Forum HomeMade

Joker SDR - Simple SDR HF transceiver project

Witam wszystkich przeglądających ten wątek.
Przedstawiam tutaj projekt transceivera Joker, który tworzę obecnie przy współpracy z Piotrem SP9LVZ.

[attachment=16084]

Ze względu na zapis w regulaminie o obowiązku umieszczania grafik w formie załączników 
oraz zgłoszenia o zbyt długim czasie wczytywania strony wątku przez zdjęcia na zewnętrznym serwerze, 
przygotowałem do pobrania dokument zawierający kompletny wpis wraz ze wszystkimi zdjęciami.

Bardzo fajnie zapowiedziany nowy temat. Życzę Autorowi oraz Jego analogowemu Koledze dużo pozytywnych emocji w prowadzeniu wątku oraz pomyślnej realizacji projektu.

W dzisiejszym dokumencie opowiem o sposobie na adresowanie modułów zewnętrznych podłączonych przez I2C.

W dzisiejszym dokumencie opiszę interesujące rzeczy o sposobach przetwarzania sygnałów jakie działają w programie Joker.

W dzisiejszym dokumencie opiszę eksperymentalne podejścia do użycia dużego ekranu w przyszłości.

Koncepcja TRX SDR JOKER SSB/CW

Transceiver Joker został zaprojektowany jako typowy układ urządzenia odbiorczo-nadawczego z cyfrową obróbką sygnału SDR (Software-Defined Radio). 
Fundamentalnym założeniem technologii SDR jest przeniesienie przetwarzania sygnałów na oprogramowanie.
W projekcie Joker mikrokontroler przetwarza sygnały audio, w którym operacje wykonywane są  jako procesy sygnałowe DSP (Digital Signal Processor).
Poniżej przedstawiam koncepcję wykonania transceivera w wersji wielopasmowej QRP SSB/CW, dla której będą opracowane płytki jako zestaw uruchomieniowy.

Zestaw podstawowy JOKER SSB/CW

Moduł cyfrowy został już wcześniej opisany. Jest uniwersalnym modułem sterującym, na bazie którego można wykonać transceiver na wiele sposobów.
Przykładowo, na dowolną ilość pasm,  SSB+CW lub tylko CW. Możliwa jest realizacja wersji jako odbiornika dla nasłuchowca, a w przyszłości rozbudowa do transceivera w zależności od zastosowanych modułów.
Cechą charakterystyczną Jokera jest wykorzystanie 24 bitowych przetworników, co wpływa na wysoką jakość sygnałów.
Przetwarzanie 24 bitowe stosowane jest w transceiverach fabrycznych SDR z najwyższej półki znanych marek (YAESU, ICOM,…).



1. Moduł mieszacza, wzmacniaczy AF i generator Si5351.
Moduł ten odpowiada za demodulację i modulację sygnałów (odbiór SSB i CW, nadawanie SSB) oraz tworzenie sygnału CW direct na fali nośnej, generowanego z Si5351 kluczowanego przez mikrokontroler. W module będą użyte dwa niezależne podwójne mieszacze, jeden dla odbioru, drugi do nadawania. Każdy z nich będzie miał własny układ wzmacniaczy audio.
Rozdzielenie tych torów da wysoką jakość odbieranych i nadawanych sygnałów. Kluczowanie automatyczne sygnałów telegraficznych odbywa się w mikrokontrolerze, który steruje generatorem na wyjściu CLK2. Nie ma potrzeby realizacji dodatkowego kluczowania nośnej CW np. w nadajniku. Takie programowe rozwiązanie bardzo uprasza układ obsługi TX CW transceivera.
Sygnał CW z Si5351 będzie podawany bezpośrednio na BPF z ominięciem toru modulatora SSB.

2. Moduł filtrów pasmowych BPF, ATT, PRE-AMP.
Filtry pasmowe BPF będą wykorzystywane przy odbiorze i nadawaniu. Zadaniem BPF jest odfiltrowanie produktów niepożądanych z sygnału radiowego.
W przypadku układu homodynowego, problem produktów niepożądanych powstałych w mieszaczu nie stanowią częstotliwości lustrzane, a częstotliwości będące harmonicznymi LO.
Chodzi o to, by odbiornik nie odbierał zakłócających sygnałów radiowych, które są wielokrotnością częstotliwości LO, a nadajnik ich nie emitował.
W układzie transceivera klasycznego z przemianą częstotliwości, jeśli częstotliwość pośrednia jest wysoka - odfiltrowanie lustrzanki jest łatwe.
W przypadku układu homodynowego jeśli odfiltrowanie częstotliwości harmonicznych podczas pracy odbiornika będzie zbyt małe, można nie wyłączać podczas odbioru filtru dolnoprzepustowego LPF nadajnika. Takie działanie poprawi znacznie tłumienie sygnałów niepożądanych.
Układ ATT (tłumik antenowy) oraz PRE-AMP (wzmacniacz antenowy o wysokim IP3) dadzą możliwość zwiększenia zakresu dynamiki odbiornika.
Włączenie PRE-AMP da wzrost czułości odbiornika na wyższych pasmach.  Zespół filtrów pasmowych oraz ATT-PRE-AMP będą sterowane z mikrokontrolera magistralą I2C oraz sygnałem N/O (nadawane/odbiór).
Sterownik Joker obsługuje pasma: 80-40-30-20-17-15-12-10m. W celu uproszenia konstrukcji filtry pasmowe zostaną tak wykonane, by dwa z nich pokrywały wspólnie pasma 17 i 15m oraz wspólnie 12 i 10m. Takie rozwiązanie zmniejszy ilość obwodów BPF z ośmiu do sześciu. BPF będzie wykonany na elementach L, C typu SMD. Nie będzie konieczności nawijania cewek i strojenia obwodów, co znacznie uprości konstrukcję.

3. Moduł wzmacniacza nadajnika i filtrów dolnoprzepustowych LPF.
W TRX Joker wykorzystamy sprawdzony układ wzmacniacza nadajnika z TRX B-L-U, wersja QRP na dwóch tranzystorach RD07MUS2B. Pozwoli to na uzyskanie mocy w granicach 5-7W mocy wyjściowej, tak jak w typowych fabrycznych transceiverach  QRP. Z tego poziomu mocy sterują się wzmacniacze końcowe o mocach 100-300W.
Podczas odbioru układ wzmacniacza QRP będzie omijany układem przekaźników.
Ostatnim elementem transceivera będzie zespół filtrów dolnoprzepustowych nadajnika LPF. Obwody LPF będą wykonane na rdzeniach pierścieniowych z materiału T37-2/6 lub T50-2/6.
Będzie to klasyczny układ pi-filtru. W celu uproszenia konstrukcji, podobnie jak w BPF obwody zostaną wykorzystane wspólnie dla pasm 17 i 15m oraz 12 i 10m.

Kwestia wzmacniacza głośnikowego odbiornika. W projektowanym rozwiązaniu sygnał audio uzyskiwany jest na wyjściu kodeka DAC. Jego poziom przystosowany do słuchania na słuchawkach, co w przypadku mini TRX do pracy w terenie jest w zupełności wystarczające. Korzystając z tego wyjścia można podłączać zewnętrzny głośnik aktywny lub wykonać własny wzmacniacz głośnikowy zabudowany w urządzeniu. Konstruktorzy mają swoje upodobania co do rozwiązań wzmacniaczy audio, w związku z tym tą kwestię zostawiamy otwartą.

Wersja  JOKER CW TX
Wersja Jokera tylko dla CW będzie miała możliwość odbioru zarówno emisji CW jak i SSB. Pod tym względem będzie tak samo funkcjonować jak wersja podstawowa.
Różnica będzie polegała na braku toru formowania sygnału SSB (brak mieszacza nadajnika). Uprości to konstrukcję gdyż mieszacz – demodulator odbiornika nie musi mieć elementów przełączających N/O (nadawanie – odbiór). W związku z tym będzie można wykonać prostszy moduł demodulatora np. z wykorzystaniem mieszaczy diodowych zamiast kluczy.
W przypadku wersji telegraficznych mini transceiverów, często interesuje nas mniejsza ilość pasm, tak by przystosować urządzenie do pracy w terenie jako wakacyjne lub do różnych aktywacji (SOTA, POTA, BOTA,…).  W takim przypadku wraz ze zmniejszeniem wymagań co do funkcji transceivera zmniejszy się tez jego wielkość, ciężar, wymogi zasilania, itp.



Atutem projektu JOKER jest budowa modułowa. Daje to duże pole do popisu dla konstruktorów, w przeciwieństwie do sytuacji gdy dostajemy do złożenia projekt zamknięty, często jednopłytkowy. Trudno jest w takiej sytuacji coś zmienić, a wszelkie własne przeróbki kończą się często zniszczeniem płytek bazowych.
Głównym elementem Jokera jest uniwersalny moduł - sterownik cyfrowy ESP32-S3 z kodekami.
Wykorzystując go można wykonać transceiver wg własnego pomysłu projektując indywidualnie moduły mieszacza, filtrów, PA,.. itd.

Do prezentowanej podstawowej koncepcji Jokera wykonana została już pierwsza płytka – filtry pasmowe odbiornika BPF.
Poniżej zdjęcie dwóch stron płytki. Po zmontowaniu i pomiarach charakterystyk przedstawię dokładny opis, schemat wraz z układem przełączania i sterowania.



UWAGA : W celu zachowania czytelności wątku i możliwości wygodnej aktualizacji wpisów,
bardzo proszę wszystkich o ewentualne dyskusje w przygotowanym do tego miejscu.
Wpisy tutaj będą tworzyły osoby zaangażowane w projekt, przedstawiając bieżące postępy z prac.
Link do dyskusji >>> tutaj <<<

W dzisiejszym dokumencie jeszcze raz odniosę się do dużych ekranów z wyborem ich wielkości.

Płytka filtrów pasmowych BPF Joker – realizacja.

Projektując zespół filtrów pasmowych do Jokera uwzględniłem głosy kolegów wykonujących  transceiver B-L-U,
by zaproponować w przyszłości BPF równie dobry ale łatwiejszy w wykonaniu i nie wymagający strojenia.
Zadanie trudne, ale możliwe do realizacji. Podobnie jak poprzednio, układ oparłem na opracowaniach YU1LM.
Po przetestowaniu kilku wersji uznałem, że jest spełniająca oczekiwania.



Budowa filtru pasmowego.

Filtr można wykonać wykorzystując rdzenie proszkowe T37, nawijając na nich uzwojenia lub wykorzystując gotowe elementy indukcyjne w postaci SMD.
Najprostszym rozwiązaniem  jest oczywiście wykorzystanie elementów SMD, pod warunkiem ich dostępności i wysokiej jakości.

Zestaw elementów indukcyjnych SMD kupiony na AliExpress.
Nie określam ich jako cewki czy dławiki, używam określenia elementy indukcyjne.



Podobnie nabyłem potrzebne kondensatory SMD.



Poniżej zdjęcie w pełni zmontowanej i przetestowanej płytki BPF.



Na zdjęciu widać sześć obwodów filtrów dla pasm: 80m, 40m, 30m, 20m oraz wspólne dla 17-15m i 12-10m.
Przełączanie obwodów dokonywane jest przekaźnikami HFD4-5V. Obwody nie aktywne zwierane są do masy.
Tłumienie „przesłuchu” płytki mierzone pomiędzy gniazdem wejściowym a gniazdem wyjściowym w zakresie od 3 – 100 MHz wynosi ponad 95 dB.
Jest to granicą możliwości dokonania moich pomiarów analizatorem NanoVNA H4, co może oznaczać, że realnie jest jeszcze większe.
Atutem zaproponowanego zespołu filtrów jest to, że po zmontowaniu jest gotowy do użycia. Nie potrzeba nic stroić.
Dla pewności czy nie ma błędów w montażu dokonujemy pomiarów charakterystyk.
Warunkiem sukcesu jest użycie elementów LC o wartościach zgodnych z podanymi poniżej w tabeli.
Tłumienia filtrów w zakresach pasm są w granicach 0,8 – 1,2 dB.
Tłumienia poza pasmowe drugiej harmonicznej są na poziomach ponad 33dB, a trzeciej harmonicznej ponad 53 dB.

Pomiary charakterystyk filtrów.

Pokazuję ogólną charakterystykę, pomiary robiłem bardziej szczegółowiej w pasmach jak i poza pasmami w węższych zakresach przemiatania analizatora.
Pozostałe pomiary pokazałem na filmie z pierwszego uruchomienia BPF.

Pasmo 80m


Pasmo 40m


Pasmo 30m


Pasmo 20m


Pasma 17-15m




Pasma 12-10m




Łącznie jest sześć obwodów filtrów wykorzystywanych dla ośmiu pasm.


Dane użytych indukcyjności i pojemności.



Można próbować wprowadzać niewielkie korekty wartości dla uzyskania jeszcze lepszej charakterystyki, jednak na parametr tłumienia najbardziej wpływa jakość użytych elementów.

Układ sterowania.

Przełączanie filtrów pasmowych dokonywane jest automatycznie ze zmianą wybranego pasma w sterowniku Joker.
Na płytce BPF zostały umieszczone dwa układy scalone PFC8574A i CD4028.
Uwaga! Należy użyć PCF8574A z oznaczeniem A, gdyż pracuje on od napięcia 3,3V - to jest napięcie zasilania tych układów od strony ESP32.
Wyjaśnienie dlaczego takie rozwiązanie z dwoma układami.
Układ PCF8574 to 8-Bit I/O expander sterowany z ESP32-S3 magistralą I2C. Na wyjściach P0-P3 uzyskujemy informację w kodzie binarnym o wybranym w danym momencie paśmie.
Wadą PCF8574 jest to, że przy włączeniu zasilania przed podaniem sygnałów sterujących, na jego wyjściach panują stany wysokie H.
Gdybyśmy sterowali przekaźnikami BPF przez tranzystory pośredniczące wprost z PFC8574, to taka sytuacja powodowała by,
że wszystkie przekaźniki zostały by najpierw włączone w stan aktywny i dopiero po przejęciu kontroli przez mikrokontroler pozostałby  jeden aktywny.
Aby uniknąć dużego poboru prądu przy uruchomieniu i nieprzyjemnego klikania przekaźnikami, zdecydowaliśmy się wykorzystać pewną specyfikę układu CD4028 czyli BCD-to-Decimal decoder’a.

Schemat połączenia PCF8574A z CD4028.



CD4028 przy podaniu na jego wszystkie wejścia stanów wysokich H, daje odpowiedź stanami niskimi L na wyjściach, które nas interesują.
Dzięki temu po włączeniu zasilania, przekaźniki są nie aktywne do momentu rozpoczęcia pracy sterownika ESP32-S3.

Poniższa tabela przestawia logikę sterowania przełącznikiem pasm oraz sytuację podania stanów wysokich na wejścia DCBA.



W przełączniku pasm wykorzystujemy wyjścia CD4028 oznaczone S1 – S8.
Wyjście S0 jest pominięte, gdyż zwyczajowo odpowiada ono za włączanie filtru pasma 160m. W Jokerze nie ma pasma 160m.
By zachować kompatybilność z innymi rozwiązaniami BPF, które są sterowane CD4028, a mają pasmo 160m, zostało wykonane programowe przesunięcie o +1.
Dzięki temu przy podłączeniu sterownika Joker do BPF z pasmem 160m będzie prawidłowo realizowane przełączanie pasm 80-10m.
Wykorzystując proponowaną płytkę BPF, można wykonać ją dla mniejszej ilości pasm nie obsadzając wszystkich elementów.
W sterowniku wyłączymy pasma które nas nie interesują, a przełącznik będzie działać poprawnie.
W związku z tym, że obwody filtrów dla pasm 17 i 15m oraz 12 i 10m są wspólne, wyjścia z CD4028 dla tych par pasm są połączone przy użyciu diod by dopasować logikę sterowania.
Wyjście P4 PCF8574A zostało wykorzystane do sterowania przekaźnikiem nadawanie – odbiór, który jest włączany przy nadawaniu emisją CW lub włączeniu funkcji TUNE (TX CW).
Jest to potrzebne by podać generowany sygnał fali nośnej z CLK2 Si5351 wprost do filtrów pasmowych z pominięciem modulatora, a następnie do wzmacniacza nadajnika.
Sygnał LOCK z wyjścia P5 realizuje funkcję blokowania przekaźnika (TX CW) w okresie nieustalonych stanów PCF8574A po włączeniu zasilania.
Na płytce filtrów znajdują się kontrolne diody LED sygnalizujące stan włączenia poszczególnych przekaźników przełączających obwody pasmowe.
Umożliwia to szybką kontrolę poprawności pracy całego układu. Diody LED nie muszą być montowane.

Pozostałe testy sterowania BPF.
Moduł cyfrowy Jokera obsługuje komunikację CAT.
Korzystając z programu komputerowego posiadającego przyciski pamięci zapisanych częstotliwości na różnych pasmach, można zdalnie przeprowadzić kontrolę pracy modułu BPF.



Link do filmu na youtube obrazujący pierwsze uruchomienie, funkcjonowanie i test przełączania BPF z komputera.

                    >>>LINK<<<



Pierwsza płytka do wersji podstawowej Jokera została zmontowana i w pełni przetestowana. Pracuje poprawnie.
Na płytce można dowolnie wlutować zworki dla ustalenia adresowania I2C PCF8574. Daje to możliwość stosowania modułu z innymi sterownikami.
Joker w menu serwisowym posiada opcję ustawienia adresu PCF8574 gdybyśmy stosowali go z innym rozwiązaniem BPF.

Inne możliwości.
Jeśli chcielibyśmy wykorzystać moduł BPF  do współpracy ze sterownikiem z kodem binarnym dla BPF, to pomijamy PCF8574A, zostawiając na płytce tylko CD4028. W przypadku jeszcze innym możemy podawać sterowanie na bramki 2N7002, które załączają przekaźniki lub wręcz załączać przekaźniki bezpośrednio. Przekaźniki są sterowanie zwieraniem cewek do masy. 

Miejsce wlutowania zworek na płytce z opisem montażu.



Ustawienie adresu w sterowniku - domyślnie jest wpisany adres dla wszystkich zworek do masy.
Poniżej zdjęcie ekranu po wejściu do serwis menu - ustawienie adresu PCF8574A.



Widok PCB front wg. aktualnych plików gerber.



Widok PCF rewers wg. aktualnych plików gerber.



Na dzień wpisu nie posiadam kompletnego schematu płytki BPF, gdyż jak niektórzy z kolegów już wiedzą opracowuję PCB bez schematów, a schematy robię dopiero do końcowej wersji układu.
Główne elementy dotyczące filtrów są wyżej podane w tabeli, pozostałe elementy widać na powyższych widokach płytek, wszystkie są opisane na płytkach, można już kompletować.
Dodam tylko, że kondensatory o wartości 100nF, należy nabyć w dużych ilościach, gdyż na samej płytce BPF jest ich ponad 50 sztuk. Tym różni się schemat, który wszystko przyjmie od dobrze zaprojektowanej PCB. 

Załączam pliki gerber SDR_BPF_v II (poprawionej) dla płytki BPF spakowane .zip.

Jokera czas zacząć!


UWAGA : W celu zachowania czytelności wątku i możliwości wygodnej aktualizacji wpisów,
bardzo proszę wszystkich o ewentualne dyskusje w przygotowanym do tego miejscu.
Wpisy tutaj będą tworzyły osoby zaangażowane w projekt, przedstawiając bieżące postępy z prac.
Link do dyskusji >>> tutaj <<<

Wpis do usunięcia.

Płytka BPF w wersji oznaczonej IV 2025 ze zmienionym zasilaniem 3V3.

W pierwszej opublikowanej wersji płytki w post #8 przewidziane było doprowadzenie napięcia zasilania potrzebnego dla układów PCF8574 i CD4028 o wartości 3,3V z płytki modułu cyfrowego.
Tak było ono prowadzone w ramach testów wraz z magistralą I2C.
By zminimalizować ilość prowadzonych przewodów, pomyłek w podłączeniach, zwarć na zasilaniu czy innych problemów przetestowałem opcję,
by to napięcie uzyskiwać z stabilizatora na płytce BPF a płytka była zasilana tylko jednym napięciem (z zasilania transceivera 12-13,8V).
Przełączanie filtrów przy pomocy magistrali I2C z taką zmianą zasilania układów PCF8574 i CD4028 działa poprawnie.

Widok front płytki BPF w wersji oznaczonej jako IV 2025 z zaznaczonymi zmianami.



Widok rewers Płytki BPF w wersji oznaczonej jako IV 2025.



Złączam gerbery do wersji IV 2025.