История эта началась новогодним утром 2018 года. В то время, когда ничего не подозревающие соотечественники мирно отсыпались после безудержного новогоднего веселья, я решил, окончательно и бесповоротно, открыть проект.
Воодушевление от руководства чужими проектами к тому времени я испытывал всё реже и реже. Хотелось чего-то своего, причём восхитительно бесполезного. А что может быть бесполезней в век социальных сетей, чем коротковолновая любительская радиостанция? Только «бюджетная» любительская радиостанция!
О разработке в одиночку радиолюбительского SDR-трансивера, простого и доступного по цене, и пойдёт речь дальше.
Все части цикла статей о создании любительской радиостанции:
- Проект «Селенит». Часть 1: Побуждение к действию ← Вы здесь
- Проект «Селенит». Часть 2: Квадратурный смеситель
- Проект «Селенит». Часть 3: Диапазонный полосовой фильтр
- Проект «Селенит». Часть 4: Квадратурный гетеродин
- Проект «Селенит». Часть 5: Контроллер, встроенное ПО и квадратурный модулятор
- Проект «Селенит». Часть 6: Финализация
▍ Резюме проекта
Проект начат 01.01.2018 года и находится в процессе постановки на производство.
Цель проекта: популяризация и развитие любительской радиосвязи на коротких волнах.
Минимально жизнеспособный продукт проекта: доступный по цене старшекласснику радиоконструктор для приёма радиосигналов на коротких волнах.
Бюджет проекта: не утверждён, финансирование из собственных средств.
Расписание проекта: без указания конкретных сроков.
На момент публикации в наличии имеются четыре полностью собранные платы. Затраты на проект, на текущий момент составили чуть менее 70 тысяч рублей. Учёт потраченного на проект времени не вёлся.
За последние полгода было потрачено около 50% этой суммы, ещё 40% за предшествующий этому год, остальные 10% – в первые четыре года проекта.
Такая структура затрат была обусловлена тем, что оценка риска безрезультатно закончить проект на ранних стадиях была очень высокой. Подход к выбору аппаратной платформы и схемного решения оказался верным сразу, но сразу же возникли и проблемы с реализацией этого решения. Это укрепило моё намерение минимизировать материальные затраты до тех пор, пока не возникнет полное понимание с реализацией опытного образца.
▍ Всё уже придумано до нас
На момент принятия решения об открытии проекта у меня на руках было полтора-два десятка решений SDR-трансиверов (Software-defined radio), взятых из открытых источников. Большинство из них объединяли следующие нюансы:
- использование в качестве смесителя какой-либо реализации схемы Тэйло (Tayloe);
- отсутствие в самых простых решениях перестраиваемого гетеродина (VFO, ГПД);
- наличие в «непростых» решениях VFO на базе какого-либо интегрального синтезатора частоты с управлением по какому-либо протоколу, отличному от CAT;
- использование для обработки сигналов звуковой карты компьютера;
- питание от внешнего источника постоянного тока с напряжением 12 В (однополярного в лучшем случае).
Даже на самых ранних стадиях, ещё до погружения в тему разработки аппаратуры SDR, было понятно, что ничего нового изобретать не стоит, а нужно просто применить в разработке удачные проверенные временем решения.
Тут надо особо отметить конструкции американского радиолюбителя Tony Parks (KB9YIG), такие как SDR-приёмник Softrock Ensemble RX II и разработанный на его аппаратно-программной платформе SDR-трансивер Softrock Ensemble RXTX.
На рисунке выше приведён внешний вид платы трансивера. Для работы с ним был необходим компьютер со звуковой картой и установленной программой, которая производит обработку сигналов для работы в эфире. Обычно для работы с линейкой Softrock применяется программа HDSDR.
Конструкция другого американского радиолюбителя David Turnbull (AE9RB) была не менее удачной. Его SDR-трансивер Peaberry SDR V2 логически продолжал линейку Softrock. Для работы с Peaberry SDR V2 тоже требовался компьютер с программой HDSDR, но звуковая карта USB уже входила в состав трансивера.
Далее следует отметить SDR-трансивер mcHF шотландской радиолюбительницы Krassy Atanasov (M0NKA), успешный настолько, что его «клоны» и в настоящий момент продаются в китайских интернет-магазинах. На рисунке ниже приведён внешний вид одного из таких «клонов».
В отличие от Softrock Ensemble и Peaberry SDR V2 трансивер mcHF уже не требует для работы компьютера и может работать автономно. К компьютеру трансивер mcHF подключается как составное устройство USB, состоящее из звукового устройства USB и виртуального COM-порта, через который можно подключиться к CAT-интерфейсу этой радиостанции.
▍ Вариации на тему Tayloe
Основу аппаратной платформы всех трёх вышеупомянутых SDR-трансиверов составляет реализация квадратурного демодулятора (QSD) и квадратурного модулятора (QSE) по схемам Тэйло. Только в отличие от оригинальной схемы Тэйло (патент США US6230000) и модуляторы, и демодуляторы в этих трансиверах реализованы по балансным схемам.
В качестве примера «классической» реализации балансного QSD по схеме Тэйло можно привести решение приёмного смесителя трансивера Peaberry SDR V2 на рисунке ниже:
В литературе принято указывать на такие недостатки балансных схем, как больший в два раза набор компонентов и необходимость подбора компонентов для обеспечения «балансировки» этих схем. Вышеприведённые недостатки с лихвой окупаются преимуществами балансных схем модуляторов и демодуляторов в эффективном подавлении постоянной составляющей результирующих сигналов, несущей частоты при модуляции, синфазных помех и т.д. по сравнению с небалансными схемами.
▍ Синтезатор частоты как локомотив развития SDR
Аппаратура SDR никогда не стала бы настольно популярной в среде радиолюбителей, если бы не было доступных по цене микросхем синтезаторов частоты.
Во всех трёх вышеупомянутых трансиверах в качестве синтезатора использованы достаточно дорогие Si570. И в Softrock Ensemble, и в Peaberry SDR V2 синтезатор управляется через связанную плагином с HDSDR программу CFGSR, созданную радиолюбителем из Нидерландов F.W. Krom (PE0FKO).
В трансивере mcHF синтезатор управляется локально или же по CAT-интерфейсу. В «клонах» этой радиостанции дорогой синтезатор Si570 заменён на более бюджетный Si5351A-B-GT.
Большое влияние на развитие публикуемого проекта оказало не только схемное решение вышеупомянутых трансиверов, но и программное обеспечение к ним. И здесь нужно особо отметить open source ПО для трансивера mcHF и его «клонов» за авторством немецкого радиолюбителя Andreas Richter (DF8OE).
▍ Три источника, три составные части…
Как уже стало понятно из логики повествования, тремя китами в основании проекта «Селенит» были и остаются:
- Схемные решения радиотракта SDR-трансиверов Softrock Ensemble RXTX и Peaberry SDR V2.
- Open source решения для SDR-трансивера mcHF и его «клонов».
- Программа HDSDR и её «обвязка» для работы с разрабатываемым трансивером по CAT-интерфейсу.
Основная проблема в разработке трансивера в рамках проекта заключалась в том, что несложные SDR-радиостанции, работающие в связке со звуковой картой, требуют наличия у компьютера, к которому они подключены, двухканальных линейных входа и выхода для работы приёмо-передающего тракта, а также COM-порта для работы CAT-интерфейса. В современных же ноутбуках аудиовход обычно предназначен для подключения микрофона гарнитуры и бывает только монофоническим.
Решением проблемы стала реализация составного устройства USB, состоящего из виртуального COM-порта и дуплексной звуковой карты. Это и является основной отличительной чертой уникального продукта проекта в сравнении с большинством других радиолюбительских конструкций.
Изначально в проекте использовалась недорогая отладочная плата с MCU STM32F103RET6. На ней удалось реализовать практически все первоначальные задумки, кроме звукового устройства USB.
Реализовать звуковое устройство USB, а затем и составное устройство, содержащее звуковое устройство и виртуальный COM-порт, удалось только после того, как в марте 2020 года была приобретена отладочная плата NUCLEO-F446ZE с микроконтроллером STM32F446ZET6 «на борту». О неочевидных нюансах этого решения был опубликован цикл про составное устройство USB.
Окончательная ясность с выбором микроконтроллера появилась после покупки в феврале 2021 года отладочной платы Black Pill на базе микроконтроллера STM32F411CEU6. Этот MCU идеально вписался в концепцию проекта: недорогой, производительный, с достаточным количеством выводов и достаточно миниатюрный. Описанное в цикле публикаций про составное устройство программное обеспечение было доработано под этот микроконтроллер и продолжает успешно работать в проекте.
На рисунке выше приведён внешний вид печатного узла серийного образца за номером 230004 SDR-трансивера Selenite Lite без установленных на плату органов управления и дисплея. По сравнению с предыдущим фото прогресс виден невооружённым глазом.
▍ Работа с трансивером Selenite Lite
Разработанный в рамках проекта трансивер с текущей версией встроенного ПО работает совместно с программой HDSDR. Для обеспечения работы на передачу в состав программы должна входить библиотека ExtIO_SRlite.dll.
Связь HDSDR с платой трансивера по CAT-интерфейсу обеспечивает программа Omni-Rig. Трансивер Selenite Lite использует для связи с компьютером ограниченный набор команд трансивера Yaesu FT-817.
При подключении к компьютеру по USB трансивер определяется как виртуальный COM-порт (в данном случае это COM10) и двухканальное двунаправленное 16-битное звуковое устройство «Selenite TRX» с частотой дискретизации 96 кГц.
Чтобы не плести плетень из виртуальных аудиокабелей, в показанной на рисунке выше конфигурации использованы динамики и микрофон из состава ноутбука.
На рисунке выше показан приём трансивером Selenite Lite сигналов радиостанции RWM на частоте 14996 кГц.
На рисунке выше трансивер Selenite Lite передаёт на частоте 9995 кГц по нижней боковой полосе речевой сигнал. Контрольный приёмник Softrock Ensemble RX II настроен на частоту 9995 кГц и принимает по верхней боковой полосе сигналы RWM, а по нижней – передачу голосового сигнала с отлаживаемой платы трансивера. Сигнал достаточно качественный: смещения по частоте нет, несущей не видно, «зеркального» канала передачи тоже нет.
▍ «Тяжёлый» по цене алюминий
Изготовление корпуса для конструкций всегда было нелёгкой задачей для радиолюбителя. Текущий проект не исключение.
Требование доступности по цене значительно сужает выбор решения. В самом бюджетном варианте трансивера на плату не устанавливаются ни дисплей, ни кнопки, ни энкодер, и плата помещается между двумя сплошными пластинами оргстекла. Но изготовить даже такой «корпус» обходится в 250 рублей.
Изготовление более сложного «бутерброда» для платы трансивера в максимальной комплектации обходится уже в 550 рублей, но изделие с ним уже имеет вполне себе промышленный вид.
Изначально же трансивер планировалось собирать в корпусе из алюминиевого профиля размерами 100х71х25. Но расценки на фрезеровку…
▍ Это – присказка, а сказка...
Проект «Селенит» живёт уже скоро как шесть лет. В течение этого времени я постоянно публиковал на Хабре наработки в рамках этого проекта. Самыми тяжёлыми в разработке для меня оказались два момента:
- Реализация составного устройства USB на базе MCU STM32.
- Обеспечение помехозащищённости радиоприёмного тракта трансивера.
Из-за этого четыре года назад я был морально готов проект завершить публикацией цикла про составное устройство USB. Текущая версия программного обеспечения трансивера от описанной в цикле отличается наличием загрузчика.
Чуть менее двух лет назад, не в силах побороть широкополосную «грязь» от наводок цифровой части аппарата на аналоговую, я проект просто-напросто забросил, и мне потребовались изрядные усилия воли привести аппарат к текущему состоянию готовности к производству.
Последующие за этой части публикации будут содержать описания составных частей аппаратной части трансивера Selenite Lite с обоснованием выбора решения, указанием проблемных мест и способов обойти эти «подводные камни».
Буду рад, если кто-то найдёт в этом цикле для себя что-нибудь полезное!
Схема электрическая принципиальная, перечень элементов и рисунок печатной платы SDR-трансивера Selenite Lite содержатся в документе «Selenite Lite User Manual», расположенном в репозитории проекта «Selenite Lite».
Больше информации о проекте можно найти в некоммерческом telegram-канале «Проект «Селенит»
72/73! de RD9F
Узнавайте о новых акциях и промокодах первыми из нашего Telegram-канала 💰
