Owl VHF - en digital 2-meter-transceiver

1Etter å ha lett forgjeves etter en passende transceiver for å overføre telemetri fra et autonomt modellfly bestemte jeg meg for å starte på et eget design, men sluttresultatet skulle vise seg å bli langt mer enn en liten telemetriradio. Per i dag utgjør designet en 75 mm x 45 mm SDR-transceiver med et sensitivt front-end, et PA-trinn optimalisert for høy virkningsgrad over et stort spenn i utgangseffekt og en DSP-kjerne som gir høy fleksibilitet.

 

 

 Maskinvare

3

Designet er bygget rundt en-brikke-transceiveren Texas Instruments CC1125, som har svært gode spesifikasjoner tatt i betraktning den beskjedne størrelsen på 5 x 5 mm. I motsetning til liknende produkter som Analog Devices ADF7021 digitaliseres signalkjeden i CC1125 allerede før IF-filteret. For maksimal fleksibilitet er det mulig å tappe signalet på IF-nivå (kvadratur-samples), etter CORDIC (fase og amplitude), eller som bits etter demodulatoren. Med andre ord er det bare fantasien som setter grenser for hva som kan demoduleres med en ekstern DSP. I sending er brikken begrenset til ulineær modulasjon (FM), da signalet genereres direkte av synthesizeren som i mottak fungerer som lokaloscillator.

For å gjøre modulasjon, pakkehåndtering, sekvensering også videre, inkluderer radiodesignet en kraftig 32-bits mikrokontroller - Microchip PIC32MX695F512L. En FPGA ble vurdert, men fort avslått, da prosesseringskraften i mikrokontrolleren viste seg å være mer enn tilstrekkelig med båndbreddebegrensningen for 2-meter-båndet på 18 KHz.

Med et godt utgangspunkt gjenstod det blant annet å øke den beskjedne utgangseffekten fra transceiver-brikken. Som kjent har Mitsubishi mange PA-steg som er forhåndsmatchet til 50 ohm, og som kun krever et minimum av eksterne komponenter for å fungere. Valget falt på RA07M1317MSA, da det viste seg mulig å oppnå veldig høy virkningsgrad med denne brikken. Etter kort tid med testing fant jeg ut at anbefalingene til arbeidspunkt i databladet ikke var særlig optimaliserte for hverken virkningsgrad eller forvrengning. Ved å parametrisk sveipe inngangseffekt, drain-spenning og gate-spenning ble det blant annet funnet to arbeidspunkt som ga en PAE på 60 % og rett under 50 % ved henholdsvis 6 W og 1 W uteffekt. For å ivareta denne effektiviteten forsynes drain av en variabel switch-mode strømforsyning med over 90 % virkningsgrad. Da andreharmonisk var noe høy ble det lagt til et ekstra lavpassfilter for å senke andreharmonisk rett under -60 dBc.

En begrensning med en-brikke-transceivere generelt er den korte avstanden mellom støyende og støysensitive komponenter.
Selv om det fra produsentens side er gjort mange tiltak for å redusere negative effekter av dette ble det observert at sensitiviteten er noe dårligere når det overføres mye data mellom transceiver-brikken og mikrokontrolleren. For å bøte på dette problemet og å generelt heve ytelsen ble det designet et front-end med to båndpassfiltre og en LNA, og gainet i transceiver-brikken ble redusert for å kompensere for forsterkningen i den eksterne LNAen. Resultatet av dette var en sensitivitetsøkning på omtrent 6 dB, økt IIP3, og en radio som viste seg å være praktisk talt immun mot blocking fra andre bånd.

Programvare

Selv om maskinvaren fungerer fullt ut er prosjektet langt fra ferdig. Software tar veldig mye tid - spesielt når alt skal lages generelt og fleksibelt. Virkemåten er basert på blokker som kan byttes ut og stokkes om med et kommando-grensesnitt. Byggeblokkene er delt inn i kategoriene modulator, enkoder og pakkestruktur for sending, og tilsvarende for mottak. Eksempler for de tre kategoriene er henholdsvis AFSK, HDLC og AX.25, som sammen vil gi et pakkeradiomodem som kan brukes til eksempelvis APRS. Per i dag fungerer blant annet 1200 baud AX.25, 9600 baud AX.25 som spesifisert av G3RUH, posisjoneringssystemet AIS, og en modus der lydopptak kan sekvensieres og spilles av for å lese opp telemetri eller liknende.

Bruksområder og visjoner

Per i dag jobbes det ukentlig med integrasjon av radiodesignet i studentsatelitten NUTS ved NTNU, men utover dette foregår all utvikling på hobbyrommet etter jobb, og i et passende rolig tempo som forhåpentligvis gjør det mulig å holde motivasjonen oppe til radioen er ferdig.

Utover studentsatellitten til NTNU ser jeg for meg at stratosfæreballonger og små autonome farkoster vil være spesielt egnede bruksområder. Når grunnfunksjonaliteten er i boks er neste mål å eksperimentere med alternativer til vårt aldri så kjære posisjoneringssystem APRS. Ved å bruke GMSK-modulasjon, feilkorreksjonsalgoritmer, en kompakt pakkestruktur ulik AX.25 og en selvorganiserende tidsluke-algoritme vil det være mulig å senke sendingsintervallet på mobile stasjoner fra minutter til få sekunder og fremdeles øke link-marginen vesentlig. Eventuelle resultater fra slik testing vil publiseres på www.skagmo.com -> Projects -> Owl VHF.

Bli medlem
Medlemsfordeler
Nettbutikk
Logg inn
Grupper
Interesseområder
Om NRRL
Kontakt oss