STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Die Hardware des Red Pitaya
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hb9ewy
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STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » Do Aug 18, 2022 5:59 pm


Hallo
ich evaluiere gerade den STEMlab 16 122.88 SDR als 144MHz Nachsetzer für UHF/SHF mit Pavels aktueller FW (20220322)
Da ich unbedingt Quisck als SDR SW verwenden möchte, ist die Auswahl an DDC/DUC leider klein. (LimeSDR mini z.Z. nicht zu bekommen, TX mit Pluto geht nicht.)

Ich frage mich nun, ob die TX-"Spurs", die ich feststelle, in meiner Konfiguration begründet sind, oder ob es auch besser geht und ggf. wie.

RX auf 144MHZ funktioniert ausgezeichnet, nur das Audio CODEC board auf der DC5WW Platine erzeugt etliche,starke und störende "Spurs" bei ca. 21.5 MHz; Aber der CODEC wird ohnhin nicht genutzt mit Quisk. (Übrigens beim 14 Bit Red Pitaya gibt nur genau 1 schwache "Spur").

TX auf 144MHz funktioniert, der Pegel ist etwa 16 dB geringer wie zu erwarten.
Aber "Spurs" in Träger-Nähe sind relativ stark, bestenfalls, bei 384kHz Sampling Rate ca. 58dB unter dem Nutzsignal (Immerhin gut für ca. 40 W PEP).
Bei 384 kHz (RX):
TX_RP16_384kHz_Spurs_IMG_5252.JPG
Bei 192 kHz (RX):
TX_RP16_192kHz_Spurs_IMG_5249.JPG

Mit PowerSDRmx sind die Werte und das Spectrum unverändert.
In der ersten Nyquistzone sind die Werte mindestens 10dB besser, für KW also mehr als ausrechend (noch genauer nachgemessen: besser -80 dBc).

Mich irritiert die Abhängigkeit des Störsprktrums von der Datenrate des RX I/Q Datenstroms. Der TX Datenstrom wird nämlich mit 48 kHz fix geliefert.
Stromversorgung des Red Pitaya erfolgt mit einem analog-Netzteil.

Haben andere ähnliche Beobachtungen gemacht oder kennen Ursache, Abhilfe oder publizierte Messungen?
Danke für jede Info.

vy 73 de Yves, hb9ewy

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » Sa Aug 20, 2022 3:27 pm


Hallo Yves,

ich bin schon mal zu der gleichen Erkenntnis gelangt, wobei die Spurs bei 144MHz nicht größer werden sondern das Nutzsignal wird kleiner und damit der Störabstand schlechter.
Beim 14Bit STEMlab gibt es das Problem nicht (ich habe eine Version die für uns von Red Pitaya umgebaut wurde - Trafos am Eingang und daher die Möglichkeit 144MHz direkt auf der 3. Nyquist Zone zu nutzen).
Meine Vermutung ist die, dass es ich um ein Störsignal vom Schaltregler handelt, da die Störquelle etwa 170KHz neben dem Träger liegt.

Das habe ich auch schon an den CTO von Red Pitaya geschrieben bisher aber keinen Feedback dahingehend erhalten ob man was ändern will.

Da wir auch planen den STEMlab als Direct Sampler für 2m zu nutzen (und zwar auch mit höherer Ausgangsleistung) werde ich das Problem bei nächster Gelegenheit mal näher untersuchen.

Ich würde denken, dass man die Siebung der Stromversorgung zum DAC mit einer Drossel und einem C verbessern könnte und so die Nebenwellen los wird...
Sollte auch mit relativ wenigen Änderungen direkt auf dem Board machbar sein....

Im Best Case wüde man hier einen analogen low drop Regler hinter dem Schaltregler einbauen....

Falls ich eine gute Lösung finden sollte werde ich die hier veröffentlichen.

73,Edwin - DC9OE

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hb9ewy
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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » Sa Aug 20, 2022 5:14 pm


Hallo Edwin,
Danke für deine Antwort, ich hatte schon gehofft, dass dir das Thema bekannt ist.
Deine Bericht über die "Störquelle etwa 170KHz" hatte ich vor ein paar Stunden entdeckt.
Was mich aber irritiert, ist die Abhängigkeit der Spurs von der RX I/Q Rate, da muss es noch einen andern Effekt geben.
Daher habe ich auch eine Issue bei Pavel eröffnet: https://github.com/pavel-demin/red-pita ... ssues/1059#

Zumindest bei meinem 14 Bit STEMlab besteht der Effekt ebenfalls, sogar deutlicher - letzte Nacht am umgebauten Exemplar gemessen.

> wobei die Spurs bei 144MHz nicht größer werden sondern das Nutzsignal wird kleiner und damit der Störabstand schlechter.
Den Verdacht hatte ich auch, werde noch genauere Messungen machen.

Die Stromversorgung des DAC werde mir in dem Fall genauer ansehen, es wäre toll wenigstens 10 dB Verbesserung zu erzielen.
Es fehlt nicht mehr viel um aus dem STEMlab 16 Bit einen richtig guten TRX zu machen.

Hier noch das Spektrum bei 48 kHz RX I/Q Rate
TX_RP16_48kHz_Spurs_IMG_5249.JPG
Nachtrag:
- Eben das Störspektrum aufder 3.3VDD Speisung angeschaut: eine starke Komponente bei 75 kHz un 2 Rauschmaxima bei ca. 300 und 600 kHz.
- Und etwas genauer den Abstand der Spur vom Träger bestimmt: 200 kHz
- Eine grössere Drossel + 1uF auf der 3V3 Analog Speisung fü den DAC hat keine Veränderung bewirkt (hoffe, ich habe die richtige Stelle auf dem PCB gefunden).
3.3VDD Filter DAC IMG_5266.jpg
Ich tappe noch im Dunkeln.

vy 73 de Yves

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » Sa Aug 20, 2022 8:05 pm


Hallo Edwin,
habe mit einer H-Feld Sonde das PCB abgesucht: 200kHz sind recht stark, am stärksten in der Nähe der Einspeisung.
Sieht so aus, als ob Störungen durch ein Schaltnetztel zumindest eine wesentliche Ursache der beobachteten Spurs ist.
Die 200kHz sind auf einer 1.8V Speisung.

Hast du Kentniss über ein Schema der Netzteile im STEMLab ?

vy 73 de Yves

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » So Aug 21, 2022 5:07 pm


Hallo Yves,

ich hab leider auch keinen detaillierten Schaltplan der STEMlabs - RP war bisher nicht bereit die herzugeben (aus nachvollziebaren Gründen)
Bin im Moment leider (oder glücklicherweise.. hi) mit der Abarbeitung von Bestellungen und dem Neubau von Geräten beschäftigt.

Sobald ich wieder dazu komme an neuen Projekten zu arbeiten schau ich mir auch das Thema nochmal an.

Wie gesagt - wir wollen auch 144MHz im Direct Sampling nutzen und dann eine PA dahinter mit ca. 200W.
Die Störtsellen empfinde ich dabei auch als ein wesentliches Hindernis - ich war auf ca. -50dBc gekommen das ist eindeutig zu wenig - 60dBc sollten es schon sein

Ende Sept. plane ich eine Segelurlaub in Kroatien, falls es zeitlich passt besuche ich mal den RP CTO auf dem Rückweg und schau mal ob ich ihn überzeugen kann sich des Problems anzunehmen....
Sollte zumindest in der nächsten Charge der STEMlabs dann machbar sein denke ich...

73,Edwin

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » So Aug 21, 2022 5:56 pm


Yves, mich hat die Sache beschäftigt und deshalb musste ich mal schnell einen Versuch machen.

1. STEMlab 16 mit interner Clock
2. STEMlab 16 mit ext. Clock (R&S SML03)

Ergebnis

1. wie von Dir beschrieben -50dBc Nebenwelle bei mir, 175KHz und unabhängig von der eingestellten Sampe Rate
STEMlab int Clock.jpg
2. Nebenwelle ist auch vorhanden aber um 6dB besser! Das deutet darauf hin dass auch die Clock betroffen ist....
STEMlab ext Clock.jpg
Soweit meine momentanen Erkenntnisse .... mal sehen was wir daraus machen....

73,Edwin

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » So Aug 21, 2022 8:25 pm


Hallo Edwin,
gut zu wissen, dass ich keine Gespenster gesehen habe. Die Verbesserung mit externem Clock ist ja beachtlich aber auch beunruhigend.
Ich fürchte, eine deutliche Verbesserung wird erhebliche Layout Änderungen erfordern.
Seltsam allerdings, das die Abhängigkeit von der Samplerate (RX I/Q Daten Rate) bei Deiner Messung keinen Einfluss hat (wurde die selbe FW verwendet?).

Der RX ist jedenfalls so gut, dass ich mir einen 2m Transceiver mit dem 122.88-16 STEMlab aufbaue. RX als DDC, Tx allerdings analog auf 144MHz hochmischen mit dem 122.88 MHz Clocksignal. Dazu wird ein alter Selbstbau Transverter mit 17dBm Mischer (HMJ5) recycelt. Dies da es schnell gehen muss, im Oktober QRV ist die Idee.

Ich bleibe gerne dran am Thema und kann ggf. auch erneut Messungen an meinem Gerät durchführen oder gewisse Mods.

Letzte Frage: welche FW hast du verwendet, die würde ich gerne noch ausprobieren.

Nachtrag: Habe noch mit der ältesten FW von Pavel die ich finden konnte getestet: red-pitaya-alpine-3.12-armv7-20200628.zip --> Die Abhängigkeit der Spurs von der RX I/Q Daten Rate zeigt sich nicht!
Mit der FW 3.12 from 20210427 und FW 3.14 von 20210707 zeigen sich die Sample Rate abhängigen Spurs dann aber bereits.

vy 73 de Yves, hb9ewy

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » Mo Aug 22, 2022 11:30 am


Hallo Yves,

ich habe die von Markus DG8MG modifizierte Firmware für unsere Charly 25 TRX verwendet (basiert grundsätzlich auch auf Pavels SW) - kann Dir aber jetzt nicht sagen was die aktuelle Basis ist - bin nur der HW Mensch... :-)
Als User interface hab ich Power SDR benutzt, kann es nochmal mit Thetis probieren, sollte aber keinen Unterschied machen.

Was die Nebenwellen betrifft bin ich optimistisch - wenn die externe Clock schon 6dB Verbesserung bringt dann sollten sich auf dem Board auch noch Möglichkeiten finden lassen die restlichen 4dB Verbesserung rauszukitzeln.
Bin gerade ausgelastet aber für die nächste Generation Charly 25 TRX, die dann auch 2m enthalten soll (und 4m) brauche ich diese Verbesserung.

Ansonsten werde ich mal sehen ob ich unseren Freund CRT, den CTO von Red Pitaya dahingehend motivieren kann dass er sich dieses Problems annimmt.
Immerhin haben sie bei RP die Trafo Version des STEMlabs auch auf unseren Hinweis hin entwickelt und eine rauschärmere Clock eingebaut.
Deshalb heißt er jetzt auch SDRlab....

Dir weiter viel Spaß beim basteln....

73,Edwin

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » Mo Aug 22, 2022 12:18 pm


Hallo Erwin

wenn ich mich nicht täusche erfordern 200W PEP einen Nebenwellen Absenkung von: 43 + 10*log10 (PEP) - PEP in Watt = 66dB.
Bin dann noch gespannt, ob Pavel etwas zur Abhängigkeit von der RX I/Q Daten Rate herausfindet, ich bleiben vorerst bei der FW 3.12-armv7-20200628, auf für den 14 Bit Red Pitaya. Das Verhalten mit Quisk, PowerSDR und Thetis betr. dieser Spurs war jeweils identisch.
Danke für die Unterstützung und weiter viel Erfolg mit dem C25 TRX.

Übrigens: die Stärke der Spurs (und Frequenz) hängt stark von der Speisespannung ab. In meinem Fall senken sie bei ca. 4.2V Speisung um über 6 dB (Damit habe ich meinen Workaround gefunden hi).

vy 73 de Yves

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » Mo Aug 22, 2022 1:57 pm


Hallo Yves, danke für den Hinweis.

Das macht logischen Sinn weil die Schaltregeler dann weniger Strom ziehen und weniger Nebenwellen machen....
Zusammen mit den 6dB Verbesserung für die externe Clock wärst Du dann schon bei -62dBc ..

Ich probier das auch mal aus .....

73,Edwin - DC9OE

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » Di Aug 23, 2022 12:27 pm


Heute habe ich noch den Composit Noise bei 144 MHz +/- 100 khZ gemessen, nach einem schmalen Helixfilter: leider nur ca. 110 dBc. Ich habe verschiedene Messverfahren verwendet, direkt mit dem Red Pitaya RX, mit einem guten SA, mit Downconverter und Notchfilter - Messungen leider konsistent auf +/- 3dB.
Ganz überrascht bin ich nicht, hatte aber auf ein besseres REsultat gehofft. Die DAC clock Aufbereitung begenzt die TX Performance leider.
vy 73 de Yves, hb9ewy

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » Di Aug 23, 2022 5:13 pm


Hallo Yves,
das stimmt, zu der Erkenntnis bin ich auch schon gekommen (weis nicht ob ich das hier irgendwo im Forum beschrieben habe)
Auf jeden Fall war das einer meiner Verbesserungsvorschläge die ich an Red Pitaya geschickt habe .

Nach meinem Verständnis wird die DAC Clock von der PLL des FPGA's abgeleitet, das verschlechtert das Seitenbandrauschen gegenüber dem Empfänger ADC der eine separate Clock hat.

Die Verbesserung die ich mir vorstellen könnte wäre eine Clock mit doppelter Frequenz (der DAC braucht 245,76MHz wenn ich nicht irre) und dann einen Teiler :2 für den ADC.
Dann könnte man das Seitenbandrauschen auf der Grundfrequenz auf -150dBc bringen mit entsprechender Verschlechterung bei Nutzung der Nyquist Zonen aber es wäre im grünen Bereich.

Also es gibt noch eine Meng zu tun und RP davon zu überzeugen diese Verbesserungen alle zu machen ist nicht so einfach....

73,Edwin - DC9OE

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » Di Aug 23, 2022 7:37 pm


Hallo Edwin,
Der Weg den du skizierst ist sicher machbar und würde den Einsatzbereich erheblich erweitern, FW Änderungen sind dazu auch nötig. Nur ob ob die zu erwartenden Stückzahlen für einen kommerziellen Erfolg ausreichen?
Der AD9767 ist zwar nur ein 125MSPS DAC aber er wird im interleaved data mode betrieben, daher 122.88 MHz x2 als clock, die 245.76 werden intern durch 2 geteilt.
Auf alle Fälle habe ich wieder viel dazu gelernt.

vy 73 de Yves, hb9ewy

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » Mi Aug 24, 2022 12:22 pm


Yves, im Worst Case müssen wir die Änderungen selber machen.
Ist doch blöd so viele interessante Möglichkeiten zu haben und die dann nicht nutzen zu können weil an irgendeiner Stelle der Spar Teufel zugeschlagen hat...

Man wird sehen, ich diskutiere mal mit Red Pitaya....

73,Edwin - DC9OE

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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von hb9ewy » Fr Sep 23, 2022 8:31 am


Hallo,
Phasen- und Amplitudenrauschen von ADC, DAC und Clock PLL eines Redpitaya 14bit wurden an der Université Bourgogne Franche-Comté vermessen und diskutiert: https://tel.archives-ouvertes.fr/tel-02378558/document
Darin kommt das FPGA inkl. der PLL als dominierende Faktor für das TX Rauschen deutlich zum Ausdruck (3.4.2).

Ich vermute eine deutliche Verbesserung der Clock Aufbereitung ist HW seitig recht aufwendig (teuer) da das Interleave-Mode Timing sichergestellt werden muss.
Wenn man sich nun auf nur eine DAC Kanal mit 125MHz Clock beschränken würde, lassen sich die nötigen Anpassungen evtl. per Firmware im FPGA durchführen.
Leider habe ich noch keine Ahnung von FPGA Programmierung.

vy 73 de Yves,
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Re: STEMlab 16 122.88 SDR - TX Spurs 3.Nyquistzone

Beitrag von DC9OE » Mo Sep 26, 2022 5:46 pm


Hallo Yves,

zu der gleichen Erkenntnis sind wir auch schon gelangt - ich hatte mal kurz Zugang zu einem R&S Source Analyzer um die performance näher anzuschauen.

Die Möglichkeit nur einen DAC zu betreiben und den dann mit der ADC Clock zu betreiben haben wir auch schon diskutiert - sind aber noch nicht weitergekommen...
Die TX performance ist (neben der Problematik mit dem Schaltnetzteil) auf jeden Fall durch das Rauschen der FPGA PLL limitiert.

Ich werde das Thema auch mal mit Red Pitaya diskutieren, evtl. könnte man ja in einer zukünftigen Version des STEMlabs eine Umschaltmöglichkeit vorsehen.
Unser Idealwunsch wäre eine externe Clock mit GPS Synchronisation und die Taktung von ADC und TX DAC mit der gleichen Clock (plus Bereinigung der Stromversorgung...)

Dann sollten eigentlich alle Wünsche erfüllt sein.... (wenn die Clock dann noch mit weniger als -160dBc in 10KHz Abstand rauschen würde wäre es perfect... hi)

73,Edwin -DC9OE

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