JOKER - zrozumieć konstrukcję.
Opis konstrukcji transceivera SDR Joker dla osób które przystąpiły do montażu, myślą o przystąpieniu lub chcą się tylko zapoznać z konstrukcją.
Jest on dostępny w formie pliku .pdf w wątku Joker SDR - dyskusja.
W poniższym tekście nie będę omawiał schematów poszczególnych bloków i ich szczegółowego funkcjonowania, ale skupię się na sprawach bardziej ogólnych charakteryzujących konstrukcję. Przybliżę temat podejścia do montażu i uruchomienia Jokera, przedstawię jak testować poszczególne bloki, jako ocenić poprawność działania.
Przed przystąpieniem do montażu Jokera, proponuję zapoznać się z poniższym opisem, wszystkimi informacjami dostępnymi tu na forum sp-hm w wątku podstawowym Joker i w dyskusji o Jokerze.
Czym jest Joker.
Joker to sterownik transceivera SDR z zaawansowaną cyfrową obróbką sygnałów (DSP). Podstawowy zestaw to płytka z mikroprocesorem ESP32-S3 zintegrowanym z wyświetlaczem (TTGO T-Display), przetworniki ADC PCM1808 i DAC UDA1334A oraz generator Si5351.
Moduły te, jako część sprzętowa wraz z oprogramowaniem JOKER stanowią „zamkniętą” całość. Pozostałe moduły jako część „radiowa” i „audio” można samodzielnie konfigurować, pod warunkiem wpasowania się w logikę pracy i sterowania z Jokera.
Do podstawowych modułów „radiowych” należą: filtry pasmowe BPF, demodulator odbiornika wraz z wzmacniaczami, modulator SSB nadajnika w opcji klasycznej lub układ hybrydowy, wzmacniacz RF nadajnika jako driver stopnia mocy, filtry dolnoprzepustowe LPF wzmacniacza nadajnika, generator Si5351, opcjonalnie może być wykonany moduł z tłumikami antenowymi i wzmacniaczem antenowym (nie jest on konieczny do pracy odbiornika Jokera). Wszystkie moduły części radiowej zostały przez nas zaprojektowane i przetestowane. Opcjonalne możliwości wykonania dotyczą głównie RF Panel, na którym znajduje się demodulator odbiornika wraz ze wzmacniaczami (mogą być niskoszumowe operacyjne lub instrumentalne), modulator nadajnika w układzie klasycznym lub w wariancie hybrydowym.
Nie wskazujemy rozwiązań wszystkich modułów w tym: wzmacniacza dużej mocy nadajnika (wzmocnienie 13-16dB dla 100W outp) oraz wzmacniacza „audio” głośnikowy (słuchawkowy), który podłączamy do wyjścia przetwornika DAC. Wzmacniacz głośnikowy powinien cechować się następującymi parametrami: wzmocnienie minimum 40dB, bardzo niskie szumy własne, małe zniekształcenia, moc do kilku watów. Bardzo popularnym, spełniającym te warunki jest wzmacniacz TDA2003. Można zastosować niskoszumowy przedwzmacniacz głośnikowy ze wzmacniaczem głośnikowym o niższym wzmocnieniu lub aktywne zestawy głośniowe w szczególności z subwooferem.
Przystępując do budowy Jokera zapominamy o starych konstrukcjach.
Joker stanowi prostą, ale zaawansowaną technicznie konstrukcję transceivera SDR opartą na architekturze kwadraturowej (I/Q) z niską częstotliwością pośrednią (Low-IF).
Nie jest to uproszczona konstrukcja homodynowa (obiór wokół DC), nie jest to kolejny kieszonkowy SDR na wycieczkę.
Jeśli posiadamy doświadczenie w konstrukcjach analogowych transceiverów z przemianą częstotliwości lub homodynowo – fazowych, to zapomnijmy chwilowo o takich rozwiązaniach.
Odbiornik Jokera w części analogowej pracuje na częstotliwości pośredniej 9 kHz (tzw. offset), natomiast nadajnik wykorzystuje podwójną przemianę: Low-IF 18 kHz oraz IF 10,7 MHz. W konsekwencji nie ma możliwości odsłuchania odbieranej stacji bezpośrednio na wyjściu demodulatora Tayloe ani podsłuchania własnego sygnału z mikrofonu trafiającego na modulator, gdyż są one przesunięte w widmie. Są to sygnały kwadraturowe I/Q: w odbiorniku z demodulatora podawane do przetwornika ADC, a w nadajniku wychodzą z przetwornika DAC podawane na modulator.
Ponadto w naszej podstawowej wersji tor nadajnika został zaprojektowany jako hybryda z drugą częstotliwością pośrednią 10,7 MHz i dedykowanym mieszaczem. Ta część konstrukcji przypomina klasyczne rozwiązania transceiverów analogowych, co wpływa na rozwiązanie projektowe BPF.
Z Jokerem wchodzimy w inny świat rozwiązań radiowych, który daje nam olbrzymie możliwości, nieosiągalne przy demodulacji i modulacji bezpośredniej (wokół DC), w tym w superheterodynach. Dzięki temu rozwiązaniu pozbywamy się szumów wzmacniaczy typu 1/f, obniżamy odczuwalny szum fazowy generatora LO oraz zyskujemy możliwość minimalizacji produktów niepożądanych sygnału nadajnika poprzez zastosowanie prostego układu pośredniej częstotliwości 10,7 MHz.
W odbiorniku Jokera został wykorzystany demodulator Tayloe w układzie podwójnie zrównoważonym. Jest on pewnym fenomenem, gdyż nie tylko następuje na nim detekcja sygnałów, ale działa również jako filtr wygaszając sygnały bliskie (już od 24kHz) i odległe. Jego charakterystyka jako filtr nakłada się na charakterystykę BPF dając w efekcie bardzo wysokie tłumienne poza pasmowe dla odbiornika. Tayloe „dokłada” w odległości 500kHz od częstotliwości odbieranej (w dół i w górę) 20dB tłumienia, w odległości 1,5 MHz 30dB. Utrzymuje takie tłumienie za wyjątkiem nieparzystych harmonicznych, na których to częstotliwościach spada do 9dB tłumienia. Ze względu na cykliczność taki filtr nazywany jest grzebieniowym.
Na czym polega różnica w projektowaniu klasycznego układu SDR a superheterodyny?
Projektowanie nowoczesnego klasycznego transceivera SDR w architekturze Low-IF (z offsetem np. 9 kHz) wymaga całkowitej zmiany podejścia do bilansu wzmocnienia i dynamiki w porównaniu z typową superheterodyną. W konstrukcji SDR opartej na mieszaczu Tayloe czułość odbiornika jest wypadkową wzmocnienia na kilku etapach głównie w torach małej częstotliwości. Zaczynając od opcjonalnego przedwzmacniacza antenowego, poprzez kluczowy wzmacniacz operacyjny (w naszym przypadku instrumentalny) bezpośrednio za mieszaczem (demodulatorem), aż po niskoszumowy wzmacniacz głośnikowy, który finalnie bilansuje poziom odbieranych sygnałów. Każdy z tych stopni musi być zaprojektowany z myślą o zachowaniu rygorystycznej liniowości, ponieważ w SDR kluczowe jest utrzymanie wysokiej dynamiki poszczególnych bloków, aby uniknąć ich nasycenia przed dotarciem sygnału do przetwornika ADC, a docelowo do wzmacniacza głośnikowego i ostatecznie głośnika lub słuchawek.
W takiej architekturze inaczej przedstawia się kwestia odporności na silne sygnały. Choć sam mieszacz Tayloe charakteryzuje się wybitnie wysokim parametrem IP3, to o realnej odporności decyduje dynamika toru analogowego małej częstotliwości oraz niedopuszczenie do cyfrowego przesterowania (clippingu) ADC. Przesuwamy ważność parametrów oceny odbiornika z IP3 na zakres dynamiki, balansowanie pomiędzy przenoszeniem silnych sygnałów a czułością. W domenie cyfrowej (DSP) unika się projektowania wzmocnienia w celu poprawy czułości. Zbyt duże podbijanie amplitudy w DSP prowadziłoby jedynie do uwydatnienia szumu kwantyzacji i artefaktów cyfrowych, nie poprawiając realnego stosunku sygnału do szumu (SNR). Różnica dotyczy również układu AGC, podczas gdy w superheterodynie steruje fizycznymi stopniami wzmacniacza p.cz., w SDR proces ten odbywa się matematycznie w domenie cyfrowej (po demodulacji analogowej). Pozwala to na uzyskanie idealnej precyzji obróbki, o ile wejściowy tor analogowy dostarczy sygnał o odpowiedniej amplitudzie, mieszczący się w „oknie” dynamiki przetwornika ADC. Automatyczna regulacja wzmocnienia powinna zacząć działać gdy stosunek sygnał do szumu (SNR) osiągnie wartość 10dB - 15dB. Jeśli jest ustawiony za nisko uzyskamy efekt „pompowania szumów” – męczący szum w głośniku. Joker posiada zoptymalizowany poziom AGC Threshold (próg zadziałania), tak by nie było efektu pompowania szumu na niższych pasmach, a na wyższych byśmy mogli odczuwać naturalną różnicę w głośności słabych i silniejszych stacji.
Uruchamianie odbiornika
Joker posiada budowę modułową opartą na blokach funkcjonalnych – panelach (Display, Digital, RF, PREAMP, BPF, LPF, PA). Ułatwia to uruchomienie, gdyż możemy testować moduły samodzielnie lub częściowo połączone między sobą. Możemy rozpocząć montowanie paneli wybiórczo, nie koniecznie wszystkie na raz. Do uruchomienia odbiornika wystarczą nam panele: Display, Digital, RF, BPF.
Od czego zacząć?
Proponuję od tyłu. Wykonanie wzmacniacza głośnikowego lub zaopatrzenia się w aktywny zestaw głośnikowy o niskich szumach i dużym wzmocnieniu. Należy wstępnie przetestować wzmacniacz by być pewnym poprawności jego pracy. Dlaczego zwracam uwagę na niskie szumy wzmacniacza głośnikowego i duże wzmocnienie. Klasyczne układy SDR opierają się na bezpośrednim przetwarzaniu sygnałów radiowych do sygnałów audio lub Low-IF. Konsekwencją takiej architektury jest to, że o komforcie odsłuchu słabych stacji decydują wzmacniacze niskich częstotliwości w tym audio - wzmacniacz głośnikowy. Wbrew pozorom w domenie cyfrowej (obróbka DSP) nie odbywa się wzmacnianie sygnałów lecz co najwyżej ich tłumienie (AGC cyfrowe). O tym, co będzie stanowić nasz wzmacniacz głośnikowy (wraz z głośnikiem) zdecydujemy sami, ale trzeba mieć na uwadze, że od niego będzie zależeć jakość odbioru.
Kolejny moduł jaki możemy uruchomić to Display Panel czyli moduł mikroprocesora zintegrowanego z wyświetlaczem i wgranym aktualnym oprogramowaniem Jokera. Zasilanie startowe dla ESP32-S3 uzyskamy ze złącza USB (w czasie wgrywania oprogramowanie z komputera). Joker powinien się uruchomić ignorując komunikację I2C. Jeśli mamy podłączoną matrycę z przyciskami, to możemy zacząć poruszać się po funkcjach Jokera. Dla normalnej pracy ESP32-S3 będziemy korzystać z zasilania zewnętrznego (pin 5V) dostarczanego z Digital Panel (pin 5V-ESP).
Uruchamiamy Digital Panel.
Tu ważna uwaga. Wpierw powinniśmy zweryfikować poprawność napięć dostarczanych z przetwornic 3V3 i 5V (dotyczy to wszystkich paneli !), a dopiero potem lutować moduły przetworników, Si5351 oraz podłączać Display Panel.
Druga ważna sprawa to moduł ADC PCM1808. Pisaliśmy już na forum o problemie złych wartości kondensatorów (100nF) na wejściach analogowych przetwornika. Można próbować uruchamiać układ wpierw z kondensatorami jakie są na płytce, ale w razie stwierdzenia bardzo dużego tłumienia sygnału testowego należy usunąć te kondensatory i na ich miejsce wlutować kondensatory o wartościach nie większych niż 1nF.
Test zasadniczy połączonych modułów Display Panel z Digital Panel.
Spodziewany wynik próby to słyszany w głośniku ton w wyniku podawania na wejście przetwornika ADC sygnału testowego oraz jego wizualizacja na ekranie. Ze względu na pracę toru odbiornika z Low-IF 9kHz oraz wąskie filtry cyfrowe nie jest możliwe przeprowadzenie typowego testu toru m.cz. z generatorem 1kHz. Należy podać sygnał z generatora testowego na poziomie kilku mV (2-5mV) o dokładnej częstotliwości 8 kHz lub 10 kHz (w zależności od wybranej wstęgi LSB lub USB). W głośniku powinien być słyszany ton 1 kHz, na ekranie widoczny ślad sygnału i wskazywany poziom w dBm. Bez podawanego sygnału testowego powinna być cisza w głośniku (słyszany co najwyżej szum własny wzmacniacza głośnikowego). Dotykanie wejścia przetwornika PCM1808 (palcem, śrubokrętem,…) nie powinno dawać żadnego efektu w głośniku (brum). Pojawi się jedynie ślad na wizualizacji wodospadu w odległości 9 kHz poniżej linii środka. Przy zmianie częstotliwości sygnału testowego od bardzo niskich częstotliwości do ok. 22kHz powinniśmy widzieć na ekranie ślad sygnału i słyszeć go jako zmieniający się ton akustyczny po wejściu w zakres przepuszczania filtru cyfrowego. Można test przeprowadzać na słuchawkach włączonych do gniazdka słuchawkowego w DAC, ale sygnał nie będzie zbyt głośny. Generalnie nastawiamy się, że od samego początku testy robimy z podłączonym wzmacniaczem głośnikowym.
W czasie testu poziomy wzmocnień oznaczone jako A i R na wyświetlaczu powinny być ustawione na wartość maksymalną A2.0 i R2.0, filtr na 2k9 – 4k0, emisje kolejno LSB i USB.
Podczas uruchamiania Digital Panel uruchamiamy także generator Si5351.
Musimy połączyć magistralę sygnałową I2C. Jeżeli jest prawidłowa komunikacja I2C to podczas uruchamiania Jokera nie wykaże on błędu komunikacji z Si5351. Należy tylko zweryfikować czy częstotliwość zegara w menu serwisowym jest prawidłowo wybrana (domyślnie 25 MHz). W przypadku zastosowania TCXO 27 MHz należy zmienić ustawienie w menu serwisowym.
Uwaga uruchomieniowa.
Odbiornik pracuje z offset 9kHz, w związku z tym częstotliwości generowane LO będą o 9 kHz niżej niż wskazywana na wyświetlaczu. Należy wykonać kalibrację zegara (Si5351). W tym celu mierzymy dokładnie częstotliwość generowaną na clk0 lub clk1, a w menu serwisowym ( … Freq correct) wykonujemy korektę tak, by częstotliwość generowana plus 9,000 kHz zgadzała się z odczytem na wyświetlaczu. Korekty wykonujemy na każdym paśmie, możemy jednak po dokładnej korekcie na jednym paśmie przepisać wartość korekty na innych pasmach. Można posłużyć się jakąkolwiek inną metodą by zweryfikować ustawienie częstotliwości w Jokerze niż poprzez pomiar częstotliwości generowanej z Si5351. Przykładowo odczyt częstotliwości na ekranie Jokera sygnału generatora wzorcowego podawanego na wejście odbiornika (poziom nie więcej niż 2-3mV !)
RF Panel - tor odbiornika
Zaczynamy od wlutowania stabilizatora napięcia 5V oraz elementów w obwodach zasilania (w tym RX BIAS, TX BIAS) . Po sprawdzeniu napięcia po stabilizatorze (5V) oraz napięć BIAS (2,5V) lutujemy pozostałe elementy, możemy wpierw wlutować tylko elementy toru odbiornika (ale wraz z przekaźnikami). Tor odbiornika nie wymaga żadnych regulacji, powinien działać po podłączeniu zasilania i spięcia pinów sygnałów wyjściowych (IRX, QRX) na panelu RF z pinami wejściowymi dla tych sygnałów na panelu Digital Panel identycznie oznaczonych.
Należy wziąć pod uwagę, iż wiele osób zgłaszało, że układy CBT3253 kupowane na aliexpress nie działają. Nabywamy je w sprawdzonym źródle. Pomiary jakie możemy dokonać to kontrola: napięć zasilania CBT3253 i AD8421, napięć BIAS oraz napięć na wejściu i wyjściu kluczy (powinny być 2,5V). Napięcia na wyjściu kluczy mierzymy na kondensatorach 33nF (C44-C47 NP0), a na wejściu kluczy na transformatorze (na rezystorze R43). Test sygnałowy jaki możemy już dokonać to odbiór stacji po podłączeniu anteny do gniazda oznaczonego ANT lub podaniu tam sygnału testowego w zakresie pasma pracy o poziomie 1mV do maksymalnie 10mV (S9+30 do 40 dB). Sygnał powinien być mocno słyszalny i widoczny na wodospadzie. Jeżeli okazuje się, że nie słyszymy żadnych stacji czy sygnału testowego w.cz., to należy podać sygnał 8/10kHz o bardzo niskim poziomie na wejście wzmacniaczy AD8421, by być pewnym, że wzmacniacze działają. Przyczyną może być nie pracujący CBT3253, brak generowanych sygnałów LO z Si5351 lub inne błędy montażu.
Jeżeli wszystko działa, to możemy zmontować całość płytki.
Uruchomienie toru nadawczego na płytce RF zostanie opisany oddzielnie.
BPF – panel z filtrami pasmowymi.
Filtr pasmowy (BPF) pracuje zarówno podczas odbioru jak i nadawania. Montaż zaczynamy od przetwornicy napięcia i sprawdzenia prawidłowości napięcia 3V3. Można dobrać wartości rezystorów, polaryzujących diody LED dla zmieszenia poboru prądu, ale tak by wyraźnie sygnalizowały stan włączenia danego filtru pasmowego (dotyczy wszystkich LED na płytkach). Diody LED sygnalizują prawidłowość sterowania (włączenie właściwego filtru).
Dla pasm 17-15m i 12-10m BPF jest wspólny. Jak wyżej opisywałem demodulator Tayloe działa jak filtr pasmowy, w odległości +/- 1,5 MHz od częstotliwości odbieranej osiąga on już ustabilizowane tłumienie ok. 30dB. Jeśli będziemy słuchać na częstotliwości 21,250 MHz, to od częstotliwości 19,750 MHz (i poniżej) sygnały będą tłumione 30dB pomimo, iż w tym miejscu BPF praktycznie nie wnosi żadnego tłumienia.
Jest to zupełnie inna sytuacja niż gdybyśmy zastosowali taki BPF w odbiorniku superheterodynowym.
Płytkę BPF najlepiej zmontować od razu w całości. Jeżeli wszystkie elementy są wlutowane zgodnie z podanymi wartościami, to filtry nie wymagają żadnego strojenia. Należy przeprowadzić kontrolę pracy filtrów pasmowych używając do tego celu nanoVNA. Zdjęcia z wyników pomiarów nanoVNA były umieszczone w Joker_08.docx. Filtry można uznać jako prawidłowo wykonane jeśli będą miały tłumienie w paśmie przenoszenia nie większe niż 1dB. W przypadku oczekiwanych wartości tłumień poza pasmowych w Jokerze sytuacja wymaga szerszego omówienia.
Efekt Tayloe jako filtru nie działa tak skutecznie na nieparzystych harmonicznych (3, 5, 7,..) w konsekwencji filtr pasmowy podczas odbioru musi zapewnić tłumienie na tych częstotliwościach, by wytłumić sygnały niepożądane przychodzące z anteny. W mieszaczu Tayloe druga harmoniczna jest naturalnie tłumiona przez symetrię mieszacza (tłumienie sygnałów współbieżnych na AD8421), poziom tłumienia minimum 40dB. Podobny poziom tłumienia powinien zapewnić BPF trzeciej i wyższych harmonicznych LO, Tayloe dołoży do tego na nieparzystych harmonicznych około 9 dB swojego tłumienia.
Nadajnik Jokera dla modulacji SSB został zaprojektowany jako hybryda, z drugą pośrednią częstotliwością 10,7 MHz. W związku z tym BPF podczas nadawania będzie miał za zadanie tłumienie sygnałów lustrzanych powstających w mieszaczu nadajnika. Sygnały harmoniczne generowane w modulatorze Tayloe będę tłumione w torze p.cz. przez filtr kwarcowy.
Sygnały lustrzane powstałe w mieszaczu nadajnika jako sumy lub różnice LO i 10,7 MHz będą daleko odległe od częstotliwości pracy, w związku z tym są bardzo łatwe do odfiltrowania. Sygnał lustrzany ma tą samą moc co sygnał użyteczny, oczekiwana wartość tłumienia na częstotliwościach lustrzanych to powyżej 60dB.
Miejsca powstawania sygnałów lustrzanych dla poszczególnych pasm (częstotliwości środkowe): 80m – 25 MHz, 40m – 28,5 MHz, 30m (nie dotyczy) , 20m – 35,6 MHz, 17m – 3,3 MHz, 15m – 0,18 MHz, 12m – 3,54 MHz, 10m – 7,45 MHz.
Nadawanie telegrafią odbywa się jako direct CW, to znaczy generowanie nośnej na częstotliwości pracy. W związku z tym nie tworzą się sygnały lustrzane, ale do odfiltrowania mamy harmoniczne sygnału użytecznego (kluczowanej nośnej).
Na odfiltrowanie harmonicznych wpływa dodatkowo LPF, który jest zabudowany po driverze PA. Zapewni nam on właściwy końcowy poziom tłumienia przed podaniem sygnały z Jokera na wzmacniacz mocy nadajnika, który też będzie wyposażony w kolejny własny LPF.
Domyślny adres dla PCF8574 w menu serwisowym to „20”.
Przedwzmacniacz antenowym z tłumikiem antenowym. Panel preamp.
Ogólna zasada, wpierw montujemy obwody zasilania, sprawdzamy prawidłowość napięć, a dopiero potem pozostałe elementy.
Po prawidłowym zmontowaniu panel powinien działać beż żadnej regulacji. Należy zwrócić uwagę na prawidłowe nawinięcie transformatorów przedwzmacniacza antenowego. Początki, końce uzwojeń oznaczone cyframi 4-5-6 są to uzwojenia nawijane bifilarnie (dwa przewody jednocześnie, skręcone ze sobą), koniec pierwszego jest początkiem drugiego (środkowy odczep). Jako transformator wejściowy można użyć ADT9-1.
Domyślny adres dla PCF8574 w menu serwisowym to „22”.
W przypadku innego adresowania PCF8574 na własnych płytkach należy zmienić adres w menu serwisowym.
Bieżące ustawienia Jokera w trakcie uruchamiania należy zapisywać w plikach wykorzystując „Joker konfigurator”.
Po uruchomieniu. Ocena odbiornika.
Po uruchomieniu odbiornika należy dokonać kalibracji wskazań s-metra (dBm), zostało to przedstawione na filmie: https://youtu.be/Zt1ZwRNiS6Y
Uwaga do kalibracji. Napięcie sygnału testowego powinno być wywzorcowane w odniesieniu do obciążenia o wartości 50Ω.
Sygnał testowy powinien być podany na wejście odbiornika przez tłumik 10-20dB by zniwelować niedospawania dla generatora sygnałowego. Należy uwzględnić poprawkę. Przykładowo podajemy sygnał -53dBm (S9+20) dB z tłumikiem 20dB, kalibrację przeprowadzamy dla -73dBm (S9). Niedopasowania wynikają z kolejnych właściwości Tayloe, wokół częstotliwości LO zmienia się jego impedancja.
Po kalibracji wskazań pomiaru poziomu sygnałów w jednostce dBm w Jokerze, możemy dokonać oceny podstawowych parametrów odbiornika.
Poniżej opisane testy z użyciem wskaźnika dBm w Jokerze należy wykonać w różnych wariantach: bez włączonego przedwzmacniacza antenowego, z włączonym pre-amp, z włączonym ATT odpowiednio interpretując otrzymane wyniki.
Miejmy na uwadze, że Joker nie jest przyrządem pomiarowym, choć wskazania poziomów sygnałów w dBm są stosunkowo dokładne.
Poniższe testy są uproszczone, nie są tożsame z pomiarami ARRL, mają na celu gównie potwierdzić poprawność funkcjonowanie odbiornika.
Podłoga szumowa odbiornika.
Podłoga szumowa bez włączonego tłumika antenowego i przedwzmacniacza będzie możliwa od razu do odczytu. W tym celu zamiast anteny zamykamy gniazdo antenowe terminatorem 50 Ω (może być sztuczne obciążenie). ARRL podaje wartość dla filtru 500Hz. Oczekiwana wartość w zależności od pasma powinna wynosić -126 do -128 dBm. Będzie ona uzależniona od szerokości włączonego w czasie pomiaru filtru (robimy pomiary dla filtrów CW i SSB) i od ewentualnego „łapania” różnych zakłóceń. W takim przypadku należy zmieniać częstotliwość odbioru i zweryfikować w jakich granicach zmienia się podłoga szumowa. Włączenie przedwzmacniacza antenowego (po dokonaniu kalibracji wskazań pre-amp) powinno obniżyć odczyt o wartość: wzmocnienia pre-amp minus 2-3dB (wzmocnienie 12dB, obniżenie podłogi szumowej o ok. 10dB). Przedwzmacniacz antenowy używamy głównie na górnych pasmach (17-10m). W pasmach 80-30m nie używamy przedwzmacniacza.
MDS minimalnie wykrywany sygnał.
Próba trzy decybelowa przy włączonym filtrze 500Hz. Zmieniając wartość sygnału z generatora na częstotliwości odbieranej ustalamy go na poziomie by wskazania w dBm zwiększyły się o 3 dB w stosunku do podłogi szumowej odbiornika. Powinien być wyraźnie słyszalny sygnał w głośniku. To jest czułość graniczna w dBm, przyjmowana jako czułość dla odbioru CW. Możemy posłużyć się zestawem tłumików by osiągnąć właściwy niski poziom sygnału testowego. Bez włączonego pre-amp odbiornik powinien odbierać sygnały na poziomie S1, z pre-amp poniżej wskazania S1.
Czułość odbiornika dla emisji SSB.
W przypadku emisji SSB dla czytelności odbioru sygnał musi być wyższy o 10dB w stosunku do szumów (testowo odbiornika). Sygnał testowy będzie słaby, ale wyraźnie czytelny. Taki poziom sygnałów SSB powinien być bez problemu zrozumiały. Czułość można zmierzyć dla różnych wartości wzmocnienia przedwzmacniacza antenowego (ustawienia P1-P9).
Inne testy.
BDR. Test blokowania odbiornika pojedynczym sygnałem.
Możemy przeprowadzić test blokowania pojedynczym sygnałem w odległości 5 kHz od częstotliwości odbioru, ale do tego będą potrzebne nam dwa generatory, jeden na częstotliwości odbioru (ustawiamy poziom 10dB powyżej MDS), a drugi 5 kHz wyżej. Zakres dynamiczny blokowania to wyrażona w decybelach (dB) różnica pomiędzy poziomem szumów własnych odbiornika (MDS), a poziomem silnego sygnału zakłócającego, który powoduje spadek wzmocnienia sygnału na częstotliwości odbioru o 1 dB.
RMDR. Test odwrotnego mieszania szumów, jeden z najważniejszych parametrów odbiornika.
Aby ten test miał sens, generator sygnałowy musi być bardzo wysokiej jakości (musi mieć znacznie mniejszy szum fazowy niż Si5351). Może to być dobrze odfiltrowany sygnał z generatora kwarcowego.
By przeprowadzić test odczytujemy wpierw wartość podłogi szumowej na częstotliwości testowej. Następnie włączamy generator testowy na częstotliwości 5 kHz powyżej częstotliwości testowej. Zwiększamy moc sygnału z generatora do poziomu gdy odczyt podłogi szumowej zwiększy się o 3 dB.
RMDR obliczamy jako różnicę pomiędzy poziomem sygnału powodującego podniesienie podłogi szumowej o 3 dB a początkowym odczytanym poziomem podłogi szumowej.
Uwaga obliczeniowa. Wyniki odczytów mają wartości ujemne w (-) dBm, w związku z tym należy zwrócić uwagę przy działaniach matematycznych.
Jaka czułość odbiornika jest nam potrzebna?
To jest jedna z kluczowych kwestii koncepcji torów odbiorczych wszystkich odbiorników.
W zależności od lokalizacji w której mamy zainstalowaną radiostację doświadczamy różnego tła zakłóceń lokalnych. Na terenach wiejskich zakłócenia lokalne sięgają wartości od około S3 dla pasma 80m do poniżej S1 dla 10m. W terenie zurbanizowanym od S7 dla 80m do S3 dla pasma 10m. W związku z powyższym czułość na poziomie S1-S2 będzie nam potrzebna tylko na wyższych pasmach, uzyskamy ją dzięki włączanemu przedwzmacniaczowi antenowemu o maksymalnym wzmocnieniu 12dB. Zbyt duża czułość odbiornika na niższych pasmach jest wręcz szkodliwa, w związku z tym podstawowa konfiguracja Jokera to wyłączony przedwzmacniacz antenowy i wyłączony tłumik antenowy. Dla obniżenia poziomu bardzo silnych sygnałów (S9+40dB i powyżej) na dolnych pasmach mamy do dyspozycji tłumik antenowy 6-12-18dB. Przedwzmacniacz i tłumik antenowy daje nam zwiększenie zakresu dynamiki odbiornika łącznie o 30dB. Podstawowy zakres dynamiki jest ograniczony przetwornikiem PCM1808, katalogowo 99dB, jednak ze względu na offset oraz „mnożnik” filtrów cyfrowych wartość dynamiki odbiornika sięga wartości 102dB (bez uwzględnienia pre-amp i ATT).
Otrzymałem już pierwsze informacje zwrotne odnośnie testów z wykorzystaniem profesjonalnego generatora. Przy odczytanej podłodze szumowej -128dBm, testowy sygnał 0,1uV (-127dBm, to jest 6dB poniżej S1) jest słyszalny w mode CW z użyciem filtru 500Hz. Test bez użycia pre-amp.
Uruchomienie toru nadajnika przedstawię w odrębnym opisie.
Opis konstrukcji transceivera SDR Joker dla osób które przystąpiły do montażu, myślą o przystąpieniu lub chcą się tylko zapoznać z konstrukcją.
Jest on dostępny w formie pliku .pdf w wątku Joker SDR - dyskusja.
W poniższym tekście nie będę omawiał schematów poszczególnych bloków i ich szczegółowego funkcjonowania, ale skupię się na sprawach bardziej ogólnych charakteryzujących konstrukcję. Przybliżę temat podejścia do montażu i uruchomienia Jokera, przedstawię jak testować poszczególne bloki, jako ocenić poprawność działania.
Przed przystąpieniem do montażu Jokera, proponuję zapoznać się z poniższym opisem, wszystkimi informacjami dostępnymi tu na forum sp-hm w wątku podstawowym Joker i w dyskusji o Jokerze.
Czym jest Joker.
Joker to sterownik transceivera SDR z zaawansowaną cyfrową obróbką sygnałów (DSP). Podstawowy zestaw to płytka z mikroprocesorem ESP32-S3 zintegrowanym z wyświetlaczem (TTGO T-Display), przetworniki ADC PCM1808 i DAC UDA1334A oraz generator Si5351.
Moduły te, jako część sprzętowa wraz z oprogramowaniem JOKER stanowią „zamkniętą” całość. Pozostałe moduły jako część „radiowa” i „audio” można samodzielnie konfigurować, pod warunkiem wpasowania się w logikę pracy i sterowania z Jokera.
Do podstawowych modułów „radiowych” należą: filtry pasmowe BPF, demodulator odbiornika wraz z wzmacniaczami, modulator SSB nadajnika w opcji klasycznej lub układ hybrydowy, wzmacniacz RF nadajnika jako driver stopnia mocy, filtry dolnoprzepustowe LPF wzmacniacza nadajnika, generator Si5351, opcjonalnie może być wykonany moduł z tłumikami antenowymi i wzmacniaczem antenowym (nie jest on konieczny do pracy odbiornika Jokera). Wszystkie moduły części radiowej zostały przez nas zaprojektowane i przetestowane. Opcjonalne możliwości wykonania dotyczą głównie RF Panel, na którym znajduje się demodulator odbiornika wraz ze wzmacniaczami (mogą być niskoszumowe operacyjne lub instrumentalne), modulator nadajnika w układzie klasycznym lub w wariancie hybrydowym.
Nie wskazujemy rozwiązań wszystkich modułów w tym: wzmacniacza dużej mocy nadajnika (wzmocnienie 13-16dB dla 100W outp) oraz wzmacniacza „audio” głośnikowy (słuchawkowy), który podłączamy do wyjścia przetwornika DAC. Wzmacniacz głośnikowy powinien cechować się następującymi parametrami: wzmocnienie minimum 40dB, bardzo niskie szumy własne, małe zniekształcenia, moc do kilku watów. Bardzo popularnym, spełniającym te warunki jest wzmacniacz TDA2003. Można zastosować niskoszumowy przedwzmacniacz głośnikowy ze wzmacniaczem głośnikowym o niższym wzmocnieniu lub aktywne zestawy głośniowe w szczególności z subwooferem.
Przystępując do budowy Jokera zapominamy o starych konstrukcjach.
Joker stanowi prostą, ale zaawansowaną technicznie konstrukcję transceivera SDR opartą na architekturze kwadraturowej (I/Q) z niską częstotliwością pośrednią (Low-IF).
Nie jest to uproszczona konstrukcja homodynowa (obiór wokół DC), nie jest to kolejny kieszonkowy SDR na wycieczkę.
Jeśli posiadamy doświadczenie w konstrukcjach analogowych transceiverów z przemianą częstotliwości lub homodynowo – fazowych, to zapomnijmy chwilowo o takich rozwiązaniach.
Odbiornik Jokera w części analogowej pracuje na częstotliwości pośredniej 9 kHz (tzw. offset), natomiast nadajnik wykorzystuje podwójną przemianę: Low-IF 18 kHz oraz IF 10,7 MHz. W konsekwencji nie ma możliwości odsłuchania odbieranej stacji bezpośrednio na wyjściu demodulatora Tayloe ani podsłuchania własnego sygnału z mikrofonu trafiającego na modulator, gdyż są one przesunięte w widmie. Są to sygnały kwadraturowe I/Q: w odbiorniku z demodulatora podawane do przetwornika ADC, a w nadajniku wychodzą z przetwornika DAC podawane na modulator.
Ponadto w naszej podstawowej wersji tor nadajnika został zaprojektowany jako hybryda z drugą częstotliwością pośrednią 10,7 MHz i dedykowanym mieszaczem. Ta część konstrukcji przypomina klasyczne rozwiązania transceiverów analogowych, co wpływa na rozwiązanie projektowe BPF.
Z Jokerem wchodzimy w inny świat rozwiązań radiowych, który daje nam olbrzymie możliwości, nieosiągalne przy demodulacji i modulacji bezpośredniej (wokół DC), w tym w superheterodynach. Dzięki temu rozwiązaniu pozbywamy się szumów wzmacniaczy typu 1/f, obniżamy odczuwalny szum fazowy generatora LO oraz zyskujemy możliwość minimalizacji produktów niepożądanych sygnału nadajnika poprzez zastosowanie prostego układu pośredniej częstotliwości 10,7 MHz.
W odbiorniku Jokera został wykorzystany demodulator Tayloe w układzie podwójnie zrównoważonym. Jest on pewnym fenomenem, gdyż nie tylko następuje na nim detekcja sygnałów, ale działa również jako filtr wygaszając sygnały bliskie (już od 24kHz) i odległe. Jego charakterystyka jako filtr nakłada się na charakterystykę BPF dając w efekcie bardzo wysokie tłumienne poza pasmowe dla odbiornika. Tayloe „dokłada” w odległości 500kHz od częstotliwości odbieranej (w dół i w górę) 20dB tłumienia, w odległości 1,5 MHz 30dB. Utrzymuje takie tłumienie za wyjątkiem nieparzystych harmonicznych, na których to częstotliwościach spada do 9dB tłumienia. Ze względu na cykliczność taki filtr nazywany jest grzebieniowym.
Na czym polega różnica w projektowaniu klasycznego układu SDR a superheterodyny?
Projektowanie nowoczesnego klasycznego transceivera SDR w architekturze Low-IF (z offsetem np. 9 kHz) wymaga całkowitej zmiany podejścia do bilansu wzmocnienia i dynamiki w porównaniu z typową superheterodyną. W konstrukcji SDR opartej na mieszaczu Tayloe czułość odbiornika jest wypadkową wzmocnienia na kilku etapach głównie w torach małej częstotliwości. Zaczynając od opcjonalnego przedwzmacniacza antenowego, poprzez kluczowy wzmacniacz operacyjny (w naszym przypadku instrumentalny) bezpośrednio za mieszaczem (demodulatorem), aż po niskoszumowy wzmacniacz głośnikowy, który finalnie bilansuje poziom odbieranych sygnałów. Każdy z tych stopni musi być zaprojektowany z myślą o zachowaniu rygorystycznej liniowości, ponieważ w SDR kluczowe jest utrzymanie wysokiej dynamiki poszczególnych bloków, aby uniknąć ich nasycenia przed dotarciem sygnału do przetwornika ADC, a docelowo do wzmacniacza głośnikowego i ostatecznie głośnika lub słuchawek.
W takiej architekturze inaczej przedstawia się kwestia odporności na silne sygnały. Choć sam mieszacz Tayloe charakteryzuje się wybitnie wysokim parametrem IP3, to o realnej odporności decyduje dynamika toru analogowego małej częstotliwości oraz niedopuszczenie do cyfrowego przesterowania (clippingu) ADC. Przesuwamy ważność parametrów oceny odbiornika z IP3 na zakres dynamiki, balansowanie pomiędzy przenoszeniem silnych sygnałów a czułością. W domenie cyfrowej (DSP) unika się projektowania wzmocnienia w celu poprawy czułości. Zbyt duże podbijanie amplitudy w DSP prowadziłoby jedynie do uwydatnienia szumu kwantyzacji i artefaktów cyfrowych, nie poprawiając realnego stosunku sygnału do szumu (SNR). Różnica dotyczy również układu AGC, podczas gdy w superheterodynie steruje fizycznymi stopniami wzmacniacza p.cz., w SDR proces ten odbywa się matematycznie w domenie cyfrowej (po demodulacji analogowej). Pozwala to na uzyskanie idealnej precyzji obróbki, o ile wejściowy tor analogowy dostarczy sygnał o odpowiedniej amplitudzie, mieszczący się w „oknie” dynamiki przetwornika ADC. Automatyczna regulacja wzmocnienia powinna zacząć działać gdy stosunek sygnał do szumu (SNR) osiągnie wartość 10dB - 15dB. Jeśli jest ustawiony za nisko uzyskamy efekt „pompowania szumów” – męczący szum w głośniku. Joker posiada zoptymalizowany poziom AGC Threshold (próg zadziałania), tak by nie było efektu pompowania szumu na niższych pasmach, a na wyższych byśmy mogli odczuwać naturalną różnicę w głośności słabych i silniejszych stacji.
Uruchamianie odbiornika
Joker posiada budowę modułową opartą na blokach funkcjonalnych – panelach (Display, Digital, RF, PREAMP, BPF, LPF, PA). Ułatwia to uruchomienie, gdyż możemy testować moduły samodzielnie lub częściowo połączone między sobą. Możemy rozpocząć montowanie paneli wybiórczo, nie koniecznie wszystkie na raz. Do uruchomienia odbiornika wystarczą nam panele: Display, Digital, RF, BPF.
Od czego zacząć?
Proponuję od tyłu. Wykonanie wzmacniacza głośnikowego lub zaopatrzenia się w aktywny zestaw głośnikowy o niskich szumach i dużym wzmocnieniu. Należy wstępnie przetestować wzmacniacz by być pewnym poprawności jego pracy. Dlaczego zwracam uwagę na niskie szumy wzmacniacza głośnikowego i duże wzmocnienie. Klasyczne układy SDR opierają się na bezpośrednim przetwarzaniu sygnałów radiowych do sygnałów audio lub Low-IF. Konsekwencją takiej architektury jest to, że o komforcie odsłuchu słabych stacji decydują wzmacniacze niskich częstotliwości w tym audio - wzmacniacz głośnikowy. Wbrew pozorom w domenie cyfrowej (obróbka DSP) nie odbywa się wzmacnianie sygnałów lecz co najwyżej ich tłumienie (AGC cyfrowe). O tym, co będzie stanowić nasz wzmacniacz głośnikowy (wraz z głośnikiem) zdecydujemy sami, ale trzeba mieć na uwadze, że od niego będzie zależeć jakość odbioru.
Kolejny moduł jaki możemy uruchomić to Display Panel czyli moduł mikroprocesora zintegrowanego z wyświetlaczem i wgranym aktualnym oprogramowaniem Jokera. Zasilanie startowe dla ESP32-S3 uzyskamy ze złącza USB (w czasie wgrywania oprogramowanie z komputera). Joker powinien się uruchomić ignorując komunikację I2C. Jeśli mamy podłączoną matrycę z przyciskami, to możemy zacząć poruszać się po funkcjach Jokera. Dla normalnej pracy ESP32-S3 będziemy korzystać z zasilania zewnętrznego (pin 5V) dostarczanego z Digital Panel (pin 5V-ESP).
Uruchamiamy Digital Panel.
Tu ważna uwaga. Wpierw powinniśmy zweryfikować poprawność napięć dostarczanych z przetwornic 3V3 i 5V (dotyczy to wszystkich paneli !), a dopiero potem lutować moduły przetworników, Si5351 oraz podłączać Display Panel.
Druga ważna sprawa to moduł ADC PCM1808. Pisaliśmy już na forum o problemie złych wartości kondensatorów (100nF) na wejściach analogowych przetwornika. Można próbować uruchamiać układ wpierw z kondensatorami jakie są na płytce, ale w razie stwierdzenia bardzo dużego tłumienia sygnału testowego należy usunąć te kondensatory i na ich miejsce wlutować kondensatory o wartościach nie większych niż 1nF.
Test zasadniczy połączonych modułów Display Panel z Digital Panel.
Spodziewany wynik próby to słyszany w głośniku ton w wyniku podawania na wejście przetwornika ADC sygnału testowego oraz jego wizualizacja na ekranie. Ze względu na pracę toru odbiornika z Low-IF 9kHz oraz wąskie filtry cyfrowe nie jest możliwe przeprowadzenie typowego testu toru m.cz. z generatorem 1kHz. Należy podać sygnał z generatora testowego na poziomie kilku mV (2-5mV) o dokładnej częstotliwości 8 kHz lub 10 kHz (w zależności od wybranej wstęgi LSB lub USB). W głośniku powinien być słyszany ton 1 kHz, na ekranie widoczny ślad sygnału i wskazywany poziom w dBm. Bez podawanego sygnału testowego powinna być cisza w głośniku (słyszany co najwyżej szum własny wzmacniacza głośnikowego). Dotykanie wejścia przetwornika PCM1808 (palcem, śrubokrętem,…) nie powinno dawać żadnego efektu w głośniku (brum). Pojawi się jedynie ślad na wizualizacji wodospadu w odległości 9 kHz poniżej linii środka. Przy zmianie częstotliwości sygnału testowego od bardzo niskich częstotliwości do ok. 22kHz powinniśmy widzieć na ekranie ślad sygnału i słyszeć go jako zmieniający się ton akustyczny po wejściu w zakres przepuszczania filtru cyfrowego. Można test przeprowadzać na słuchawkach włączonych do gniazdka słuchawkowego w DAC, ale sygnał nie będzie zbyt głośny. Generalnie nastawiamy się, że od samego początku testy robimy z podłączonym wzmacniaczem głośnikowym.
W czasie testu poziomy wzmocnień oznaczone jako A i R na wyświetlaczu powinny być ustawione na wartość maksymalną A2.0 i R2.0, filtr na 2k9 – 4k0, emisje kolejno LSB i USB.
Podczas uruchamiania Digital Panel uruchamiamy także generator Si5351.
Musimy połączyć magistralę sygnałową I2C. Jeżeli jest prawidłowa komunikacja I2C to podczas uruchamiania Jokera nie wykaże on błędu komunikacji z Si5351. Należy tylko zweryfikować czy częstotliwość zegara w menu serwisowym jest prawidłowo wybrana (domyślnie 25 MHz). W przypadku zastosowania TCXO 27 MHz należy zmienić ustawienie w menu serwisowym.
Uwaga uruchomieniowa.
Odbiornik pracuje z offset 9kHz, w związku z tym częstotliwości generowane LO będą o 9 kHz niżej niż wskazywana na wyświetlaczu. Należy wykonać kalibrację zegara (Si5351). W tym celu mierzymy dokładnie częstotliwość generowaną na clk0 lub clk1, a w menu serwisowym ( … Freq correct) wykonujemy korektę tak, by częstotliwość generowana plus 9,000 kHz zgadzała się z odczytem na wyświetlaczu. Korekty wykonujemy na każdym paśmie, możemy jednak po dokładnej korekcie na jednym paśmie przepisać wartość korekty na innych pasmach. Można posłużyć się jakąkolwiek inną metodą by zweryfikować ustawienie częstotliwości w Jokerze niż poprzez pomiar częstotliwości generowanej z Si5351. Przykładowo odczyt częstotliwości na ekranie Jokera sygnału generatora wzorcowego podawanego na wejście odbiornika (poziom nie więcej niż 2-3mV !)
RF Panel - tor odbiornika
Zaczynamy od wlutowania stabilizatora napięcia 5V oraz elementów w obwodach zasilania (w tym RX BIAS, TX BIAS) . Po sprawdzeniu napięcia po stabilizatorze (5V) oraz napięć BIAS (2,5V) lutujemy pozostałe elementy, możemy wpierw wlutować tylko elementy toru odbiornika (ale wraz z przekaźnikami). Tor odbiornika nie wymaga żadnych regulacji, powinien działać po podłączeniu zasilania i spięcia pinów sygnałów wyjściowych (IRX, QRX) na panelu RF z pinami wejściowymi dla tych sygnałów na panelu Digital Panel identycznie oznaczonych.
Należy wziąć pod uwagę, iż wiele osób zgłaszało, że układy CBT3253 kupowane na aliexpress nie działają. Nabywamy je w sprawdzonym źródle. Pomiary jakie możemy dokonać to kontrola: napięć zasilania CBT3253 i AD8421, napięć BIAS oraz napięć na wejściu i wyjściu kluczy (powinny być 2,5V). Napięcia na wyjściu kluczy mierzymy na kondensatorach 33nF (C44-C47 NP0), a na wejściu kluczy na transformatorze (na rezystorze R43). Test sygnałowy jaki możemy już dokonać to odbiór stacji po podłączeniu anteny do gniazda oznaczonego ANT lub podaniu tam sygnału testowego w zakresie pasma pracy o poziomie 1mV do maksymalnie 10mV (S9+30 do 40 dB). Sygnał powinien być mocno słyszalny i widoczny na wodospadzie. Jeżeli okazuje się, że nie słyszymy żadnych stacji czy sygnału testowego w.cz., to należy podać sygnał 8/10kHz o bardzo niskim poziomie na wejście wzmacniaczy AD8421, by być pewnym, że wzmacniacze działają. Przyczyną może być nie pracujący CBT3253, brak generowanych sygnałów LO z Si5351 lub inne błędy montażu.
Jeżeli wszystko działa, to możemy zmontować całość płytki.
Uruchomienie toru nadawczego na płytce RF zostanie opisany oddzielnie.
BPF – panel z filtrami pasmowymi.
Filtr pasmowy (BPF) pracuje zarówno podczas odbioru jak i nadawania. Montaż zaczynamy od przetwornicy napięcia i sprawdzenia prawidłowości napięcia 3V3. Można dobrać wartości rezystorów, polaryzujących diody LED dla zmieszenia poboru prądu, ale tak by wyraźnie sygnalizowały stan włączenia danego filtru pasmowego (dotyczy wszystkich LED na płytkach). Diody LED sygnalizują prawidłowość sterowania (włączenie właściwego filtru).
Dla pasm 17-15m i 12-10m BPF jest wspólny. Jak wyżej opisywałem demodulator Tayloe działa jak filtr pasmowy, w odległości +/- 1,5 MHz od częstotliwości odbieranej osiąga on już ustabilizowane tłumienie ok. 30dB. Jeśli będziemy słuchać na częstotliwości 21,250 MHz, to od częstotliwości 19,750 MHz (i poniżej) sygnały będą tłumione 30dB pomimo, iż w tym miejscu BPF praktycznie nie wnosi żadnego tłumienia.
Jest to zupełnie inna sytuacja niż gdybyśmy zastosowali taki BPF w odbiorniku superheterodynowym.
Płytkę BPF najlepiej zmontować od razu w całości. Jeżeli wszystkie elementy są wlutowane zgodnie z podanymi wartościami, to filtry nie wymagają żadnego strojenia. Należy przeprowadzić kontrolę pracy filtrów pasmowych używając do tego celu nanoVNA. Zdjęcia z wyników pomiarów nanoVNA były umieszczone w Joker_08.docx. Filtry można uznać jako prawidłowo wykonane jeśli będą miały tłumienie w paśmie przenoszenia nie większe niż 1dB. W przypadku oczekiwanych wartości tłumień poza pasmowych w Jokerze sytuacja wymaga szerszego omówienia.
Efekt Tayloe jako filtru nie działa tak skutecznie na nieparzystych harmonicznych (3, 5, 7,..) w konsekwencji filtr pasmowy podczas odbioru musi zapewnić tłumienie na tych częstotliwościach, by wytłumić sygnały niepożądane przychodzące z anteny. W mieszaczu Tayloe druga harmoniczna jest naturalnie tłumiona przez symetrię mieszacza (tłumienie sygnałów współbieżnych na AD8421), poziom tłumienia minimum 40dB. Podobny poziom tłumienia powinien zapewnić BPF trzeciej i wyższych harmonicznych LO, Tayloe dołoży do tego na nieparzystych harmonicznych około 9 dB swojego tłumienia.
Nadajnik Jokera dla modulacji SSB został zaprojektowany jako hybryda, z drugą pośrednią częstotliwością 10,7 MHz. W związku z tym BPF podczas nadawania będzie miał za zadanie tłumienie sygnałów lustrzanych powstających w mieszaczu nadajnika. Sygnały harmoniczne generowane w modulatorze Tayloe będę tłumione w torze p.cz. przez filtr kwarcowy.
Sygnały lustrzane powstałe w mieszaczu nadajnika jako sumy lub różnice LO i 10,7 MHz będą daleko odległe od częstotliwości pracy, w związku z tym są bardzo łatwe do odfiltrowania. Sygnał lustrzany ma tą samą moc co sygnał użyteczny, oczekiwana wartość tłumienia na częstotliwościach lustrzanych to powyżej 60dB.
Miejsca powstawania sygnałów lustrzanych dla poszczególnych pasm (częstotliwości środkowe): 80m – 25 MHz, 40m – 28,5 MHz, 30m (nie dotyczy) , 20m – 35,6 MHz, 17m – 3,3 MHz, 15m – 0,18 MHz, 12m – 3,54 MHz, 10m – 7,45 MHz.
Nadawanie telegrafią odbywa się jako direct CW, to znaczy generowanie nośnej na częstotliwości pracy. W związku z tym nie tworzą się sygnały lustrzane, ale do odfiltrowania mamy harmoniczne sygnału użytecznego (kluczowanej nośnej).
Na odfiltrowanie harmonicznych wpływa dodatkowo LPF, który jest zabudowany po driverze PA. Zapewni nam on właściwy końcowy poziom tłumienia przed podaniem sygnały z Jokera na wzmacniacz mocy nadajnika, który też będzie wyposażony w kolejny własny LPF.
Domyślny adres dla PCF8574 w menu serwisowym to „20”.
Przedwzmacniacz antenowym z tłumikiem antenowym. Panel preamp.
Ogólna zasada, wpierw montujemy obwody zasilania, sprawdzamy prawidłowość napięć, a dopiero potem pozostałe elementy.
Po prawidłowym zmontowaniu panel powinien działać beż żadnej regulacji. Należy zwrócić uwagę na prawidłowe nawinięcie transformatorów przedwzmacniacza antenowego. Początki, końce uzwojeń oznaczone cyframi 4-5-6 są to uzwojenia nawijane bifilarnie (dwa przewody jednocześnie, skręcone ze sobą), koniec pierwszego jest początkiem drugiego (środkowy odczep). Jako transformator wejściowy można użyć ADT9-1.
Domyślny adres dla PCF8574 w menu serwisowym to „22”.
W przypadku innego adresowania PCF8574 na własnych płytkach należy zmienić adres w menu serwisowym.
Bieżące ustawienia Jokera w trakcie uruchamiania należy zapisywać w plikach wykorzystując „Joker konfigurator”.
Po uruchomieniu. Ocena odbiornika.
Po uruchomieniu odbiornika należy dokonać kalibracji wskazań s-metra (dBm), zostało to przedstawione na filmie: https://youtu.be/Zt1ZwRNiS6Y
Uwaga do kalibracji. Napięcie sygnału testowego powinno być wywzorcowane w odniesieniu do obciążenia o wartości 50Ω.
Sygnał testowy powinien być podany na wejście odbiornika przez tłumik 10-20dB by zniwelować niedospawania dla generatora sygnałowego. Należy uwzględnić poprawkę. Przykładowo podajemy sygnał -53dBm (S9+20) dB z tłumikiem 20dB, kalibrację przeprowadzamy dla -73dBm (S9). Niedopasowania wynikają z kolejnych właściwości Tayloe, wokół częstotliwości LO zmienia się jego impedancja.
Po kalibracji wskazań pomiaru poziomu sygnałów w jednostce dBm w Jokerze, możemy dokonać oceny podstawowych parametrów odbiornika.
Poniżej opisane testy z użyciem wskaźnika dBm w Jokerze należy wykonać w różnych wariantach: bez włączonego przedwzmacniacza antenowego, z włączonym pre-amp, z włączonym ATT odpowiednio interpretując otrzymane wyniki.
Miejmy na uwadze, że Joker nie jest przyrządem pomiarowym, choć wskazania poziomów sygnałów w dBm są stosunkowo dokładne.
Poniższe testy są uproszczone, nie są tożsame z pomiarami ARRL, mają na celu gównie potwierdzić poprawność funkcjonowanie odbiornika.
Podłoga szumowa odbiornika.
Podłoga szumowa bez włączonego tłumika antenowego i przedwzmacniacza będzie możliwa od razu do odczytu. W tym celu zamiast anteny zamykamy gniazdo antenowe terminatorem 50 Ω (może być sztuczne obciążenie). ARRL podaje wartość dla filtru 500Hz. Oczekiwana wartość w zależności od pasma powinna wynosić -126 do -128 dBm. Będzie ona uzależniona od szerokości włączonego w czasie pomiaru filtru (robimy pomiary dla filtrów CW i SSB) i od ewentualnego „łapania” różnych zakłóceń. W takim przypadku należy zmieniać częstotliwość odbioru i zweryfikować w jakich granicach zmienia się podłoga szumowa. Włączenie przedwzmacniacza antenowego (po dokonaniu kalibracji wskazań pre-amp) powinno obniżyć odczyt o wartość: wzmocnienia pre-amp minus 2-3dB (wzmocnienie 12dB, obniżenie podłogi szumowej o ok. 10dB). Przedwzmacniacz antenowy używamy głównie na górnych pasmach (17-10m). W pasmach 80-30m nie używamy przedwzmacniacza.
MDS minimalnie wykrywany sygnał.
Próba trzy decybelowa przy włączonym filtrze 500Hz. Zmieniając wartość sygnału z generatora na częstotliwości odbieranej ustalamy go na poziomie by wskazania w dBm zwiększyły się o 3 dB w stosunku do podłogi szumowej odbiornika. Powinien być wyraźnie słyszalny sygnał w głośniku. To jest czułość graniczna w dBm, przyjmowana jako czułość dla odbioru CW. Możemy posłużyć się zestawem tłumików by osiągnąć właściwy niski poziom sygnału testowego. Bez włączonego pre-amp odbiornik powinien odbierać sygnały na poziomie S1, z pre-amp poniżej wskazania S1.
Czułość odbiornika dla emisji SSB.
W przypadku emisji SSB dla czytelności odbioru sygnał musi być wyższy o 10dB w stosunku do szumów (testowo odbiornika). Sygnał testowy będzie słaby, ale wyraźnie czytelny. Taki poziom sygnałów SSB powinien być bez problemu zrozumiały. Czułość można zmierzyć dla różnych wartości wzmocnienia przedwzmacniacza antenowego (ustawienia P1-P9).
Inne testy.
BDR. Test blokowania odbiornika pojedynczym sygnałem.
Możemy przeprowadzić test blokowania pojedynczym sygnałem w odległości 5 kHz od częstotliwości odbioru, ale do tego będą potrzebne nam dwa generatory, jeden na częstotliwości odbioru (ustawiamy poziom 10dB powyżej MDS), a drugi 5 kHz wyżej. Zakres dynamiczny blokowania to wyrażona w decybelach (dB) różnica pomiędzy poziomem szumów własnych odbiornika (MDS), a poziomem silnego sygnału zakłócającego, który powoduje spadek wzmocnienia sygnału na częstotliwości odbioru o 1 dB.
RMDR. Test odwrotnego mieszania szumów, jeden z najważniejszych parametrów odbiornika.
Aby ten test miał sens, generator sygnałowy musi być bardzo wysokiej jakości (musi mieć znacznie mniejszy szum fazowy niż Si5351). Może to być dobrze odfiltrowany sygnał z generatora kwarcowego.
By przeprowadzić test odczytujemy wpierw wartość podłogi szumowej na częstotliwości testowej. Następnie włączamy generator testowy na częstotliwości 5 kHz powyżej częstotliwości testowej. Zwiększamy moc sygnału z generatora do poziomu gdy odczyt podłogi szumowej zwiększy się o 3 dB.
RMDR obliczamy jako różnicę pomiędzy poziomem sygnału powodującego podniesienie podłogi szumowej o 3 dB a początkowym odczytanym poziomem podłogi szumowej.
Uwaga obliczeniowa. Wyniki odczytów mają wartości ujemne w (-) dBm, w związku z tym należy zwrócić uwagę przy działaniach matematycznych.
Jaka czułość odbiornika jest nam potrzebna?
To jest jedna z kluczowych kwestii koncepcji torów odbiorczych wszystkich odbiorników.
W zależności od lokalizacji w której mamy zainstalowaną radiostację doświadczamy różnego tła zakłóceń lokalnych. Na terenach wiejskich zakłócenia lokalne sięgają wartości od około S3 dla pasma 80m do poniżej S1 dla 10m. W terenie zurbanizowanym od S7 dla 80m do S3 dla pasma 10m. W związku z powyższym czułość na poziomie S1-S2 będzie nam potrzebna tylko na wyższych pasmach, uzyskamy ją dzięki włączanemu przedwzmacniaczowi antenowemu o maksymalnym wzmocnieniu 12dB. Zbyt duża czułość odbiornika na niższych pasmach jest wręcz szkodliwa, w związku z tym podstawowa konfiguracja Jokera to wyłączony przedwzmacniacz antenowy i wyłączony tłumik antenowy. Dla obniżenia poziomu bardzo silnych sygnałów (S9+40dB i powyżej) na dolnych pasmach mamy do dyspozycji tłumik antenowy 6-12-18dB. Przedwzmacniacz i tłumik antenowy daje nam zwiększenie zakresu dynamiki odbiornika łącznie o 30dB. Podstawowy zakres dynamiki jest ograniczony przetwornikiem PCM1808, katalogowo 99dB, jednak ze względu na offset oraz „mnożnik” filtrów cyfrowych wartość dynamiki odbiornika sięga wartości 102dB (bez uwzględnienia pre-amp i ATT).
Otrzymałem już pierwsze informacje zwrotne odnośnie testów z wykorzystaniem profesjonalnego generatora. Przy odczytanej podłodze szumowej -128dBm, testowy sygnał 0,1uV (-127dBm, to jest 6dB poniżej S1) jest słyszalny w mode CW z użyciem filtru 500Hz. Test bez użycia pre-amp.
Uruchomienie toru nadajnika przedstawię w odrębnym opisie.