Sendeantenne 2,4 GHz

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Abb.: Antenne montiert vor Parabolspiegel

Für die Kommunikation mit einem Amateurfunksatelliten ist ein zirkular polarisierter Richtstrahler nötig, mit dem im 13-Zentimeter-Band auf einer Frequenz von 2,4 GHz gesendet werden kann. Für die Herstellung der ausgewählten Helixantenne müssen jedoch die Parameter der Antenne bestimmt werden, die man aus der geforderten Frequenz von 2,4 GHz berechnen kann:

  • Wellenlänge: λ = c/f = 3*10^8 m/s / 2,4 GHz = 0,125 m = 125 mm 
  • Spulendurchmesser:  D = λ/π = 125 mm / π = 39,79 mm
  • Wendelumfang: U = D * π = 40 mm * π = 125,66 mm
  • Steigung: S = 0,25 * λ = 0,25 * 125 mm = 31,25 mm

Mit der Wickelhilfe von DC8PAT wurde die Antenne aus einem Kupferdraht mit einem Querschnitt von 10 mm² nach den berechneten Parametern mit 3,5 Windungen linksgewickelt, da der Parabolspiegel die Polarisation dreht und das Signal rechtspolarisiert gesendet werden muss.

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Abb.: Wickelhilfe mit Beispielwicklung

Sie wird auf einen Träger eingespannt, der über eine Klebeverbindung am Reflektor montiert ist. Sowohl Träger als auch Wickelhilfe wurden durch 3D-Druck hergestellt. Der Durchmesser des aus Aluminium bestehenden Reflektors beträgt für die optimale koaxiale Speisung ca. 1λ , besitzt eine Bohrung für den N-Stecker und eine Dicke von 5 mm. Mit dem spulenförmigen Anpassungsglied, das die Verbindung von N-Stecker und Antenne durch Anlöten gewährleistet, kann durch Veränderung des Windungsabstands oder auch Überbrücken einzelner Windungen die optimalen Sendeeigenschaften erzielt und mit einem Vector Network Analyzer (VNA) überprüft werden.


Der Vector Network Analyzer

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Abb.: Vector Network Analyzer (R&S ZVL)

Mit dem VNA wird die Antenne nun auf das Stehwellenverhältnis (SWR) und den Wellenwiderstand überprüft. Das Stehwellenverhältnis gibt an, wie sich hinlaufende und rücklaufende Welle in einem System verhalten. Wird eine hinlaufende Welle durch Fehlanpassungen reflektiert, können sich diese und die zurücklaufende Welle überlagern und erzeugen so Minima und Maxima, die als Stehwellen bezeichnet werden. Hier wird ein Wert von 1 angestrebt und bis 2,5 toleriert, Durch einen Wellenwiderstand von 50 Ohm wird die Energie einer einlaufenden Signalwelle optimal umgesetzt, sodass keine zurücklaufende Welle entsteht. Eine weitere Überprüfung kann mit dem Smith-Diagramm vorgenommen werden. Es ist eine spezielle Darstellungsform der komplexen Wechselstromrechnung und zeigt nur die rechte Hälfte der komplexen Ebene, die auf das Innere des Einheitskreises abgebildet ist. Dadurch liegen die komplexe Zahl und ihr Kehrwert punktsymmetrisch zum Kreismittelpunkt und die Bezugsimpedanz von 50 Ohm ist zentral in der Mitte zu finden. Mit dem VNA ist es nun also möglich frequenzselektiv neben der Amplitude die Phasenlage von hin- und rücklaufenden Signalen zu messen. Notwendig dafür ist eine Kalibration, da der Analyzer die Messergebnisse nur mit einer vordefinierten Bezugsebene anzeigen kann. Dafür wird ein Kalibrierkit verwendet, mit dem wir den VNA auf Kurzschluss (Short), auf unendlichen Widerstand (Open) und auf 50 Ohm Wellenwiderstand (Match) kalibrieren.

Hier am Beispiel Open:

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Abb.: Kalibrierkit mit Anschluss an Open

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Abb.: Anzeige des S-Parameter bei Open am VNA

Ist der VNA kalibriert, wird die Antenne angeschlossen und im Frequenzbereich des AMSAT QO-100/P4A NB Transponder Bandplans von 2,4 GHz – 2,4005 GHz getestet. Das spulenförmige Anpassungsstück wird dabei gedehnt, gestaucht und Windungen überbrückt, bis die gewünschten Anforderungen erfüllt sind. Dabei hat sich herausgestellt, dass mit der Überbrückung einer Windung und Dehnen der Anpassungsspule folgende Parameter erreicht wurden:

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Abb.: Stehwellenverhältnis

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Abb.: Smith-Diagramm

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Abb.: Wellenwiderstand

Die Helixantenne erreicht einen Wellenwiderstand von ca. 49 Ohm, ein SWR von ca. 1,06 und auch im Smith-Diagramm liegt sie für den Frequenzbereich von 2,4 GHz – 2,4005 GHz äußerst nah an der Bezugsimpedanz von 50 Ohm. Damit besitzt sie hervorragende Eigenschaften, die sehr gutes Senden ermöglichen und damit über ein RG58 Kabel an die Elektronik angeschlossen werden kann.

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Abb.: Ausrichten und Testen der Funkanlage

ADALM-Pluto SDR

Der ADALM-Pluto (kurz PlutoSDR), ist ein von Analog Devices entwickeltes aktives Lernmodul. Es soll allen Interessierten eine Plattform bieten, um die Gebiete rund um Software Defined Radio (SDR), Radiofrequenzen (RF) und Kommunikation mittels Funktechnologien praxisnah erfahren zu können und zu erlernen.


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Abb.: ADALM-Pluto SDR 

Mit dem Modul wird ein Frequenzbereich von 325 bis 3800 MHz abgedeckt bei einer maximalen Bandbreite von 20 MHz. Basierend auf dem Analog Devices AD9363 RF Agile Transceiver, verfügt der PlutoSDR über 12-Bit ADC/DAC Converter. Es sind Abtastraten von bis zu 61.44 Mega Sampels Per Second (MSPS) erreichbar und eine Frequenzstabilität ab Werk von +/- 25ppm. Da die Stabilität für die Kommunikation mit dem Satelliten nicht ausreichend ist und es mit der Werkskonfiguration zu Frequenzinstabilität und dem Teilweisen „weglaufen“ der Frequenz kommt, wurde der Oszillator ausgetauscht, hierzu lesen Sie im Abschnitt Modifikationen mehr. Durch einen Transmitter und einen Reciever ist -im Gegensatz zum HackRFOne - Senden und Empfangen sowohl im Halb- als auch in Vollduplex möglich. Um Rückkopplungen, Latenzprobleme und Leistungsproblematiken zu vermeiden, sowie das Gefühl eines Funkgerätes zu emulieren, wird das System in diesem Projekt ausschließlich in Halbduplex betrieben. Für den Betrieb gibt es einen offiziellen Matlab/Simulink Support, außerdem kann eigene Firmware mithilfe von GNU Radio sink und source blocks programmiert werden. C, C++, C# und Python API können von Studierenden und Interessierten genutzt werden, um selbiges zu tun. Da für Senden und Empfangen eine graphische Benutzeroberfläche von Vorteil ist, welche Frequenzeinstellung, Wasserfalldiagramme und Spektren anzeigt, wird in diesem Projekt die SDR Console V3.1 (entwickelt von Simon Brown, G4ELI) genutzt, welche den PlutoSDR vollständig unterstützt. Libiio Treiber machen die Lernplattform tauglich für alle gängigen Betriebssysteme, speziell Microsoft Windows, OS X und Linux.

Äußerlich besitzt der PlutoSDR zwei Female SMA Buchsen mit 50 Ohm Wellenwiderstand (RX und TX), über welche Empfangs- und Sendeantennen angeschlossen werden können. In diesem Projekt dient die RX-Buchse zur Verbindung mit dem LNB und die TX-Buchse zur Verbindung mit der Verstärkerschaltung, welche in einer selbst gewickelten Antenne mündet. Siehe hierzu die Abschnitte Antenne und Schaltung. Auf der Gegenseite der SMA Buchsen sind Status LEDs und zwei Mikro USB-Typ A 2.0 Buchsen auf das PCB gelötet. Die beiden Buchsen dienen zum Anschluss eines 5 V Netzteils für die Versorgungsspannung und zum Übertragen von Daten. Für die serielle Datenkommunikation wird der PlutoSDR über einen Micro USB auf Ethernet Adapter an das Netzwerk angeschlossen. Der Host baut mit dem Gerät eine Kommunikation zum Senden und Empfangen auf.

Innerlich behaust das Kunststoffgehäuse folgende Bausteine:

  • AD9363 RF Agile Transceiver mit eingebauter 12-Bit AD/DA Logik
  • Cortex-A9 @ 667MHz in ARM Architektur (Zynq-7000 SoC)
  • 28 Tausend FPGA Logikzellen
  • 80 DSP Slices
  • 512MB DDR3L
  • 32MB QSPI Flash

Die Komponenten auf der Leiterplatine sind in folgender Abbildung von OE7WPA übersichtlich dargestellt.

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Abb.: Komponenten auf der Leiterplatine des PlutoSDRs

Damit nun eine Kommunikation über das 13cm- und 3cm-Band mit dem Satelliten eingerichtet werden kann, sollte der Signalpfad bekannt sein. Zunächst wird durch die SDR Console V3.1 ein niederfrequentes Sprachsignal (NF) über ein PTT-Mikrofon durch das Drücken der Sendetaste aufgezeichnet. Das Signal wird Einzelseitenband moduliert (ESB) in diesem Fall speziell das obere Seitenband (USB). Darauf hin wird das Signal über das Netzwerk an den PlutoSDR gesendet. Alle diese Schritte geschehen auf dem „Host“. Der Host steht über das Netzwerk in serieller Kommunikation mit dem PlutoSDR.

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Abb.: Vereinfachtes Blockschaltbild des PlutoSDR 


USB 2.0 PHY (SMSC USB3320C)

PHY ist eine Abkürzung und steht für Physical Layer und steht im Bezug zur Bitübertragungsschicht, dem Physical Layer, des OSI-Schichtenmodells in der Nachrichtentechnik. Es wird hierbei auch vom Übertragungsmedium gesprochen. Auf der Leiterplatine des PlutoSDR wird der USB 2.0 PHY dazu verwendet ankommende serielle, bitförmige Signale in 8-Bit parallele Übertragung umzuwandeln.
Dies wird möglich durch die Verwendung des ULPI Interfaces, welches die benötigte Pin-Anzahl stark reduziert und somit auf dem PCB des PlutoSDRs enorme Platzeinsparung bietet. Durch In-Bandsignaling und Status-Byte Übertragung wird es möglich eine USB Session mit weniger als 12 Pins zu realisieren. Notwendig wird die Verwendung des Bausteins aufgrund der Kommunikation über USB oder Ethernetschnittstellen, welche sich als serielle Schnittstellen darstellen. Um eine Verbindung zwischen Prozessorsocket und dem Universellen Seriellen Bussystem zu erzeugen und dabei so platzeffizient wie möglich zu sein wird dieser Baustein auf dem PCB verbaut. Der Prozessorsocket ist eingelassen ist das folgende Bauelement.


Xilinx Zynq-7000 SoC

Als All Programmable System on Chip (AP SoC) integriert der Zynq-7000 die Programmierfähigkeit eines Prozessors in ARM-Architektur im Zusammenspiel mit der Hardwareprogrammierfähigkeit eines Field Programmable Arrays (FPGA). In diesem Bauelement sind alle, für die digitale Signalverarbeitung benötigten Komponenten in einem Gehäuse untergebracht. Central Processing Unit (CPU), in diesem Fall ein Cortex-A9 32-Bit ARM Prozessor 2-Cache kohärenten Kernen, bietet in Kooperation mit der programmierbaren Logik, vereint in einem Chip, alle Möglichkeiten eines Digitalen Signal Prozessors (DSP) für moderne Embedded Systems und kann mittels des auf ihm ausgeführten Linux Kernel, schnell und zuverlässig digitale Audiosignale verarbeiten, Filtern, mischen und vieles mehr.
Auf dem Prozessor wird mit Zugriff auf die umliegenden Registerspeicher (siehe weiter Unten) die aufgespielte Firmware ausgeführt. Im Chip integriert sind zusätzlich Schnittstellen für USB, SPI, u.ä. um Daten von und zum Prozessor zu führen und in Embedded Systeme einzufügen.


Micron DDR3L

Der Name lässt vermuten, dass es sich um ein Synchronus Dynamic RAM (SDRAM) Speicherbaustein handelt. Mit 512 MB Random Access Memory (RAM) wird im Betrieb des PlutoSDR der Arbeitsspeicher bei 1,35 V (Low-Voltage Ausführung) betrieben. Es handelt sich hierbei um einen Halbleiterspeicher welche aus einer Mischung aus bistabiler Kippstufe (D-Flip Flop) und kapazitiver Speicherzelle bestehen. Nach dem Ausschalten der Versorgungsspannung verliert der Speicher alle gespeicherten Daten unwiderruflich.


Micron QSPI Flash

Im PlutoSDR stehen 32 MB Flash Speicher zur Verfügung. Elektronische nicht volatile Speichermedien sind Bausteine, welche elektrisch gelöscht und wieder beschrieben werden können. Auf diesem Baustein sind die Firmware, sowie Daten und andere zu speichernde Daten, die für den Betrieb des PlutoSDRs gebraucht werden. Daten gehen nach dem Ausschalten nicht verloren im Gegensatz zum RAM. Die Wiederprogrammierbarkeit ist der Grund, warum sich der PlutoSDR als Massenspeicher an einem Computer anmelden kann um neue Firmwareversionen zu erhalten. Zur Firmware und zum Aufspielen anderer oder neuer Firmware lesen Sie weiter unten.


AD9363

Wie zuvor bereits erwähnt, basiert der PlutoSDR auf dem Analog Devices AD9363 RF Agile Transceiver. Der Transceiver ist aufgeteilt in einen Sende- und einen Empfangszweig. 12-Bit I und Q Samples kommend vom Prozessor, durchlaufen einen 128-tap Finite Impulse Response Filter (FIR). Kurz beschrieben, handelt es sich hierbei um ein digitales Filter, welches mit der Hilfe von Additionen und Multiplikationen eine endliche Antwort erzeugt und somit die einzelnen abgetasteten Werte verarbeitet und filtert. Mit digitalen Filtern sind weitaus mehr und andere Filter realisierbar, als die Analogtechnik jemals zu sehen bekommen wird. Nach diesem Schritt wird das Signal einem digitalen Interpolationsfilter zugeführt. Für dieses Filter besteht die Notwendigkeit darin, die Signale auf die Bitbreite, also die Auflösung des nachstehenden Digital Analog Converters (DAC) anzupassen. Es kommt häufig zu dem Fall, dass die Bitbreite des vorher durch den FIR berechneten Wertes nicht zu dem des DAC passt. Daher kann es vorkommen, dass Bits hinzugefügt, abgeschnitten oder gerundet werden müssen, daher der Name Interpolationsfilter, da der Aufgabenbereich „zwsichen“ den Bits des Signals liegt. Wird diese Interpolation vernachlässigt, kann es zu deutlichen Qualitätseinbußen im späteren Audiosignal kommen. 

Dem Interpolationsfilter nachgeschaltet, folgt ein hochschneller, paralleler Digital-Analog-Converter, welcher die digitalen Bits in Spannungsniveaus umwandelt. Je nach ankommender Bit Kombination wird ein bestimmtes Spannungsniveau durch einen Operationsverstärker ausfindig gemacht und auf den Ausgang durchgeschaltet. Hierbei ist darauf zu achten, dass für QSOs eine Samplingrate zwischen 44.1 kHz und 48 kHz zu wählen, da dann mit den besten Ergebnissen der Klangqualität zu rechnen ist.

Über einen analogen Filter wird das Signal zu einem Direct Conversion Mixer geleitet, um  anschließend durch einen kleinen Power Amplifyer (PA) verstärkt zu werden und auf die TX SMA Buchse ausgegeben zu werden. Der Analoge Filter dient der unterdrückung von hohen Frequenzanteilen, welche für den Alias-Effekt verantwortlich sind. Beim Alias-Effekt handelt es sich um Frequenzanteile aus dem digitalen Bitstrom rekonstruierten analogen Signal, die höher sind als die Abtastfrequenz und somit für Störeffekte sorgen. Zum Senden wird die Frequenz dann mit einem Überlagerungsempfänger mithilfe des Sendeoszillators hochgemischt und dann über einen kleinen Verstärker auf die TX SMA Buchse ausgegeben. Einen Überlagerungsempfänger zu nutzen hat den Vorteil, dass das Signal im niederfrequenten Bereich verarbeitet werden kann, was eine enorme Erleichterung ist, da parasitäre Kapazitäten vermieden werden, um es dann auf die gewünschte Frequenz hoch zu mischen und zu senden. Die PA erzeugt laut Datenblatt eine Leistung von maximal 7 dBm, das entspricht einer Leistung von 5 mW.

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Diese Leistung hat der PlutoSDR in diesem Projekt nie erreicht. Deswegen musste die Verstärkerstufe vor der Antenne neu dimensioniert werden um die entsprechende Endstufe aussteuern zu können.

Der Empfangszweig gliedert sich identisch zum Sendepfad, mit der Ausnahme, dass das Signal einen Low Noise Amplifyer (LNA) durchläuft und dann über die Überlagerungsmischung, ein analoges Filter, den Analog-Digital-Converter (jedem analogen Spannungsniveau eine Bitkombination zuweisen) einen Interpolationsfilter und das FIR zum Prozessor geleitet wird.

Weitere Informationen zu den Interna des PlutoSDRs finden Sie unter: Grundlegende Interna von Pluto [Analog Devices Wiki] 


Netzwerkstruktur

Der PlutoSDR wird in seiner Verwendung in diesem Projekt über den Ethernet-Adapter angesprochen. Damit dies geschehen kann, ist in den Gegebenheiten der Hochschule eine gewisse Infrastruktur notwendig, welche zum Großteil bereits vorhanden war.

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Abb.: Schematische Darstellung der Netzwerkstruktur

Über einen Laptop, auf welchem die SDR Console V3.1 installiert ist, kann der Pluto angesprochen werden. Daten werden vom Computer über einen Netzwerkswitch auf ein Netzwerkkabel umgeleitet, welches durch eine Durchgangsbohrung in der Decke des Labors, direkt auf das Hochschuldach und zum PlutoSDR führt. Durch digital-analog-Wandlung (DA-Wandlung siehe Abschnitt AD9363) werden die Daten in Funksignale umgewandelt und auf den Sendezweig ausgegeben, welcher damit endet, dass Wellen abgestrahlt werden. Signale, welche vom Satelliten zurückkehren werden wieder in digitale Signale umgewandelt (AD-Wandlung) und über das Netzwerk an den Laptop zurückgesendet.

Da der PlutoSDR in Halb- sowie Vollduplex betrieben werden kann, ist die Kommunikation zwischen PlutoSDR und Laptop bidirektional, was über die Normung der Ethernet-Schnittstelle keinerlei Probleme aufweist.


Netzwerkanbindung

Sobald der PlutoSDR mittels USB-Kabel an einen Computer angeschlossen wird, meldet dieser sich als Massenspeichergerät an. Im Verzeichnis zu finden sind eine Informationsdatei, Lizenzen sowie eine config.txt Datei. Diese Text Datei im ASCII-Format ist von Bedeutung. In dieser Datei müssen unter dem Unterpunkt [NETWORK] die entsprechenden Parameter vorgegeben werden, hier beispielhaft die ab Werk eingestellten Netzwerkparameter:

[Network]

 Hostname = pluto
 ipaddr = 192.168.2.1
 ipaddr_host = 192.168.2.10
 netmask = 255.255.255.0

Aus Datenschutzgründen wird an dieser Stelle auf die Nennung der in diesem Projekt verwendeten Netzwerkparameter des Labornetzes verzichtet. Als wichtiger Hinweis sei erwähnt, dass dem Pluto eine statische IP-Adresse zugeteilt wurde. Das Labornetzwerk verfügt nicht über einen Dynamic Host Control Protocol (DHCP) Server. Die Aufgabe dieser Server ist es, in heim- oder auch öffentlichen Netzwerken, IP-Adressen dynamisch zuzuteilen, wenn sich Geräte neu anmelden. Im Falle eines Nachbaus sollte darauf geachtet werden eine statische Adresse zu vergeben. Diese wird dann auf dem DHCP Server für dieses Gerät reserviert und wird nicht mehr an ein anderes Gerät vergeben. Solche Einstellungen können auf dem Netzwerkrouter vorgenommen werden. Da in der verwendeten Software, sowie in der config.txt Datei des PlutoSDRs, die IP-Adresse des Gerätes statisch eingetragen wird, ist diese Einstellung sicherlich sinnvoll, wenn nicht sogar notwendig. Anderenfalls kann es vorkommen, dass der DHCP Server die Adresse anderweitig vergibt und dann sämtliche Einstellungen verändert werden müssen.


Firmware

Als Grundlage für die Firmware dienen ausschließlich Open Source Software Komponenten. Aufgebaut ist diese Firmware aus dem Linux Kernel „Das U-Boot“ und Buildroot. Zur Erstellung eines Root-Filesystems dient das Open-Source-Projekt Buildroot. Es hilft bei der Auswahl sowie Konfiguration der notwendigen Pakte, die eine Sammlung von Skripten enthalten, die zur Fertigstellung des Systems benötigt werden. Ein Teilsystem ist der Bootloader „Das U-Boot“. The Universal Boot Loader ist eine Bootstrap-Software basierend auf einem 8xx-Power-PC-Bootloader von Magnus Damm und ist angelehnt an Linux. Das Einsatzgebiet sind Embedded Systems, meistens Mikrocontroller, da die Implementierung auf einem x86 Rechner mittels Cross-Compiler kompiliert werden kann. Die Software lässt sich flexibel für verschiedenste Anwendungsbereiche sowie -fälle Konfigurieren und während der Laufzeit beeinflussen.

Die aktuell verwendete Firmware ist die neuste Revision v0.34 des Herstellers Analog Devices. Im Rahmen des Projektes hat sich diese Version als gut und stabil erwiesen. Um eine neue Firmware zu installieren oder ein Update einzuspielen, wird der PlutoSDR an einen Computer angeschlossen. Die neue Firmwaredatei (Pluto.frm) wird in das Verzeichnis gezogen und dann das Massenspeichergerät ausgeworfen. Unter Windows geschieht dies über die graphische Nutzeroberfläche oder unter Linux über den Kernel-Befehl umount /dev/<PlutoSDR>. Der hintere Teil des Kernel Befehls kann mittels des Kernel-Befehls df ermittelt werden. Hier listet das System alle verfügbaren Massenspeicher samt ihrer Adresse auf. Wenn das Gerät ausgeworfen ist, beginnt die Status-LED in schneller Frequenz zu blinken. Der Prozess ist abgeschlossen, wenn die „Ready“ LED aufleuchtet, die Status-LED aufgehört hat zu blinken und der PlutoSDR sich als Massenspeichergerät wieder anmeldet. Vor Abschluss des Vorgangs darf die Versorgungsspannung nicht unterbrochen werden.


Modifikationen

Der eingebaute 40 MHz Oszillator ist auf Grund seiner geringwertigen Frequenzstabilität von +/- 25 ppm in einem Temperaturbereich von -40°C bis 85°C nicht für den SSB Betrieb geeignet. Unter dem Einfluss von schwankenden Temperaturen kann es zu starken Frequenzdrifts kommen, die die Signale beeinträchtigen. Der werksseitig verbaute Oszillator wurde durch einen temperaturkompensierenden Quarzoszillator (TCXO) von Abracon (ASTX-13-C-40.000MHZ-IO5-T) ersetzt. Dieser besitzt den gleichem Temperaturbereich und eine Frequenzstabilität von +/- 0,5 ppm. Auf Grund der kleineren Abmaße und der gleichen Versorgungsspannung von 1,8 V konnten die Oszillatoren ohne weitere Modifikationen ausgetauscht werden.

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Abb.: Austausch des TCXO

Zuschalten des zweiten Prozessorkerns (Putty oder Linux Terminal)

Der Adalm Pluto verfügt über zwei Prozessorkerne von denen nur einer eingeschaltet ist und somit genutzt werden kann. Um eine höhere Rechenleistung zu generieren kann der zweite Kern mit Hilfe eines Telnet-Clients z.B. der Software PuTTY dazu geschaltet werden. Die Notwendigen Einstellungsschritte werden im folgenden Ablauf visualisiert.

Starten Sie die PuTTY Anwendung. Es öffnet sich folgendes Fenster:

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Abb.: PuTTY Konfiguration

Unter Host IP geben Sie die IP-Adresse des PlutoSDR ein und klicken auf „Open“.
Dann melden sie sich mit Benutzer: "root" und Passwort: "analog" am PlutoSDR an:

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Abb.: Login am Pluto mittels PuTTY

Über den Befehl: cat /proc/cpuinfo erhalten Sie Informationen über die CPU. Um den zweiten CPU Kern zu aktivieren geben Sie: fw_setenv maxcpus in das PuTTY Terminal ein. Danach ergibt sich folgendes:

putty_prozessorinfo.png

Abb.: Es erscheinen zwei CPU Kerne (Processor 0 und Processor 1) wenn beide Kerne aktiv sind

Weiterführende Dokumente, sowie die vollständige Dokumentation in englischer Sprache befinden sich unter https://wiki.analog.com/university/tools/pluto.

 

Downloads:

AD9363

Datenblatt Adalm Pluto

Pinout Adalm Pluto

Exkurs Low Noise Block (LNB)

Ein Low Noise Block (LNB) (deutsch: rauscharmer Signalumsetzer) wird für den Empfang von Signalen in Form von elektromagnetischen Wellen eingesetzt. Er wird hauptsächlich in Satellitenrundfunk-Empfangsanlagen in Kombination mit einem Parabolspiegel, auch Satellitenschüssel genannt, verwendet. Seine Hauptaufgabe besteht darin, die hochfrequenten Empfangssignale in niedrigere Frequenzen umzusetzen, um sie so mit handelsüblichen Koaxialkabeln verlustarm übertragen zu können. Dazu wird er im Brennpunkt eines Parabolspiegels montiert und empfängt dort die vom Parabolspiegel gebündelten elektromagnetischen Wellen. Diese gelangen durch das sogenannte Feedhorn, das einen Hohlleiter darstellt, zu den Antennen für Signale mit vertikaler und horizontaler Polarisation. Die empfangenen Signale werden verstärkt und durch einen Überlagerungsempfänger auf die Zwischenfrequenz herabgesetzt. Dazu wird das Empfangssignals mit der Lokaloszillatorfrequenz des LNB multiplikativ gemischt. Bei den Empfangssignalen wird typischerweise zwischen den Frequenzbereichen Low-Band (10,7 bis 11,7 GHz) und High-Band (11,7 bis 12,75 GHz) unterschieden. Die Lokaloszillatorfrequenz beträgt dabei typischerweise 9,75 GHz für das Low-Band und 10,6 GHz für das High-Band.

Rechenbeispiel Umsetzung der Empfangsfrequenz fHF mit Lokaloszillatorfrequenz fLO:

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Das umgesetzte rauscharme Signal kann nun über ein handelsübliches Koaxialkabel verlustarm weitergeleitet und beispielsweise von einem Fernsehreceiver verarbeitet werden.


Lineare Polarisation

Die Polarisation gibt an, in welche Richtung sich die elektrische Feldkomponente einer Welle in Bezug auf die Erdoberfläche ausbreitet. In der unten stehenden Abbildung ist links eine elektromagnetische Welle mit ihren beiden Feldkomponenten zu sehen. Das elektrische Feld (rot) breitet sich senkrecht zum Magnetfeld (blau) aus. Die rechte Abbildung zeigt hingegen nur die Lage der elektrischen Feldkomponente einer Welle im Bezug auf die Erdoberfläche und die daraus resultierende Polarisation. Sowohl die horizontale Polarisation (senkrecht zur Erde) als auch die vertikale Polarisation (waagerecht zur Erde) stellen eine lineare Polarisation dar. Die Polarisation des Senders und Empfängers sollte für eine bestmögliche Übertragung aufeinander abgestimmt sein.

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Abb.: Feldkomponenten elektromagnetische Welle (links) und Polarisation (rechts)

Zirkulare Polarisation

Im Vergleich zu der linearen Polarisation rotiert der Feldstärkevektor senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der elektromagnetischen Welle. Eine zirkulare Polarisation kann beispielsweise mithilfe von zwei linear polarisierten Antennen geschaffen werden, die mit um 90° versetzten und phasenverschobenen Signalen gespeist werden. Diese Polarisation kann sowohl links- als auch rechtsdrehend sein. Es ist wie bei der linearen Polarisation darauf zu achten, dass sich die Polarisationsart und –richtung des Senders und Empfängers für eine bestmögliche Übertragung decken. Ist dies nicht der Fall, wird eine Dämpfung des Signals auftreten. Durch Reflexion wird die Polarisation eines Signals umgekehrt, wie es zum Beispiel bei der 2,4-GHz-Wendelantenne der QO-100-Funkstation der Fall ist. Hier wird die Polarisation der linksdrehenden Antenne durch die Verwendung eines Parabolspiegels in eine rechtsdrehende Polarisation umgewandelt.

Wetterschutz

Da sich die Funkstation und die Antenne ganzjährig auf dem Dach der Hochschule befinden werden, musste ein Schutz vor Witterung geschaffen werden. Die Elektronikbox fand in einem vor Witterungseinflüssen geschützten Schaltschrank Platz, der sich bereits auf dem Dach befand. Um die Helixantenne und den LNB zu schützen, wurde auf die Konstruktion mit dem Namen „Ice Cone Feed“ zurückgegriffen. Die 3D-Modelle des Wetterschutzes können kostenlos zum Selbstbau auf dem Portal „thingiverse.com“ heruntergeladen werden.


Komponenten des Wetterschutzes:

 

Basisplatte

Auf der Basisplatte des Wetterschutzes wird der Reflektor der Antenne mit Schrauben montiert (siehe Kapitel Antenne). Sie bietet eine Aussparung für den N-Stecker der Antenne und das RG58 Koaxialkabel. Die Antenne wird mit einer auf dem Reflektor verklebten Stütze montiert, die ebenfalls zum Ice Cone Feed gehört. In die mittige Aussparung der Basisplatte wird der LNB gesteckt und mit einem Klemmmechanismus fixiert. Die Basisplatte bietet somit die Möglichkeit zur Ausrichtung der Sende- und Empfangsantenne in derselben Achse. Die Basisplatte wird in der Selbstbauvariante für unterschiedliche LNB-Durchmesser angeboten. Für den Bullseye LNB wurde die Variante für 61 mm LNBs verwendet. Die Basisplatte bietet ein Außengewinde für die Verschraubung mit der Abdeckung. Die Abbildung zeigt die Modelle der Basisplatte und die Stütze der Antenne.

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Abb: Modelle der Basisplatte und Stütze


Abdeckung

Die Abdeckung stellt einen Kegelstumpf mit abgerundeter Spitze dar. Sie wird nach dem Bau und der Abstimmung der Antenne mit der Basisplatte verschraubt. Somit wird sind die Antennenbauteile vor Witterungseinflüssen geschützt.

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Abb: Abdeckung


Fertigung des Wetterschutzes

Die Bauteile des Wetterschutzes wurden mit einem 3D-Drucker des Typs Ender 3 V2 von Creality gefertigt. Es handelt sich um einen FFF-Drucker (Fused Filament Fabrication), der einen Kunststoff in Drahtform, Filament genannt, aufschmilzt und das Modell Schicht für Schicht aufbaut. Um die .stl-Dateien drucken zu können, wurden sie zuvor in der Slicer-Software Cura von Ultimaker in druckbare Schichten aufgeteilt. Dies geschieht durch die Engine der Software. Die einzelnen Schichten weisen jeweils eine Schichtdicke von 0,2 mm auf.

Aufgrund der guten Wärmeverträglichkeit (Erweichung bei ca. 80 °C) und UV-Verträglichkeit wurden die Bauteile des Wetterschutzes aus mit Glykol modifiziertem Polyethylenterephthalat, kurz PETG, gedruckt. Der Thermoplast Polyethylenterephthalat ist den meisten Menschen als der Kunststoff bekannt, aus dem Kunststoffgetränkebehälter wie beispielsweise Wasser- und Limonadenflaschen bestehen. Die Modifizierung mit Glykol dient der besseren Druckbarkeit. Die Basisplatte und die Stütze wurden aus schwarzem PETG gedruckt, die Abdeckung aus transparentem Material. Das Filament wurde bei einer Düsentemperatur von 240 °C und einer Druckbetttemperatur von 90 °C verarbeitet. Die Farbwahl wurde aus ästhetischen Gründen getroffen und hat keinen technischen Hintergrund. Aufgrund der Schichthöhe der Schichten geht die Transparenz des Materials der Abdeckung verloren, sodass sie eher milchig weiß wirkt.

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Abb: Teile des Wetterschutzes mit montierter Antenne

 

Signalverlauf beim Senden und Empfangen

Bevor das zu sendende Sprachsignal als elektromagnetische Welle an den Satelliten übertragen, bzw. das als elektromagnetische Welle empfangene Signal über die Lautsprecher ausgegeben werden kann, bedarf es einer Aufbereitung des Signals durch entsprechende Komponenten.

Sendepfad QO100

Das zu sendende Sprachsignal wird zunächst von dem Mikrofon mithilfe einer Membran erfasst, die sich aufgrund des Schalldrucks in Schwingung versetzt wird. Diese Schwingung wird mithilfe einer Spule in ein elektrisches Signal gewandelt. Hörbare Schallwellen liegen in einem Frequenzbereich von etwa 16 – 20000 Hz und gehören somit zur Niederfrequenz. Das vom Funkgerät ausgegebene Signal liegt somit in analoger niederfrequenter Form vor, das durch die Soundkarte mithilfe von Abtastung unter Einhaltung des Abtasttheorems digitalisiert und als digitales NF-Signal an den Laptop geschickt wird.

Für den QO-100 ist eine Uplink-Frequenz von 2,4 GHz angegeben. Das bedeutet, dass das zu sendende Sprachsignal auf diese Frequenz angehoben werden muss, um von dem Satelliten empfangen werden zu können. Das wird durch die auf dem Laptop installierte Software SDR Console V3 und dem Adalm Pluto realisiert. Das niederfrequente Sprachsignal wird auf ein hochfrequentes 2,4-GHz-Trägersignal moduliert. Typischerweise wird dafür die analoge Modulationsart „single sideband“ (SSB) genutzt, welche eine Sonderform der Amplitudenmodulation (AM) darstellt. Bei diesem Verfahren wird zusätzlich zur Amplitudenmodulation der Träger unterdrückt und ein Seitenband herausgefiltert. Der Vorteil liegt in einer verringerten Bandbreite und effizienteren Leistung, da bei der AM etwa die Hälfte der Energie im Träger liegt. Für Frequenzen oberhalb von 10 MHz wird das obere Seitenband (USB) genutzt. Das Signal wird als hochfrequentes digitales Signal über eine USB- oder Ethernet-Verbindung an das Software Defined Radio (SDR) „Adalm Pluto“ übertragen. Das Signal wird im SDR-Modul zusätzlich durch digitale Filter aufbereitet, sodass störende Signalanteile herausgefiltert werden und für die weitere Übertragung die bestmögliche Qualität besitzt. Unerwünschte Signalanteile entstehen unter anderem bei der Modulation im Mischvorgang. Nach der Filterung wird das Signal durch einen D/A-Wandler in eine analoge Größe gewandelt.

Das modulierte Signal liegt an der TX-Buchse des Adalm Pluto als analoges hochfrequentes 2,4-GHz-Signal an. Für eine Frequenz von 2,4 GHz ist die Ausgangsleistung des SDR auf etwa 0,3 µW - 2 mW spezifiziert. Die Ausgangsleistung ist abhängig vom Drive-Level in der SDR Console. Damit das Signal vom QO-100 deutlich empfangen werden kann, sollte dessen Leistung etwa 10 W betragen. Da das von der Antenne ausgesendete Signal noch der Dämpfung durch den Übertragungsweg unterliegt, wird dieses innerhalb der Sende- und Empfangsstation auf 20 W angehoben. Das wird mithilfe von zwei Verstärkern realisiert. Der erste Verstärker „CN-0417“ von Analog Devices kann die Leistung des Signals um bis zu 20 dB verstärken. Damit wird eine Signalleistung von bis zu 63 mW (ca. 18 dBm) am Ausgang des Verstärkers erreicht.

Der zweite Verstärker „SG Lab V3“ kann eine maximale Verstärkung von 30 dB erzielen. Die maximale Ausgangsleistung beträgt 20 W für eine Signalfrequenz von 2,4 GHz. Nach der Aufbereitung wird das Signal über die Wendelantenne als hochfrequentes analoges SSB-moduliertes Signal mit einer Leistung von 20 W abgekoppelt und kann von der Nutzlast QO-100 empfangen werden.

Empfangspfad QO100

Auf der Empfangsseite wird das hochfrequente, analog vorliegende, vom Satelliten gesendete Signal zunächst vom LNB eingekoppelt. Für den QO-100 ist eine Downlink Frequenz von 10,489 GHz angegeben. Dieses Signal wird vom LNB durch Mischung mit der Lokaloszillatorfrequenz auf eine tiefere Frequenz, der sogenannten Zwischenfrequenz, von 739 MHz gewandelt und verstärkt. Das ist nötig, damit das Signal verlustarm über ein Koaxialkabel zum Adalm Pluto weitergeleitet und dort auch eingespeist werden kann. Der Adalm Pluto besitzt laut Spezifikation einen Regel-Frequenzbereich von 325 MHz - 3,8 GHz.

Im Adalm Pluto wird das analoge Signal zunächst durch einen A/D-Wandler in eine digitale Größe gewandelt und anschließend mit digitalen Filtern verarbeitet. Das digital gefilterte Signal wird über eine USB- oder Ethernet-Verbindung an den Laptop weitergeleitet. Die Demodulation des SSB-modulierten Signales erfolgt mithilfe des Adalm Pluto und der SDR-Console V3, um die niederfrequente Information aus dem Signal zu gewinnen. Das gewonnene niederfrequente Signal wird anschließend von der Soundkarte in ein analoges Signal umgewandelt und über die Lautsprecher ausgegeben.

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