mcHF-Projekt

Um nach langen Jahren praktizierter Analogtechnik etwas Erfahrung in Sachen SDR zu sammeln, habe ich mir von M 0 NKA den Bausatz für seinen 10-W-SDR-Transceiver erworben.

Zum Zeitpunkt der Auslieferung im Februar 2016 erhielt man die Platinen (Version 04) bereits mit den wesentlichen Bauteilen vorbestückt. Dennoch sind die restlichen Lötarbeiten teilweise sehr diffizil und erfordern nicht nur geeignetes Lötwerkzeug, sondern auch eine sehr gute Sehhilfe.

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Das Bild zeigt HF- und Digitalboard fertig bestückt (ohne Buchsen) und für das Laden der Software vorbereitet. Da der mcHF auf dem Digitalboard bereits alle Bedienelemente und ein scharf zeichnendes Display trägt, ist er ein Stand-Alone-Transceiver. Es wird also kein PC für Betrieb und Bedienung benötigt.

Zuerst wurde der Bootloader aufgespielt. Nach dem Drücken der "richtigen" Taste gelang auch das Aufspielen der Firmware.

Nach diversen Modifikationen des UI- und RF-Boards (siehe mcHF-Forum Sulingen) und sehr vielen angepassten Einstellungen, auch im Abgleichmenü, funktioniert der Empfänger recht zufriedenstellend.

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Vor den eigentlichen Empfänger- und Sendermessungen wollte ich die Filterschaltungen überprüfen. Da Empfänger-Bandpässe in Serie mit den Sende-Tiefpässen geschaltet werden, wurden letztere zuerst evaluiert.

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Für Leistungen bis 10 W reichen die mit den Tiefpässen erzielten minimalen 20 dB Reflexionsdämpfung gut aus. Die Durchgängsdämpfung liegt zwischen 0,44 dB (80 m) und 0,81 dB (10 m). Beispielhaft hier der 40-m-Tiefpass.

Anschließend habe ich Sendetiefpassfilter und Rx-Bandpassfilter in Serie zusammen am Networkanalyzer vermessen. Die Ergebnisse waren nicht so erfreulich.

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Nur der Gesamt-Bandpass für das 40-m-Band sieht ordentlich aus mit geringer Welligkeit und akzeptabler Durchgängsdämpfung und Anpassung. Der dargestellte 80-m-Bandpass zeigt, wie die restlichen beiden Bandpässe für die oberen Bänder, eine schlechte Anpassung und eine vergleichsweise hohe Welligkeit im Durchlassbereich.

Empfängermessungen:

Anschließend habe ich wie folgt eingestellt:

- Max. RF-Gain (im Abstimm-Menü) = 4 (das ergibt genau S9 bei 50 uV am Eingang.

- RFG = 32 (das ergibt ohne Empfindlichkeitsverlust den geringsten Rauschpegel ohne Signal)

Mit diesen Einstellungen habe ich folgende Empfindlichkeitswerte des Empfängers ermittelt (über TP und LP; 2,3 kHz Bandbreite, das ist die Standard-Vergleichseinstellung SSB, (S+N)/N = 10 dB):

3,7 MHz: 0,70 uV

7,1 MHz 0,44 uV

14,2 MHz 0,56 uV

21,2 MHz 0,94 uV

28,5 MHz 0,50 uV

Bis auf den Ausreißer bei 21 MHz ist der Empfänger tatsächlich fast so empfindlich wie ein Stationsgerät. Für QRP und ein einfaches Konzept nicht schlecht.

Empfänger-Großsignalverhalten: Da Großsignalwerte auf dem empfindlichsten Band am geringsten ausfallen, habe ich mal auf 40 m gemessen:

1) Regelumfang: für 6 dB Audioabfall kann man ein Signal von S9+60 dB (+13 dBm) bis auf -114.5 dB reduzieren. Das ergibt einen Regelumfang von 101,5 dB. Hervorragend!

2) MDS (Minimum Discernible Signal, kleinstes aufnehmbares Signal, (S+N)/N = 3 dB): MDS = -126.5 dBm = 0,11 uV. Auch sehr gut.

3) Intermodulation 2. Ordnung IM2: Zwei Träger bei 1,15 MHz und 6 MHz und einem Pegel von -39 dBm ergeben ein IM2-Produkt bei 7,15 MHz der Stärke des MDS. Das entspricht einem IM2-freien Dynamikbereich von 87,5 dB und einem IPE2 = 48,5 dBm. Das ist nicht sehr gut aber brauchbar.

4) Intermodulation 3. Ordnung IM3: Zwei Träger +25 kHz und +50 kHz neben der Empfangsfrequenz und einem Pegel von -42,5 dBm liefern ein IM3-Produkt in der Größe des MDS auf der Empfangsfrequenz. Das entspricht einem IM3-freien Dynamikbereich von 84 dB und einem Eingangsinterzeptpunkt 3. Ordnung von IPE3 = -0,5 dBm. Das ist wirklich nicht so doll - im "Ernstfall" muss man den Abschwächer nutzen.

Aufgrund der Eigenschaften eines A/D-Wandlers bei unterschiedlichen Eingangspegeln, erfolgte noch eine Blocking- und Intermodulationsmessung für ein Nutz- bzw. IM3-Signal von 5 uV (-93 dBm):

5) Bei einem Störsignal-Abstand von 10 kHz zum Nutzsignal bewirkt ein Störträger von -37 dBm einen Rückgang des Signal-/Störabstands um 3 dB. Bei einem Abstand von 50 kHz muss der Störträger -22,5 dBm stark sein. Das sind Blockingabstände von 56 dB bzw. 70.5 dB. Das könnte besser sein.

6) Um ein IM3-Störsiganl von 5 uV zu erzeugen, benötigt man im Abstand von +25 kHz/+50 kHz zwei Träger mit -40 dBm. Das ergibt einen IPE3 von +13 dBm. Das lässt sich schon eher sehen...

Sendermessungen:

Im Sinne konstanter Ausgangsleistung auf allen Bändern sind Pegelwerte am Ausgang des Vortreibers einstellbar.

Bei einer Mikrofon-Eingangsspannung von 20 mVss ergaben sich ein ausgeglichener Frequenzgang und Bestwerte für Trägerunterdrückung und Intermodulation bei der Einstellung von Mic-Gain/Comp zu:

3,5 MHz: 3/3

7,15 MHz: 13/3

14,2 MHz: 4/3

21,2 MHz: 3/3

Geringere Mikrofonspannungen können durch höhere Mic-Gain angehoben werden. Eine Erhöhung der Kompression führt insbesondere bei den oberen Bändern zu deutlich und sehr raschem Anstieg des unterdrückten Trägers und der Harmonischen (inband und außerband).

Oberhalb von 21 MHz ergaben sich schlechtere Werte für die Trägerunterdrückung und den Intermodulationsabstand.

Warum ausgerechnet auf 40 m der Mikroeingang deutlich unempfindlicher ist, ist unklar. Die Trägerunterdrückung auf 10 m erscheint gerade noch akzeptabel. Weder Trägerunterdrückung noch Intermodulation sind durch die I/Q-Pegel- oder Phasenbalance zu verbessern.

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Das Bild zeigt eine optimale Aussteuerung des Senders in Stellung FULL, aber nur mit 5 Wpep auf dem 20-m-Band. Auf 80 m und 40 m ist bei gleicher Leistung der IM-Abstand fast so gut, aber immer besser als 30 dBc (Carrier = PEP-Leistung = oberste Displaylinie). Auf 80 m steigen die IM-5-Produkte allerdings fast auf die Höhe der IM-3-Produkte an.

Leider wird das Ausgangssignal auf 10 m schlechter. Die PA ist nicht modifiziert und die Trafos sind original nach Chris, M 0 NKA.

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Ich werde den TRX nicht als QRP-Gerät einsetzen, sondern mit einer kleinen internen PA (50 W) als Stationstransceiver. Daher wurde eine Serienschaltung aus 1 kOhm und 47 nF zwischen Gate und Drain an beide PA-Transistoren gelötet. Mit dieser Gegenkopplung bleibt die Ausgangsleistung zwar auf weniger als 10 W begrenzt, zeigt aber bei 5 W z. B. auf 40 m einen IM-Abstand von etwa 40 dBc. Damit kann ich getrost eine kleine PA ansteuern. Leider ist auch dieser Wert auf 10 m etwas geringer.

Der Aufbau als Stationsgerät erfordert einige Umbauten bzw. Ergänzungen. Der Lautsprecher kam auf die Front und alle Anschlüsse von den Seiten je nach Bedarf ebenfalls nach vorne oder auf die Rückwand. Die Verdrahtung der Buchsen erfolgte mit geschirmten Kabeln zu den Lötpads auf der Platine.

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So sieht der fertig gestellte Geräterahmen samt Frontplatte, Rückwand und Schirmwänden aus.

Auf besonderen Wunsch habe ich die Schaltung der zusätzlichen PA und des dazu gehörigen Oberwellenfilters hier dargestellt. Da mein Gehäuse allerdings individuell ist und die beiden Platinen für meine Konstruktion ausgelegt sind, passen sie nicht zum originalen mcHF-Aufbau.

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Das Oberwellenfilter für die zusätzliche interne PA: Die Platine trägt 4 Tiefpässe, die S/E-Umschaltung, einen Leistungsrichtkoppler und den Dekoder für die mcHF-Bandinformation

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Der PA-Baustein ist mit 2 x MRF454 bestückt. Je nach Auslegung der Gegenkopplung (R6 und R7) kann man 50...100W Ausgangsleistung erzielen. Ich lege die Gegenkopplung so aus, dass ich meine große LDMOS-PA mit bestmöglichem IM-Abstand ansteuern kann.

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PA und Oberwellenfilter fertig in den Aufbau integriert. Zwischen den beiden mcHF-Platinen und zwischen diesen und dem Oberwellenfilter ist jeweils eine Schirmwand montiert. Die massive Aluleiste oben ist die Wärmesenke für Treibertransistoren und Spannungsregler.

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Ansicht des fertigen Geräts

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Die Rückfront mit Kühlkörper, Stromanschluss und den wesentlichen Buchsen

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Mit der neuesten Firmware und einem sorgfältig eingestellten Compressor macht der kleine mcHF auch mit PA eine sehr gute Figur. Der Rx ist empfindlich genug, die Modulation natürlich und gut verständlich - so kann ich jetzt Erfahrungen mit SDR sammeln...

Der Bootloader 2.0 macht die zukünftige Bedienung und das Laden neuer Firmware deutlich einfacher. Und bereits mit der Firmware 1.2.0 ist das Gerät um ein Vielzahl nützlicher Einstellungen und Features reicher. Zusätzlich ist es den Softwarespezialisten gelungen, auch die technischen Parameter vor allem des Sendesignals signifikant zu verbessern.

Allerdings leidet die Signalqualität bei einer zu hohen Einstellung des Kompressionsgrads. Hier muss sehr sorgfältig justiert werden.

Nach dem Einbau eines seriellen EEPROMs ist das Gerät jetzt auch für zukünftige, etwas Speicher intensivere Firmwareversionen gerüstet.