Записки программиста

Ранее в статье Диодный кольцевой смеситель: теория и практика было показано, как смеситель частот может быть использован в качестве простого апконвертера. Сегодня на основе смесителя мы сделаем полноценный апконвертер, с собственным генератором, всеми необходимыми фильтрами, и так далее. Идеей проекта поделился Олег R1CBU, за что ему большое спасибо.

Примечание: Для повторения проекта не требуется какое-либо сложное оборудование вроде анализатора спектра. Он был использован лишь для проверки, что все компоненты работают должным образом. Все они просто работали и не требовали никакой настройки. Поэтому можно было (а) не делать проверки, и получить тот же результат, или, (б) если вам хочется чувствовать себя увереннее, использовать вместо анализатора спектра RTL-SDR с генератором шума.

Рассмотрим принципиальную схему апконвертера. Полную версию схемы вы можете скачать здесь [PDF]. Далее она будет рассмотрена почти целиком, за исключением тривиальной схемы стабилизатора питания на LM7805, а также уже знакомой нам схемы смесителя. Полная версия схемы является цветной, но в статье использованы черно-белые схемы. Сделано это исключительно по эстетическим соображениям автора.

Начнем с входа и выхода:

Здесь реализован обход (bypass) апконвертера на паре реле и переключателе. Можно было его не делать, но раз такая функция есть в ранее использованном апконвертере NooElec Ham It Up, то почему бы не добавить. Место в корпусе позволяло. Два десятка релюшек HFD27/012-S (даташит [PDF]) в свое время были куплены как раз на подобный случай. Кстати, это те же реле, что используются в автотюнере mAT-30 и трансивере uBITX.

В качестве генератора был использован готовый кварцевый генератор на 40 МГц:

Почему 40 МГц? У меня два SDR — это RTL-SDR v3 и LimeSDR. RTL-SDR v3 может принимать частоты от 24 МГц. Есть режим direct sampling, позволяющий работать с сигналами и меньшей частоты. Он неплохо работает, но подвержен алиасингу. LimeSDR в теории может принимать сигналы от 100 кГц. Но его чувствительность на средних и коротких волнах ни на что не годится, даже с модификацией EasyFix1, внешними фильтрами и МШУ. На частоте 40 МГц чувствительность у LimeSDR нормальная.

Так вот, слишком большую частоту брать не хотелось. Чем ниже частота, тем проще с ней работать, особенно если вы практикуете ugly construction. Насколько мне известно, 40 МГц должно быть достаточно большинству SDR. Исключением является USRP B200, который работает с частотами от 70 МГц. Владельцы данного SDR, желающие повторить апконвертер, могут взять генератор на 80 МГц или большую частоту. Фильтры, использованные в схеме, придется пересчитать. Впрочем, сделать это не сложно.

На первой гармонике генератор выдает почти 15 dBm. Это слишком много, отсюда в схеме и аттенюатор на 8 dB. В результате получаем 7 dBm, что является хорошим уровнем LO для диодного кольцевого смесителя. При желании вы можете попробовать значения от 2 до 10 dB и оставьте то, которое лучше работает с вашим SDR-приемником. Если сомневаетесь, оставьте 8 dB.

Сигналы с антенны и генератора проходят через фильтры нижних частот:

Это фильтры Чебышева 7-го порядка на 30 МГц и 40 МГц соответственно. Фильтры были рассчитаны в Elsie и подогнаны под имеющиеся номиналы конденсаторов в LTspice. Вот фотография первого фильтра:

Катушки намотаны проволокой 0.9 мм. В качестве каркаса я использовал сверла для дрели. Диаметр и число витков рассчитывалось онлайн-калькулятором Coil32, с округлением числа витков в большую сторону. Отношение диаметра к длине катушки выбиралось из соображений увеличения добротности.

АЧХ фильтра на интервале 1-201 МГц получилась следующей:

А вот АЧХ фильтра на 40 МГц в том же интервале:

Можно заметить, что в обоих случаях я брал частоту среза повыше. Если память не подводит, технически это фильтры на 35 МГц и 45 МГц соответственно.

Сигнал генератора после фильтрации:

Здесь изображен интервал частот 1-601 МГц. Все ненужные гармоники были успешно подавлены.

Этот сигнал и сигнал с антенны идут на диодный кольцевой смеситель. Схема смесителя та же, что в прошлый раз. Вместо колец FT50-43 были опробованы FT50-61. 43-я смесь рекомендуется для трансформаторов на частоты от 5 МГц до 400 МГц, а 61-я — на частоты от 20 МГц до 500 МГц. Намотка была сделана плотно скрученным проводом ПЭВТЛ-2 диаметром 0.3 мм. Раньше мы так делали в КСВ-мосте для лучшего согласования импеданса. Смеситель работает хорошо. Каких-то радикальных улучшений или ухудшений по сравнению с более ранним вариантом выявлено не было.

Выход смесителя идет на пару диплексеров (триплексер), которые пропускают 40-70 МГц и гасят все остальные частоты на эквивалентах нагрузки:

Соответствующая АЧХ:

Диплексеры нужны на случай, если импеданс приемника сильно отличается от 50 Ом за пределами интервала 40-70 МГц, а также чтобы лишний раз не перегружать приемник ненужными сигналами. Кстати, если вы откроете схему Ham It Up [PDF], то вместо диплексеров обнаружите обычный полосно-пропускающий фильтр Баттерворта. Это означает, что сигналы вне полосы пропускания фильтра отражаются обратно в смеситель, где снова перемножаются с LO и RF, возвращаются в фильтр, снова отражаются, и так много раз.

Получившийся апконвертер со снятой крышкой, вид сзади:

Вид спереди:

Был использован силуминовый корпус Gainta B023, размеры 120x100x35 мм. Вопрос о том, насколько на самом деле нужны или не нужны экранирующие перегородки, особо не исследовался. Они добавлялись по принципу «кашу маслом не испортишь». ВЧ-разъемы были выбраны BNC, а питание 12 В подается через обычный DC-разъем. В Ham It Up использованы разъемы SMA, а для питания — разем USB-B, что неудобно. Мне постоянно приходилось использовать переходники с SMA на BNC, а также держать специальный USB-кабель, который кроме как для апконвертера нигде не нужен. К этому стоит добавить, что USB не является самым бесшумным источником питания.

Тест апконвертера при помощи анализатора спектра:

Здесь желтый трейс соответствует сигналу 14 МГц с уровнем -37 dBm. Будучи пропущенным через апконвертер, сигнал попадает на 54 МГц, потеряв 16 dB. Это составляет менее 3-х S-юнитов и будет легко скомпенсированно встроенным МШУ SDR-приемника. Обратите также внимание на низкий уровень побочных продуктов в интервале 40-70 МГц. На 40 МГц мы видим утечку с генератора.

Пурпурный график — этот тот же эксперимент, только трейс рисуется в режиме Max Hold, а частота сигнала меняется от 1.8 МГц до 25 МГц. То, что мы видим изменение в амплитуде сигнала, отчасти является артефактом моего генератора сигналов. Увеличение частоты с 14 МГц до 25 МГц в нем приводит к потере 3 dB. Но мы видим большее падение амплитуды, а значит дело в смесителе и АЧХ диплексеров.

Напоследок приведу скриншот Gqrx (кликабельно, PNG 1366x768, 1.7 Мб):

Здесь LimeSDR используется для приема радиолюбительского диапазона 40 метров.

Результатом я доволен. Самодельный апконвертер ничем не уступает Ham It Up, а кое в чем и превосходит его. Себестоимость проекта составила менее 25$. Плата Ham It Up стоит 40$, и еще 16$ стоит корпус к ней.

Метки: SDR, Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.