PZ-SDR è un ricevitore SDR (Software Defined Radio) in banda HF a copertura continua. Il progetto è nato con intenti sperimentali ed un approccio minimalista, che ben si presta ad una facile e rapida realizzazione. Con una manciata di componenti si viene catapultati nel mondo degli SDR, apprendendone i principi di funzionamento ed apprezzandone le buone prestazioni e la qualità di ascolto. La copertura continua della banda HF soddisfa ogni tipo di esigenza di radioascolto, dal BCL all’SWL, agli appassionati di utility e altro, nonché ben si presta come secondo ricevitore in una stazione OM.

Principio di funzionamento

SDR - Block diagram
Schema a blocchi

PZ-SDR si basa sul principio classico degli SDR a conversione diretta e campionamento tramite scheda audio del PC. Il segnale RF, captato dall’antenna, attraversa uno stadio front-end analogico, quindi viene convertito in banda base dal QSD, producendo in uscita le due componenti I e Q, che, opportunamente amplificate, raggiungono l’ingresso audio del PC. L’oscillatore locale e il phase shifter generano i necessari clock di pilotaggio per il mixer QSD. Per maggiori approfondimenti teorici si rimanda all’articolo SDR – Software Define Radio [1]. Lo schema a blocchi illustra graficamente quanto appena descritto.

Schema elettrico

PZ-SDR - Schema elettrico
Schema elettrico

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Come si evince dallo schema, i componenti impiegati sono davvero pochi e di facile reperibilità.
Il segnale RF captato dall’antenna incontra lo stadio front-end, ridotto ai minimi termini. E’ infatti costituito da un condensatore che blocca la componente continua a protezione dello stadio successivo, seguito da un trasformatore RF che ha la doppia funzione di isolare galvanicamente i circuiti a valle ed operare una trasformazioni sbilanciato/bilanciato, generando la componente in controfase (negata) del segnale in ingresso, per un conveniente utilizzo sul mixer QSD. Il rapporto spire è pari a 2, quindi l’impedenza di antenna, 50 ohm teorici, viene vista dal QSD con un fattore quattro volte maggiore: 200 ohm.
Il partitore di tensione formato da R1 ed R2 e annessi condensatori genera un tensione di BIAS di 2.5 V, che iniettata sui due avvolgimenti secondari del trasformatore, polarizza il segnale RF in modo che venga meglio gestito sugli stadi successivi che lavorano a logica CMOS.
Il QSD, nella configurazione doppia, è realizzato con un integrato 74HC4066, IC1, che contiene quattro switch controllati. Si è scelta questa soluzione poiché è la più semplice da realizzare, ma garantisce comunque buone prestazioni. Una configurazione alternativa sarebbe stata la doppia bilanciata, a fronte però di una maggiore complessità circuitale con l’utilizzo di due 4066 o di un FST3253 reperibile nel solo formato SMD. I condensatori di hold C4, C5, C6 e C7 sono calcolati per una band width di circa 200 kHz, in linea con quanto è possibile ottenere con la massima frequenza di campionamento delle schede audio di alta gamma.

SDR - QSD
QSD doppio

Lo stadio amplificatore utilizza due op-amp OP27, IC2 ed IC3, per impiego instrumental che garantiscono un’elevata impedenza su entrambi gli ingressi. Lo stadio lavora in configurazione bilanciata ed i resistori di feedback R3 ed R4 sono calcolati per un guadagno di 10 volte (20 dB), che è un buon compromesso per l’ascolto di segnali sia deboli che forti. Gli OP27 hanno un livello di noise non particolarmente basso se comparati ad altri op-amp studiati per applicazioni audio, che tuttavia, non essendo specifici per uso instrumental, richiederebbero una configurazione circuitale maggiormente complessa per sopperire alla bassa impedenza dell’ingresso invertente. Inoltre in banda HF non è necessario un noise particolarmente basso.
L’oscillatore locale è realizzato con un Si570, oscillatore a cristallo programmabile con interfaccia seriale I2C, prodotto dalla Silicon Labs [2]. La versione utilizzata è la CAC in standard CMOS ed ha un range di frequenza da 10 a 160 MHz con stabilità di +/- 20 ppm. Si è scelto di utilizzare l’USB-controlled synthesizer sviluppato dal team QRP2000 [3] che integra un microcontrollore Atmel ATTiny85 con interfaccia USB. Il firmware caricato sul microcontrollore consente la sintonia da PC della frequenza generata dall’oscillatore tramite appositi driver ben supportati dai diversi software SDR.
La configurazione del QSD richiede un phase shifter per generare un segnale di clock su quattro quadranti. E’ realizzato dividendo per quattro il segnale dell’oscillatore locale tramite un classico Johnson counter, IC4, con flip-flop tipo D su chip 74AC74.

Realizzazione

PZ-SDR - Prototipo
Prototipo

La realizzazione del prototipo è stata eseguita su basette millefori, ogni blocco funzionale è realizzato separatamente e le varie parti collegate tra loro con una disposizione a sandwich. Questo tipo di approccio consente la successiva sperimentazioni di configurazioni circuitali diverse [10], sostituendo il solo blocco interessato senza modificare il resto.
Per l’oscillatore locale USB-controlled synthesizer si è optato per il kit di montaggio della SDR-Kits [4] progettato per l’SDR SoftRock RxTx v.6, che comprende un ottimo circuito stampato doppia faccia e tutti i componenti necessari. Sebbene sia possibile alimentarlo tramite porta USB, si è preferito fornire alimentazione esterna a 12 Vcc rimuovendo il jumper JP1. Inoltre dal piedino d’uscita 3 dello stabilizzatore U4 si preleva la tensione a 5 Vcc per i rimanenti moduli del circuito.

PZ-SDR - QRP2000 USB-controlled synthesizer
QRP2000 USB-controlled synthesizer

Il trasformatore RF TR1 è realizzato avvolgendo 5 spire trifilari di rame smaltato 32 AWG su nucleo binoculare in ferrite BN43-2402. Per realizzare tre avvolgimenti identici preparare un cavo trifilare, attorcigliando tra loro tre spezzoni di filo di rame smaltato, quindi passarlo attraverso i fori del nucleo. Nella connessione al resto del circuito porre attenzione al verso di collegamento dei due secondari, come indicato nello schema elettrico.

PZ-SDR - Trasformatore RF
Trasformatore RF

Installazione

Collegare l’uscita audio IQ di PZ-SDR alla scheda audio del PC, utilizzando dei buoni cavi, realizzati ad esempio con del comune coassiale RG-58 o similari. Alimentare il circuito e collegare la porta USB del sintetizzatore. Nel caso di primo utilizzo installare i driver come indicato sul manuale del kit [5], sono disponibili driver certificati sviluppati da Fred PE0FKO [6].
A questo punto utilizzando l’utility Si570 USB Test di Tom DG8SAQ [7] o SoftRock Ensemble Configuration Tool di Fred PE0FKO [6] è possibile configurare l’oscillatore e verificarne il funzionamento.
L’Si570 è supportato nativamente da alcuni software SDR come Softrock e SDR# o tramite apposite librerie [8] e [9].

PZ-SDR - HDSDR
Ascolto

Riferimenti e Bibliografia

  1. Gianfranco Sordetti IZ8EWD, SDR – Software Defined Radio, lo conosciamo? RadioRivista n.06 2014;
  2. Silicon Labs Si570 datasheet (.pdf);
  3. QRP2000, Tom Baier DG8SAQ, USB-controlled synthesizer;
  4. SDR-Kits.net, Kit USB-controlled synthesizer;
  5. SDR-Kits.net, USB-controlled synthesizer Kit Instructions (.pdf);
  6. Fred Krom PE0FKO, SoftRock Ensemble Configuration Tool;
  7. Tom Baier DG8SAQ, Si570 USB Test;
  8. Fred Krom PE0FKO, WinRad ExtIO_Si570.DLL;
  9. Andrew Nilsson VK6JBL, usbsoftrock;
  10. Tasic Sinisa YU1LM, SDR projects.

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Pubblicato su: RadioRivista (ARI) n.01 del 2015 con il titolo “PZ? E’ il mio ricevitore SDR”


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