SDR-Selbstbau mit Red Pitaya und auch OSA 103 Mini von Rolf DJ7TH

Tolle Projekte rund um das Thema SDR-Selbstbau mit Red Pitaya und auch OSA 103 Mini von Rolf (DJ7TH). Noch ein Hinweisen von Rolf, die diversen Boards laufen noch im Testbetrieb und bis zur nachbaufähigen Version werden sicher noch einige Änderungen einfliessen. Danke Rolf, für einige Beiträge von Deiner Seite http://www.dj7th.de die ich hier vorstellen darf.
 
1. SDR-TRX RP100 mit Red Pitaya + 100W-PA
2. Umbau eines TS50S zum SDR-TRX mit Red Pitaya
3. SDR-Selbstbau mit Red Pitaya und auch OSA 103 Mini von Rolf (DJ7TH)

1. SDR-TRX RP100 mit Red Pitaya + 100W-PA

Nachdem sich der Umbau eines TRS50S TRX zum SDR-TRX mit dem Red Pitaya Modul bewährt hat, entschloss ich mich Anfang 2017 aufgrund der gewonnenen Erfahrungen mit dem Red Pitaya Modul zur Entwicklung meines kompletten KW-Transceivers RP100 mit integriertem Tiefpass-Filter und einer kompakten 100W-PA mit Vorverstärker und Treiber.

Der SDR-TRX ist für den Betrieb an 12V ausgelegt und eignet sich Dank des geringen Gewichtes des Alu-Gehäuses somit auch gut als kompakte Portabelstation. Die Steuerung der TRX-Funktionen erfolgt per Red Pitaya Software von Pavel Demin in Verbindung mit der OpenSource-SDR-Software openHPSDR bzw. PowerSDR, welche in diversen Versionen auf PC, Laptop, Tablet oder Smartphone läuft. Die kostenpflichtige Version von ZEUS RADIO ist ebenfalls einsetzbar und in deutsch mit einem umfangreichen Handbuch erhältlich.

Für die lokale Verbindung nutze ich das vorhandene Ethernet-Netzwerk mit WLAN-Router. Darüber kann man den TRX auch quasi fernsteuern und über die RS232-Schnittstelle fernüberwachen. Im Portabelbetrieb erfolgt die Verbindung via direkt angeschlossenem 12V-WLAN-Router zum Notebook oder Tablet. Ein Smartphone eignet sich je nach Grösse und Prozessorleistung ebenfalls als Bediengerät, wobei ich die Benutzung eines Headsets empfehle.

In der aktuell überarbeiteten Version ist auf dem Interface-Board auch ein Steckplatz für ein optionales Codec-Board vorhanden, sowie eine Mike-Buchse, ein Kopfhörer-Ausgang und ein interner Lautsprecher mit einem 2W Nf-Verstärker. Für CW-Betrieb befindet sich auf dem Interface-Board eine Anschlussmöglichkeit von diversen CW-Tasten (Paddle etc.), welche per Flachkabel zur Front- oder Rückseite an eine optionale Buchse geführt werden können.

Erfolgreicher Probebetrieb auf den KW-Bändern in FT8 mit WSJT-X + PowerSDR bei max. 50W Hf an einer FD4

Das Bild zeigt den Prototyp im Testbetrieb, eingebaut in einem stabilen Alu-Gehäuse mit zwei Halbschalen und einklappbaren Vorderfüssen, welche nach Abnehmen einen kpl. Zugang zu allen Teilen des TRX im Betrieb ermöglichen.  Eine preiswerte Led-Anzeige in der Frontplatte mit 4×20 Zeichen dient zur Anzeige der Betriebszustände und der Grenzwerte der PA, welche per Atmega-CPU auf dem Interface-Board in Echtzeit errechnet und kontrolliert werden.

An den BNC-Buchsen auf der Frontplatte kann man den Ein- u. Ausgang IN1 und OUT1 des Red Pitaya per Umschaltung auch zu anderen Zwecken wie Vector-Netzwerk-Analyzer etc. nutzen. Das Gerät hat auf der Rückseite zwei per SDR-Software umschaltbare Antennenanschlüsse und einen 12V-Ausgang für den WLan-Router sowie eine Ethernet-Buchse für das Lan-Kabel. In der Abbildung fehlen noch die Buchsen für Mike und Kopfhörer als Teil der Codec-Board-Option.

Die Schaltbilder vom Interface-Board, vom Tiefpassfilter und der 100W-PA kann man als pdf-Datei downloaden. Die beidseitig beschichteten Prototyp-Platinen wurden alle von Hand gefertigt und könnten bei genügender Nachfrage nach erfolgreichem Testbetrieb später kommerziell produziert werden.  Um den Nachbau zu erleichtern, wurden nur gängige und bedrahtete Bauteile verwendet.

Links die 100W PA, rechts das Interface-Board mit aufgesetztem Red Pitaya-Board. Die servicefreundliche Verdrahtung erfolgt mit steckbaren Flachkabel oder per Schraubklemmen und SMA-Verbinder. Die Board sind an den vier Ecken per Schrauben auf dem Alu-Chassis befestigt. Die beiden PA-Transistoren sind direkt mit dem 3mm starken Alu-Chassis verschraubt, welches somit zur Wärmeabfuhr dient.

Auf der Unterseite sind u.a. das Tiefpassfilter, die Verdrahtung mit 12V-PA-Relais, der 12V-Lüfter für die PA sowie der NF-Verstärker und der Lautsprecher untergebracht. Der 12V-Querstromlüfter wird vom ATMEGA temperaturgesteuert ein- ausgeschaltet und die Warmluft durch Öffnungen der Rückseite  geblasen. Die Relais des Tiefpassfilter werden per Dekodierung der Red Pitaya-Signale über eine Flachkabel-Verbindung direkt durch das Interface-Board gesteuert.

Die 12V Stromzufuhr erfolgt an der Rückseite über eine verpolsichere 25polige Steckverbindung, welche durch entsprechende frei wählbare Beschaltung auch eine gesteuerte Entnahme zur externen 12V-Versorgung von weiteren Geräten (Antennentuner etc.) ermöglicht. Da über die 12V-Leitung Ströme bis über 25A fliessen können, wurden zur Stromverteilung jeweils 6 der 25 Pins für +12V und  -12V  (Ground) parallel geschaltet.

3D-Ansicht vom Interface-Board

Die Signal-Verbindung des Interface-Boards zu den anderen Boards und der LCD-Anzeige erfolgt durchweg per steckbarem Flachkabel, was die Verdrahtungsarbeit und somit auch Fehlerquellen wesentlich reduziert. In der Mitte sitzt die Atmega8A-CPU welche in BASCOM programmiert wurde. Die CPU überwacht die Betriebszustände der PA, liefert diverse Werte an eine 4x20zeilige LCD-Anzeige sowie an eine RS232-Schnittstelle und steuert das 12V-PA-Relais, das PA-Board und temperaturgesteuert den PA-Lüfter. Das Red Pitaya Modul wird auf 4 Abstandsbolzen montiert und per Flachkabel mit dem Interface-Board verbunden. Die 5V-Stromversorgung wird ebenfalls dem Interface-Board entnommen.

Wie man dem Schaltbild und dem Bestückungsplan entnehmen kann, sitzen auf dem Board ein per SDR-Software zuschaltbarer Rx-Vorverstärker mit Tiefpassfilter und zwei Abschwächer, sowie die kpl. Sende-Empfangsumschaltung mit SWR-Meter und Antennen-Umschalt-Relais. Über einen Spannungsteiler wird ein Teil der HF am Antennenausgang über eine SMA-Buchse dem zweiten Eingang IN2 des Red Pitaya zugeführt und für die softwaregesteuerte Linearisierung der PA verwendet. Die Steuersignale des Red Pitaya für das Tiefpassfilter (LPF) werden mit 2 ICs dekodiert und steuern über eine 10polige Flachkabel-Verbindung das 7-stufige Tiefpassfilter. Der ATMEGA wertet diese Signale ebenfalls aus und zeigt das ausgewählte LPF auf dem Display an. Ein integrierter Steckplatz für ein optionales Codec-Board befindet sich in der rechten oberen Ecke neben dem 5V-Regler.


Rx-Mode                                                                                                   Tx-Mode

            

Grenzwert ändern                                                                          Grenzwert überschritten  

Auf dem 4×20 Zeichen LCD-Display werden im Tx-Mode angezeigt: PA-Strom, PA Spannung (12V), PA-Input (W), Tx on, selektiertes Tiefpassfilter. PA-Lüfter on/off, PA-Temperatur (°C), PA Ausgangsleistung (W), SWR am Antennenanschluss.  Ausserdem werden Grenzwerte für PA-Strom, PA-Temperatur, PA 12V und SWR überwacht und bei Überschreitung bzw. Unterschreiten die PA abgeschaltet, sowie sicherheitshalber per Relais von der 12V-Leitung getrennt, bis die Atmega-CPU per Reset oder Aus-Ein neu gestartet wird. Die Grenzwerte kann man jederzeit mit den drei linken Tasten per Menü abfragen, in vorgegebenen Bereichen ändern und im EEPROM der Atmega-CPU erneut abspeichern. Über einen RS232-Anschluss auf dem Interface-Board kann man die Betriebswerte optional auf einen Datenport auf der Rückseite führen und extern auswerten oder per WLan übertragen.

Prototypen-Board vom Tiefpass-Filter 160m – 6m

3D -Ansicht vom Entwurf der 100W-PA mit 2x RD100HHF1

Die 100W PA wurde 3stufig ausgelegt, um die max. 10mW vom Red Pitaya auf min. 100W Hf Output zu verstärken. Als PA-Transistoren wurden die nach wie vor produzierten robusten RD100HHF1 von Mitsubishi eingesetzt. Dieser Typ kommt mit 12V aus und verträgt ein VSWR von bis zu 20:1. Zur Überwachung und Anzeige der Stromaufnahme wurde ein IC vom Typ ACS756 (rechts unten) in die PA-Stromzufuhr geschaltet und zusammen mit weiteren Signalen wie +12V und Temperatur-Sensor mit dem Interface-Board verbunden. Man kann somit verlustfrei PA-Ströme bis 50A messen. Diverse Jumper dienen zur einzelnen Abschaltung und Einstellung der Ruheströme der PA- und Treiber-Transistoren. Bei Überlastung oder Überschreiten von Grenzwerten schaltet das Interface-Board die PA und die 12V Zufuhr ab.

Mit dem zusätzlichen externen VNA-Adapter und der VNA-Software von Pavel Demin wird hier das SWR meiner Windom-Antenne gemessen. Man kann damit nicht nur SWR von Antennen, sondern auch Filter etc. messen und dokumentieren.

Innenansicht des VNA-Adapters. Hier das Schaltbild als pdf-Datei.


2. Umbau eines TS50S zum SDR-TRX mit Red Pitaya

Ein ausgedienter KENWOOD TS50S KW-TRX wurde nach dem Entfernen der teils defekten Hf- und Digital-Boards zum modernen SDR-TRX modifiziert, unter der Verwendung der von Pavel Demin entsprechend an openHPSDR angepassten Firmware. Das Red Pitaya Modul sitzt mit Abstandsbolzen auf dem Interface Board und ist per Flachkabel verbunden. Zwei weitere Flachkabel verbinden das Interface mit der Tiefpassfilter-Unit und der Stromversorgung des TS50S.

Die Original-Frontblende des TS50S wurde durch eine aus Platinenmaterial ersetzt. Die 4 BNC-Buchsen sind per Umschalter mit den Ein- u. Ausgängen des Red-Pitaya-Moduls verbunden. Die LED-Reihe zeigt diverse Betriebszustände und das selektierte Bandfilter an. Die LAN-Buchse sitzt auf der Rückwand. Dort befinden sich auch die Original-Antennen- u. 12V-Anschlüsse.

In FT8 qrv auf 20m

Das Interface-Board hat die Grösse einer Europakarte und ist beidseitig beschichtet. Wie man dem Schaltbild (pdf-Datei) entnehmen kann, werden die Steuersignale des Red Pitaya für das Board an der Buchse E1 entnommen und damit nach Dekodierung mit einem 74HC238 die Signale für die Steuerung der Tiefpassfilter-Relais vom TS50S erzeugt. Für die 5V Betriebsspannung wird ein Schaltregler eingesetzt, welcher das Board und den Red Pitaya über ein USB-Kabel versorgt.

Ein per Software zuschaltbarer RX-Vorverstärker -wie er von mir bereits im LIMA-SDR verwendet wurde- erhöht die etwas geringe RX-Empfindlichkeit des Red Pitaya. Die beiden RX-Eingänge des Red Pitaya sind per Schalter umschaltbar, sodass man den Red Pitaya auch für andere Zwecke z.B. als Netzwerk-Analyzer verwenden kann. Ausserdem gibt es noch einen schaltbaren RX-Abschwächer, sowie ein hier nicht verwendetes optionales Antennen-Umschaltrelais für zwei Antennen, beide per SDR-Software steuerbar.


3. SDR-TRX mit OSA103-Modul + 100W-PA + Tiefpassfilter

Parallel zur Entwicklung eines kompletten KW-Transceivers mit integriertem Tiefpass-Filter und einer 100W-PA auf Basis des Red Pitaya Moduls startete ich Anfang Mai 2018 mit der Anpassung des Interface-Boards an das OSA103-Modul eines russischen Herstellers. Im Gegensatz zum Red Pitaya Modul läuft dieses Modul mit der HDSDR Software 2.70 und alternativ mit der Zeus Radio Software 2.9.3. Das OSA103-Modul hat auch nur einen Eingang und einen Ausgang, kann aber angeblich bis in den Bereich von 150MHz verwendet werden, was von mir noch getestet werden muss.

 

TRX kpl. bestückt

Links das OSA103-Interface und rechts die 100W-PA. Beide haben das Europakarten-Format 100x160mm

Dieser SDR-TRX ist ebenfalls für den Betrieb an 12V ausgelegt und eignet sich Dank des geringen Gewichtes somit auch gut als kompakte Portabelstation. Zur Steuerung wird das OSA103-Modul per USB-Kabel mit einem externen PC oder Notebook verbunden, auf welchem dann die SDR-Software läuft. Das Mike wird direkt am TRX angeschlossen. Dafür sitzt auf dem Interface-Board wie beim Red Pitaya Interface zur Steigerung der RX-Empfindlichkeit ein Breitband-Verstärker.

Die Antennenumschaltung für Antenne 1 oder 2, sowie das Zuschalten vom  20dB Abschwächer erfolgen hier manuell an der Frontplatte. Ein- u. Ausgang des OSA103 sind per Umschalter an zwei BNC-Buchsen auf der Frontplatte zugänglich und somit kann man wie beim Red Pitaya TRX  auch sämtliche ursprünglich vorgesehenen Verwendungsmöglichkeiten wie Netzwerk-Analyzer, Oszilloskop etc. nutzen.

Das Display zur Anzeige der Betriebsdaten und Schaltzuständen hat hier 4 Zeilen mit je 20 Zeichen. Per Tasten up-down-ok kann man diverse Anzeigen und Überwachungsfunktionen der PA auswählen. Die Verkabelung besteht weitgehend aus Flachkabel-Verbindungen, ausserdem wurden nur bedrahtete Bauteile verwendet, was den Nachbau erheblich erleichtert. Für die PA-Endstufe wurden die bewährten 12V-Transistoren RD100HHF1 von Mitsubishi verwendet. Beim Tiefpassfilter hat sich nichts verändert. Die Frontplatte wird noch etwas umgestaltet und beschriftet. Auch ist die Gehäusewahl noch offen.

Bild vom Aufbau und der Programmierung der ATMEGA8 CPU

Details der (vorläufigen) Schaltung kann man hier den Schaltplänen für das OSA103-Interface-Board, der 100W-PA und dem Tiefpassfilter entnehmen (pdf-Dateien).

Empfangstest mit HDSDR auf 40m

Empfangstest + Settings mit ZEUS auf 40m


Hier weitere Links zum Red Pitaya Modul:

http://forum.cq-nrw.de/viewforum.php?f=5

http://forum.redpitaya.com/

http://openhpsdr.org

http://openhpsdr.org

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