RedPitaya SDR-TRX mit STEMlab 122.88-16 (Version3)

Das STEMlab 122.88-16 ist eine Weiterentwicklung des programmierbaren Messgerätes STEMlab 125-14 der Firma REDPITAYA. Es ist bezüglich des Systemtaktes von 122,88MHz sowie der Beschaltung der HF Ein- und Ausgänge mit einer Impedanz von 50 Ohm auf einen Einsatz im SDR Umfeld optimiert. SDR steht für Software Defined Radio.

Mit geeigneter „Firmware“ und entsprechender PC-Software lässt sich mit dem STEMlab ein vollwertiger SDR Transceiver für alle KW-Bänder von 160m bis 6m aufbauen. Pionierarbeit hat hier Pavel Demin geleistet. Mit seiner Firmware und der PC Software OpenHPSDR-Thetis wurde das SDR Konzept mit dem STEMlab erstmals für den breiten Einsatz verfügbar.

Der Aufbau eines solchen TRX wurde bereits in verschiedenen Arbeiten beschrieben. Mehr oder weniger ausführlich, mehr oder weniger komplex, mehr oder weniger vollständig.

Ich habe beim Durcharbeiten dieser Beschreibungen viele Anregungen bekommen. Einige davon habe ich aufgegriffen und teilweise in mein Konzept übernommen. Hier sind insbesondere die Veröffentlichungen von DK5QH u. DK7XL zum Thema „SDR auf Red Pitaya“ hervorzuheben.

Das Ziel meines Projektes war, mir ein einfaches, modulares Gerät für den täglichen Gebrauch zu bauen, das sich problemlos in die vorhandene Infrastruktur aus LAN/WLAN, PC, Antenne + Koppler, PA usw. integrieren lässt.

Die nachfolgende Dokumentation ist keine Bauanleitung! Sie soll vielmehr zu eigenen Ideen und Lösungen anregen. Nachfragen beantworte ich natürlich gerne. Selbstverständlich sind auch die Platinen bzw. die Produktionsdaten der beschriebenen Platinen (Gerber-Files) bei Bedarf verfügbar.

Frühere Realisierungen sind hier zu finden.

Die Schaltbilder und Layouts wurden mit DipTrace V4 erstellt.

Die meisten Fotos lassen sich durch hineinklicken vergrößern.

Das Konzept

Neben dem STEMlab wird für einen vollständigen TRX noch einiges an peripherer Hardware benötigt.
Die wesentlichen Komponenten sind:

· Audio Codec

· NF-Verstärker für einen Lautsprecher Anschluss (optional)

· I2C-Bus Register und Buffer zur Ansteuerung der Bandfilter und des RX-Attenuator

· div. Optokoppler zur galvanischen Trennung der digitalen Ein/Ausgänge vom STEMlab

· TX Driver und PA um eine Ausgangsleistung von +37dBm auf allen Bänder zu erzielen

· Tiefpass Filter für den Sendezweig

· RX-Attenuator 0-10-20-30dB

· RX / TX Umschaltung

Die verschiedenen Komponenten sind auf zwei Zusatzboards aufgeteilt, wie in der Übersicht dargestellt.

Auf dem NF&Peripherie Board wird über Abstandshalter zunächst der Audio-Codec und darüber das STEMlab-Board montiert. Das PA&Filter Board kann unter dem NF&Peripherie-Board platziert werden. Dies ergibt ein komplettes Transceiver Modul in sehr kompakter Bauweise.

Das NF & Peripherie Board

Das NF & Peripherie Board fasst auf einer Fläche von 85x100mm alle Bauteile zusammen, die zur NF seitigen Ankoppelung des STEMlab erforderlich sind. Dies sind i.W. der Audio-Codec sowie ein NF-Verstärker für den Anschluss eines Lautsprechers. Das Board nimmt außerdem die Bauteile für die digitale Anbindung der internen Peripherie auf. D.h. die I2C-Bus Logik und die Opto-Koppler für PTT und Keyer sowie das PTT-Relais. Die 5V Versorgung für das STEMlab Modul ist mit einigen Schutzschaltungen ebenfalls auf dem Board integriert. Die technischen Details lassen sich dem Schaltbild und der BOM entnehmen.

Auf das bestückte NFP Board wird der Audio Codec aufgesteckt und mit Abstandshaltern fixiert. Die Montage erfolgt dabei über Kopf. Das hat die Entflechtung des NFP Boards etwas vereinfacht. Die 3,3V Spannungsversorgung für die I2C-Bus Logik-Bauteile wird auf dem STEMlab erzeugt.

Mittels 20mm Abstandsbolzen wird das STEMlab über dem NFP-Board montiert. So erhält man ein sehr kompaktes Modul. Die Verbindung zwischen STEMlab und Board erfolgt mit Flachband Kabeln.

Das PA & Filter Board

Das PA & Filter Board nimmt auf einer Grundfläche von 100x100mm alle Komponenten der HF Zweige für RX- und TX-Betrieb auf.

Links oben befinden sich die Spannungsregler für PA und BIAS. Im RX Zweig liegt lediglich ein 61MHz Tiefpass als Anti-Alias Filter. Es hat die Aufgabe, starke Signale aus der 2. Und 3. Nyquist Zone vom RX fern zu halten. Zusätzlich steht ein RX-Attenuator zur Verfügung. Dieser wird über den ALEX-Mode der Thetis Software angesteuert. Einstellbar sind 0..10..20..30dB. Der TX-Zweig beginnt mit einem 3dB Dämpfungsglied als definierter Last für den STEMlab TX Ausgang. Die gemessene Ausgangsleistung des STEMlab liegt zwischen +3dBm und +7dBm, je nach Frequenz. Auf das Dämpfungsglied folgt ein 20dB Leistungtreiber. Er ist konventionell mit einem OP-AMP vom Typ OPA2674 aufgebaut. Die Endstufe ist als Gegentakt Verstärker mit 2 LDMOS FETs (AFT05MS004NT1) aufgebaut. Diese Schaltung hat sich z.B. im Hermes-Lite Konzept bewährt. Die Ausgangsleistung beträgt max. 37dBm. Auf die PA folgt das obligatorische Tiefpass Filter. Die Filter für 5MHz, 10MHz, 20MHz und 30MHz sind als Butterworth Tiefpass 5.Ordnung realisiert. Der 50MHz Tiefpass ist 7.Ordnung, um eine steilere Filterflanke zu erhalten.

Die Betriebsspannung für den OP-AMP sowie die BIAS Versorgung des PA-Bausteins werden erst beim TX Betrieb zugeschaltet. Mit den Trimmern wird der Ruhestrom der FETs auf jeweils 55mA abgeglichen. Der Ruhestrom ist temperaturstabilisiert und kann am seitlichen Messausgang mit einer Auflösung von 2,5mV/mA erfasst werden. Die Steuerung der Baugruppe erfolgt vom NFP-Board über Flachbandkabel. Die HF-Verbindung zum STEMlab wird über kurze RG316 Koax-Kabel hergestellt. Die Dimensionierung der Bauteile kann der BOM entnommen werden. Die Schaltung ist hier abgelegt.