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Техника SDR : IQ-SDR-Minimalsystem für 40/80 m
   
 
 
   
 
KLAUS RABAN – DM2CQL
Wie in [1] angekündigt, ist es nun soweit: Die Entwicklung eines einfachen
SDR-Empfängers, ähnlich dem SoftRock, ist beendet und wird im Folgenden
vorgestellt. Ein preisgünstiger Bausatz ist mit Erscheinen dieser Ausgabe
über den FA-Leserservice zu beziehen.



Gesamtkosten auffolgende Eckpunkte geeinigt:
1. Akzeptable Empfangseigenschaften inausgewählten Bereichen des 40- oder80-m-Bandes mit einfachen Soundkarten(16 Bit/48 kHz), wie sie in preiswertenPCs, auch als On-Board-Variante, enthaltensind. Bei Laptops, die lediglichüber einen Mono-Eingang für Mikrofoneverfügen, kommt man allerdings um eineexterne USB-Soundkarte nicht herum;andernfalls tritt Spiegelfrequenzempfangauf und die mögliche Abstimmbreitehalbiert sich (fsample/2).
2. Hohe Nachbausicherheit ohne Verwendungvon SMD-Bauteilen; die einseitigePlatine passt in ein Standard-WeißblechgehäuseNr. 7 (55 mm × 148 mm × 30mm) der Otto Schubert GmbH, für andereGehäuseformen sind vier Befestigungsbohrungenvorhanden.
3. FET-Eingangsstufe mit einem Einzelschwingkreiszur Vorselektion, um in derExperimentierphase auch ohne externenPreselektor [3] arbeiten zu können.
4. Einsatz handelsüblicher Quarzoszillatorenzur Vermeidung von Anschwingproblemen,wie sie mitunter bei Einzelquarzenhöherer Frequenz auftreten.
5. Nur ein Abgleichpunkt (EingangsspuleL1) im Hardwareteil; für die Inbetriebnahmesollte ein DVM genügen, zureventuellen Fehlersuche kommt höchstensnoch ein HF-Tastkopf dazu.

IQ-SDR-Minimalsystem für 40/80 m


ZielgruppeDieses Empfängerkonzept ist speziell fürFunkamateure gedacht, die sich mit geringemAufwand in das interessante Gebietdes softwaredefinierten Radios einarbeitenwollen, bevor sie sich eventuell später einanspruchsvolleres SDR-System zulegen.Beim IQSDR-Verfahren lässt sich derHardwareaufwand für den Empfänger minimieren,weil die gesamte Demodulationder PC-Software obliegt. Der sonst bei einfachenDirektmisch-Empfängern auftretendeDoppelempfang wird nach der Phasenmethodekompensiert. Ein weiterer Vorteilist darin zu sehen, dass trotz der festenQuarzfrequenz eine Abstimmung innerhalbdes jeweiligen Bandes von ± 24 kHz perMausklick möglich ist.

IQ-SDR-Minimalsystem für 40/80 m


Beschreibung der SchaltungDer Eingangskreis besteht aus der BecherspuleL1, die mit dem kapazitiven Spannungsteileraus C1 und C2 in Resonanzkommt und ohne Anzapfung den Anschlusseiner 50-Ω-Antenne ermöglicht.Obwohl beim gleichen Spulentyp für40/80 m das LC-Verhältnis nicht immeroptimal ausfällt, ist der L-Abgleich im Bereichvon 3,5 bis 3,8 MHz bzw. 7,0 bis 7,1MHz ohne wesentliche Nachteile möglich.Für einen optimalen Arbeitspunkt ist derDrainstrom von VT1 über R2 auf einenWert einzustellen, der etwa 15 bis 20%unter IDSS liegt. Für den Bausatz sind bereitsvorselektierte Exemplare vorgesehen.R1 verhindert parasitäre Schwingungen,die gelegentlich bei Source- und Emitterfolgernauftreten können.Für die beiden Schaltermischer IC2 undIC3 habe ich den Typ MAX 4544 gewählt,weil damit bereits sehr gute Erfahrungenvorliegen. Die beiden Steuersignale derMischer müssen eine Phasendifferenz von90° aufweisen, sie werden über QG1 undIC1 quarzstabil bereitgestellt.Damit ein IQ-Schaltermischer optimal arbeitenkann, bedarf der Sample-Tiefpass einerkorrekten Dimensionierung. Im Gegensatzzu einem per Hardware abgestimmtenDirektmischer, wo die Grenzfrequenz bei1 kHz (CW) oder 2,7 kHz (Fonie) liegt,16 bit/48 kHz-Soundkarte liegen die Frequenzen– bezogen auf die Nullstelle – bei± 24 kHz. Setzt man die Summe der Vorwiderstände(Rquell + R3 + Ron) für die Sample-Kondensatoren zu 150 Ω an, so folgtdaraus für C5 bis C8 eine rechnerische Kapazitätvon je 22 nF (Tastverhältnis 0,5 berücksichtigt).Um eine gute Symmetrie zugewährleisten, sollten diese Kondensatoreneine Toleranz von ±1 % haben.Die den Sampling-Tiefpässen folgendenOPVs arbeiten als Differenzverstärker. Diegemeinsamen Gleichstromarbeitspunkte fürdie Schalter- und OPV-Eingänge erzeugt einSpannungsteiler R12 und R13 aus der stabilisierten5-V-Schiene. Die an den Schalterausgängenanstehenden NF-Signale werdenzehnfach verstärkt (20 dB).Sollte der Audiopegel für die vorliegendeSoundkarte nicht ausreichen, brauchenlediglich die Widerstände R6, R7, R10und R11 etwas vergrößert zu werden (z.B.auf 22 kΩ). Hohe Verstärkungswerte sindaber meistens nicht erforderlich, weil dieSoundkarten genügend Verstärkungsreservenbieten. Bei der eigenen Umdimensionierungder Gegenkopplung ist das Verstärkungs-Bandbreite-Produkt des OPVTypszu beachten. In einigen Datenblätternfindet man den Verstärkungsverlauf alsFunktion der Frequenz aufgetragen und istüberrascht, wie weit die Verstärkung bei100 kHz abfällt.Wer die Möglichkeit hat, die Verstärkungswerteder beiden OPV-Kanäle exakt anzugleichen,kann statt R6 die Kombinationvon R6E (2,5 k, Piher) und R6F (9,1 k) einbauen– in Bild 4 rot eingezeichnet.Die an den Ausgängen I und Q anliegendenNF-Signale werden der Soundkartezugeleitet und dort mit einer geeignetenSoftware, siehe [1], [2], demoduliert.Bei den Quarzgeneratoren sind wir ausKostengründen nicht von Sonderausführungen,sondern von frei verfügbaren Frequenzenausgegangen. Die Tabelle listetmögliche Varianten sowie die mit einer 48-kHz-Soundkarte zu empfangenden Frequenzbereicheauf. Über den FA-Leserservicesind die Varianten 1 und 2 erhältlich,Generatoren für die Varianten 2b bis 2dgibt es z.B. bei Reichelt Elektronik.PSK31-Sendungen lassen sich im Normalfallnicht direkt decodieren, weil die Soundkartemit der Verarbeitung der IQ-Signalebereits ausgelastet ist. Wer einen schnellenPC besitzt, installiert eine zweite Soundkarte(PCI-Steckplatz oder USB-Anschluss)und kann damit (plus Software) die Aussendungenin fast allen Betriebsarten mitlesen.

IQ-SDR-Minimalsystem für 40/80 m


AntennenanschlussDer Eingangskreis ist für eine Antennenimpedanzvon 50 Ω dimensioniert. HochohmigeAntennen müssen durch ein Antennen-Anpassgerät bzw. durch externeLC-Glieder wenigstens näherungsweise aufdiese Impedanz gebracht werden. Wird dieserPunkt grob missachtet, leiden die Empfangseigenschaftendes Empfängers sehrdeutlich; auch bei PC-gestützten Empfangssystemenist eine gute Antenne durch nichtszu ersetzen!Zimmerantennen sind ungeeignet, weilsie die Störungen aller Haushaltgeräte einfangen,an erster Stelle liegt der Computermit seinem Monitor, dann folgen Leuchtstofflampen,gedimmte Geräte usw.

IQ-SDR-Minimalsystem für 40/80 m


Platine und GehäuseDie Platine erhält bis auf die Buchsen undden Ub-Anschluss alle Bauteile. Da preiswerteSteckverbinder (Cinch) zu Anfangoft schwergängig sind und sich die Anschlüssevon nicht durchkontaktierten Platinenleicht lösen können, ist eine solideBefestigung im Gehäuse die bessere Lösung.Der zusätzliche Verdrahtungsaufwandist minimal. Die einseitige Platine istauf der Kupferseite mit Lötstopplack versehen.Die präzise gefertigten Abdeckkappendes vorgesehenen Weißblechgehäusesgewährleisten eine perfekte Abschirmungder Baugruppe und in der Bauphase einegute Zugänglichkeit zur Löt- und Bestückungsseite.Die Stromaufnahme der korrekt aufgebautenSchaltung sollte bei 40 bis 45 mA liegen.Den Bausätzen liegt jeweils noch eine ausführlichereAufbau- und Inbetriebnahmeanleitungbei. Wegen der hohen Gesamtverstärkungist generell Batteriebetrieb zu empfehlen,Steckernetzteile sind wegen ihrer zuhohen Brummspannung unbrauchbar.Für die ersten Versuche eignen sich besondersdie Softwarepakete Rocky undSDRadio, siehe Hinweise in [2]. Trotz derEinfacheit der Schaltung lassen sich an einerbrauchbaren Antenne viele Amateurfunkverbindungenim 80- bzw. 40-m-Bandverfolgen.Abschließend möchte ich mich bei Dr. WernerHegewald, DL2RD, Hermann Kulmus,DJ8UZ, Günter Richter, DL7LA, und Dr.Bodo Scholz, DJ9CS, für die Mitwirkungan diesem Projekt herzlich bedanken.

[email protected]

Literatur
[1] Scholz, B., DJ9CS: SoftRock-Einstiegsplattformfür softwaredefiniertes Radio. FUNKAMATEUR55 (2006) H. 6, S. 665–668; H. 7, S. 792–795
[2] Raban, K., DM2CQL; Richter, G., DL7LA: Experimentalvariantenfür SDR auf 80, 49 und 40 m.FUNKAMATEUR 55 (2006) H. 8, S. 920 ff.
[3] Molière, T., DL7AV: Der BCC-Kurzwellen-Preselektor.FUNKAMATEUR 47 (1997) H. 1, S. 76 f.

 
 
 
 

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