Modena, 9-10 Aprile 2010 IV Convegno Nazionale SDR. Downconverter VHF-UHF per il PMSDR Martin Pernter - IW3AUT

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1 Downconverter VHF-UHF per il PMSDR Martin Pernter - IW3AUT

2 Estensione della gamma di ricezione del PMSDR: perchè un downconverter? La gamma di ricezione del PMSDR comprende la gamma da ca.0,1mhz fino a 55 MHz. Il mixer a QSD utilizzato nel PMSDR può lavorare solamente fino a poco oltre i 100MHz. (Johnson Counter con fclk>400mhz!!!). Per ricevitori SDR basati su un mixer QSD (Softrock, Flex-Radio, PMSDR, Elektor ecc..) è neccessario l'utilizzo di un downconverter per poter ricevere le gamma VHF/UHF. (La ricezione delle VHF sarebbe possibile, con alcune limitazioni, anche in 3 armonica.) ٤f JOHNSON COUNTER ١f ٠ ٩٠

3 PMSDR-Donwconverter : obiettivi progettuali Gamma di frequenza: VHF+UHF Dimensioni contenute: Installabile come scheda opzionale all'interno del PMSDR Basso consumo: Alimentato tramite interfaccia USB Commutatore per transceiver integrato (funzione di Switchboard ) Selettività-Reiezione d'immagine: 2 Filtri passa-banda (VHF+UHF) a 3 celle Flessibilità: Filtro passa-banda VHF a 3 celle tarabile-sintonizzabile da ca. 80MHz fino a 150MHz Flessibilità: Ingresso a larga banda per l'utilizzo con filtri passa-banda esterni (fino a ca. 900MHz) Flessibilità: Oscillatore locale sintonizzabile (possibilità di variare la frequenza IF entro un certo limite)

4 PMSDR-Donwconverter : scelte progettuali

5 Prototipo del PMSDR-Donwconverter

6 PMSDR-Donwconverter : Scelte progettuali Dimensioni contenute: Installabile come scheda opzionale all'interno del PMSDR Basso consumo: Alimentato tramite interfaccia USB Commutatore per transceiver integrato (funzione di Switchboard ) Selettività/Reiezione d'immagine: 2 Filtri passa-banda (VHF+UHF) a 3 celle Flessibilità: Filtro passa-banda VHF a 3 celle tarabile-sintonizzabile da ca. 80MHz fino a 150MHz Flessibilità: Ingresso a larga banda per l'utilizzo con filtri passa-banda esterni (fino a ca. 900MHz) Flessibilità: Possibilità di variare la frequenza IF entro un certo limite

7 1. Il commutatore d'antenna Il commutatore d'antenna integrato nel downconverter consente di utilizzare il PMSDR in abbinamente con un ricetrasmettitore sulla stessa antenna.

8 2. I filtri passa-banda VHF-UHF Il downconverter prevede due filtri passa-banda a 3 celle sintonizzabili. Il filtro VHF può essere sintonizzato su una gamma molto ampia, da ca. 80MHz fino a 150MHz. Il filtro UHF invece è sintonizzabile da 425MHz a 475MHz.

9 2. I filtri passa-banda : misure sul filtro VHF Perdita d'inserzione: ca. 4,4dB Larghezza di banda (-3dB): ca. 10 MHz

10 2. I filtri passa-banda : misure sul filtro UHF Perdita d'inserzione: ca. 4,1dB Larghezza di banda (-3dB): ca. 15 MHz

11 3. Preamplificatore e mixer Il preamplificatore è stato realizzato con un MMIC al GaAs della Agilent a basso rumore, il quale ha una risposta del guadagno sulla frequenza molto piatta. Il guadagno di questo stadio è attorno ai 22 db. Il mixer è del tipo passivo a doppio bilanciamento della Minicircuits (Level 7).

12 4. Oscillatore locale L'oscillatore locale è composto da un generatore di clock programmabile a basso rumore di fase del tipo Si570 della Silicon Lab. Il modello impiegato per questo progetto è programmabile da 10 fino a 810 MHz. L'uscita LVDS è accoppiata ad un MMIC tramite un trasformatore a larga banda.

13 5. Il filtro IF Il filtro IF è un semplice filtro passa-banda centrato attorno ai 45 MHz.

14 5. Logica di controllo Per ridurra al minimo l'assorbimento di corrente, sono stati utilizzati dei relè bistabili (latching type). Questo tipo di relè neccessita energia solo per la fase di commutazione. Il pilotaggio avviene tramite un circuito full bridge discreto realizzato a MOSFET. L'Si570 invece viene controllato tramite una seconda porta I2C-Master, realizzata con tre pin GPIO del microcontroller sulla scheda PMSDR.

15 Interfacciamento del PMSDR con il Donwconverter Alimentazione + controllo IF/RF

16 Assemblaggio finale del PMSDR con il Donwconverter Antenna HF/VHF/UHF Transceiver HF/VHF/UHF

17 FIRMWARE Il Firmware esegue seguenti funzioni all'avvio del PMSDR: 1. Verificare la presenza del downconverter all'avvio. 2. Inizializzazione Si570 ed i relè bistabili presenti sulla scheda downconverter. 3. Programmare la frequenza di default presente nell'eeprom all'avvio del PMSDR 4. Impostazione del filtro di default presente nell'eeprom del PMSDR Il Firmware del PMSDR gestisce durante il normale funzionamento del ricevitore, la comunicazione con il downconverter tramite due porte I2C: la prima per il controllo dei relè e la seconda per l'si570. Siccome il calcolo dei parametri del generatore di clock Si570 deve essere eseguiti in virgola mobile, è stato deciso di calcolarlo nella DLL sul PC. Questo permette di sfruttare la potenza di calcolo di un PC ed di non appesantire il microcontroller a 8bit con calcoli in virgola mobile. Il Firmware é realizzata in modo da minimizzare i suoi compiti e di concentrare il piú possibile il controllo del downconverter nella DLL per WinRad, PowerSDR-IQ, G8JCFSDR oppure Linux. I2C - Port1 I2C - Port2

18 Prestazioni: oscillatore locale Confronto del phase noise con due generatori di segnale a 400MHz, utilizzando il VNWA come analizzatore di spettro (RBW=10kHz): R&S SMFS2 Si570 () HP 8640B Risultato: Il rumore di phase del VNWA prevale su quello dei tre segnali nessuna informazione utile sul rumore di phase del Si570

19 Prestazioni: oscillatore locale 1. Phase noise introdotto dal Si570 sul PMSDR con segnale ( generatore HP8640B) a 28MHz e livello a -20dBm direttamente sull'ingresso del PMSDR senza Downconverter, utilizzando Winrad come analizzatore di spettro:

20 Prestazioni: oscillatore locale (VHF) 2. Segnale ( generatore HP8640B) a 144MHz - livello a -40dBm collegato all'ingresso del downconverter: Risultato: rispetto all'immagine precedente si può notare un phase noise più elevato, introdotto dal Si570 usato come oscillatore locale nel Downconverter IF senza downconverter

21 Prestazioni: oscillatore locale (UHF) 2. Segnale ( generatore HP8640B) a 433MHz e livello a -40dBm collegato all'ingresso del downconverter: Risultato: phase noise leggermente superiore rispetto alle VHF, introdotto dal Si570 usato come oscillatore locale nel Downconverter Ricezione VHF IF senza downconverter

22 Prestazioni: oscillatore locale - stabilità La stabilità in temperatura dichiarata dal costruttore del Si570BBB è di ±20ppm (TA = da 40 a +85 ºC) Questo corrisponde a ca. ± 2kHz in VHF e ca. ± 8kHz in UHF. Dopo ca. 5 minuti dall'accensione a temperatura d'ambiente, la stabilità è comunque molto buona: (Frequenzimetro: HP5328) Si570BBB Frequency C 250, , ,0002 Freq (set =250,000000MHz) 250, , , , , Time [min]

23 Prestazioni: oscillatore locale - calibrazione Il software (DLL+ firmware) permette una calibrazione fine della frequenza di riferimento interna del Si570. Con questa calibrazione e l'aiuto di un segnale campione è possibile ottenere una lettura di frequenza molto precisa

24 Prestazioni: sensibilità -MDS 1. La sensibilità del PMSDR in VHF (gamma 2m) con il downconverter è di -135,5dBm. Generatore: HP8640B RBW= 46,9Hz Scheda audio: EMU-0202

25 Prestazioni: sensibilità -MDS 1. La sensibilità del PMSDR in UHF (gamma 70cm) con il downconverter è di -134,5dBm. Generatore: HP8640B RBW= 46,9Hz Scheda audio: EMU-0202

26 Prestazioni: IP3 Misura dell'ip3 con due generatori collegati tramite una forchetta RF al downconverter con livello a -41dBm Livello IP3 = +1,5dBm. Generatore A: R&S SMFS2 Generatore B: HP8640B Livello relativo prodotti di IMD= -85dBm RBW= 93,8Hz Scheda audio: EMU-0202

27 Battimenti, armoniche... che fare? Se la frequenza dell'ol sul PMSDR é uguale, un multiplo o sottomultiplo del OL sul downconverter, allora possono verificarsi dei battimenti.

28 Battimenti, armoniche... che fare? Per evitare il problema dei battimenti, bisogna cambiare la frequenza IF, dunque la frequenza dell'oscillatore locale sul downconverter. La DLL prevede la possibilitá di definire la frequenza di IF, cioé la frequenza di ricezione della scheda PMSDR. Il calcolo dei parametri dei generatore di clock Si570 avviene all'interno della DLL. Perció é stato possibile scrivere una funzione, la quale é in grado di rilevare se la frequenza dell`ol del PMSDR si trova in un determinato rapporto con la frequenza dell`ol del downconverter. Se dovesse risultare un rapporto tale da causare un possibile battimento, allora viene automaticamente scelta una frequenza IF diversa da quella precedente. Tutto ció avviene in modo del tutto automatico e trasparente. Per esigenze particolari esiste comunque la possibilitá per l'utente di cambiare: - La frequenza IF - Il calcolo della frequenza LO (flo=frf-fif oppure flo=frf+fif)

29 Firmware & DLL La DLL rileva tramite il firmware la presenza della scheda downconverter, attivando automaticamente tutti i controlli sulla finestra. Le frequenze dei due filtri passabanda sono definite nel file EXTIO_PMSDR.INI: [PMSDR_DOWNCONVERTER] Filter 1=137000, Filter 2=430000, Se invece si passa p.e. ad una frequenza HF, allora il downconverter viene automaticamente escluso (Downconverter pass through) Questo permette tramite la DLL di scegliere automaticamente (oppure manualmente) il filtro per la frequenza sintonizzata sotto Winrad, PowerSDR-IQ ecc.

30 Esempi pratici di ricezione L'SDR é uno strumento molto utile anche per vedere che cosa succede, cioé controllare lo spettro di un trasmettitore (RTX, transponder, ripetitori ecc...) Esempio 1: traffico APRS in AFSK sui 144,800MHz 1. Tutte le stazioni visibili su questo waterfall hanno una deviazione FM troppo ampia. 2. Questo trasmettitore ha probabilmente un forte offset DC sull'ingresso del modulatore dopo l'attivazione del PTT.

31 Esempi pratici di ricezione Esempio 2: transponder UHF sui 431,275MHz 1. Transponder con rumore...

32 Esempi pratici di ricezione Esempio 3: LPD sui 433,9MHz...

33 Esempi pratici di ricezione Esempio 4: controllo traffico aereo VHF 1. Trasmettitore con un'ottima limitazione di deviazione FM (7 khz)

34 CARATTERISTICHE TECNICHE Sintonia continua da ca. 90MHz fino a 850 Mhz 2 filtri elittici passa-banda (VHF + UHF): - Filtro VHF perdita d'inserzione: 4,4dB - Filtro UHF perdita d'inserzione: 4,1dB sensibilità-mds (larghezza di banda 2400 Hz) con (S+N)/N= 3dB : IP3 (con il PMSDR) = +1,5dBm Guadagno di conversione: ca. 11 db Massima potenza RF commutabile: 100W Alimentazione: tramite USB (+5V) assorbimento: 160 ma Il Kit preassemblato del Downconverter sarà disponibile da giugno 2010 Sito Internet del progetto: Per informazioni : IW3AUT Martin Pernter (iw3aut@yahoo.it)