ZMSDR V3 testiranje

U predhodnom clanku sam spomenuo da nova V3 verzija ZMSDR HF prijemnika ima odlicnu dinamicku karakteristiku pa samim tim i figuru shuma, evo par slicica sta to i prakticno znaci.

Na privoj slici se vidi prijemni opseg sa gomilom radio stanica u pozadini i gde je dodatno umetnut veoma jak frekvetno modulisan signal koji ide do -5dB (desni kraj spektra). Primecuje se da ovako jak umetnut signal prakticno nista ne smeta ostalom delu spektra sto pokazuje da je sam duplo-balansirajuci mikser veoma linearan sa veoma malom intermodulacionom distorzijom. Dodatno, slika prakticno pokazuje da dinamicka karakteristika prijemnika prevazilazi tehnicke mogucnosti moje Inverted V antene koja jednostavno ne moze jace da “pokupi” signale iz etra. Da bi iskoristili sve ove potencijale neophodno je koristiti neke drasticno bolje antene koje imaju pojacanje same po sebi (quad-ovi, beam-ovi i sl).

Sledeca slika pokazuje prag shuma koji se krece oko -110dB. Ovo je fantastican rezultat i tehnicki granica moje zvucne kartice TC Electronic Impact Twin. Takodje se uvidja veoma dobra izolacija lokalnog oscilatora od prijemnika pa tako u ovom spektru nema nezjeljenih signala tkz “spoors”. Sve ovo je rezultat raznih eksperimenata u predhodnih par godina i veoma probranih komponenti koje su upotrebljnje u ovom prijemniku kao i sama minituarizacija celog prijemnika (sto nizi napon i potrosnja + sto kraci vodovi na PCB = manje problema). Sve u svemu, dinamike na pretek 🙂

Za kraj, evo slika kako izgleda potpuno sklopljena PCB sa dodatim Microchip PIC18F13K50 kontrolerom.

BTW: Spomenuti Si5351 sa pratecim kristalom se pokazao odlicno u ulozi promenljivog oscilatora tako da nama dragi Si570 (CMOS verzija) ide u penziju 🙂 Obzirom da imamo na raspolaganju jos dva nezavisno kontrolisana izlaza iz ovog oscilatora, te izlaze mozemo iskoristi i za neke druge namene, npr kao signal generator pa prakticno mozemo da napravimo prost mrezni analizator spektra (network spectrum analyzer) sa kojim mogu da se snime prenosne karakteristike filtera i sl gde bi jedan od izlaza bio predajna strana a sam SDR prijemna strana.

73 de YU3MA

Nov ZMSDR prototip

Mali update na temu posle duzeg vremena oko klasicnih SDR prijemnika (ne RTL-SDR), evo prva fotka ZMSDR verzije 3 🙂
Ovo je prototip i nije potpuno kompletiran jer mi ostaje jos CPU PIC18F14K50 da namontiram. Sve ostalo je na svom mestu i u funkciji.

U pitanju je low-voltage verzija koja radi na 3.3V i napaja se sa USB porta (sa veoma prljavih 5V) i trosi oko 21mA.
Upotrbljene su najbolje komponente koje sam mogao da nadjem na trzistu, niskosumni regulator napona, nov Si5351 oscilator sa 10ppm kristalom, low-voltage low-distorsion low-noise OP-AMP OPA1662 (fenomenalan OP, preporucujem ga za sve AUDIO primene), specialni low-distorsion kondezatori u demodulatoru (Taiyo Yuden CFCAP), gomila X7R 1uF keramickih bypass kondenzatora, zastita antenskog ulaza sa BAV99, zastita napajanja sa zener barijerom … Plocica je jednoslojna i napravljena je pomocu toner-transfer metode.

Ovo radi BOLI GLAVA!!! 🙂

Prijemnik ima oko 103 dB dinamike (~85dB SFDR u celom opsegu) i oko 110dB dinamike u pojacivackom stepenu sto predstavlja i praktican limit moje audio kartice. Ovo je fantastican rezultat kada se uzme u obzir da se ceo prijemnik napaja samo sa 5V USB (za ovakve cifre nekada je moralo da se koristi relativno visok napon od cca +/-15V).

Prakticni rezultati kod prijema su sjajni. Osnovno je mogucnost prijema u opsegu 0.1MHz do 30MHz. Takodje je moguc i prijem na UKT ako se slusa kao 5 ili 7 harmonik, naravno sa nesto slabijom osetljivoscu, npr sa par metara zicom radiodifuzni FM radi super i u stereo modu :)) Naravno, ovde je caka sa BPF filterima sa kojim se izolujemo od KT/UKT.

Po meni ovo je vrhunac u ovoj tehnologiji sa duplo-balansirajucim mikserom i ne verujem da moze da se napravi bolje od ovoga. Shema ove konstrukcije je prakticno ista ona koju sam postavio pre vise od godinu dana samo su sad upotrebljne kvalitetne komponente i koristi se low-voltage aktivna elektronika.

Bice jos novih informacija kada osposobim CPU na plocici (sad koristim eksternu I2C komunikaciju) …

73 de YU3MA

Prvi utisci | Si5351A Clock Generator 8kHz – 160MHz

Posle duzeg vremena i komplikacija sa nabavkom pa kasnije sa izradom mini probne plocice, uspeo sam da pokrenem u rad nov IC od Silicon Labs Si5351A. U pitanju je I2C programabilni generator ucestanosti u opsegu 8kHz do 160MHz.

Ovaj IC moze da se smatra kao naslednik Si570 promenljivog oscilatora dobro poznatog u SDR krugovima. Bitna razlika je sto Si5351 koristi spoljni kristal za svoj glavni oscilator od kojeg kasnije pravi ostale ucestanosti. Obzirm da se koristi relativno jevtin kristal a i sam IC je prilicno povoljan, realizacija promenljivog oscilatora u ovoj varijanti ispada prilicno povoljnije od cene jednog Si570! Da li odnos cene znaci da je i losiji, to ce mo tek videti nakon testiranja i prakticne eksploatacije.

Prva bitna prednost Si5351 je mogucnost da generise veoma sirok spektar ucestanosti u opsegu 8kHz do 160MHz. Na ovaj nacin napokon mozemo da se spusimo u LF ili ELF opseg sa SDR prijemnikom bez upotrebe dodatnih delitelja.

Sledeca fina stvar oko ovog IC je da koristi “stock” (jevtine) kristale od 25 ili 27MHz za svoju referencu. Dodatno, u samom IC su integrisani (programski se bira 6,8 ili 10pF) “load” kondezatori tj kondenzatori za neophodno opterecenje kristala. Mozda ovo ne zvuci kao neka bitna stvar ali na ovaj nacin smo ustedeli 2 spoljna kondenzatora, smanjili “footprint”, smanjili pontencialne probleme oko EMI i dodatno ceo oscilator doveli u optimalne uslove kako bi dobili sto bolju kratkorocnu i dugorocnu stabilnost kao i manji fazni shum. Ja sam u ovom primeru koristio (preporucen od Silicon Labs) SMD 27MHz kristal 7M-27.000MEEQ-T proizvodjaca TXC koji je specificiran za 10ppm gresku. Dodatnim merenjem gotovog sklopa sam dobio oko 13ppm inicialnu gresku sto moze da se prihvati i smatra kao posledica potpuno rucne izrade PCB i sklapanja. Tokom rada i merenjem sa frekvenciometrom nisam primetio da mi se zadnja raspoloziva decimala na raspolaganju pomera (10Hz)!

Dodatno, na Si5351 moze da se prikljuci i neki drugi (da kazem daleko bolji, npr neki TCXO) spoljni oscilator a da se IC i dalje koristi za generisanje razlicitih ucestanosti. Ovo je opcija za neke dosta zahtevnije primene gde je potrebna za jednu ili vise dekada bolja stabilnost/preciznost. Sam IC  ima 0ppm gresku kod generisanja izlazne ucestanosti i prakticno sve nestabilosti iskljucivo dolaze od upotrebljenog oscilaora ili kristala.

Obzirom da ovaj IC ima 3 (zavisno od kucista, maksimalno 8) potpuno nezavisna izlaza na kojima se moze programski postaviti bilo koja ucestanost u specificiranom rangu, dobija se fina opcija koja moze prakticno da zameni sve kristale ili kristalne oscilatore na jednom uredjaju ili PCB. Kod RF primene ovo je odlicna stvar jer mozemo upotrebiti te posebne izlaze npr za prvi IF mikser, sledeci izlaz za oscilator prijemnika, sledeci za oscilator predajnika (dobija se mogucnost full-duplex rada!) ili kao glavni clock za mikrokontroler. U svakom slucaju se uvidja ogroman potencial ovakvog IC kada imamo na raspolaganju vise nezavisnih izlaza.

Jos jedna zanimljiva opcija kod ovog IC je mogucnost da se izlazni naponski nivo moze prakticno birati tako sto se poseban pin namenjen za tu funkciju veze na neko drugo napajanje. Tehnicki govoreci, svi izlazni buffer-i imaju svoje nezavisno napajanje i na taj nacin preskacemo upotrebu nekih spoljnih naponskih konvertera. Jedino ogranicenje ovde je sto moze da se koristi samo naponi manji ili jednaki od 3.3V sto je i napon glavnog napajanja ovog IC. Na zalost, ova opcija ne omogucava prostu (bez dodatnih naponskih konvertera) upotrebu sa 5V TTL logikom.

Sto se tice programiranja ovog IC, na raspolaganju ima preko 200 konfiguracionih registra koji pruzaju veoma velik spektar raspolozivih mogucnosti i tek mi sledi proucavanje svih raspolozivih opcija.

Za sad jedina zamerka koju imam nije vezana za elektroniku vec za mehaniku 🙂 Primerak IC-a koji sam dobio je u veoma sitnom MSOP-10 kucistu a ni spomenuti kristal nije nista veci (vidi fotografiju) tako da zahteva jako finu izradu PCB i kasnije veoma pedantno letovanje pomocu vruceg vazduha sa koriscenjem tecnog kalaja. Probna PCB je uradjena pomocu toner-transfer metode. Inace i sam sam se iznenadio kako je dobro ispala PCB toner-transfer metodom obzirom da je jako sitan raster u pitanju 😉

I za kraj samo da spomenem da Si5351A varijanta u MSOP-10 kucistu ima relativno malu potrosnju struje, ~22mA @ 3.3V dok Si570 trosi oko ~150mA @ 3.3V sto moze da bude zanimljiva opcija za prenosne uredjaje ili uredjaje koji se napajaju sa USB porta.

Ovu su bili prvi utisci. Vise detalja sledi nakon detaljnog testiranja.

73 de YU3MA

Standard frekvencije pomocu mobilnog telefona

Uradio sam jedan zanimljiv tehnicki zahvat za koji mislim da bi bio interesantan nekim koriscnicima pa da podelim iskustvo.

Ovo je namenjeno za malo naprednije korisnike kojima je potreban izuzetno precizan standart frekvencije sa tacnoscu od 0.05ppm.
Da ne ulazim u pricu sta je i cemu sluci standard frekvencije (etalon) ali svima koji zele bar da bazdare svoje malo starije merne uredjaje ili RF opremu ovo moze biti od pomoci.

U ovom zahvatu sam iskoristio stari mobilni telefon Motorola C139 i iskoristio jednu od vrlo bitnih tehnika koja se koristi u GSM a pomocu koje se pojedinacni telefon striktno frekvetno sinhronizuje sa tornjem (base-station) kako bi cela GSM tehnika mogla uopste da radi. Dakle, base-staion na svojoj strani poseduje uglavnom rubidiumski oscilator u tu svrhu za koji se daje neka minimalna tacnost od 0.05ppm (prakticno je za nekoliko decimale veca!) ali to je neka zagarantovana koja po GSM specifikaciji mora da poseduje telefon. Ukoliko taj glavni oscilator ispadne iz tih okvira (a inace se periodicno menaju zbog starenja), ti rubidiumski moduli se menjaju novim a polovni uglavnom zavrse na Ebay :). Polovni primerci rubidiumskih modula za koje imam informacije su imali gresku od oko 0.17Hz @ 10MHz. Znaci sa strane tornja ima uvek izuzetno precizan standart frekvencije.

Sam telefon pomocu svog internog baseband programa i preko FCCH kanala ima nacin da se “zakljuca” na specificiranu ucestanost tako sto ce svoj glavni oscilator da pomeri koliko treba, uglavnom preko varicap diode.

U ovom prakticnom primeru, telefon kada se ukljuci na izlazu iz oscilatora ima neku ucestanost koja je poprilicno van opsega koji je potreban (ovde se radi o delovima Hz na ucestanosti od 26MHz!) usled raznih razloga (i nebitno je sto je “pobego”) ali cim krene da “trazi mrezu” on je vec svoj interni oscilator zaklucao tj korigovao!

Dakle na ovaj nacin mozemo da dobijemo vrlo tacan izvor ucestanosti od 26MHz sa tacnoscu od 0.05ppm (+/- 1.3Hz). Ovo je vise nego dovoljno za sve amaterske potrebe i zgodno da se kalibrisu merni uredjaji starije generacije. Izlazni napon je relativno niskog nivoa pa je za drajvovanje nekog TTL kola potreban nekakav buffer.

Ko zeli da od ovoga dobije i neku drugu ucestanost, to vec zahteva neku drugu tehniku, uglavnom PLL baziranu ali evo jedan odlican IC za tu namenu Si5351. Bitno je spomenuti kod ovog IC da on moze da generise prakticno bilo koju ucestanost do 160MHz sa bilo kojim referetnim klokom, naravno i od ovih 26MHz!

Prica oko ovoga ide jos dalje ali samo da spomenem da trenutno za ovaj telefon i jos neke modele iz ove serije postoji open-source baseband software! Zamena postojeceg Motorolinog baseband programa sa osmocomBB je neophodna ukoliko zelite da ovaj izvor od 26MHz imate stalno na izlazu jer telefon zbog svoje power-saving rutine ne drzi oscilator aktivnim (ukljucuje se na zahtev, recimo kod pritiskanja tastature). Kod osmocomBB kompletna power-saving funkcija nije implementirana tako da je izlaz oscilatora uvek aktivan.

Evo i slicica kako sam to ja odradio na telefonu Motorola C139. Zuta strelica oznacava mesto prikljucivanja (47. nozica TRF6151 IC).

UPDATE:
Sad jos zanimljivi deo, uz pomoc USB DVB-T dongla koji se sa software-om pretvara u SDR prijemnik, moguce je “primati” i spektar/kanale od GSM-900 banda a samim tim i FCCH kanal.

Spomenuta ekipa iz Osmocom je danas pustila prvu verziju “kal” programa prepravljen za ove DVB-T prijemnike pomocu koga se moze izmeriti ppm odstupanje oscilatora dongla (koji inace radi na 28.8MHz) u poredjenju na referetnu ucestanost dobijenu od tornja preko FCCH kanala. Dobije se recimo “average absolute error: 34.376 ppm” sto bila greska od “citavih” 990Hz ovog kristalnog oscilatora. Prelepo 🙂 Sad bar znamo “tacno” na kojoj ucestanosti radi njegov oscilator i slicno kao sa mobilnim telefonom mozemo da to iskoristimo u svrhu kalibracije drugih uredjaja.

Cisto poredjenja radi, evo uporedni pregled nekoliko vrsta oscilatora i njihova preciznost (ppm):

XO – Standardni quarz ili kristalni oscilator: 10 – 300 ppm
DTCXO – Digitalno temperaturno kompeziran kristalni oscilator: 0.5 – 5 ppm
TCXO – Kristalni oscilator sa kontrolisanom temperaturom: 0.1 – 0.01 ppm
RbXO – Rubidiumski oscilator: 0.00001 ppm

Korisni linkovi:
https://github.com/steve-m/kalibrate-rtl
http://bb.osmocom.org/trac
http://bb.osmocom.org/trac/wiki/Hardware/SerialCable
http://www.silabs.com/Support%20Documents/TechnicalDocs/Si5351.pdf
http://steve-m.de/pictures/rtlsdr_external_clock.jpg
http://steve-m.de/projects/rtl-sdr/clock/calypso_26MHz.jpg
http://thre.at/kalibrate/#install
http://xbsd.nl/2011/07/pl2303-serial-usb-on-osx-lion.html
http://wlanbook.com/usb-to-serial-adapter-for-mac-os-x-lion-with-driver/
http://en.wikipedia.org/wiki/Crystal_oscillator
http://www.youtube.com/watch?v=I55uLRRvLCU

Svi krediti za ovu “caku” idu Osmocom timu i posebno Steve Markgraf-u koji je sve to osmislio.

Sacuvajte vase stare Motorole C1xx, mozda vam zatrebaju!