Записки программиста

Из статей про BPSK и FT8 нам известно, что для работы в цифровых видах связи требуется внешняя звуковая карта. Иногда ее называют цифровым интерфейсом, digital mode interface или как-то так, хотя, если не считать пары особенностей, это самая обычная USB звуковая карта. Популярным среди радиолюбителей решением является SignaLink USB, но устройство это не из дешевых. Так вот, оказывается, не так уж сложно сделать свое устройство, ничем не уступающее SignaLink, только намного дешевле.

Fun fact! Некоторые трансиверы, например Yaesu FT-991A, имеют встроенную звуковую карту, но это исключение из общего правила.

В основе нашего устройства будет лежать готовая звуковая карта с USB-интерфейсом. На eBay было заказано сразу несколько недорогих звуковых карт. К сожалению, оказалось, что качество многих из них ни на что не годится. Одни звуковые карты воспроизводят или записывают звук с заметными артефактами, например, с каким-то писком. Другие устройства приходят дефектными, например, воспроизводят звук только на одном канале. В итоге оптимальным в плане отношения цена/качество мне показались карты на базе чипа CM108, вот такие:

Устройство имеет предустановленные драйверы как в MacOS, так и в Linux. Запись и воспроизведение звука происходит без каких-либо артефактов. Три экземпляра, приобретенные у трех разных продавцов, пришли в полностью исправном состоянии. А еще к устройству легко подпаяться, что немаловажно в нашей задаче. Цена такой звуковой карты составляет менее 3$ вместе с доставкой.

Стоит сказать, что CM108 не то чтобы очень хорошо воспроизводил музыку. Но нам это и не требуется, так как работать предстоит с частотами до 3 кГц.

Рассмотрим схему нашего самодельного цифрового интерфейса. Отмечу, что все подобные устройства работают примерно одинаково. Если вы поняли принцип работы одного, то вы знаете, как работают все. Для рисования принципиальных схем я использовал KiCad.

К звуковой карте был подпаян разъем USB тип B. Это позволяет использовать USB-кабель той длины, какой удобно, и при необходимости легко заменить его. Аудио вход и выход карты идет на потенциометры, при помощи которых осуществляется регулировка звука. Если вы предпочитаете регулировать звук в системных настройках, то можете спокойно обойтись и без потенциометров.

Подключение к трансиверу осуществляется через разъем RJ45. Если у вас несколько трансиверов, то вы сможете использовать для них один и тот же цифровой интерфейс, нужно только обжать разные кабели. Опять же, в случае повреждения кабеля, его будет легко заменить. Приведенная распиновка соответствует распиновке SignaLink для трансивера Yaesu FT-891. У меня уже была пара соответствующих кабелей как для этого трансивера, так и для Xiegu X5105, и я не видел смысла что-то менять.

Трансивер соединен с аудио входом и выходом звуковой карты через пару трансформаторов. Недорогие трансформаторы можно найти на eBay по запросу вроде «audio transformer 600:600 ohm». Трансформаторы осуществляют гальваническую развязку цепи. Если их не использовать, возникает земляная петля (ground loop).

Суть проблемы заключается в том, что земля в вашем компьютере и земля в трансивере на самом деле имеют немного разные потенциалы. В результате возникает паразитный электрический ток, называемый выравнивающим током. Само собой разумеется, ни к чему хорошему такой ток не приводит. В лучшем случае WSJT-X будет видеть непонятные наводки, в худшем — трансивер будет жить своей жизнью, включаясь на передачу когда ему вздумается. Трансформаторы разрывают земляную петлю, тем самым избавляя нас от всех этих проблем.

На третьем пине разъема RJ45 мы видим PTT. Трансивер включается на передачу, когда этот пин притянут к земле. Если же пин «плавает», трансивер находится в режиме приема. Нам предстоит реализовать схему VOX (Voice-Operated eXchange), которая как бы нажимает PTT, когда с аудиокарты идет какой-то звук, и отпускает PTT в остальное время. Схема VOX приводится далее.

Конденсатор C1 на всякий случай отрезает постоянную составляющую сигнала с аудио выхода звуковой карты. Диоды D1 и D2 образуют выпрямитель. Ранее мы использовали такой же выпрямитель в индикаторе напряженности поля. Они нужны по той причине, что аудиосигнал колеблется около нуля. Однако далее его требуется подать на вход операционного усилителя LM358, который запитан от 0 В и 5 В. То есть, никакой шины отрицательного напряжения в нашем устройстве нет, и подавать напряжение меньше 0 В на вход LM358 нельзя. Выпрямитель как раз и гарантирует, что этого не произойдет.

Fun fact! Как правило, операционные усилители могут принимать на вход напряжение где-то от Vee+2 до Vcc−2 В. Однако операционные усилители, использующие PNP-транзисторы на входе, могут работать с входом от Vee до Vcc−2 В. LM358 как раз относится к последним, см даташит [PDF]. Это позволяет подавать от 0 до 3 В на вход при однополярном питании 5 В. А вот с LM741 схема работать не будет.

В качестве D1 и D2 следует использовать германиевые диоды — 1N34 или их аналоги. Лично я использовал диоды отечественного производства Д310. Резистор R3 притягивает вход операционного усилителя к земле, чтобы он не плавал. Номинал резистора не критичен.

Далее идет схема под названием peak detector. Принцип ее работы прекрасно описан в видео Op Amp Peak Detector Tutorial, With Peak Detector Basics, снятом Alan Wolke, W2AEW. Поэтому здесь я воздержусь от объяснения ее работы и приведу только осциллограмму входа и выхода схемы:

На первом канале (желтым цветом) мы видим выход выпрямителя, он же вход peak detector’а. На втором канале (синим цветом) — выход peak detector’а. Фактически, схема определяет амплитуду входного сигнала. А умея определять его амплитуду, нетрудно реализовать VOX:

Второй операционный усилитель работает в режиме компаратора. Когда вход компаратора выше заданного порога, на выходе получаем высокое напряжение. В противном случае имеем низкое напряжение. Порог задается подстроечным потенциометром RV3.

Выход компаратора идет на оптопару 4N25. Когда компаратор выдает высокое напряжение, светодиод внутри оптопары излучает свет на базу транзистора, и он притягивает PTT к земле. Иначе светодиод не светится, и, как результат, PTT плавает. Как и трансформаторы, оптопара обеспечивает гальваническую развязку цепи. LM358 не может выдавать большой ток, поэтому в токоограничивающем резисторе на входе оптопары нет необходимости. Если его поставить, он даже будет мешать.

Поскольку данное устройство не работает с высокими частотами (если не считать сигнала в USB шине), и серийное производство в мои планы не входит, то плату я разводить не стал. Все было собрано на макетке:

Я не стал мудрить, и закрепил плату внутри корпуса с помощью двухстороннего скотча. Дно корпуса на всякий случай было изолировано с помощью каптона (термоскотча).

Силуминовый корпус был куплен в Чип-и-Дипе (~5.5$). Раньше мы использовали такой же корпус в самодельном эквиваленте нагрузки. Пластиковый корпус использовать нежелательно, когда неподалеку стоит КВ-антенна, излучающая несколько десятков ватт. Мы же не хотим, чтобы устройство ловило наводки и терялось системой посреди QSO.

Разъемы USB тип B (слева) и RJ45 (справа) были припаяны к уголкам из фольгированного текстолита. Затем в этих уголках были просверлены отверстия под винты M3, при помощи которых разъемы и крепились к корпусу. Таким образом, из разъемов, предназначенных для крепления на плату, получились разъемы для крепления на панель. Провода, идущие к USB разъему, я залил эпоксидкой, чтобы они не изгибались и не коротили на металлический корпус разъема, или друг на друга. Остатками эпоксидки я решил дополнительно закрепить разъем RJ45.

Квадратные отверстия я делал так. Сначала использовался шуруповерт со ступенчатым сверлом («елочкой») для получения круглых отверстий. Затем отверстиям придавалась окончательная форма при помощи квадратного надфиля.

Устройство тестировалось с трансиверами Yaesu FT-891 и Xiegu X5105, а также ноутбуками под управлением MacOS и Linux. Для работы в BPSK31 использовалась программа Fldigi, для FT8 и FT4 — WSJT-X, для SSTV — программа QSSTV (только под Linux). Радиосвязи были успешно проведены во всех комбинациях на разных КВ-диапазонах.

Мне не удалось выявить каких-либо недостатков такого самодельного устройства по сравнению с SignaLink. Цена устройства составила не более 10$, плюс пара свободных вечеров на его изготовление.

Дополнение: Вас также может заинтересовать статья Управляем Yaesu FT-891 через CAT-интерфейс.

Метки: Любительское радио, Электроника.