|
Trefwoorden |
De
QSD kaart
Op basis van deze artikelen en
de enthousiaste verhalen van de eerste SDR1000 bezitters, zijn er op meerdere
plaatsen initiatieven ontplooid om zelf ook zo'n SDR ontvanger te gaan
bouwen. In Electron van december 2007 staat een verslag van
Principe van de Tayloe mengtrap De SDR1000 is opgebouwd rond het principe van een directe conversie ontvanger, op basis van wat bekend is geworden als de Tayloe mengtrap. Het principe vinden we in figuur 1.
In figuur 1 zien we een antenne die direct is verbonden met een schakelaar. Achter de schakelaar vinden we een condensator, die wordt uitgelezen door een versterker met een hoge ingangsimpedantie, zodat de lading op de condensator niet kan weglekken. Met de klok oscillator kunnen we de schakelaar open en dicht zetten, zonder dat de (digitale) kloksignalen de (analoge) antennesignalen kunnen beïnvloeden. Stel dat er een kort moment een (kleine, gelijk-) spanning aanwezig is op de antenne en dat we gedurende dit korte moment de schakelaar sluiten. De antennespanning komt nu op de condensator en via de versterkt op de uitgang hiervan. Juist voor de antennespanning weer verdwijnt, wordt de schakelaar geopend en zal de gelijkspanning op de condensator achter blijven. Deze spanning zal ook op de uitgang van de versterker staan, wat er verder ook op de antenne gebeurt. Dit noemen we een 'sample-and-hold' schakeling. Stel vervolgens dat een geen gelijkspanning op de antenne aanwezig is, maar een wisselspanning. Stel verder dat we de schakelaar steeds gedurende een kort moment sluiten op het moment dat de wisselspanning zijn maximale waarde bereikt en dat we de schakelaar meteen daarna weer openen. Op de condensator verschijnt nu de gemiddelde waarde van de spanning die aanwezig was gedurende de tijd dat de schakelaar gesloten was, in dit voorbeeld dus vrijwel de topwaarde van de wisselspanning op de antenne. Als we dit steeds herhalen op hetzelfde moment, blijft er op de condensator steeds dezelfde gelijkspanning staan, die we ook als een (nu constante) gelijkspanning kunnen afnemen aan de uitgang van de versterker. Voor de antenne lijkt het alsof er helemaal geen condensator is aangesloten, omdat de spanning op de antenne steeds gelijk is aan de spanning op de condensator op het moment dat we de schakelaar sluiten; er hoeft dus ook geen laadstroom te vloeien en de antenne 'ziet' daarom geen enkele belasting. Voor alle signalen die niet veranderen in het ritme van de schakelaar is de bijdrage op de condensator op het ene moment positief en op het andere (misschien) negatief. Gemiddeld zal deze spanning altijd ongeveer nul zijn en levert daarmee geen bijdrage aan de uitgang van de versterker. Voor al deze spanningen moet de condensator echter steeds geladen en ontladen worden, waardoor de belasting van de antenne hoog zal zijn; in feite wordt de antenne hiervoor kortgesloten met de condensator. Voor de signalen in het klok-ritme (afstemming) is de ingangsimpedantie daarom hoog en voor alle signalen daarbuiten is deze laag; dit mechanisme vormt op zichzelf al een vorm van ingangsfiltering. Op de antenne zijn in principe alle signalen aanwezig die op dat moment kunnen worden ontvangen, omdat er geen enkele vorm van selectie plaats vindt tussen de antenne en de schakelaar. Door op het juiste moment de schakelaar steeds even te sluiten, meten we echter steeds de waarde van spanning van die ene spanning en niet van alle andere spanningen die een kort moment eerder of later op de antenne stonden. Door de schakelaar op het juiste moment te bedienen hebben we dus een mechanisme gecreëerd om heel selectief een enkele frequentie te selecteren en te meten. Door de klok frequentie van de schakelaar te variëren hebben we dus een methode om selectief een bepaalde frequentie te kiezen uit alle frequenties die op de antenne worden aangeboden. Stel opnieuw dat we schakelen in het ritme van een bepaalde frequentie en dat de maximale waarde van die frequentie varieert in het ritme van een morse signaal. Op de condensator, en dus ook op de uitgang van de schakeling verschijnt nu een gelijkspanning die varieert in het ritme van dit morse signaal. Met deze schakeling hebben we dus niet alleen de draadgolf frequentie van het morse signaal geselecteerd, maar ook het signaal zelf herleid (gedemoduleerd) tot het oorspronkelijke aan / uit signaal van de morse sleutel. Dit signaal 'staat' op de gemiddelde waarde van het HF draaggolf signaal. Deze gelijkspanning wordt 'verwijderd' aan de uitgang van de versterker m.b.v. de uitgangscondensator, zodat we op de audio-uitgang het zuivere morse (wisselspanning) signaal over houden. Bedenk dat de 'sample-'condensator steeds even moet worden bijgeladen als de draaggolf omhoog gaat en moet worden ontladen als deze terugvalt naar een lage waarde. Op deze momenten moet de antenne dus even stroom leveren of ontvangen en 'ziet' de antenne dus een zekere belasting. Gemiddeld over de hele (morse) tijd dat de draaggolf hoog of laag is, is deze stroom natuurlijk maar kleine zodat de antenne belasting ook niet groot is. Toch is dit een mechanisme waardoor de belasting van de schakeling op de antenne hoger wordt naarmate de signaalcomponenten verder weg liggen van de exacte frequentie van de klok-oscillator. In plaats van het morse signaal kunnen we natuurlijk ook een in amplitude gemoduleerd spraaksignaal op de antenne aanbieden, en verschijnt er op de uitgang van de schakeling het gedemoduleerde spraaksignaal. Ook hier zien we een toenemende antenne belasting naarmate de spraak componenten hoger in frequentie zijn, dus verder weg liggen van de klok-oscillator. Bedenk ook dat de spanningen op de 'sample-'condensator gelijk zijn aan de oorspronkelijke HF antenne signalen en dus heel klein. Een sterk radio-signaal heeft een ontvangststerkte van S-9 en dat is gelijk aan een spanning van 50 μV over 50 Ohm. Als we hier een hoorbaar signaal van willen maken, zal er dus nog enige na versterking plaats moeten vinden. Indien we op een luidspreker met een impedantie van 5 Ohm een signaal van 50 mW willen horen, komt dit overeen met een spanning van 0,5 V. en is er dus een na versterking nodig van 0,5 / 50 μV = 10.000x. Deze versterking is zeker nog niet voldoende als we bedenken dat dit S-9 signaal al relatief sterk is en dat er ook signalen voor komen van (veel) minder dan 0,5 μV. De versterking moet geleverd worden door de uitgangsversterker in samenwerking met de versterkers op de audio-kaart in de PC. Hoe deze optimaal moeten worden ingesteld wordt beschreven in een apart hoofdstuk. Het is duidelijk dat de getekende versterker zeer goede eigenschappen moet bezitten op het gebied van ruis en lineariteit. Zoals we zagen ontstaat er op de sample condensator een gemiddelde gelijkspanning die een deel van het dynamische bereik van de versterker zal beslaan, en die we daarom het liefst kwijt zouden zijn voordat dit de versterker bereikt. Het is daarmee duidelijk dat het bovenstaande verhaal over de ingangsschakeling niet meer dan een vereenvoudigde voorstelling van de Tayloe schakeling is en dat een praktische uitvoering hiervan iets gecompliceerder zal zijn. Een praktische Tayloe
schakeling In werkelijkheid komen er op de sample condensator ook signalen voor, afkomstig van hetzelfde HF signaal, die gespiegeld zijn t.o.v. de exacte ontvangstfrequentie en die we liever kwijt zouden zijn. Het principe uit de voorgaande hoofdstukken moet dus nog wat worden 'aangekleed' om te komen tot een praktische uitvoering. In de SDR zien we daarom bovenstaande principes terug in de schakeling van figuur 2.
Figuur 2. De Tayloe schakeling in de QSD-kaart In de schakeling van figuur 2 herkennen we met enige moeite de principes die hiervoor werden behandeld. De enkelvoudige schakelaar blijkt nu uitgevoerd in twee groepen van vier, die door de klok oscillator (2-bits, dus vier standen) achtereen volgens worden aangestuurd. Deze klok-oscillator loopt vier maal zo snel als het binnenkomende signaal, waardoor de antenne vier maal in een enkele periode van het HF signaal wordt verbonden met de sample condensatoren. In de eerste stand zijn de eerste en vijfde schakelaar gesloten, waardoor de antenne via de gebalanceerde ingangstransformator met de twee condensatoren wordt verbonden die met de plus- en min-ingang van de bovenste instrumentatie versterker zijn verbonden. Een binnenkomend HF signaal wordt nu gedurende 1/4 deel van de tijd geïntegreerd door de condensatoren, zie eerste rode vak in figuur 3. Bij de volgende klokstap zijn de tweede en zesde schakelaar gesloten en zijn de condensatoren van de onderste versterker gedurende 1/4 deel van de periode verbonden met de transformator, in figuur 3 het eerste blauwe vak. Bij de derde stap worden de vierde en achtste schakelaar aangestuurd en is de antenne weer verbonden met het bovenste systeem (het tweede rode vak), maar nu met omgekeerde ingangstransformator. Omdat ook het ingangssignaal nu omgekeerd is van teken, telt het binnenkomende signaal op bij de spanning die in de vorige fase op de condensator was ontstaan. Door deze methode wordt het overzet rendement van HF naar LF signaal verdubbeld en worden eventuele verschillen in de ingangstransformator opgeheven. Bij de laatste stap wordt weer de onderste versterker aangestuurd door schakelaar 3 en 7, eveneens in omgekeerde toestand ten opzichte van de eerste maal (tweede blauwe vak). Ook hier wordt opnieuw het binnenkomende signaal opgeteld bij de eerdere spanning, net als bij de vorige fase. Dat de telvolgorde is: 1, 2, 4, 3 i.p.v. de meer logische volgorde 1, 2, 3, 4, heeft te maken met de aansturing door een Johnson telwerk, die toevallig deze schakelvolgorde produceert.
In figuur 3 is duidelijk te zien dat de opgebouwde spanning op de bovenste versterker (rode vakken) een fase verschuiving heeft van negentig graden t.o.v. de spanning op de onderste (blauwe vakken). Deze spanningen noemen we daarom de I (In-fase) en de Q (Quadratuur, of 90 graden verschoven) signalen. Met de wiskundige bewerkingen in de SW van de SDR1000 is het juist door dit faseverschil van 90 graden tussen deze I en Q signalen mogelijk om de eerder genoemde 'spiegel' te verwijderen en ook verschillende signaalbewerkingen toe te passen waarbij o.a. verschillende modulatievormen te kunnen worden 'gedecodeerd'. Iemand zei eens: "Geef mij een I en Q signaal en ik decodeer de wereld". Een ander verschil met het eenvoudige, eerdere voorbeeld zijn de twee spoelen met weerstand die de sample-condensatoren overbruggen; deze zorgen er voor dat de ingangsimpedantie niet te hoog kan oplopen als de schakelfrequentie precies gelijk is aan de ontvangstfrequentie. Hierdoor wordt de antenne gelijkmatiger belast voor frequenties in de buurt van afstemming en wordt de antenne (en voedingskabel) met de juiste impedantie afgesloten. De juiste afsluitimpedantie voorkomt spanningsreflectie (SWR ~ 1) en daarmee onnodige verliezen in het antenne voedingsysteem. Het valt verder op dat het midden van de ingangstransformator weleenswaar voor wisselspanning aan aarde ligt, maar voor gelijkspanning op een bepaalde waarde is gebracht. Deze voorziening zorgt er voor dat de schakelaars, die bestaan uit FET transistoren, in een zo gunstig mogelijk werkgebied worden ingesteld, waardoor ook voor grote(re) ingangssignalen de lineariteit van het geheel lang blijft gewaarborgd, hetgeen gunstig is voor het IP3 gedrag (waarover meer in een ander hoofdstuk). Bovendien wordt hierdoor het onderlinge verschil tussen de FET schakelaars verminderd, hetgeen gunstig is voor de spiegel onderdrukking (waarover meer in een ander hoofdstuk). Zoals we hiervoor hebben gezien wordt de Tayloe mengtrap aangestuurd met een frequentie die vier maal zo hoog is als de gewenste ontvangstfrequentie. Verder zagen we dat deze viervoudige frequentie moet worden aangeleverd op twee logische lijnen, waarmee de posities van 1 t/m 4 van de schakelaars kunnen worden aangegeven. De hierbij behorende logische signalen doorlopen dan de waarden 0 t/m 3. De bekende Johnson teller levert deze waarden, echter in de volgorde als eerder aangegeven, n.l. 0, 1, 3, 2. Om deze schakeling vanuit een laag vermogen, HF generator aan te kunnen sturen, is een simpele voorversterker voldoende, waardoor de hele aanstuurschakeling er (gestileerd) uit kan zien als in figuur 4.
De complete schakeling van de QSD-kaart vinden we in figuur 5.
Figuur 5: Het schema van de QSD kaart In het schema van figuur 5 herkennen we links boven de klok-oscillator met aanstuurversterker. Daaronder vinden we de ingangschakelaars van de Tayloe mengtrap in de vorm van het IC: FST3253 met daarachter de sample- condensatoren en de twee instrumentatie versterkers, INA163. Hiertussen in staat een hulp schakeling voor omschakeling van de versterking. Links onder vinden we tenslotte een DC-DC omzetter, die in bepaalde gevallen de negatieve voedingsspanning voor de versterkers verzorgt. De kaart aansluitingen en verdere bijzonderheden staan in de volgende paragraaf. De aansluitingen van de QSD-kaart Hiermee zijn de voornaamste componenten en hun werking beschreven op het kaartje dat door het SDR- bouwgroepje is ontwikkeld uit de informatie van de SDR1000 ontvanger. Tot slot vinden we in figuur 5
nog een lay-out van deze 'QSD-kaart' met de ontwerper hiervan:
De aansluitpunten hebben de volgende betekenis. 1 + 2: Hierop wordt de ingangstransformator aangesloten, met de symmetrische zijde aan aansluitingen JP1 en de antenne aan aansluiting 2. 3: De QSD kaart kan op verschillende manieren worden aangestuurd door de oscillator. Wanneer gebruik wordt gemaakt van de interne Johnson teller, dienen deze punten te worden overbrugt met 'jumpers' (vertikaal). 4: Bij gebruikmaking van de Johnson teller wordt op het punt 'generator' een externe HF bron aangesloten, met een uitgangsimpedantie van ca 50 Ohm en een uitgangsspanning tussen 0 en -10 dBm. De frequentie hiervan is vier maal zo hoog als de gewenste ontvangstfrequentie. Denk er aan dat vrijwel alle (ook professionele) HF generatoren een te hoog achtergrond ruisniveau vertonen. Beter is hiervoor een kristal oscillator toe te passen, b.v. van het type als toegepast in de IP3 generator, die in een ander hoofdstuk wordt besproken. 5: Bij externe oscillator aansturing van de QSD-kaart kan op de punten gemerkt 'DDS' een direct digital synthesizer bord worden aangesloten, die ook door de SDR-groep werd ontwikkeld. Bij gebruik van deze mogelijkheid dienen de jumpers van punt 3 te worden verwijderd. 6: Met een jumper op de pennen gemerkt: Gain, kan de versterking van de QSD-kaart worden ingesteld. Met de jumper geplaatst is de versterking 10x (ingang aan aarde), zonder jumper is dit 100x. Hoe de QSD-kaart optimaal kan worden ingesteld, wordt in een ander hoofdstuk besproken. 7: Met de jumper gemerkt RX/TX kan de Tayloe schakelaar worden uitgeschakeld, d.w.z. in een toestand met alle schakelaar open worden geplaatst. Deze situatie heeft de voorkeur indien de QSD kaart in een zend-ontvanger wordt toegepast, in de stand 'zenden'. Er dient dan toch voor te worden gewaakt dat de spanning (van de zender) op de QSD ingang niet hoger wordt dan enkele volts, omdat anders de interne beveiligingsdioden van de schakelaar kunnen gaan geleiden waardoor er aan de ingang toch enige stroom kan gaan lopen. Bij nog grotere spanningen kan het ingangscircuit gemakkelijk worden beschadigd. Voor ontvangst bedrijf dient de jumper te worden geplaatst (RX-positie; ingang aan aarde). 8 + 9 + 10: Deze jumpers verzorgen een keuze tussen verschillende voedingsmogelijkheden van de QSD-kaart. a: De kaart wordt gevoed met een enkelvoudige voedingsspanning tussen 7 en 15 Volt, aangeboden op de pennen 11 (linker twee pennen, meest linker is plus). Hiervoor wordt jumper JP5 in de onderste positie geplaatst, evenals jumper JP11. Een jumper dient verder ook de pennen JP2 door te verbinden. De versterkers worden nu gevoed met een interne spanning van + en - 5 volt, waarvan de negatieve spanning wordt verzorgd door een DC/DC omzetter. Deze mogelijkheid kan nuttig zijn bij gebruik van de QSD- kaart in een situatie waar alleen een enkele positieve spanning voorhanden is, b.v. bij mobiel gebruik. Indien niet per-sé noodzakelijk is deze voedingsmogelijkheid echter af te raden omdat hierdoor de eigenschappen van de versterkers minder optimaal zijn en de DC-omzetter een ruisbijdrage levert op de ontvanger ingang. b: De kaart wordt gevoed met twee externe spanning van + en - 10 V. tot + en - 15 V. (hoger is beter), aangeboden op de pennen 11: op links de positieve spanning, op rechts de negatieve. Nu dient jumper JP5 in de bovenste positie te worden geplaatst, evenals jumper JP11. De jumper op JP2 kan beter worden verwijderd, waarmee de DC-omzetter wordt uitgeschakeld. De versterkers worden nu gevoed met de hogere voedingsspanning terwijl de logische circuits nog steeds een voedingsspanning van 5 V. krijgen aangeboden. Bob J. van Donselaar, on9cvd@veron.nl
|
|
