Hardware-Konzept

Dieses Projekt basiert auf einer Studienarbeit von W. Rickert und M. Wiese bei Prof. Dr. Günter Schweppe (DK5DN) an der Fachhochschule Meschede. Da für den Fichtenfieldday ein kostenoptimiertes Muster in SMD-Technik erstellt werden sollte, wurde im Zuge dessen eine komplette Neukonzeptionierung vorgenommen. Die Studienarbeit diente uns jedoch als Funktionsmuster. Außerdem eignet sie sich gut dafür, die unterschiedlichen Ansätze zu erläutern.

(Grafik:  DH1TW)

Vergleich

Schaltungsteil	Studienarbeit	FiFi-SDR
Mikrocontroller	AVR	ARM Cortex-M3
Schnittstelle	RS232	USB
Schaltsignalerzeugung	Flipflops	CPLD
Phasenumkehrung	Transformator	Transistor
HF-Potenzialtrennung	ja	ja
Vorverstärker	nein	ja
Codec	nein	optional
EMV	Optokoppler, DC-DC-Wandler	Separate Spannungsregler für Digital- und Analogteil

Entwicklungsziele

• Nicht das beste SDR bauen, sondern ein besonders günstiges, selbstbaufähiges, motivierendes Radio
• preisgünstig genug, um für jeden FiFi-Teilnehmer im Beitrag enthalten zu sein
• USB-Schnittstelle
• Stromsparfunktionen (für Notebooks)
• LO-Frequenz darf nicht abgestrahlt werden
• Platine passend für ein Standardgehäuse
• On-board USB-Soundkarte optional
• Schnittstelle für optionalen (automatischen) Preselector

Vorüberlegungen

Eingangsteil

• Der HF-Teil muss für den Eingang des Mischers zwei pegelgleiche und um exakt 180 Grad phasenverschobene Signale bereitstellen
• Dies könnte mit einem HF-Trafo erledigt werden (die beiden Endabgriffe liefern das gleiche Signal 180 Grad gedreht, Verweis Studienarbeit)
• Problem jedoch: HF-Signal vom LO verlässt den Mischer auch am Eingang und wird von der Antenne abgestrahlt. Dies muss verhindert werden. Ein Vorverstärker würde die nötige Entkopplung bringen.
• Dann bräuchte man den Preamp aber doppelt für jeden Ausgang des Trafos...
• ... oder man setzt den Trafo hinter den Preamp, aber dann kann er nur noch der Phasenumkehr dienen und nicht mehr galvanisch trennen, weil der Preamp ja versorgt werden muss und mithin eine Bezugsmasse braucht.
• Um zwei Trafos zu vermeiden, wird also eine Phasenumkehrstufe mit einem HF-Transistor eingebaut

Filterkonzept

• Ein Preselector ist wichtig, passt aber nicht ins Budget
• Der Aufbau eigener Filter wäre ein dankbares Betätigungsfeld für eigene Experimente. Dort kann man schon mit geringem Aufwand und ohne besondere Elektronik-Kenntnisse die Empfängereigenschaften spürbar (d.h. motivierend) verbessern.
• Wir stellen nur einen Erweiterungsstecker bereit.
• Serienmäßig wird nur ein Tiefpassfilter bestückt.

Bauteilauswahl

Lokaler Oszillator

• Si570, Fa. Silicon Labs Datenblatt
• muss die 4-fache Mischfrequenz liefern
• kommt in einem reinen low-cost-Empfänger ohne Temperaturstabilisierung aus
• über I2C-Bus programmierbarer, CMOS-Variante
• durchstimmbar von 10 MHz bis 160 MHz
• 3,3V Versorgungsspannung, ca. 100 mA Stromaufnahme, kein Energiesparzustand

Schaltsignalerzeugung

• CPLD Xilinx XC9536XL-5VQG44C Datenblatt, Dokumentation
• Speedgrade 5ns
• 3.3V Versorgungsspannung
• 44-pin TQFP-Gehäuse
• maximale Eingangsfrequenz ca. 178 MHz (Simulation, siehe Doku)
• mögliche Teiler: 1, 4, 16, 64

Mikrocontroller

• LPC1758, Fa. NXP Datenblatt, Handbuch
• ARM Cortex-M3 CPU
• 3.3V Versorgungsspannung
• 80-pin TQFP-Gehäuse
• setzt die Frequenzinformation vom USB in I2C-Signale für den LO um
• setzt die Teilerfaktoren für den CPLD
• stellt die Schaltsignale für den optionalen automatischen Preselector
• stellt eine USB-Soundkarte als HID-Device bereit

HF-Übertrager

• CX2064, Fa. Pulse Datenblatt
• 1:4 Impedanzverhältnis (50 Ohm an BNC-Buchse)
• 3-dB-Bandbreite 200 kHz bis 350 MHz
• wird gesockelt, damit er entfernt oder gedreht werden kann

Impedanzwandler / Vorverstärker

• auf Basis des JFETs BF862, Datenblatt
• in Anlehnung an den Artikel von DJ8IL in FA 12/09 S. 1281ff

Filterkonzept

• Auf einem Erweiterungsstecker wird vom Controller die Frequenzinformation zur Verfügung gestellt, um einen optionalen Preselector anzusteuern
• Zwischen Preamp und Phasenumkehrstufe wird ein Tiefpassfilter (Default: Cauerfilter 5. Ordnung mit 30 MHz Grenzfrequenz) installiert
• Abgriffe für Erweiterungen und Modifikationen bestehen vor und hinter dem Trafo (per DIL-Sockel) sowie vor und hinter dem Tiefpassfilter (per Erweiterungsstecker)
• Der Erweiterungsstecker beinhaltet alle Massen sowie 3,3 Volt digital und 4 Volt analog

Phasenumkehrstufe

• stellt zusätzlich ein um 180° phasenverschobenes Signal zur Verfügung
• Lösung mit dem HF-Transistor BFR193, Datenblatt

Mischer

• 74CBTLV3126 Datenblatt
• 4-Bit FET-Schalter
• 3,3V Versorgungsspannung

Low Noise Operationsverstärker

• MAX4477, Fa. MAXIM Datenblatt
• alternativ AD8656, Fa. Analog Devices Datenblatt oder vergleichbaren Low-Noise-OP
• gehört zwar zum Analogteil, wird aber über 3,3 Volt versorgt

Option Soundkarte

• Audio-ADC UDA1361TS, Fa. NXP Datenblatt
• 3,3V Versorgungsspannung

Stromversorgung

• Alle Schaltungsteile werden über Spannungsregler versorgt. Dadurch kann eine aufwändige Filterung der 5 V aus dem USB-Bus entfallen.
• Mikrocontroller: 3,3 Volt aus TDA3663, Datenblatt. Ca 100 mA statisch aus den 5 V des USB-Bus.
• restlicher Digitalteil: 3,3 Volt (abschaltbar) aus NCP5500, Datenblatt. Ca. 500 mA.
• Analogteil: 4 Volt (abschaltbar) aus MIC5205, Datenblatt. Besonders hohe Unterdrückung der 1 kHz vom USB-Bus (ca. 80 dB).

Massekonzept

• dreigeteilte Masse: HF-Masse, Analogmasse, Digitalmasse
• HF-Masse ist gleichspannungsmäßig getrennt. Die HF-Verbindung erfolgt über einen HF-Übertrager
• Sternpunkt für Analog- und Digitalmasse ist die Klinkenbuchse (PC-Masse)
• Die USB-Schirmmasse wird hochohmig / kapazitiv angebunden

Gehäuse-Option

• PCB passend für Fischer AKG 55 24 80 Datenblatt