Joker SDR - Simple SDR HF transceiver project

[SP9DK]

S-meter



Zgodnie ze standardem IARU, jednostka S powinna odpowiadać zmianie mocy sygnału o 6dB, czyli dwukrotnej zmianie napięcia
lub czterokrotnej zmianie mocy. Różnica pomiędzy S1 i S9 to 48dB, tak zaplanowane jest wskazanie wartości na s-metrze.
Przy tak dużej dynamice sygnałów s-metr musi pracować logarytmicznie, nie dałoby się tego pokazać na skali liniowej.
Sposób działania skali s-metra polega na wyliczeniu logarytmu dziesiętnego z amplitudy sygnału jak poniżej

x = √(I²+Q²)
S = 20 * log10(x)

Dokładnie tego sposobu liczenia używa Joker i pomimo tego, że jest to poprawne obliczenie, mieliśmy z Piotrem początkowo
wątpliwości dotyczące matematyki w programie albo interpretacji otrzymanego wyniku, o czym dyskutowaliśmy wiele razy.
Od wskazania S9 w górę czyli S9+10dB, S9+20dB, S9+30dB itd. wszystko się zgadzało, wynik jest powiększany o 10.
Natomiast poniżej S9 to co wynikało z kalkulacji nie pokrywało się zupełnie z tym co porównywaliśmy do FTDX10,
ale można było dostrzec ciekawą zależność. Gdy Joker wyliczył 6dB mniej, Yaesu zawsze pokazywało 2 kratki mniej.
To co dla Jokera było zejściem o dwie jednostki S w dół, dla FTDX10 było to zejście o cztery takie jednostki S.
Była to zabawna historia, gdzie Piotr upierał się, że program musi działać niewłaściwie, stawiając na standard IARU,
a ja broniłem się rozkładając szczegółowo każdą linię programu odpowiedzialną za zaświecenie zielonego pola.



Ostatecznie rozbieżność wynikała z tego, że to czołowi producenci radiostacji nie trzymają się normy 6dB na S.
Prawie zawsze odchodzą od tego standardu i domyślam się, że robią to po pierwsze dla komfortu użytkowników,
którzy lubią gdy na radiu coś się dzieje bo przy kroku 3dB miarka s-metra staje się bardziej żywa i atrakcyjna,
po drugie radio sprawia wrażenie, że jest bardzo czułe i świetnie pracuje przy dużej dynamice sygnałów,
a po trzecie nawet ciche tło pasma zawsze podniesie kilka belek s-metra co nie będzie ładnie wyglądało.
Niesie to za sobą bardzo interesujące wnioski o pracy odbiornika. Jeśli s-metr w rzeczywistości od poziomu S9
schodzi co 3dB zamiast co 6dB to przy S1 osiąga rzeczywiste S5 według IARU. Radość użytkownika, że może odbierać
stacje na poziomie S1 jest iluzją zaplanowaną przez producenta radiostacji. Raporty poniżej 9tki wyglądałyby inaczej.
Do załącznika dodaję pliki z wynikami pomiarów Sherwood dla IC-7300, na dole dokumentu jest opis s-metra.
Dodam również opis dotyczący TS-590SG, tam jest jeszcze inaczej, kroki s-metra schodzą co 3.5dB.
Dodatkowo opis IC-7700 oraz recenzję FTDX10 jaką udało mi się odnaleźć z wyjaśnieniem skali s-metra.



Po dyskusjach z Piotrem ustaliliśmy, że lepiej jest mimo wszystko dorównać do wiodących producentów trx jakich używamy,
żeby przechodząc z urządzenia fabrycznego do Jokera lub odwrotnie, zawsze zgadzały się podawane dla korespondenta raporty.
Do menu serwisowego dodana jest możliwość ustawienia skalowania s-metra od S9 w dół przy krokach do wyboru 3dB, 4dB, 5dB, 6dB.



Myślę, że to jest dobre rozwiązanie, każdy będzie mógł samodzielnie ustawić sposób w jaki powinien pracować s-metr.



Oczywiście oprócz tego ustawienia jest także możliwość ustalenia wartości korekcji dla wyjściowej wartości na poziomie S9.
Więcej o kalibracji poziomu S9 napiszę w dalszej części przy wykonywanych pomiarach jakie przeprowadziłem.

Measurement

Na wszystkich modułach jakie mam teraz uruchomione znajduje się łącznie 9 przetwornic DC-DC. Sprawdziłem jaki prąd pobiera Joker.
Do pomiaru użyłem Owon HDS2202S, który według recenzji jakie oglądałem ma wiarygodne i powtarzalne pomiary multimetru.
Pomiary były wykonane przy napięciu zasilania 12V z podłączoną anteną w różnych ustawieniach płytki przedwzmacniacza.
Przedwzmacniacz i tłumiki wyłączone, czyli nie są tam włączone przekaźniki, sygnał antenowy przechodzi dalej bez zmian.



Włączony ATT1 lub ATT2, czyli jeden z przekaźników od wybranego tłumika jest aktywny.



Włączone oba tłumiki ATT1 i ATT2 na ustawieniu P-.3, czyli dwa przekaźniki od tłumików są aktywne.



Wyłączone tłumiki i włączony przedwzmacniacz na ustawieniu P+.1, czyli włączony przekaźnik przedwzmacniacza.



Przedwzmacniacz ustawiony na ostatnim kroku P+.9.



Z pomiarów wynika, że przekaźniki dodają 15mA, a przedwzmacniacz na największym wzmocnieniu dodaje 12mA.
200-250mA to niewielkie zapotrzebowanie na energię co powinno zapewnić stabilność cieplną bez nagrzewania się.



Teraz pomiar przedwzmacniacza. Wejście i wyjście płytki Panel Preamp podłączyłem do NanoVNA przez tłumik 20dB.
Najpierw sprawdziłem punkt odniesienia przy wyłączonym przedwzmacniaczu, później przedwzmacniacz na ostatnim kroku.





Różnica w pomiarze to 12dB. Zmiana wartości rezystora 1k na uzwojeniu pierwotnym transformatora wyjściowego
ma duży wpływ na wynik. Przy braku tego rezystora można osiągnąć 18dB, ale zostanie wtedy pogorszone dopasowanie
wyjścia przedwzmacniacza do wejścia płytki RF. Zmierzyłem również działanie tłumików ATT1, ATT2 i obu jednocześnie.







Do prawidłowego działania s-metra i poprawnych pomiarów, o których napiszę za chwilę, niezbędna jest dokładna kalibracja sygnału S9.
Po przeczytaniu raportu o FTDX10 wiemy, że nie można wzorować się na jego wskazaniu ponieważ nie ma 50µV przy żadnym ustawieniu.



Piotr posiada generator sygnału wzorcowego S9 i na jego podstawie został ustawiony punkt zerowy kalibracji przy obecnych modułach Jokera.
Źródłem sygnału był generator kwarcowy 3,580 MHz z filtrem harmonicznych i dzielnikiem napięcia wywzorcowany dla obciążenia 50Ω
podłączany na wejście antenowe Jokera.  Do wstępnej weryfikacji -73dBm Piotr stosuje odbiornik SDR Play z odczytem siły sygnału w dBm.
W czasie kalibracji Jokera wykonywany był pomiar napięcia 50uV woltomierzem w.cz. Racal 9300F dla pewności dokładnego pomiaru.



Ustawienie korekcji może być zmieniane w menu serwisowym z rozdzielczością 1dBm w przedziale od -20dBm do 20dBm.
Taka kalibracja będzie niezbędna przy zastosowaniu różnych demodulatorów, różnym wzmocnieniu wzmacniaczy operacyjnych modułu RF,
różnym tłumieniu filtrów pasmowych. Na ekranie kalibracji wskazania S9 został dodany odczyt cyfrowy, dokładniejszy niż wskaźnik s-metr.
Za pomocą odczytu tej wartości będziemy w stanie dowiedzieć się kilka ciekawych rzeczy o pracy odbiornika jaki wykonaliśmy.
Poniżej zdjęcia wykonane bez podłączonej anteny.



Na podstawie wyników jakie przedstawiają powyższe zdjęcia można powiedzieć, że bez sygnału antenowego podłoga szumowa jest bardzo niska.
Producent AD8421 w dokumentacji gwarantuje, że żaden egzemplarz nie będzie miał więcej szumu niż 3,2nV na pierwiastek z Hz.
3,2nV *  √(2,9kHz – 200Hz) = 0.0000000032 * √(2700) = 0,166μV (-122dBm)
1,7nV *  √(2,9kHz – 200Hz) = 0.0000000017 * √(2700) = 0,088μV (-128dBm)
Wynika z tego, że moje układy mogą przetworzyć sygnał o połowę niższy niż zakłada dokumentacja w najgorszym przypadku.



Zrobiłem jeszcze pomiar z odłączoną płytką RF, a więc także bez wszystkich pozostałych płytek filtrów i przedwzmacniacza,
pozostawiając tylko moduł cyfrowy. Granica szumowa spadła jeszcze niżej, wszystkie moduły radiowe dodają 6dB szumu.





Kolejnym pomiarem jest użycie przedwzmacniacza na ostatnim kroku, tak samo jak przy poprzednich pomiarach bez podłączonej anteny.
Dodatkowo na trzecim i czwartym zdjęciu zmieniłem modulację i filtr co spowodowało ograniczenie pasma oraz zmniejszenie szumu.



Na tym teście widać, że przedwzmacniacz dodaje 3dB szumu. Jeśli ogólnego wzmocnienia jest 12dB to zostaje 9dB bez szumu.
Ostatni pomiar potwierdzający poprawną pracę i prawidłowe wskazania wykonałem przy użyciu generatora i tłumika 60dB
podając nośną -118dBm oraz -103dBm bez i z przedwzmacniaczem tak jak na poniższych zdjęciach.



Wszystko dokładnie się zgadza, przedwzmacniacz podnosi sygnał o 12dB. Przy tej próbie miałem podziałkę s-metra
ustawioną na 6dB dlatego przybywały tylko dwie zielone kratki, gdybym miał podziałkę 3dB to przybyłyby cztery kratki.
Kończąc pomiary sprawdziłem słyszalność nośnej 2kHz z generatora na słuchawkach. Najmniejszą wartością jaką słyszałem
było -124dBm. Nośna była bardzo cicha, ale jednak słyszalna w słuchawkach przy towarzystwie również cichego szumu.
Po włączeniu przedwzmacniacza i obniżeniu amplitudy generatora ponownie do granicy słyszalności wynikiem było -121dBm.
Uwzględniając przyrost wzmocnienia o 12dB wynik pomiaru wynosi -133dBm. Piotr przysłał mi skan grafiki z przedstawiający
rozkład szumowy na pasmach. Pokazuje on, że czułość bez przedwzmacniacza jest wystarczająca na dolnych zakresach.



Equalizer

Eksperymentalnym pomysłem było, żeby wprowadzić do toru odbiornika nastawy barwy dźwięku. Nie jest to sprzęt muzyczny,
więc budowanie wielopunktowego korektora do słuchania stacji amatorskich nie miało sensu, ale istnieje inne rozwiązanie.
Ciekawym zastosowaniem jest wprowadzenie dwukierunkowego konturu regulowanego przy jednym ustawieniu.



Kontur w pozycji zerowej ma niezmienioną charakterystykę dźwięku, przy ustawieniu od -1 do -10 kontur coraz bardziej
tłumi środek pozostawiając boki, zaś od 1 do 10 tłumi boki pozostawiając środek. Działanie konturu wyraźnie słychać,
może być przydatny przy dopasowaniu audio do osobistych preferencji albo do modulacji korespondenta.

Gadget

Każda wtyczka SMA powinna być pewnie skręcona, żeby nie powodowała zakłóceń przy luźnym połączeniu.
Do wygodnego skręcania używam teraz zgrabnego kluczyka płaskiego z kompletu do drobnych rzeczy.





Links

AD8421 https://pl.aliexpress.com/item/1005008710608014.html
Klucze https://pl.aliexpress.com/item/1005007508158415.html
SMA https://pl.aliexpress.com/item/1005007424915378.html
Kable https://pl.aliexpress.com/item/1005006900465021.html
Tłumik https://pl.aliexpress.com/item/1005007349081799.html
DCDC https://pl.aliexpress.com/item/1005007813372758.html

Do załącznika dodaję wersję Joker 0.2 posiadającą wszystkie opisane wyżej zmiany oraz drobne poprawki wersji 0.1.
Gdyby ktoś planował wykonanie demodulatora na AD8421 to dopiszę, że można go kupić w wersji A lub B.
Na aliexpress dostępne są wersje z oznaczeniami ARZ, BRZ, ARMZ, BMRZ. Litera M oznacza obudowę MSOP,
u mnie jest bez litery M czyli SOP-8. Litery A i B mówią o klasie dokładności, wersje B są lepsze.
Obie mają maksymalny próg szumowy 3,2nV, ale różnią się innymi parametrami np. B ma lepszy CMRR.
Nie wiem czy te różnice mają jakiś realny wpływ na pracę jako demodulator, ale warto o tym wiedzieć.
Ja mam na płytce wlutowane wersje A i działają bardzo dobrze.