.
E’ importante ricordare che, una volta acquistato
Perseus, se lo si modifica non si può più contare
sull’assistenza della Microtelecom.
Il Perseus contiene un amplificatore differenziale
che deve essere rimosso o disconnesso, in quanto
non ha la larghezza di banda necessaria per
operare a 144 MHz. Anche il preselettore copre solo
le HF. Il convertitore A/D è un Linear Technology
LTC2206-14 (datasheet su WWW.LINEAR.COM).
Il datasheet contiene gli elementi necessari per le
modifiche da apportare. Lo schema dell’apparecchio
è proprietario della Microtelecom, ma non è
indispensabile per la modifica.
Un problema da affrontare
per la rimozione
dell’amplificatore differenziale e dei suoi componenti è che le
saldature sono fatte con stagno ROHS privo di piombo,
cosicché il punto di fusione delle stesse è superiore a quello
dello stagno normale di circa 30 C.
►
Io uso correnti localizzate di aria calda, riscaldando il
circuito da entrambi i lati con ugelli appositi. Non è
semplicissimo
rimuovere
questi
componenti
senza
danneggiare altri componenti vicini.
►
Ho
dovuto
aggiungere
un
trasformatore
sbilanciato/bilanciato e cambiare alcuni componenti di
adattamento. L’ ingresso al ricevitore è fatto adesso con uno
spezzone di cavo teflon RG316/U ed un connettore BNC
adatto. Il tutto è contenuto in una scatola metallica
schermante. (foto 7-8)
►
Vista finale del contenitore speciale di Perseus
Qualche dettaglio sulle prove al banco
Dato che il ricevitore è del tipo a campionamento digitale
diretto, non ha senso fare il test di IMD a due toni.
Come sostituzione, ho determinato la soglia di rumore,
misurando quindi il minimo segnale ricevibile con un
preamplificatore a due stadi MOSFET a 144 MHz e con il
transverter 10 GHz.
A 144 MHz, senza preamplificazione, ho potuto determinare il
range dinamico con tono singolo, ed era circa 80 dB, legato
ad un prodotto del quarto ordine. Il range dinamico è
inferiore a quello desunto dal datasheet del convertitore A/D
LTC, ma può essere migliorato con una base dei tempi a
jitter più basso ed ottimizzando i circuiti di adattamento
all’ingresso.
Il segnale minimo ricevibile in 2 metri ed anche in 3 cm. è
risultato attorno a -140dBm, prestazione che va benissimo in
ambiente non elettricamente troppo rumoroso. Il guadagno
del preamplificatore è stato regolato a 20 dB.
Il preamplificatore doppio stadio a MOSFET per 144 che ho
usato non ha una grande dinamica, ma ha circuiti di ingresso
ed uscita ad alta impedenza con buona selettività.
E’ importante di evitare l’arrivo di segnali fuori della banda
144 MHz. al convertitore A/D altrimenti si ritroveranno in
banda desiderata. Misure fatte a 432 MHz, senza
preamplificatore, indicano che il convertitore A/D e la rete di
adattamento determinano una perdita di soli 3 dB rispetto ai
144. Penso di sviluppare il concetto per progetti futuri in 432.
Altri sviluppi futuri
Conto di modificare Perseus usando una base dei tempi
esterna con basso rumore di fase e basso jitter, agganciata
in fase ad un riferimento a 10 MHz. Ciò dovrebbe migliorare
la dinamica. Sto realizzando anche un trasmettitore SDR che
possa totalmente sostituire il trasmettitore analogico che uso
attualmente.
In un futuro non lontano, dovrebbero essere disponibili
ricevitori a campionamento diretto con frequenza di
campionamento di oltre 300 MHz. Il sottocampionamento
aumenta il jitter della base tempi, il rumore relativo ed anche
i problemi di campionamento e mantenimento (sample and
hold) del convertitore A/D. Ad ogni modo, non è detto che
un convertitore A/D con una frequenza di campionamento
molto alta funzioni meglio perché il numero effettivo di bit ed
il range dinamico esente da spurie tendono a diminuire con
l’aumento della frequenza di campionamento.
73,
Jeffrey Pawlan IEEE Senior Member
WA6KBL
[email protected] or [email protected]
www.pawlan.com
www.winrad.org
Crediti
Ringrazio la IEEE MTT-S e il socio Michael Forman per le sue ottime fotografie
Un ringraziamento ai seguenti membri del 50MHz & Up Group of N. Calif. che hanno
contribuito ai contatti per la mia dimostrazione:
Randy Neals
Brian Yee
Jim Moss
John Ekiss
KI6TWT
W6BY
N9JIM
AA6HA
A Nico Palermo, IV3NWV, progettista del ricevitore Perseus
A Charles Buse HB9EGW per il suo lavoro e per le migliorie apportate al
programma Winrad, a Alberto I2PHD per il suo lavoro concedendo il sorgente del
progetto originale Winrad.
Traduzione di I5CTE Piero
Questa presentazione puo’ essere utilizzata e pubblicata liberamente, come autorizzato da Jeffrey Pawlan ,
WA6KBL, a:
Giancarlo Moda, I7SWX, sezione ARI di Cassano delle Murge BA – IQ7MU
non apportando modifiche non autorizzate e mantenendo il copyright di Jeffrey Pawlan, WA6KBL. 5-06-2009