| 1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article} |
1 |
\documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article} |
| 2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref} |
2 |
\usepackage[colorlinks=true]{hyperref} |
| 3 |
\usepackage[utf8]{inputenc} |
3 |
\usepackage[utf8]{inputenc} |
| 4 |
\usepackage[czech]{babel} |
4 |
\usepackage[czech]{babel} |
| 5 |
\usepackage{graphicx} |
5 |
\usepackage{graphicx} |
| 6 |
\usepackage{pdfpages} |
6 |
\usepackage{pdfpages} |
| 7 |
\textwidth 16cm \textheight 25cm |
7 |
\textwidth 16cm \textheight 25cm |
| 8 |
\topmargin -1.3cm |
8 |
\topmargin -1.3cm |
| 9 |
\oddsidemargin 0cm |
9 |
\oddsidemargin 0cm |
| 10 |
\pagestyle{empty} |
10 |
\pagestyle{empty} |
| 11 |
\begin{document} |
11 |
\begin{document} |
| 12 |
\title{Softwarově definovaný přijímač SDRX01B nejen pro radioastronomii} |
12 |
\title{Softwarově definovaný přijímač SDRX01B nejen pro radioastronomii} |
| 13 |
\author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz } |
13 |
\author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz } |
| 14 |
\maketitle |
14 |
\maketitle |
| 15 |
|
15 |
|
| 16 |
\begin{abstract} |
16 |
\begin{abstract} |
| 17 |
Cílem této konstrukce je vytvořit dostupný softwarově definovaný přijímač pro použití v radioastronomii. A nahradit tak původní čistě analogové konstrukce, jako RadioJOVE a další. Díky dosaženým parametrům je ale dobře použitelný i v jiných aplikacích, jako například přehledový přijímač pro radioamatéry nebo jako studijní pomůcka pro výuku VF techniky. |
17 |
Cílem této konstrukce je vytvořit dostupný softwarově definovaný přijímač pro použití v radioastronomii. A nahradit tak původní čistě analogové konstrukce, jako RadioJOVE a další. Díky dosaženým parametrům je ale dobře použitelný i v jiných aplikacích, jako například přehledový přijímač pro radioamatéry nebo jako studijní pomůcka pro výuku VF techniky. |
| 18 |
\end{abstract} |
18 |
\end{abstract} |
| 19 |
|
19 |
|
| 20 |
\begin{figure} [htbp] |
20 |
\begin{figure} [htbp] |
| 21 |
\begin{center} |
21 |
\begin{center} |
| 22 |
\includegraphics [width=80mm] {SDRX01B_Top_Big.JPG} |
22 |
\includegraphics [width=80mm] {SDRX01B_Top_Big.JPG} |
| 23 |
\end{center} |
23 |
\end{center} |
| 24 |
\end{figure} |
24 |
\end{figure} |
| 25 |
|
25 |
|
| 26 |
|
26 |
|
| 27 |
\newpage |
27 |
\newpage |
| 28 |
\tableofcontents |
28 |
\tableofcontents |
| 29 |
|
29 |
|
| 30 |
\section{Technické parametry} |
30 |
\section{Technické parametry} |
| 31 |
\begin{table}[htbp] |
31 |
\begin{table}[htbp] |
| 32 |
\begin{center} |
32 |
\begin{center} |
| 33 |
\begin{tabular}{|c|c|p{5cm}|} |
33 |
\begin{tabular}{|c|c|p{5cm}|} |
| 34 |
\hline |
34 |
\hline |
| 35 |
\multicolumn{1}{|c|}{Parametr} & \multicolumn{1}{|c|}{Hodnota} & \multicolumn{1}{|c|}{Poznámka} \\ \hline |
35 |
\multicolumn{1}{|c|}{Parametr} & \multicolumn{1}{|c|}{Hodnota} & \multicolumn{1}{|c|}{Poznámka} \\ \hline |
| 36 |
Napájecí napětí analogové části & $\pm$10V & 100mA \\ \hline |
36 |
Napájecí napětí analogové části & $\pm$10V & 60mA \\ \hline |
| 37 |
Napájecí napětí digitální části & +5V & 300mA \\ \hline |
37 |
Napájecí napětí digitální části & +5V & 300mA \\ \hline |
| 38 |
Napájecí napětí LNA & do +20V & max 500mA \\ \hline |
38 |
Napájecí napětí LNA & do +20V & max 500mA \\ \hline |
| - |
|
39 |
Přijímaný frekvenční rozsah & 0,5 - 200 MHz & Prakticky je omezen kvalitou vstupních spínačů směšovače \\ \hline |
| 39 |
Frekvenční rozsah & 0,5 - 200 MHz & Při osazení vybranými součástkami i 450MHz \\ \hline |
40 |
Vstupní frekvenční rozsah LO & 1 - 400 MHz & Digitální část je dimenzována do cca 1GHz \\ \hline |
| 40 |
IIP3 & $>$ 0dB & Předběžný údaj, je velmi závislý na parametrech zvukové karty \\ \hline |
41 |
IIP3 & $>$ 0dB & Údaj je velmi závislý na parametrech zvukové karty \\ \hline |
| - |
|
42 |
MDS & -120dBm & -117dBm pro 3dB nad sumem \\ \hline |
| - |
|
43 |
Potlačení zrcadlového příjmu & 50dB &\\ \hline |
| 41 |
Zisk & 40-60dB & Lze částečně ovlivnit konfigurací NF zesílení\\ \hline |
44 |
Zisk & 40-60dB & Lze částečně ovlivnit konfigurací NF zesílení\\ \hline |
| 42 |
Šumové číslo & $<$ 30dB & \\ \hline |
45 |
Šumové číslo & $<$ 30dB & \\ \hline |
| 43 |
\end{tabular} |
46 |
\end{tabular} |
| 44 |
\end{center} |
47 |
\end{center} |
| 45 |
\end{table} |
48 |
\end{table} |
| 46 |
|
49 |
|
| 47 |
\newpage |
50 |
\newpage |
| 48 |
\section{Popis konstrukce} |
51 |
\section{Popis konstrukce} |
| 49 |
|
52 |
|
| 50 |
\subsection{Zapojení} |
53 |
\subsection{Zapojení} |
| 51 |
Zapojení přijímače vychází z původní konstrukce SDR přijímače DR2G \cite{DR2G} který požívá CMOS součástky. Nyní je u přijímače změněný hlavně obvod vstupu pro lokální oscilátor a umožňuje tak používat přijímač na vyšších kmitočtech, neboť nedělí vstupní frekvenci 4mi, jako původní konstrukce ale pouze 2mi. To mimo jiné znamená, že nejvyšší pracovní kmitočet již není limitován vstupní logikou, ale analogovými spínači a v menší míře i převodníky LVPECL-CMOS těsně před spínači. Použitá diferenciální LVPECL logika navíc také umožňuje podstatně snížit vyzařování. Dále byly vyměněny analogové spínače ve směšovači. Ty nyní spínají trochu rychleji, ale hlavně mají lepší izolační parametry, což umožňuje lepší odstup signálu od šumu. |
54 |
Zapojení přijímače vychází z původní konstrukce SDR přijímače DR2G \cite{DR2G} který požívá CMOS součástky. Nyní je u přijímače změněný hlavně obvod vstupu pro lokální oscilátor a umožňuje tak používat přijímač na vyšších kmitočtech, neboť nedělí vstupní frekvenci 4mi, jako původní konstrukce ale pouze 2mi. To mimo jiné znamená, že nejvyšší pracovní kmitočet již není limitován vstupní logikou, ale analogovými spínači a v menší míře i převodníky LVPECL-CMOS těsně před spínači. Použitá diferenciální LVPECL logika navíc také umožňuje podstatně snížit vyzařování. Dále byly vyměněny analogové spínače ve směšovači. Ty nyní spínají trochu rychleji, ale hlavně mají lepší izolační parametry, což umožňuje lepší odstup signálu od šumu. |
| 52 |
|
55 |
|
| 53 |
\includepdf[pages={1,2,3,4},landscape=true]{../../SCH/sdrx.pdf} |
56 |
\includepdf[pages={1,2,3,4},landscape=true]{../../SCH/sdrx.pdf} |
| 54 |
|
57 |
|
| 55 |
Další nezbytnou součástí přijímače je lokální oscilátor, který se připojuje k přijímači externě pomocí krátkého SATA kabelu. Jako LO lze použít modul CLKGEN01B osazený 570ABB000107DG. SATA kabel je vhodné volit co nejkratší kvůli minimalizaci zemní smyčky a vyzařování. |
58 |
Další nezbytnou součástí přijímače je lokální oscilátor, který se připojuje k přijímači externě pomocí krátkého SATA kabelu. Jako LO lze použít modul CLKGEN01B osazený 570ABB000107DG. SATA kabel je vhodné volit co nejkratší kvůli minimalizaci zemní smyčky a vyzařování. |
| 56 |
|
59 |
|
| 57 |
\includepdf[pages={1},landscape=true]{../../CAM_DOC/O1.pdf} |
60 |
\includepdf[pages={1},landscape=true]{../../CAM_DOC/O1.pdf} |
| 58 |
|
61 |
|
| 59 |
\includepdf[pages={1},landscape=true]{../../CAM_DOC/O2.pdf} |
62 |
\includepdf[pages={1},landscape=true]{../../CAM_DOC/O2.pdf} |
| 60 |
|
63 |
|
| 61 |
\subsection{Odrušení} |
64 |
\subsection{Odrušení} |
| 62 |
Pro správnou funkci přijímače je nutné řádné odrušení napájecích zdrojů. Vhodné je také omezit zemní smyčky a zem rozvádět pokud možno hvězdicově. Konstrukce obsahuje několik Jumperů, kterými je možné různými způsoby propojit země a eliminovat tak proudy tekoucí mezi zeměmi. Zvláště nežádoucí je proměnný proud tekoucí stíněním, například u výstupních CINCHů, připojené Jumpery proto umožňují jejich odpojení od AGND přijímače. V tom případě se ale předpokládá propojení země ADC a AGND externím vedením, tak aby jím tekoucí proud neindukoval signál v analogových obvodech. |
65 |
Pro správnou funkci přijímače je nutné řádné odrušení napájecích zdrojů. Vhodné je také omezit zemní smyčky a zem rozvádět pokud možno hvězdicově. Konstrukce obsahuje několik Jumperů, kterými je možné různými způsoby propojit země a eliminovat tak proudy tekoucí mezi nimi. Zvláště nežádoucí je proměnný proud tekoucí stíněním, například u výstupních CINCHů, Jumpery proto umožňují jejich odpojení od AGND přijímače. V tom případě se ale předpokládá propojení země ADC a AGND externím vedením, tak aby jím tekoucí proud neindukoval signál v analogových obvodech. |
| - |
|
66 |
V některých případech (anténa uzemněna na hromosvod, nebo daleko od přijímače) se může vyskytnout problém se síťovým napájeným 50Hz indukovaným do svodu antény. Ten pak vytváří okolo nulové frekvence spektrogramu nežádoucí hrb, ten lze pak v takovém případě eliminovat oddělovacím transformátorem, na vstupu přijímače. |
| 63 |
|
67 |
|
| 64 |
Při provozu je také vhodné zabezpečit dostatečný útlum zpětně vyzařovaného útlumu ze směšovače, který by mohl rušit jiná |
68 |
Při provozu je také vhodné zabezpečit dostatečný útlum zpětně vyzařovaného útlumu ze směšovače, který by mohl rušit jiná zařízení a spoje. Na vstupu přijímače proto musí být zařazen izolační prvek, jako například LNA. |
| 65 |
|
69 |
|
| 66 |
\subsection{Mechanická konstrukce} |
70 |
\subsection{Mechanická konstrukce} |
| 67 |
|
71 |
|
| 68 |
Mechanická konstrukce je řešena na dvouvrstvé desce s geometrií kompatibilní se základovou deskou MLAB (Pro lepší odstínění přijímače je vhodné použít duralovou desku ALBASE). Dvouvrstvý plošný spoj je zvolen hlavně kvůli kvalitnímu odstínění okolního rušení horní měděnou vrstvou. To umožňuje přijímače instalovat i velmi blízko sebe případně i nad sebe avšak všechny konektory kromě NF audio výstupu předpokládají přivedení kabelu kolmo na rovinu desky. SMA konektor je možné osadit i úhlový s přivedením kabelu do boku, ale za cenu nepatrně vyššího útlumu úhlového konektoru. Při těsné montáži je potřeba počítat i s určitou teplotní stabilizací, neboť digitální část okolo spínaného směšovače má poměrně velký příkon a způsobuje zahřívání zhruba o 15$^\circ C$ nad okolní teplotu. A pokud je od přijímače vyžadována dlouhodobá stabilita je ho vhodné umístit do termostatovaného boxu společně s LO. |
72 |
Mechanická konstrukce je řešena na dvouvrstvé desce s geometrií kompatibilní se základovou deskou MLAB (Pro lepší odstínění přijímače je vhodné použít duralovou desku ALBASE). Dvouvrstvý plošný spoj je zvolen hlavně kvůli kvalitnímu odstínění okolního rušení horní měděnou vrstvou. To umožňuje přijímače instalovat i velmi blízko sebe případně i nad sebe avšak všechny konektory kromě NF audio výstupu předpokládají přivedení kabelu kolmo na rovinu desky. SMA konektor je možné osadit i úhlový s přivedením kabelu do boku, ale za cenu nepatrně vyššího útlumu úhlového konektoru. Při těsné montáži je potřeba počítat i s určitou teplotní stabilizací, neboť digitální část okolo spínaného směšovače má poměrně velký příkon a způsobuje zahřívání zhruba o 15$^\circ C$ nad okolní teplotu. Pokud je od přijímače vyžadována dlouhodobá stabilita je proto vhodné jej umístit do termostatovaného boxu společně s LO. |
| 69 |
|
73 |
|
| 70 |
\section{Výroba a testování} |
74 |
\section{Výroba a testování} |
| 71 |
Výrobu vlastní desky pro přijímač nemohu doporučit. Neboť domácí výroba je dvouvrstvého plošného spoje je náročná sama o sobě a tento motiv plošného spoje navíc obsahuje plošky pro komponenty s poměrně vysokou třídou přesnosti. |
75 |
Výrobu vlastní desky pro přijímač nemohu doporučit. Neboť domácí výroba je dvouvrstvého plošného spoje je náročná sama o sobě a tento motiv plošného spoje navíc obsahuje plošky pro komponenty s poměrně vysokou třídou přesnosti. |
| 72 |
|
76 |
|
| 73 |
\subsubsection{Osazení} |
77 |
\subsubsection{Osazení} |
| 74 |
Vlastní osazeni přijímače předpokládá zvládnutí SMT technologie. Nejkomplikovanější část je letování analogových spínačů u kterých je nutné dát pozor na přehřátí a je tedy vhodné použít více tavidla. |
78 |
Vlastní osazení přijímače předpokládá zvládnutí SMT technologie. Nejkomplikovanější část je letování analogových spínačů u kterých je nutné dát pozor na přehřátí a je tedy vhodné použít více tavidla. |
| 75 |
|
79 |
|
| 76 |
\subsubsection{Nastavení} |
80 |
\subsubsection{Nastavení} |
| 77 |
Pokud je přijímač osazen bez chyb a zkratů, tak nastavení přijímače spočívá v opatrném připojení na napájecí napětí. (Symetrický napájecí zdroj musí být dostatečně kvalitní a vyhlazený, aby nedocházelo k průniku rušení do analogové části. Je též vhodné aby zdroj měl proudové omezení.) |
81 |
Nastavení přijímače spočívá v opatrném připojení na napájecí napětí. (Symetrický napájecí zdroj musí být dostatečně kvalitní a vyhlazený, aby nedocházelo k průniku rušení do analogové části. Je též vhodné aby zdroj měl proudové omezení.) |
| - |
|
82 |
|
| 78 |
Je důležité nastavení shodných amplitud obou výstupních kanálů I a Q na stejnou úroveň pomocí trimru na horní straně desky. To lze udělat buď pomocí zvukové karty a minimalizace zrcadlových kmitočtů nějakého relativně silného AM vysílače a nebo přesněji pomoci dvoukanálového osciloskopu v libovolné části pásma. Lze použít i metodu, kdy pomocí Jumperů, které slouží na výběr zesílení odpojíme jeden kanál (ten ve větvi s trimrem) a v softwaru si označíme aktuální úroveň signálu z antény. Pak analogicky kanál odpojíme připojíme naopak původně odpojený. Pomocí trimru pak nastavíme stejnou hodnotu signálu. Tento způsob je velmi jednoduchý a lze ho použít i za chodu. Ale je potřeba ještě zkontrolovat fázový posun, který by mezi kanály měl být $\pi / 2$. Toto lze udělat pouze osciloskopem, nebo softwarem v počítači ale vzhledem k tomu, že fázový posuv je dán z velké části samotnou konstrukcí a nelze ho ani jednoduše měnit, tak toto měření lze považovat spíše za diagnostiku možného problému. Fázový posun je kritický spíše v části digitalizace signálu (zvuková karta, ADC). |
83 |
Následně je důležité nastavení shodných amplitud obou výstupních kanálů I a Q na stejnou úroveň pomocí trimru na horní straně desky. To lze udělat buď pomocí zvukové karty a minimalizace zrcadlových kmitočtů nějakého relativně silného AM vysílače. Lze použít i metodu, kdy pomocí Jumperů, které slouží na výběr zesílení odpojíme jeden kanál (ten ve větvi s trimrem) a v softwaru si označíme aktuální úroveň signálu z antény. Pak analogicky kanál odpojíme připojíme naopak původně odpojený. Pomocí trimru pak nastavíme stejnou hodnotu signálu. Tento způsob je velmi jednoduchý a lze ho použít i za chodu, ale není příliš přesný. hodí se spíše na detekci poruchy (nefungující jeden z kanálů). |
| - |
|
84 |
|
| - |
|
85 |
Nejpřesnější metoda je použití signálového generátoru, který necháme vysílat do přijímače signálem cca -50dBm na požadovaném kmitočtu, kde potřebujeme přijímač zkalibrovat a trimrem nastavíme zrcadlový kmitočet ve spektrogramu na minimální hodnotu. Pokud nemáme signálový generátor lze využít například další přijímač SDRX01B s jiným LO. Který díky zpětnému vyzařování do antény umožní stejný postup. |
| - |
|
86 |
Další potlačení zrcadlového kmitočtu lze provádět vhodným nastavením zesílení jednotlivých kanálů ADC a jejich fázovým posuvem. Většina programů pro SDR má proto možnost vyvážení amplitudy a fáze. |
| 79 |
|
87 |
|
| 80 |
\section{Programové vybavení} |
88 |
\section{Programové vybavení} |
| 81 |
|
89 |
|
| 82 |
Základním programovým vybavením jsou všechny softwary využívající zvukovou kartu v komplexním režimu pro vstup signálu. Tedy například programy jako Winrad, WinradHD či Spectrum Lab. Do kterých je potřeba většinou přidat knihovnu pro ovládání LO s Si570, nebo lokální oscilátor ovládat dalším softwarem. |
90 |
Základním programovým vybavením jsou všechny softwary využívající zvukovou kartu v komplexním režimu (I/Q) pro vstup signálu. Tedy například programy jako Winrad, WinradHD, HDSDR či Spectrum Lab. Do kterých většinou stačí přidat knihovnu pro ovládání LO s Si570, nebo lokální oscilátor ovládat jiným softwarem. |
| 83 |
|
91 |
|
| 84 |
\section{Důležité poznámky k používání} |
92 |
\section{Důležité poznámky k používání} |
| 85 |
\begin{itemize} |
93 |
\begin{itemize} |
| 86 |
\item Vzhledem k použitému principu spínaného směšovače přijímač z principu poměrně silně vyzařuje zpět do antény. Nesmí se proto využívat k poslechu chráněných pásem přímo bez izolačního členu na vstupu! (izolačním členem je myšlen prvek, který zabezpečí dostatečný útlum signálu směřujícího do antény, obvykle jde o LNA, nebo izolační zesilovač) |
94 |
\item Vzhledem k použitému principu spínaného směšovače přijímač z principu poměrně silně vyzařuje zpět do antény. \textbf{Nesmí se proto využívat k poslechu chráněných pásem přímo bez izolačního členu na vstupu!} (izolačním členem je myšlen prvek, který zabezpečí dostatečný útlum signálu směřujícího do antény, obvykle jde o LNA, nebo izolační zesilovač) |
| 87 |
\end{itemize} |
95 |
\end{itemize} |
| 88 |
|
96 |
|
| 89 |
\begin{thebibliography}{99} |
97 |
\begin{thebibliography}{99} |
| 90 |
\bibitem{DR2G}{Původní konstrukce přijímače DR2G} |
98 |
\bibitem{DR2G}{Původní konstrukce přijímače DR2G} |
| 91 |
\href{http://yu1lm.qrpradio.com/SMT SDR RX DR2G-YU1LM.pdf}{http://yu1lm.qrpradio.com/SMT SDR RX DR2G-YU1LM.pdf} |
99 |
\href{http://yu1lm.qrpradio.com/SMT SDR RX DR2G-YU1LM.pdf}{http://yu1lm.qrpradio.com/SMT SDR RX DR2G-YU1LM.pdf} |
| 92 |
|
100 |
|
| 93 |
\end{thebibliography} |
101 |
\end{thebibliography} |
| 94 |
\end{document} |
102 |
\end{document} |