Записки программиста

Ранее мы изучили конструкцию простого супергетеродинного приемника с одной ПЧ на диапазон 40 метров. Данный приемник был доработан до SSB-трансивера с выходной мощностью 5 Вт. Рассмотрим его устройство.

Примечание: Для повторения проекта не требуется какое-либо сложное оборудование. Вполне достаточно мультиметра и RTL-SDR v3. Если у вас еще нет радиолюбительской лицензии, это не страшно. Вы можете совершенно легально передавать все что захотите в эквивалент нагрузки. Сигнал можно будет принять на расположенный рядом RTL-SDR с проводом длиной 20 см в качестве антенны.

Начнем с внешнего вида трансивера:

Все компоненты были размещены в самодельном корпусе из листового алюминия размером 21x21x7 см. Надписи нанесены при помощи маркиратора Brady. Тангента тоже самодельная:

Она сделана из кнопки, электретного микрофона и разъема 3.5 мм, помещенных в пластиковый корпус Gainta G431. Последний неплохо сидит в руке.

Корпус трансивера был сделан довольно большим по следующим соображениям. Во-первых, мне не хотелось испытывать недостатка в месте. Делать компактные трансиверы тоже интересно. Но я бы предпочел заняться таким в качестве отдельного проекта, и тогда уж сразу использовать SMD-компоненты. Во-вторых, продумать новый корпус для трансивера, нарезать и согнуть алюминий, просверлить отверстия, пройти все напильником и установить элементы управления — серьезная задача на несколько дней, плюс затраты на материалы. С целью экономии времени и денег было решено сделать относительно универсальный корпус, который может быть переиспользован в будущих проектах. Четыре кнопки и разъем для телеграфного ключа, которые можно видеть на фото, в данном проекте не используются.

Экранчик на ST7735, что изначально использовался в приемнике, был заменен на ЖК-индикатор 1602 с интерфейсом I2C. Экранчики 1602 большие, легко читаются и стоят недорого. Также было установлено, что ST7735 создает наводки на некоторых частотах в диапазоне 40 метров.

Микроконтроллер был заменен на STM32F030:

Отладочная плата как на фото чуть компактнее, чем плата Blue Pill, использованная изначально. Это позволяет более плотно разместить компоненты внутри корпуса. Также данная плата дешевле. Рядом находится плата с Si5351. Она такая же, как была в приемнике, тут ничего не поменялась. Над платами можно видеть регулятор напряжения LM7805 с небольшим радиатором. Экранчикам 1602 для работы нужны 5 В, поэтому без регулятора не обойтись. Также этот регулятор позволяет уменьшить падение напряжения на регуляторах 3.3 В, которые находятся на платах с микроконтроллером и генератором частот.

Все компоненты трансивера были размещены на плате 20x20 см:

Платы едва хватило. Я рад, что решил использовать корпус побольше. На фото можно видеть, что в трансивере нет каких-либо экранирующих перегородок. В них не возникло необходимости.

Рассмотрим структурную схему трансивера:

Блок, обозначенный как «common part», является общим для приемника и передатчика. Вот этот блок на структурной схеме приемника из предыдущей статьи:

На прием все работает, как работало раньше. Единственное отличие заключается в кварцевом фильтре, который был заменен на более узкополосный QER-фильтр. ПЧ осталась прежней, 12 МГц.

При нажатии PTT происходит следующее. Во-первых, все реле на схеме переключаются из положения RX в положение TX. Во-вторых, питание подается на три ступени ВЧ-усилителя, а также на усилитель сигнала с микрофона. Последний представляет собой обычный неинвертирующий усилитель на LM741. УНЧ на LM386 при этом обесточивается. И в-третьих, генератор плавного диапазона (VFO) и опорный генератор (BFO) меняются местами. Теперь на первый смеситель в «common part» идет BFO, а на второй — VFO.

Усиленный сигнал с микрофона переносится первым смесителем на ПЧ, проходит через буфер и фильтруется кварцевым фильтром. В итоге мы получаем SSB. Ранее в статье о диодном кольцевом смесителе говорилось, что для получения SSB нужно НЧ сигнал подавать на порт IF, а порт RF использовать как выход. Но здесь мы делаем наоборот. На самом деле, работает и так и так. Разница в том, что использованный здесь вариант дает сигнал с уровнем на ~25 dB ниже.

При данном подходе необходим микрофонный усилитель. Если делать, как в статье про смесители, то вместо усилителя нужен буфер и аттенюатор. Был опробован как первый вариант, так и второй. Оба работают, оба позволяют проводить радиосвязи. В качестве окончательной была выбрана схема с подачей НЧ сигнала на порт RF, потому что она чуть проще.

Далее сигнал усиливается и переносится вторым смесителем на 7 МГц. Здесь мы покидаем «common part» и идем на «buffer / amplifier». В трансивере используется выходной каскад из статьи Усилитель для QRP трансивера: работа над ошибками. «Buffer / amplifier» представляет собой первую ступень каскада, только перед ним был добавлен аттенюатор на 6 dB.

Таким образом, первая ступень превращается в буфер для второго смесителя, как ранее было описано в статье про усилители с обратной связью. Только аттенюатор здесь стоит на входе усилителя, а не на выходе. Если мы поставим аттенюатор на выходе, то при работе на прием часть сигнала с BPF начнет идти в аттенюатор. Нам понадобится дополнительное реле, чтобы избежать этого. Сейчас при работе на прием сигнал с BPF видит высокий импеданс на выходе обесточенного усилителя, и потому не идет в него.

С буфера сигнал проходит через BPF. Это необходимо, потому что выход диодного кольцевого смесителя помимо желаемого сигнала также имеет побочные продукты. Если попытаться отфильтровать их потом, произойдет следующее. Выходной каскад будет усиливать сигналы, которые нам не нужны. Это приведет к падению КПД выходного каскада и росту интермодуляционных искажений. Кроме того, нежелательные сигналы потом будет крайне трудно отфильтровать. Как результат, мы создадим помехи как на радиолюбительских диапазонах, так и за их пределами.

Fun fact! В многодиапазонных SSB-трансиверах для того, чтобы не делать два набора фильтров для каждого диапазона, используются две ПЧ. Вторая ПЧ берется большой, например, 45 МГц, и BPF делается в одном экземпляре на эту частоту. На этапе, который мы сейчас рассматриваем, сигнал переносится на вторую ПЧ, фильтруется, а затем переносится обратно на 1.8-30 МГц. За счет использования высокой второй ПЧ нежелательные продукты последнего переноса могут быть отфильтрованы простым ФНЧ.

Далее отфильтрованный сигнал проходит еще через две ступени выходного каскада и фильтр нижних частот, после чего идет на антенну. Вместо ФНЧ можно было бы использовать еще один полосно-пропускающий фильтр. Но в данном случае ФНЧ хорошо подавляет нелинейные искажения выходного каскада. При этом он имеет меньшие вносимые потери, чем полосовой фильтр.

Побочные продукты в выходном сигнале удалось подавить на 40+ dB:

А так выглядит SSB-сигнал, принятый на RTL-SDR:

Здесь видна одна проблема, которую я не смог решить. Если молчать в микрофон, то в эфир идет несущая с уровнем 27 dBm (0.5 Вт). На анализаторе спектра видно, что уровень несущей падает, если говорить в микрофон. Это можно разглядеть и на водопаде. Я счел данную проблему некритичной.

Было проведено несколько тестовых радиосвязей. Корреспонденты дают неплохие рапорты, а также отмечают качество и разборчивость сигнала. Не могу не отметить, что работать в QRP на самодельный трансивер намного веселее, чем на покупной. Людям интересно, как устроен трансивер, а что за микрофон, а что за антенна, а как она повернута, и так далее. Сразу разговор завязывается, не просто 59-59, 73-73.

Как мне кажется, для первого SSB-трансивера получилось неплохо. Схему вы можете скачать здесь [PDF], а прошивку для МК — здесь. На схеме и в коде прошивки есть дополнительные комментарии.

Дополнение: Возможные доработки описаны в статьях Простая схема АРУ на МОП-транзисторе и Усилитель 10 Вт на транзисторах IRF510. Также вас могут заинтересовать статьи о трансиверах HBR/40 и HBR/MK2.

Метки: STM32, Беспроводная связь, Любительское радио, Электроника.