Sonntag, 16. April 2017

UpConverter fixed

Vor einiger Zeit berichtete ich darüber das mein Versuch einen UpConverter für mein rad1o zu bauen leider fehlgeschlagen ist. Es lag an der Filterung der Eingangssignale - das Thema kann man hier nachlesen.
Mir ist es "heute" gelungen die Schaltung erfolgreich in Betrieb zu nehmen.

Der Testaufbau ist für meine Messungen identisch zum letzten mal gewesen. Mein rad1o empfängt die Signale, die Software gqrx verwende ich um diese zu visualisieren. Mein SWRMeter erzeugt die Testsignale.

Da ich die Tests und den Aufbau bereits detailliert beschrieben habe konzentriere ich mich in diesem Beitrag nur auf die Änderungen.

UpConverter:

Ich habe den Ausgangsfilter am ADE-1 von meinem letzten Versuch (RC-Glied mit 100pF und 14,5Ohm) durch einen 220nF Kondensator ersetzt.

Das Ergebnis sieht damit deutlich besser aus!

Vorher:

Schalter auf BeipassSchalter auf UpConvert

+0 MHz+110 MHz+0 MHz+110 MHz
Verstärkung0 dB-30 dB-30 dB-20 dB

Nachher:

Schalter auf BeipassSchalter auf UpConvert

+0 MHz+110 MHz+0 MHz+110 MHz
Verstärkung0 dB-15 dB-30 dB0 dB

Damit steht dem Empfang auf Kurzwelle mit dem rad1o nichts mehr im Weg.

Montag, 28. November 2016

#UpConverter Debugging results

Die letzen Tage habe ich damit verbracht meine UpConverter-Schaltung in Betrieb zu nehmen. Leider war der erste Test ernüchternd. Immerhin hat das Umschalten per Wechselschalter auf die Stellung "Überbrücken" direkt funktioniert. Bei der restlichen Schaltung war ich mir zunächst unsicher was hier überhaupt funktioniert. Im Grunde genommen habe ich für den ersten Test auch keine spezifische Umgebung geschaffen sondern die Platine einfach an mein rad1o angeschlossen und die ersten Empfangsversuche vorgenommen. Mit der Schalterstellung welche die UpConverter-Funktionalität der Platine überbrückt konnte ich direkt diverse QSO empfangen, darunter einige die per CW (Morsen) geführt wurden.

Nach dem umschalten auf den eigentlichen Betriebsmodus waren diese Signale dann nicht mehr im Spektrum meines SDR zu erkennen. Der Filter am Ausgang des Mixers scheint also offensichtlich zu funktionieren, ein erster Erfolg. Im Frequenzspektrum 110 MHz höher sollte darauf hin jedoch zu erkennen sein dass die Signale vom Mixer korrekt umgesetzt werden. Hier ist von den zuvor empfangenen Signalen jedoch nichts zu sehen gewesen. Diverse Messungen mit dem Oszilloskop und dem Multimeter ergaben mir jedoch keine Erkenntnisse die das Verhalten erklären würden. Zurück auf Überbrückung geschaltet waren die Signale auch wieder auf der Ursprungsfrequenz vorhanden.

Es musste zunächst eine definierte Testumgebung eingerichtet und ein Plan für einen ordentlichen Test aufgestellt werden.
Mein Plan war es nun also ein fixes Signal in den UpConverter einzuspeisen und daraufhin mit der SDR-Software das Verhalten weiterhin zu beobachten. Als Signalgenerator für das benötigte Signal habe ich mein SWRMeter verwendet. Dieses ist in der Lage Signale/Frequenzen im Bereich von 800 kHz bis zu 160 MHz zu erzeugen, was den Gewünschten Kurzwellenbereich vollständig und darüber hinaus abdeckt. Im folgenden Bild ist der Aufbau der Komponenten zu sehen.
Rad1o, UpConverter, SWRMeter
Das SWRMeter gibt während den Messungen ein Signal im Frequenzbereich der Kurzwelle aus. Das Signal verändert über die Zeit die Frequenz und wird direkt in den UpConverter eingespeist. Das verhalten des Signals kann dann, wie bereits beschrieben, per SDR-Software beobachtet werden. Für eine Bewertung der Funktionalität wird in diesem Schritt hauptsächlich die Differenz der Signalstärke - in dB über dem Grundrauschen - aus dem Frequenzspektrum abgelesen. Die tatsächliche Signalstärke ist bei den Tests nicht relevant, da diese nicht mit den Signalen vergleichbar ist welche ich bisher empfangen habe.

Das folgende Video zeigt die eine Messung exemplarisch. Eine Messung der Dämpfung des Schalters werde ich bei Gelegenheit noch nachreichen, sofern diese relevant wird.


Die folgenden Erkenntnisse sind aus den Messungen hervorgegangen:

Schalter auf BeipassSchalter auf UpConvert
+0 MHz+110 MHz+0 MHz+110 MHz
Verstärkung0 dB-30 dB-30 dB-20 dB

Von der ersten Spalte abgesehen sind ausschließlich negative Werte in der Tabelle enthalten. Eigentlich muss man bei diesen Werten eher von einer Dämpfung (Abschwächung) als von einer Verstärkung reden.
Die dB-Angaben sind nicht 100% genau, zeigen jedoch deutlich warum in den oberen Frequenzen (+110 MHz) bei Aktivierung des UpConverters keine Signale aus den originalen Frequenzbereichen zu sehen sind.
Selbst wenn in der SDR-Software die Verstärkung auf mehr als 30 dB einstellen würde wird dies nicht funktionieren, da das rad1o quasi kein Signal mehr aus dem Rauschen heraus aufnimmt. Das originale Eingangssignal ist nicht mehr messbar/vorhanden.

Bei der Verwendung des UpConverters und im originalen Frequenzbereich ist das Signal sogar um 30 dB geringer - 1000-mal kleiner als zuvor. Diese Eigenschaft können wir jedoch als positiv ansehen, da der Frequenzbereich unterhalb von 110 MHz nicht weiter benötigt wird und nur Störungen erzeugen würde.

Auch positiv zu sehen ist das das Test-Signal auf der neuen Frequenz ebenfalls zu sehen. Es wurde jedoch um 20 dB abgeschwächt, was einem 100ten Teil der vorherigen Signalstärke entspricht. Daher konnten die sehr schwachen Signale der QSOs auch nicht gesehen werden da die Eingangspegel weit unter 20 dB über dem Rauschen lagen - sofern die Anzeige von GQRX korrekt ist...

Auch zu vermuten ist das auch im Beipass-Modus wohl eine Kopplung des Eingangssignals in die UpConverter-Schaltung, als auch wieder auf das Ausgangssignal, stattfindet. Dies kann man durch das im oberen Frequenzbereich (+110 MHz) sichtbare Test-Signal zumindest vermuten. Es sollte dort nicht sichtbar sein.

Die Frage ist nun wie ich an dieser Stelle weiter vorgehen kann!?
Zum einen könnte ich die Qualität der Schaltung versuchen zu verbessern um die Dämpfung von 20 dB auf einen deutlich besseren Wert zu bekommen und zum anderen ggfls. einen Vorverstärker verwenden welcher die Dämpfung ausgleicht.
Alternativ könnte ich auch eine noch bessere Antennen bauen und diese im Freien und großer Höhe aufhängen, damit der Empfang deutlich verbessert werden würde. Noch habe ich hier aber keine Entscheidung getroffen.

Ergebnis: Die Schaltung an sich ist funktionstüchtig, wenn auch mit der unvorteilhaften Eigenschaft - der enormen Dämpfung von etwa 20 -30 dB. Verwenden kann ich sie so nur leider (noch) nicht.

Sonntag, 20. November 2016

#UpConverter für das #rad1obadge

Mein Rad1o-Badge vom CCC lag nun bestimmt mehr als ein Jahr lang in der Schublade. Es handelt sich dabei um ein SDR, also ein Funkgerät welches komplett per Software bedient wird. Empfangsfrequenz, Übertragungsrate zum Rechner als auch Leistungsverstärkung oder auch Bandbreite des Eingangsfilters wird komplett vom PC aus festgelegt. Software für die Bedienung gibt es einige verschiedene, ich verwende beispielsweise GQRX. Alternativ kann man auch #SDR verwenden. Mehr Informationen zum Rad1o gibt es übrigens hier.

Das hört sich nun erstmal sehr gut an, im Detail gibt es mit diesem Gerät jedoch ein Problem. Der Frequenzbereich den dass SDR empfangen kann bewegt sich im Bereich von 40 MHz bis 4 GHz. Damit sind nur die Frequenzbänder des Amateurfunks in Deutschland ab 6m (50,08 MHz) bis einschließlich 9cm (3,475) abgedeckt. Jetzt umfasst der Amateurfunk - welchen man in Deutschland auch ohne Amateurfunklizenz empfangen darf - noch weitere Frequenzbänder. Die aus meiner Sicht spannenderen Bänder befinden sich allesamt unterhalb der minimalen Frequenz die das rad1o empfangen kann - 40 MHz. Eine Übersicht über die Frequenzbänder des Amateurfunks in Deutschland kann man hier entnehmen.

Nun ist es zwar möglich in der Software wie GQRX die Limitierung der Hardware zu ignorieren (no limits Checkbox), was zum einen Schäden an der Hardware hinterlassen könnte und zum anderen einfach nicht so gut funktioniert da die Hardware und die eingesetzten Filter nicht auf die Frequenzbereiche abgestimmt sind. Per Software kann man dann noch die Eingangssignale allesamt stark verstärken lassen, was dann aber in fast jedem Fall zu einer extremen Übersteuerung führt. In der Regel habe ich auf diese Weise noch kein SSB-Signal verstehen können und auch mit den Digimodes gibt es größere Probleme.

Ich kann dennoch einige Erfolge mit dieser Betriebsweise des rad1o verzeichnen, so ist es mir beispielsweise möglich gewesen von N6PEQ ein QSO - welches mit Kanada über RTTY geführt wurde - zu empfangen. Alleine N6PEQ ist von meinem privaten Standort 9426 km entfernt (USA - Los Angeles). Und wenn man sich überlegt das meine Antenne eine im Wohnzimmer aufgehängte Groundplane war - ausgelegt für das 2m Band - dann wird die Tatsache des Empfangs immer unwahrscheinlicher. Beeindruckend - jedenfalls für mich!

Es sind also Erfolge zu erzielen, aber insgesamt ist das Empfangsgerät trotzdem nicht optimal ausgenutzt wenn man es ständig im undefinierten oder gar vollständig übersteuerten Modus betreibt.

Um die Frequenzen unterhalb von 40 MHz optimal empfangen zu können (den Kurzwellenbereich) benötigt man im ersten Schritt eine gut abgestimmte Antenne. Meine Groundplane ist für 2m abgestimmt. Also für 144 MHz bis 146 MHz was offensichtlich nicht passt.

Meine zweite Antenne ist eine MagnetLoop-Antenne, welche auf die Frequenzen von 2,5 MHz bis etwa 19 MHz abgestimmt werden kann. Sie ist für die unteren Frequenzen der Kurzwelle deutlich besser geeignet. Kurz: Mit dieser Antenne wird die Anzahl der Eingehenden Funksignale sowie deren Eingangspegel bereits deutlich besser.
Dennoch muss ich das rad1o weiter außerhalb seines Frequenzbereiches betreiben. Auf die Details beim Aufbau oder beim Kauf einer Antenne gehe ich an dieser Stelle nicht ein da man sich auch hierbei schnell im Detail verlieren kann.

Um nun aber das Problem mit dem Frequenzbereich in den Griff zu bekommen, genauer gesagt den Kurzwellenbereich mit dem rad1o sinnvoll empfangen zu können, gibt es eine Lösung. Man verwendet entweder einen Transverter oder einen UpConverter.

Ein Transverter ist wie auch der UpConverter ein Gerät welches man zwischen Antenne und Empfangsgerät in die Zuleitung einsetzt. Der Transverter setzt eingehende und ausgehende Signale von einer Frequenz auf eine andere um.
Das bedeutet das zum Beispiel das 40m Band (7 - 7,2 MHz) um eine definierte Frequenz nach oben verschoben wird. Also zum Beispiel von 7 MHz auf 107 MHz sofern die 100 MHz der Frequenz zweiten Frequenz entspricht.
Damit bewegt sich das zu empfangene Signal durch diese Verschiebung im normalen Arbeitsbereich des rad1o und kann ohne spezielle Einstellungen direkt empfangen werden. Jetzt könnte man auch statt 100 MHz nur 40 MHz verwenden, was uns aber mehr Probleme beim herausfiltern unerwünschter Signale bereiten würde.

Ein UpConverter realisiert diese Frequenzumsetzung quasi identisch. Der Unterschied zwischen UpConverter und Transverter ist dass der UpConverter nur in Empfangsrichtung funktioniert. Mit dem Transverter findet auch eine Anpassung der Sendefrequenz nach unten statt, so dass Funksprüche vom Funkgerät aus auf z.B. 107 MHz gesendet werden - tatsächlich aber auf 7 MHz ausgesendet werden.
Bild Schema
Die technischen Details halten sich für den UpConverter sehr in Grenzen (siehe Schema im vorherigen Bild). Eigentlich besteht dieser nur aus einem Eingangsfilter an den die Antenne angeschlossen ist. Dann aus einem Oszillator welcher einem die neue Mindestfrequenz erzeugt. Und einem Mixer der einem auf den Empfangs-Frequenzbereich die Frequenz des Oszillators aufaddiert. In meiner Schaltung ist die minimale Eingangsfrequenz bedingt durch den Mixer auf 0,5 MHz limitiert. Der Eingangsfilter filtert alle Eingangssignale oberhalb von ~60 MHz heraus. Dies hat den Vorteil das auch lokale FM-Sender die schwächeren Eingangssignale nicht überlagern.

Da ich auch für den UpConverter nicht unbedingt das Rad/die Schaltung neu erfinden wollte habe ich mich mit meiner Schaltung stark an ein anderes Projekt angelehnt. Dort ist die Umsetzung recht umfangreich beschrieben. Aufgrund der Umstände bei der Organisation mancher Bauteile habe ich ein paar Teile ersetzen müssen. Die schwierig zu beschaffenden oder unnötig teure Teile habe ich wieder in China bestellt.

Die unverschämte Einstellung deutscher Webshops/Firmen zum einen Versandkosten in der Höhe von um die 7 € zu verlangen (für einen Brief) und zum anderen für Bauteile welche sie ebenfalls aus China beziehen/in China fertigen lassen den 10-20 fachen Preis zu verlangen will ich - zumindest privat - nicht unterstützen. Mein Mixer aus China mit gleicher Güte kostet 70 Euro-Cent inkl. Versandkosten, und in Deutschland bestellt wäre dieser insgesamt bei etwa 14€.

Den Aufbau der Schaltung habe ich in diesem kurzen Video auf YouTube dargestellt. Dort ist zu sehen das ich auch dieses Mal wieder eine Lochrasterplatine verwende.
Die Spulen habe ich wie in der originalen Anleitung beschrieben von Hand gewickelt. Dazu wickelt man jeweils 0,8mm dicken Kupferlackdraht mit je 8 Windungen auf einen 6mm dicken Körper und berechnet die Länge der Spule un Abhängigkeit zur gewünschten Induktivität.


l = µ * n^2 * (A / L)

Wobei ich als Wert für µ 1nH eingesetzt habe und für L die Induktivitäten von 151nH, 143nH und 141nH eingesetzt habe.
Sofern verfügbar kann man die Abstimmung der Spulen mit einem Messgerät durchführen. Der Autor des Originalprojekts schreibt dazu jedoch dass es aber auch mit der einfachen Wicklung der Spule getan sein kann, da sie gut genug sind so wie man sie gewickelt hat.
Nun ja... lieber einmal mehr gemessen als an dieser Stelle an der Qualität der Schaltung Zeit gespart aber ohne entsprechendes Messgerät muss man hoffen das es einigermaßen passt.


Wie man im Video oben sieht wird die Schaltung per USB mit Spannung versorgt. Ausschließlich der Oszillator ist an dieser angeschlossen. Alle weiteren Bauteile der Schaltung werden nur passiv betrieben. Eine weitere Änderung in der Schaltung ist dass ich einen Schalter verwende um die Schaltung auch überbrücken zu können, also um den Eingang der Platine direkt mit der Ausgangsbuchse zu verbinden. Damit kann man auch die oberen Frequenzbänder verwenden ohne Antenne und Geräte an- und abschrauben zu müssen.

Im Video erkennt man ebenfalls das ich sehr viele Kondensatoren parallel betreibe. Das liegt daran das ich nicht alle Werte der benötigten Kondensatoren zur Hand hatte und auch nicht teuer bestellen wollte. Rechnerisch passt das soweit.

Der Schaltplan ist im folgenden Bild zu sehen, und das vollständige Projekt im GIT. Ich verwende übrigens mittlerweile KiCad für das Schaltungs- und Layout-Design.
Schaltplan
Hier noch ein Bild der fertig aufgebauten Platine von oben und unten. Gut zu sehen sind hier die oben genannten parallel geschalteten Kondensatoren und die Spulen.
Fertige UpConverter-Platine (oben)
UpConverter-Platine (unten)
Aktuell bin ich dabei die Platine in Betrieb zu nehmen. Meine letzten Aktivitäten lagen bei der Planung und beim Aufbau der Platine (siehe Oben). Momentan funktioniert die Platine nur partiell, mit einem Nachbau würde ich daher noch warten... Sobald es an dieser Stelle Neuigkeiten gibt werde ich davon berichten.

Ich möchte hier am Ende dieses Artikels noch einmal darauf hinweisen das man mit diesem Gerät nicht in der Lage ist in den Kurzwellenbereichen zu senden! Es geht hierbei rein um den Empfang und das mithören.

Wer senden möchte benötigt für das rad1o einen Transverter und die dazugehörige Amateurfunklizenz.