Wzmacniacz pośr. (IF) wg. F6CER, ew. hycas wg. W7ZOI

[GLI512]

Kolega Rafał sq4avs opisał w EDW (luty 2014) "patent" na bolączki wynikające z pracy syntez, o których właśnie rozprawia kolega Piotr. Jest on oparty na układzie NB3N3020. Podobno jest skuteczny. Podobno, bo choć przez przypadek dysponuję tym układem, nie miałem jeszcze okazji osobiście się przekonać jak to ustrojstwo pracuje. Tzw. "szaleństwo" dnia powszedniego skutecznie mi to utrudnia - roboty jeszcze nikt nie przerobił...
Brawo Piotr!

---

Jeszcze dla uzupełnienia.
   

[SP9LVZ]

W kwestii doczyszczania heterodyny przez pętle powielające PLL to nie jest tak wspaniałe. Pierwsza sprawa, to większość konstruktorów stosowała je do generatorów DDS (ADxxxx). Natomiast Si5351 jest syntezą typu PLL/VCXO. Druga sprawa, to czy mamy problem z generowanym sygnałem (jak z AD) czy może bardziej dokuczliwe zakłócenia od samego sterownika syntezy (mikroprocesora) i elementów peryferyjnych (sterowanie I2C wyświetlaczem).
Moje doświadczenia z powielaczami są złe. Przykładowo ICS502. Problem to pojawiający się szum fazowy synchronizacji PLL. Jest on po prostu słyszalny przy czułym odbiorniku z przemianą częstotliwości! Konstruktorzy chwalili rozwiązania z doczyszczaniem na powielaczu PLL w układach homodynowych z syntezami DDS, w których potrzebujemy powieloną częstotliwość heterodyny. Tu jest kwestia do czego co stosujemy, co się sprawdza w jednym rozwiązaniu (odbiorniki homodynowe), nie koniecznie sprawdzi się w innym rozwiązaniu (odbiornik z przemianą częstotliwości).

W mojej koncepcji dla trx z przemianą częstotliwości nie chciałem powielać częstotliwości heterodyny, by znów ją dzielić przed mieszaczem (przykładowo na 74HC74).
Dlatego zastosowałem rozwiązanie kształtowania sygnału heterodyny bez powielania (HC04+HC86). Uznałem że tak będzie lepiej pod względem braku konieczności generowania wielu harmonicznych częstotliwości podstawowej. Odsłuch testowy w teście 06 zrobiłem od +10 kHz do -10 kHz względem 7.170 kHz - częstotliwość generatora testowego.
Kolejny problem to ten spurs (tzw ostrogi) czyli produkty w postaci prążków obok generowanej częstotliwości podstawowej przez układ syntezy. Jest wiele publikacji na ten temat, ale chyba tak do końca nie wiemy z czym mamy problem. Nie znalazłem publikacji, w której opisano by ten temat jasno i konkretnie.
W generatorach DDS (ADxxx) wg. mojej oceny jest on znacznie większy niż w PLL (Si5351). Kwestia tylko czym on jest?, skąd się bierze? i kiedy te zakłócenia słyszymy?... Wg. analiz są to prążki stałe generowane w ściśle określonych, bardzo bliskich odległościach od częstotliwości heterodyny. Więc efektu spursu jako takiego nie powinniśmy słyszeć przestrajając odbiornik przy braku sygnału od strony anteny. Będziemy go słyszeć (efekt) dopiero jako produkty niepożądane wynikające z mieszania się spursu z silnymi sygnałami z pasma lub z sygnałami niepożądanymi generowanymi przez układ sterownika syntezy?. Ocena bardzo trudna, bo produkty niepodążanie mogą być poniżej odbieranych z pasma. W zasadzie to efekt spursu możemy chyba jedynie ocenić na analizatorach widma oraz zobaczyć ten "spurs" lub można zrobić test z użyciem silnego sygnału z generatora testowego, który zmiesza się z spursem i będziemy słyszeć efekt tego mieszania.

Ja je teoretycznie zminimalizowałem problem spursu poprzez zastosowanie: filtrów doczyszczających za Si5351, mieszacza na kluczach SD5400, diplexer za mieszaczem i tłumik 3dB przed mieszaczem. Dodatkowo jest układ kształtowania symetryzacji sygnału heterodyny. To według opracowań krótkofalowców, którzy analizowali problem efektu powstawania produktów niepożądanych od spursu dali takie wytyczne jak go minimalizować w przypadku mieszaczy dla odbiorników z przemianą częstotliwości.

Słyszymy jednak powyżej podłogi szumowej odbiornika też inne produkty niepożądane pochodzące raczej od sterownika i być może tylko częściowo od syntezy Si5351? To jest bardziej denerwujące bo słychać to w podłodze szumowej odbiornika bez wkręconej anteny podczas przestrajania po paśmie. Można te zakłócenia eliminować ustawiając symetryzację sygnału heterodyny. Niestety na każdym z pasm ustawienie jest inne.

Test 01 - odbiornik CW z Si5351 i sterownik na Arduino NANO z ATMEGA328P, wyświetlacz OLED. Pojawiają się w jednym miejscu w pasmie telegraficznym na 14 Mhz silnie zakłócenia nie do wyeliminowania (słychac je też na harmonicznych na wyższych pasmach). To jest na pewno od sterownika syntezy. Trudno określić czy od komunikacji I2C z OLED i Si5351, czy wynika to z niskiej częstotliwości zegara ATMEGA? Taka konfiguracja jest wykorzystywana w prostych TRX i może być problematyczna pod względem własnych zakłóceń odbiornika od syntezy.
Tak to słychać:
https://youtu.be/wu8KjVK2z20

Test 02 - odbiornik SSB z Si5351 i sterownik na ESP32 (nasz aktualny projekt). Odbiór w paśmie CW na 14 Mhz w tym samym zakresie jak powyżej. Nie ma tych zakłóceń, pomimo że Si5351 jest sterowany po I2C.
Tak słychać:
https://youtu.be/2oxTCE4Hsig

Test 03 - odbiornik SSB z Si5351 i sterownik na ESP32 (nasz aktualny projekt). Problem zakłóceń prawdopodobnie? od sterownika (ale tego nie jestem pewny) - jest on do wyeliminowania poprzez symetryzację w układzie kształtowania sygnału na HC04 znajdujący się na płytce mieszacza z SD5400
Tak słychać:
https://youtu.be/8RmrCqrDAsE

Test 04 - odbiornik SSB z Si5351 i sterownik na ESP32 (nasz aktualny projekt). Pasmo SSB 21MHz po wyeliminowaniu problemu zakłóceń - podłoga szumowa odbiornika i test przyrostu szumu z pasma po wkręceniu anteny (szum z pasma). Problem sygnałów niepożądanych można przyjąć, że całkowicie wyeliminowany.
Tak słychać:
https://youtu.be/cUNQXLGH_DA

Test 05 - odbiornik SSB z Si5351 i sterownik na ESP32 (nasz aktualny projekt). Pasmo SSB 7 Mhz, można określić że wolne od jakichkolwiek zakłóceń "od syntezowych".
Porównanie podłogi szumowej odbiornika do szumu z pasma po wkręceniu anteny w ciągu dnia (niski poziom sygnałów z pasma).
Tak słychać:
https://youtu.be/qqbjCnhItYQ

Test 06 - odbiornik SSB z Si5351 i sterownik na ESP32 (nasz aktualny projekt).
Pasmo SSB częstotliwość testowa 7,170 Mhz, bez anteny. Na wejście antenowe podany jest pojedynczy silny sygnał (poziom najsilniejszych stacji na paśmie, co widać po s-metrze). Jeśli wystąpi problem spursu, to wokół częstotliwości pożądanej były by słyszane prążki wynikające z mieszania się częstotliwości sygnału z generatora z prążkami niepożądanymi (spursem). Oczekiwany wynik testy to czysty odbiór wokół częstotliwości generowanej.
Przy okazji tego testu słychać, że płytka p.cz. nie ma "przesłuchów" wejście - wyjście filtru SSB (PP9). Filtr według aktualnej koncepcji filtr PP9 jest bardzo dobrze dopasowany, są zachowane ostre zbocza.
Tak słychać:
https://youtu.be/d6KijCRPDUU

Przypomnę, że w kwestii technicznej rozwinięcia projektu IF na mosfetach (dotyczące syntezy, mieszacza, pozostałych bloków trx) brałem pod uwagę następujące czynniki: prostotę wykonania w przypadku powielenia projektu, dostępność elementów, niski koszt elementów, jak najwyższy efekt radiowy, wrażenia ogóle (emocje związane z projektem).

[GLI512]

Rzeczywiście, ICS502 to była porażka i to niestety zniechęca  do dalszych działań z podobnymi układami. Zainspirowany tym, że zostałem przypadkowym posiadaczem NB3N3020, w wolnych chwilach śledziłem sobie temat na wielu różnych, nawet dość egzotycznych forach. Wszędzie oczywiście konstruktorzy potwierdzali opinię o serii ICS5... w stu procentach. Stosując natomiast zamiennie NB3N3020, krytyki jak w przypadku ICS tam nie widziałem. Osobiście nie zamykam mu drogi do takich czy innych swoich eksperymentów, tym bardziej, że jak wspomniałem układ leży sobie gdzieś w szufladzie i spokojnie czeka.
Rzeczywiścieie, specjalnie ma sensu brnąć w jakiś tam specjalizowane układy. Po prostu opcja dla ciekawskich, a dla amatorów układowego hardcore istnieją inne konstrukcje.

[SQ4AVS]

Czym jest SI5351 to jest układ PLL w technologii ułamkowej.
W odległości 2kHz od nośnej szumy -113dBc/Hz dla SI5351 dla 5,645MHz
https://qrp-labs.com/qcx/phasenoise#galleryaa3e812f5f-1
Już w pierwszym zdaniu karty katalogowej NB3N3020 pisze niski poziom szumów fazowych
NB3N3020 dla powielenia z 25 na 125MHz.
100 Hz −95 dBc/Hz
1 kHz −107 dBc/Hz
10 kHz −112 dBc/Hz
100 kHz −117 dBc/Hz
1 MHz −117 dBc/Hz
10 MHz −134 dBc/Hz
Podzielmy 125MHz na 5,645 MHz podział jest 22 razy by móc sprawiedliwie porównywać. Przez podział uzyskamy poprawę szumów fazowych o około 22dB względem wartości podanych przez producenta (20*ln(n) gdzie n jest stopniem podziału)
Ten układ nadaje się do czyszczenia DDS-a ale i to nie zawsze sobie poradzi -upraszczając.
Kiedy pogorszy
Kiedy stosunek częstotliwości zegara do wyjściowej będzie liczbą całkowitą. Tutaj DDS nie generuje prążków niepożądanych
Nie poprawi ale i nie pogorszy
Stosunek częstotliwości zegara do wyjściowej będzie bliski liczbie całkowitej. Prążki DDS znajdują się w paśmie filtru pętli PLL blisko nośnej. Pogorszy nieco widmo w większej odległości od nośnej ale to już nie do usłyszenia a tylko do zmierzenia w wyrafinowanych pomiarach.
Kiedy poprawi
Stosunek częstotliwości zegara do wyjściowej będzie wyraźnie różny od liczby całkowitej. Pętla PLL odfiltruje zakłócenia generowane przez DDS. Pogorszy nieco widmo w większej odległości od nośnej ale to już nie do usłyszenia a tylko do zmierzenia w wyrafinowanych pomiarach.
Wracając do tematu SI5351 uważam że przyczyną pogorszenia tłumienia sygnałów niepożądanych jest pojawiająca się asymetria mieszacza ale wynikająca właśnie z zastosowania filtrów dolnoprzepustowych redukujących poziom sygnału różnie na różnych pasmach. Filtr dolnoprzepustowy jest w stanie odfiltrować jedynie harmoniczne wynikające z widma sygnału prostokątnego a nie zakłócenia blisko nośnej generowanej przez syntezer.
Podsumowując według mnie najlepsze parametry da synteza z buforami bez żadnych filtrów czyszczących. W przypadku DDS filtr pasmowy oczywiście poprawi redukując prążki.

[SP9LVZ]

Z tego wywodu Rafała ja rozumiem, że NB3N3020 jest sens stosować w pewnych warunkach dla syntez typu DDS. Dla Si5351 nie ma sensu?.
A teraz nasza synteza na Si5351 z ESP32. Na płytce na wyjściach CLK0, CLK1, CLK2, są zaprojektowane miejsca na jedno ogniwo pi-filtru. W przypadku CLK0 i 1, są to wyjścia BFO idące (jedno do wykorzystania) do demodulatora. Tu uważam że pi-filtr może być i niczemu nie przeszkadza, a może pomaga.
Natomiast, gdyby faktycznie problem (co trzeba by przetestować) różnego równoważnia symetrii mieszacza dla różnych pasm wynikał by z zastosowania pi-filtra na CLK2 (heterodyna), to można go na płytce pominąć i jako opcję wlutować zamiast niego dzielnik rezystancyjny lub wręcz dać zworkę. To kolejny temat do sprawdzenia :-).
Dodam jeszcze taką informację, że to co pisze Rafał o buforach z inwerterów 04 na wyjściach Si5351 - to mamy! Rafał opracował wersję PCB naszej syntezy z takimi buforami. Kilka osób posiada tą wersję płytki, ale jeszcze chyba nikt nie testował jak się zachowuje z mieszaczami w tym z naszym układem mieszacza na SD5400. Ja jeszcze nie testowałem tej opcji.
Podsumowując kolejne wrażenia z odsłuchu odbiornika już zmontowanego w obudowie, jest bardzo dobrze. Na pewno powrotu do VFO LC czy pre-mixerów nie ma, pomimo że celem jest zrobienie klasycznej superheterodyny z przemianą w dół.

[SQ4AVS]

Dokładnie dla SI5351 nie ma sensu stosować układu NB3N3020. Sens byłby stosować pll-a dla SI5351 gdybyśmy zrobili dobre niskoszumne vco plus odpowiednio dobrali filtr pll. Ale to trzeba zrobić na piechotę i układ NB3N3020 się do tego nie nadaje

[GLI512]

Nie ma to jak informacje z "pierwszych obu rąk" naraz! ;-)

[SP9LVZ]

Zrobiłem testy w zakresie minimalizacji produktów niepożądanych na tle podłogi szumowej odbiornika. Chodzi o te przedstawiane na filmach zakłócenia pojawiające się głównie w paśmie 21 i 28 Mhz oraz mniej dokuczliwe na 14 Mhz na pojedynczych częstotliwościach. Są one prawie do całkowitej eliminacji poprzez symetryzację sygnału heterodyny na HC04. Problem jest taki, że na każdym z pasm punkt symetryzacji (regulacja peerkiem) jest w innym miejscu. Wg. sugestii Rafała usunąłem pi-filtr doczyszczający z sygnału heterodyny (tak by z Si5351 wychodził sygnał bardziej prostokątny). Niestety nie spowodowało to "nałożenia" się punktów symetryzacji, wręcz przeciwnie punkty na peerku jeszcze bardziej się rozjechały.
Słuchając tych zakłóceń wnioskuję że jest to coś od sterownika syntezy, co interferuje z heterodyną.
Wróciłem więc do punktu wyjścia, czyli wlutowałem ponownie pi-filtr (jest on na częstotliwość ok 38 Mhz, czyli najwyższa generowana wartość sygnału heterodyny dla pasma 28 Mhz). Ustawiłem minimum zakłóceń w paśmie 28 Mhz, wtedy dla pasma 14 i 21 MHz jest do przyjęcia.
To nie wszystko co zamierzam zrobić.
Opcja pierwsza do sprawdzenia. Obecnie heterodyna jest ustawiona jako suma częstotliwości pasm i p.cz., można by dla pasm 20-10m zrobić jak różnicę i sprawdzić co się zmieniło.
Opcja druga do sprawdzenia. Dać zewnętrzne VFO LC przy włączonej syntezie i wyłączonej syntezie, sprawdzenie jak włączony sterownik spływa na taką sytuację.
Opcja trzecia testu. Zrobić przełączany układ symetryzacji dla pasm (głównie dla 14,21 i 28 Mhz). Jeśli takie przełączanie działało by prawidłowo, to można problem wyeliminować dla wszystkich pasm. I to było by najlepsze rozwiązanie.

[SQ4AVS]

Z tego co piszesz Piotrze to wynika że problem jest z symetryzacją sygnału a nie z samym filtrowaniem. Ze względu na czasy narastania sygnału jest stosunkowo prosto ustawić symetrię w przypadku sinusa a trudno w przypadku prostokąta co dokładnie opisałeś. Myślę że najlepszym rozwiązaniem byłaby heterodyna razy 2, dzielnik na przerzutniku przez dwa i dobra symetria sygnału i bez potencjometrów równoważących.

[SP9LVZ]

Tak jak pisałem sprawdzę jeszcze sytuację w przypadku czystego sinusa z generatora LC. Ja raczej nie pójdę w kierunku komplikacji układu dla doczyszczania heterodyny w pierwszej wersji TRX. Po ustawiu jako zrównoważenie mieszacza na 28 Mhz jest ono praktycznie wolne od tych produktów niepożądanych.
Natomiast na 14 i 21 Mhz słyszane produkty niepożądane powyżej podłogi szumowej odbiornika (bez anteny), nie są już rozróżnienia od zakłóceń z pasma po wkręceniu anteny.
Co do tego heterodyna x 2, to najlepiej było by wygenerować taki sygnał z Si5351, ale ja nie jestem na tyle biegły w programowaniu by zmienić kod programu i uzyskać taki sygnał z syntezy. Można bez problemu zmienić wersję modułu mieszacza z HC86 na HC74 i taką wersję przetestować jeśli ktoś by zmienił program syntezy.
Druga opcja to nie robić odwrócenia sygnału heterodyny na dwa potrzebne 0/180 poza generatorem, tylko wygenerować go z Si5351, ale nie wiem na ile symetrycznie taki sygnał może być wygenerowany?

By oderwać się nieco od tej kwestii czystości odbiornika, podłączyłem jeden z moich wzmacniaczy toru nadajnika - zmodyfikowana wersja kitu dostępnego w internecie z tranzystorami PA zamienionymi na 2xRD16 i uzyskam ku zaskoczeniu bardzo równy poziom sygnałów SSB na wszystkich pasmach ok 8W. Tor formatowania sygnału SSB nadajnika modulator/mieszacz/BPF zachowuje się prawidłowo. Nie miałem żadnych objawów wzbudzeń nadajnika.