Einfache Direktmischempfänger für AFU-Bänder im Bereich von etwa 3.5-70 MHz
( mit Ideen zur Erweiterung für den Empfang von Signalen des Satelliten "QO-100" )
IN BEARBEITUNG
Stand: 14. Dezember 2022
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Abb.1  RX in der Version "V1" mit PLL und Mikrocontroller

Angefangen hatte es mit einem Beitrag, der 2021 im Märzheft des CQ-DL erschienen war ( siehe dazu auch [#1] ). Er stammte aus der Feder von Burkhard Kainka, DK7JD und beschrieb Ideen zum Selbstbau einfacher QRP-Transceiver für vorzugsweise digitale Betriebsarten wie z.B. FT8. Mein spezielles Interesse fand dabei der nur mit einem Schaltkreis CD2003 ( auch unter der TOSHIBA-Bezeichnung: TA2003 [#8] angeboten ) und etwas Peripherie besonders einfach aufzubauende Empfangsteil. Ohne daran allerdings allzu große Erwartungen zu stellen, wollte ich mit diesem für wenige Cents erhältlichen Bauteil doch etwas experimentieren. An anderen Stellen [#2,#3,#4] hatte ich schon einige Erfahrungen mit dem auch hier wieder zur Anwendung kommenden Direktmischprinzip sammeln können, wobei besonders dessen Einfachheit hervorzuheben ist. Nachteilig ist dagegen dessen Nichtverwendbarkeit zum Empfang von FM und bedingt auch für AM-Aussendungen, was aber für die meisten Amateurfunkanwendungen kaum eine Rolle spielen dürfte. So ist ein Empfang von Aussendungen, die in CW, SSB oder digitalen Modes wie z.B. FT8 erfolgen, dagegen problemlos möglich. In diesem Zusammenhang interessierte mich speziell ihre Nutzung in AFU-Bereichen beginnend mit dem 10m-Band bis in die unteren VHF-Bänder. Erfolgreich wurden inzwischen aber auch schon Empfängerversionen für z.B. das 80m- und das 20m-Band aufgebaut.

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Abb.2 CD2003 / TA2003 Blockschaltbild  

Nachdem die Ursprungsversion allerdings nur für Frequenzen geeignet war, die maximal  den mittleren  Kurzwellenbereich abdeckten, musste hierfür eine andere Lösung gefunden werden. Bei näherer Betrachtung des CD2003-Innenlebens ( Abb.2 ) konnte aber festgestellt werden, dass dieser Baustein neben solchen für die AM-Bereiche auch Stufen zum Empfang des FM-Rundfunkbandes enthielt, wobei sich diese auch für die von mir gewünschten Frequenzbereiche nutzen lassen sollten. Gesagt getan wurde ein zweiter CD2003 vorgesehen, der die Eingangssignale durch entsprechende Beschaltung in eine ZF-Frequenzlage von 10.7 MHz umzusetzen hatte. Mit einer ähnlich zur Originalversion aufgebauten Anordnung konnten diese weiter verarbeitet und dabei in die NF-Lage gemischt werden. Erste Versuche, das Ganze innerhalb eines einzigen gemeinsamen Bausteins zu realisieren, schlugen allerdings fehl, da die CD2003 per externem Schaltbefehl nur entweder im AM- oder im FM-Bereich zu betreiben waren. Aber nicht zuletzt auch aufgrund ihres geringen Anschaffungspreises stellte die Verwendung von auch zwei Bausteinen


Abb.3  RX-Testversion mit 2x CD2003

So entstanden die ersten Prototypen ähnlich Abb.3, bei denen zur Abdeckung unterschiedlicher Empfangsfrequenzen jeweils nur zwei Schwingkreise entsprechend zu dimensionieren waren. Ein vorerst noch externer PLL-Baustein Si5351 hatte dabei die benötigten zwei Mischsignale zu liefern. Unter Verwendung eines NANO-Bausteins wurde er dabei mithilfe einer Arduino-Software gesteuert. Während ein Signal der Umsetzung jeweiliger Eingangsfrequenzen in die gewählte 10.7 MHz-ZF-Lage diente, bewirkte ein separat erzeugtes 10,7 MHz-Signal die weitere Umsetzung in den Tonfrequenzbereich. Danach wurde ein Layout entworfen, bei dem neben einem zusätzlichen NF-Verstärker auch noch der PLL-Baustein Si5351, sowie der NANO integriert wurden und sich somit ein eigenständiger RX ergab. Nachdem auf eine zusätzliche Abstimmmöglichkeit für die Eingangsfrequenzen allerdings bei den ersten Exemplaren erst einmal verzichtet worden war, arbeiteten diese zwar nur mit einem fest abgestimmten ersten Oszillator, lieferten dabei aber bereits hervorragende Ergebnisse bei z.B. weltweitem FT8-Empfang im 10m-Band.


Abb.4  RX-Version mit 2x CD2003, NF-Verstärker, Si5351-PLL, ARDUINO NANO und
bedarfsweise Drehgeber zur Abstimmung und OLED zur Frequenzanzeige ( zur Großanzeige anklicken )

Zur Erweiterung mit jeweils kompletter Abdeckung einzelner AFU-Bänder wurde inzwischen auch noch eine Version aufgebaut, die zusätzlich mit einem Drehgeber zur Frequenzabstimmung, einem Taster zur Anwahl der Abstimmschrittweiten und einem OLED-Display zur Anzeige der jeweiligen Betriebseinstellungen ausgerüstet wurde ( Abb.4 ). Über den mit dem Drehgeber kombinierten Taster lassen sich aktuell eingestellte Empfangsfrequenzen auch im EEPROM-Bereich des Prozessors ablegen und dienen als Startfrequenzen bei folgenden Inbetriebnahmen.    

   
Abb.5   RX-Platinenlayout
Nachbau
1. Schwingkreisdaten
Zum Nachbau des Empfängers zum Betrieb in einem bestimmten Band ist die entsprechende Firmwareversion ( siehe dazu Abschnitt 3 ) zum NANO-Baustein hochzuladen. Weiterhin ist eine Dimensionierung der frequenzbestimmenden Bauteile C1,C1a,C2, bzw, L1-L2 vorzunehmen. Dazu habe ich die folgende ( vorläufige ) Tabelle erstellt, wobei diese allerdings nur Richtwerte liefern kann und ggf. kleinere Abweichungen einzukalkulieren sind.
Hinsichtlich L1-L2 ist das Platinenlayout ( inzwischen ) zur Nutzung von abstimmbaren Spulenkörpern ausgelegt, die dabei Pinabstände im Raster von ca. 2.25mm verwenden ( Abb.5a ). Das trifft z.B. auch auf die von mir vorzugsweise verwendeten Fertigversionen aus fernöstlicher Fertigung zu. Hierbei geht es im Wesentlichen um solche mit einem Induktivitätsbereich von 2.1-6.3uH bei 26 Spulenwindungen ( z.B. für das 30m-80m-Band ), sowie weitere mit 0,6-1,7uH bei 12 Windungen ( z.B. für das 20m-10m-Band ).
Zur Verwendung mit z.B. der RX-Version für das 6m-Band- oder das 4m-Band lässt sich die Anzahl der Windungen aber auch problemlos reduzieren. Alternativ werden für das gleiche Format auch selbst zu bewickelnde Spulenkörper angeboten.


Abb.5a  bewickelter 7,5x7,5mm-Spulenkörper
mit Pinabständen im 2.25mm-Raster

Frequenzband
 Induktivität
 Kreiskapazität Windungszahlen
80m
 ~6uH
 ~345p
 26 Wdg.
40m
 ~6uH
 ~86p
 26 Wdg.
30m
 ~6uH
 ~42p
 26 Wdg.
20m
 ~1uH
 ~130p
 12 Wdg.
10m
 ~1uH
 ~33p
 12 Wdg.
6m
 ~120nH
 ~84p
 5 Wdg.
4m
 ~120nH
 ~43p
 5 Wdg.








Tabelle 1   Daten zur Groborientierung bei der Schwingkreisdimensionierung
  2. speziellere Bauteile
Pos
 Bezeichnung
 Anzahl
 Bemerkungen/ mögl. Bezugsquelle
1
 Intergr. Schaltkreis CD2003/TA2003
 2
 AK-Modul-Bus
Aliexpress
2
 Intergr. Schaltkreis
LM386
 1
 diverse
3
 Indukt. SMCC 100uH
 1
 Reichelt
4
 Indukt. SMCC 1mH
 1
 Reichelt
5
 keram. Filter 10,7 MHz
 1
 Ebay
Aliexpress
6
 Baustein Si5351
 1
 Ebay
Aliexpress
7
 Arduino NANO
 1
 diverse
8
 Incrementgeber
STEC12E08
 1
 Reichelt
9
 OLED Display 0.96"
 1
 diverse
10
 Intergr. Schaltkreis
7805
 1
 diverse
11
 Platine
DJ7OO_CD2003-RX_V4
 1
 Dirk Ruffing
DH4YM [#11]
12
 Spulenkörper 0,6-1,7uH
 1
 Aliexpress*
13
 Spulenkörper 2,1-6,3uH
 1
 Aliexpress*
14


Tabelle2  speziellere Bauteile
( * suche unter "ferrite toroid core" )

Auf privater Basis kann ich auch kleinere Mengen der meisten etwas spezielleren Bauteile zur Verfügung stellen. Interessenten sollten mir eine E-Mail schicken ( dj7oo@t-online.de ). Das Gleiche gilt auch, wenn z.B. Bedarf an einem Platinenlayout im LAY6-Format besteht.
3. Softwareversionen
Für die gängigsten AFU-Bänder habe ich ARDUINO-Firmwareversionen vorbereitet, die hier [#9] heruntergeladen werden können. Mit etwas Erfahrung und einigen wenigen Änderungen können aber ggf. auch weitere Frequenzbereiche abgedeckt werden.
4. Frequenzkalibrierung
 Bedingt durch die nur begrenzte Genauigkeit der Steuerquarze von Si5351-Bausteinen, ergeben sich immer auch Abweichungen zu gewünschten Ausgangsfrequenzen. Das ist frequenzabhängig und macht sich umso stärker bemerkbar, je höher die mit den Si5351 generierten Frequenzen sind. Abhilfe kann durch Kalibrierwerte erreicht werden, die dazu exemplarspezifisch in die jeweiligen VFO-Firmwareversionen zu übernehmen sind. Zur Ermittlung dieser Cal-Werte habe ich das ARDUINO-Programm "CALFINDER" geschaffen, welches hier [#10] heruntergeladen werden kann. Es verwendet die auch für den VFO benutzte Hardwareanordnung. Das Programm kann somit z.B. vor dem Hochladen des eigentlichen VFO-Programmes kurz installiert werden. Anschliessend stehen die mit seiner Hilfe gefundenen Cal-Werte zur Übernahme in die VFO-Firmware bereit.
Musteraufbau ( für das 20m-Band ) von Peter, DG3SMA
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Beispiel einer RX-Nutzung zum Empfang von FT8-Aussendungen ( Fotos: DG3SMA ).
Als Besonderheit bestand zur Signalübertragung zwischen RX und Smartphone mit FT8-Decodersoftware lediglich
eine akustische Kopplung zwischen ( Kleinst- ) Lautsprecher und Smartphone-Mikrofon
( zur Grossdarstellung anklicken )
mögliche Erweiterung zum Empfang von Signalen des Satelliten "QO-100"

Abb.6  RX-Satellitenversion  OLED-Displaydarstellung
( mögliche Schrittweiten: 10Hz-100KHz )

Da auch der Wunsch zur Realisierung eines einfachen RX zur Verarbeitung der vom Amateurfunksatelliten QO-100 stammenden und mit einem standardmäßigen LNB aufnehmbaren  Signale bestand, wurde die Idee zur Erweiterung des vorhandenen RX-Direktmischkonzeptes und seiner Nutzung auch zur Verarbeitung entsprechender ZF-Signale geboren. Für den QO-100-Empfang gilt es, die vom LNB in Bereich 739.5-740.0 MHz bereitgestellten ZF-Signale in einen vom Nachsetzer zu verarbeitenden Bereich umzusetzen. Obwohl es entsprechende Konverter zur Signalumsetzung bereits aus verschiedenen Quellen gab, wurde hierbei nach einer möglichst einfachen, preiswerten und ohne spezielle ggf. schwer beschaffbare Bauteile auskommenden Lösung gesucht. Nachdem ein denkbares Konzept dabei gewisse Freiheiten bei der Wahl geeigneter ZF-Bereiche erlaubte, wurde ein solcher von 70.5-71.0 MHz gewählt. Danach muss das benötigte Mischsignal bei 669 Mhz liegen, was sich aus Verdreifachung eines solchen ausgehend vom vorher noch unbenutzten dritten Signalausgangs ( Clk0 ) unseres Si5351 ergibt. Ein hierfür bereitzustellendes 223MHz-Signal liegt dabei knapp unterhalb des an dieser Stelle maximal generierbaren Wertes von 225 MHz.
Erste Versuche mit einem entsprechenden Converter ( Abb.7 ) wurden bereits erfolgreich durchgeführt, sodass in Kürze auch darüber näher berichtet werden kann.  


Abb.7   Schaltanordnung des Zusatzboards zum Satellitenempfang
Linkliste
[#1] http://elektronik-labor.de/HF/FT8QRP.html
[#2] http://www.kh-gps.de/ lw-rx.htm
[#3] http://www.kh-gps.de/ fax-rx.htm
[#4] http://www.kh-gps.de/uni-rx.htm  
[#5] https://www.hackster.io/CesarSound/10khz-to-120mhz-vfo-rf-generator-with-si5351-and-arduino-3a7cad
 [#6] https://www.hackster.io/CesarSound/10khz-to-225mhz-vfo-rf-generator-with-si5351-version-2-bfa619
[#7] http://www.kh-gps.de/calfinder.htm
[#8] http://www.kh-gps.de/ta2003.pdf
[#9] http://www.kh-gps.de/RX-VFO_25_V1.zip 
[#10] http://www.kh-gps.de/calfinder.htm
[#11] https://www.dh4ym.de/