Kurzwellenempfänger

[Mario H. (Gast)]

To Whom It May Concern:

Anbei ein paar Bilder, Schaltpläne und Daten zu meinem allerersten 
Versuch, einen halbwegs brauchbaren Kurzwellenempfänger zu bauen.

Die wesentlichen technischen Daten und einige Messwerte stehen in der 
angehängten pdf-Datei. Ein Blockdiagramm, ein Verdrahtungsplan sowie 
detaillierte Schaltbilder sind ebenfalls als pdf angehängt.

Um einen halbwegs "modularen" Aufbau zu erreichen und einzelne 
Baugruppen separat charakterisieren, testen und optimieren zu können, 
ist die Schaltung auf insgesamt sechs Platinen untergebracht, die von A1 
bis A6 nummeriert sind. Die Platinen haben zwecks Handhabbarkeit maximal 
Euro-Format. Die Schaltungsteile verteilen sich wie folgt auf die 
Platinen:

A1: Der 1. Mischer (AD831), der mit einem Breitbandübertrager an 50 Ohm 
angepasst ist, das Roofing-Filter bei der 1. ZF von 86,85 MHz, das als 
SAW-Filter mit 25 kHz Bandbreite realisiert ist, der 1. ZF-Verstärker 
(AD603), der zweite Mischer (AD8342), der auf die 2. ZF bei 10,7 MHz 
mischt, die insgesamt drei ZF-Quarzfilter, die mit PIN-Dioden in den 
Signalweg geschaltet werden, sowie der 2. ZF-Verstärker (zweimal AD603). 
Die A1-Platine ist unter der A2-Platine montiert und daher auf den 
Bildern kaum zu sehen.

A2: Demodulator und Audio-Verstärker. Herzstück ist ein IQ-Demodulator, 
aufgebaut mithilfe eines AD607, von dem der IQ-Mischer und der 
zugehörige PLL-Quadraturoszillator verwendet werden, und eines AD8306 
Begrenzerverstärker/RSSI-Detektor, mit denen ein AM-Synchrondetektor und 
seitenbandselektiver SSB-Detektor aufgebaut ist. Die Seitenbandselektion 
erfolgt dabei mit einem Polyphasenfilter im Basisband. Zwischen 
AM/USB/LSB-Betrieb wird mit Analogschaltern umgeschaltet, und 
gleichzeitig mithilfe eines PIN-Dioden-Umschalters dem 
PLL-Quadraturoszillator des AD607 als Referenz entweder das BFO-Signal 
bei SSB-Betrieb oder das vom AD8306 begrenzte ZF-Signal bei AM-Betrieb 
zugeführt. Weiter enthält A2 die AGC, die das RSSI-Signal des AD8306 
verarbeitet. Die AGC ist elektronisch umschaltbar zwischen "schnell", 
"langsam", "hängend" (schnelle Anstiegs- und langsame Abfallzeit) und 
"manuell" (mit Poti einstellbar). Die AGC wirkt zur Optimierung des 
Rauschfaktors gestaffelt: zunächst wird in der 1. ZF die Verstärkung 
erhöht; wenn hier der Regelbereich von 40dB ausgeschöpft ist, wird in 
der 2. ZF aufgedreht.

A3: Steuerung, die um einen ATmega64A Mikrocontroller aufgebaut ist, der 
mit 16 MHz getaktet wird. Der Controller fragt Tastatur und Drehencoder 
ab, regelt das Multiplexing der Siebensegment-Displays und der LEDs in 
den Tasten, liefert diverse Steuersignale, misst die RSSI- und 
Gain-Set-Spannungen und errechnet daraus den am Antenneneingang 
anliegenden Pegel in dBm, realisiert eine Rauschsperre (einfacher 
Squelch) und steuert den PLL-Chip über I2C-Bus. Der PLL-Chip ist ein 
Si5341 "ultralow jitter/phase noise" Clock Generator von Silabs, der die 
1. LO-, 2. LO- und BFO-Signale erzeugt. Frequenzreferenz ist ein recht 
guter TCXO bei 40 MHz mit 0,28 ppm Stabilität über den 
Temperaturbereich. Größte Herausforderung bei der Implementierung des 
Si5341 ist die Entkopplung der einzelnen LO- bzw. BFO-Signale. Hierbei 
mußte ich mit Layout und diversen Ferriten und Kondensatoren lange 
experimentieren, bis eine hinreichende Entkopplung realisiert wurde. 
Eine vierlagige Platine mit durchgehender Massefläche ist hier Pflicht 
(wird ebenso für A1 und A2 verwendet). Die im Bild zu sehende kleine 
Korrektur mit dem grünen Draht ist im angehängten Schaltplan und Layout 
schon berücksichtigt.

A4: Die Frontplattenplatine mit Display und Tasten.

A5: Linear geregeltes Netzteil mit Bandgap-Referenz, das insgesamt drei 
Spannungen zur Verfügung stellt: +5V digital, und +5V, und -5V analog. 
(Auf A3 werden lokal für den Si5341 noch 3,3V und 1,8V erzeugt.) 
Schutzmaßnahmen sind eine Strombegrenzung und eine Crowbar für die 
jeweils drei zur Verfügung gestellten Spannungen, und eine 
Übertemperatursicherung. Insgesamt ist die Entkopplung und Filterung der 
Betriebsspannungen der einzelnen Baugruppen kritisch.

A6: Ein per Koaxialrelais schaltbarer 20dB-Abschwächer direkt hinter dem 
Antenneneingang. (Der im Blockschaltbild eingezeichnete -3dB-Abschwächer 
und der DC-Block hinter dem Antenneneingang sind momentan im Gerät nicht 
eingebaut.)

Ein paar Performance-Messwerte finden sich im angehängten pdf. Klar ist, 
dass das Design mit der Gilbertzelle als 1. Mischer keine überragende 
Großsignalfestigkeit hat, dafür ist es einfach zu realisieren (geringer 
erforderlicher LO-Pegel, und damit weniger Probleme mit dem 
LO-Durchschlag auf den Antenneneingang). In der Tat habe ich einen 
Interceptpunkt 3. Ordnung (IP3) von ca. +5dBm gemessen. Der 
entsprechende Datenblattwert des 1. Mischers AD831 ist mit 24dBm 
bezogen auf seinen Ausgang angegeben, allerdings haben der Übertrager 
vor dem Mischer-Eingang und der Mischer selber einen Gewinn, so dass man 
auf die gemessenen 5dBm kommt. Für schwache Antennen ist dieser IP3 
absolut ausreichend, außerdem ist der Empfänger recht empfindlich, so 
dass man bei Problemen den 20dB-Abschwächer zuschalten kann. Allerdings 
ist das Design nichts für starke Antennen.

Ansonsten spielt das Gerät ganz gut. Wenn man sich den Schaltplan 
anschaut, sieht man noch die eine oder andere Dummheit, die ich 
hoffentlich beim Nachfolger ausbügeln kann. :-) Ebenso sind noch ein 
paar kleine Fehler in den Schaltplänen, die ich korrigieren muss.

Ich stelle die kompletten Design-Daten (Eagle-Schaltpläne und 
Board-Files, Firmware-Sourcen, Frontplatten) hier der Nachwelt zur 
Verfügung.

[Christian S. (roehrenvorheizer)]

Tolle Sache. Alle Achtung!


Mit freundlichem Gruß

[Reinhard #. (gruebler)]

Hallo Mario
Ich habe mir nur die Bilder angesehen,
da ich bei HF nicht so im Thema bin.
Es sieht sehr gut und professionell aus!!

Aber was kann man in den HF-Bändern noch
empfangen, dass sich der Aufwand lohnt?

[Duga-3 (Gast)]

Hallo Reinhard.

Reinhard #. schrieb:
> Aber was kann man in den HF-Bändern noch
> empfangen, dass sich der Aufwand lohnt?

In anderen Erdteilen gibt es immer noch Kurzwellenrundfunk, und das wird 
auch noch lange so bleiben.
Als Besonderheit: Weil auf den unteren Kurzwellenbändern in Aequatornähe 
(Tropenband) Kurzwelle die Rolle einnimmt, die hier UKW Rundfunk hat.

Aber es gibt dort noch viele Kurzwellenradioprogramme, auch von anderen 
Stationen.

Weiter: Im Nilitärischen und im Katastrophenschutzbereich lebt Kurzwelle 
wieder auf.

https://www.lv-by.thw.de/SharedDocs/Meldungen/THW-LV-BY/DE/Ausbildung/2016/04/sonderausbildung_darc_5_april.html?idImage=7789736&notFirst=true

Zum einen geht auch Kurzwelle "digital", und zum anderen zeigen sich 
überall die Grenzen und der Preis der "digitalen Dividende".

[Duga-3 (Gast)]

Vergessen:

Duga-3 schrieb:
> Zum einen geht auch Kurzwelle "digital", und zum anderen zeigen sich
> überall die Grenzen und der Preis der "digitalen Dividende".

Und nicht zu vergessen die Funkamateure, die mit stromsparenden 
spartanischen Geräten, die man aus einer Pumptaschenlampe betreiben 
kann, bis hin zu modernsten digitalen Geräten, die grundsätzlich über 
jedes Signal eine Fourieranalyse machen, so zimlich mit allem 
experimentieren, was denkbar ist.

[Duga-3 (Gast)]

Hallo Mario.

Mario H. schrieb:
> Ansonsten spielt das Gerät ganz gut. Wenn man sich den Schaltplan
> anschaut, sieht man noch die eine oder andere Dummheit, die ich
> hoffentlich beim Nachfolger ausbügeln kann. :-) Ebenso sind noch ein
> paar kleine Fehler in den Schaltplänen, die ich korrigieren muss.

Wer mit kommerziellen Geräten zu tun hat, weiss, dass diese auch nicht 
fehlerfrei sind. Manche Konstruktionsfehler stellen sich erst nach 
Jahrzehnten oder nur unter aussergewöhnlichen Bedingungen heraus.

Also, lass mal nicht den Kopf hängen. Ich ziehe meinen Hut: Tolle 
Arbeit!
>
> Ich stelle die kompletten Design-Daten (Eagle-Schaltpläne und
> Board-Files, Firmware-Sourcen, Frontplatten) hier der Nachwelt zur
> Verfügung.

Ich ziehe wiederum meinen Hut und bedanke mich!

[Holla die Waldfee (Gast)]

Christian S. schrieb:
> Tolle Sache. Alle Achtung!
>
>
> Mit freundlichem Gruß

Ich schließe mich dem an.

Das war aber kein Gesellenstück und keine Diplomarbeit, stimmts?

Wurde damit promoviert?

[Michael M. (do7tla)]

Interessant wäre noch gewesen wenn es eine N-FM Option für das 11 und 
10m Band zur Verfügung stehen würde.
So kann man zumindest damit noch die ganzen 10m Relais mithören.
Ansonsten ein sehr gutes Projekt!

[HolgerT (Gast)]

Respekt!

[René H. (Gast)]

Sehr schönes Projekt. Super sauber ausgeführt bis hin zum Gehäuse.
Respekt!

Was standen Dir an Messgeräte zur Verfügung? Wie hast du die Prototypen 
ausgeführt?

So oder so. Kompliment!

Grüsse,
René

[Mario H. (Gast)]

Holla die Waldfee schrieb:
> Das war aber kein Gesellenstück und keine Diplomarbeit, stimmts?
>
> Wurde damit promoviert?

Nee, promoviert habe ich über ein ganz anderes Thema in einem anderen 
Fach. :-) Und als wissenschaftliche Arbeit geht dieses Hobbyprojekt 
hoffentlich nicht durch, das Design (Doppelsuper mit hochliegender ZF 
und Synchrondetektor) ist ja mehr als klassisch.

René H. schrieb:
> Was standen Dir an Messgeräte zur Verfügung? Wie hast du die Prototypen
> ausgeführt?

Wichtigstes Messmittel ist natürlich ein guter Spektrumanalysator; ich 
verwende einen schon etwas älteren Rohde & Schwarz FSEA 30, mit dem ich 
sehr zufrieden bin (der noch viel ältere HP 141T mit 8554B-Einschub 
steht schon länger in der Ecke ;-)). Um die Baugruppen einzeln testen zu 
können braucht man mindestens drei HF-Signalgeneratoren (hier Rohde & 
Schwarz SML, Marconi 2024 und 2018A). Zum Wobbeln der Filter und testen 
der AGC sind Synthesizer- und DDS-Funktionsgeneratoren gut geeignet 
(verwendet wurde ein HP 3325A und ein Keysight 33251B), ebenso nehme ich 
zum Wobbeln gern ein altes analoges Oszilloskop (HP 1741A). Ein 
schnelles Multimeter mit Datalogging (Keysight 34461A) kann man gut 
verwenden, um das Einschwingverhalten der AGC zu optimieren. Ein 
breitbandiges Oszilloskop mit brauchbarer FFT ist zum herumstochern in 
der Schaltung sehr hilfreich (Rohde & Schwarz RTM1054). Für 
Pegelmessungen wurde ein Rohde & Schwarz URV5 mit passendem Messkopf 
verwendet. SINAD und THD-Messungen wurden mit einem HP 8903A 
Audioanalysator ausgeführt. Für SWR/Rückflussdämpfung braucht man 
zusätzlich einen breitbandigen Richtkoppler (Agilent 86205A), und für 
IP2 und IP3-Messungen einen guten resistiven Combiner (Huber-Suhner 
4901.17.A). Weiterhin kamen natürlich diverse Labornetzgeräte zum 
Einsatz, zum testen des Netzteils wurde ein Agilent 6632B als 
elektronische Last verwendet, und natürlich ungezählte Adapter, Kabel 
und Tastköpfe.

Prototypen in dem Sinne habe ich nicht gebaut. Ich habe direkt die 
Schaltung und die Leiterplatten entworfen. Experimente und Optimierungen 
wurden dann mit Lötzinn, Draht und Skalpell direkt auf den Platinen 
ausgeführt. Die Leiterplatten auf den Bildern sind also mindestens der 
jeweils zweite Versuch. :-) Wie schon erwähnt sind immer noch 
ausreichend Dummheiten darin zu finden. ;-)

[Dieter F. (Gast)]

Mario H. schrieb:
> Wie schon erwähnt sind immer noch
> ausreichend Dummheiten darin zu finden. ;-)

Schön, dass Du alle Dummheiten zur Verfügung stellst :-)

Dein "Messmittel-Einsatz" lässt auf ein Uni-Labor o. ä.  schliessen - 
hobby-mässig ist das wohl nicht - oder?

[Mario H. (Gast)]

Dieter F. schrieb:
> Schön, dass Du alle Dummheiten zur Verfügung stellst :-)

Vielleicht findet sich ja so jemand, der daran etwas weiterentwickeln 
und so Dummheiten reduzieren will. :-)

Dieter F. schrieb:
> Dein "Messmittel-Einsatz" lässt auf ein Uni-Labor o. ä.  schliessen -
> hobby-mässig ist das wohl nicht - oder?

Nö, das ist schon hobbymäßig.

Michael M. schrieb:
> Interessant wäre noch gewesen wenn es eine N-FM Option für das 11 und
> 10m Band zur Verfügung stehen würde.
> So kann man zumindest damit noch die ganzen 10m Relais mithören.
> Ansonsten ein sehr gutes Projekt!

Da Zeit ein endliches Gut ist, muss man leider Einschränkungen machen. 
Auf der A2-Platine ist aber noch mehr als genug Platz, um einen 
Schmalband-FM-Demodulator unterzubringen, und das Netzteil hat reichlich 
Reserven. Ein Begrenzer ist ja ohnehin schon da. Wenn man z.B. die Taste 
"Mute" opfert und zur "FM"-Taste umwidmet, bräuchte man die 
Steuerplatine A3 und die Frontplattenplatine A4 dazu gar nicht anfassen, 
sondern nur A2 neu machen und die Software etwas ändern. Ich habe in 
näherer Zukunft dazu leider keine Zeit, aber vielleicht gibt es 
irgendwann mal ein Nachfolgemodell. :-)

[Guglielmo Marconi (Gast)]

Meine höchstschätzende Anerkennung.

Guglielmo Marconi

[Armin K. (-donald-)]

Holla die Waldfee schrieb:
> Wurde damit promoviert?

Kann nicht sein, da der "Dr." schon auf der Platine steht.


Tolle und saubere Arbeit, aber musste es so ein großes Gehäuse sein?
Armin

[René H. (Gast)]

Mario H. schrieb:
> Wichtigstes Messmittel ist natürlic

Vielen Dank für Deine ausführliche Antwort. Der Funkamateur schaut 
neidvoll auf Deinen Messpark. :)

Grüsse aus Luzern,
René

[A. K. (Gast)]

Glückwunsch zum Empfänger!
Es ist beneidenswert so etwas von 0 auf machen zu können!

Darf man fragen was das ganze gekostet hat?
Wo hast du deine PCBs bestellt?

Auch dein Messpark verursacht bei mir als RS Fan Schnappatmung..gibt es 
Fotos?:)

73
OE2AKT

[Mario H. (Gast)]

Arno K. schrieb:
> Glückwunsch zum Empfänger!
> Es ist beneidenswert so etwas von 0 auf machen zu können!

Na ja, Augen zu und durch. :-) Es kostet aber schon ziemlich viel Zeit, 
hat aber mitunter etwas meditatives. Und man fängt nicht bei Null an. 
Letztendlich sind die meisten Konzepte literaturbekannt und bewährt.

> Darf man fragen was das ganze gekostet hat?

Das will ich lieber nicht so genau wissen. Ich bin momentan dabei, den 
Empfänger zu reimplementieren -- hauptsächlich aus dem Eifer heraus, ihm 
ein vernünftiges Frontend zu verpassen. Ein Schaltbild und etwas 
Diskussion zum LO hatten wir kürzlich hier im Forum. Ein (vorläufiges) 
Schaltbild hatte ich in 
Beitrag "Re: Simulation SRA-1" gepostet. Anbei 
auch ein Bild vom neuen Gehäuse mit Frontplatte. :-)

Es sind schon recht teure Komponenten dabei. Ich würde mich nicht 
wundern, wenn das für die zweite Version des Empfängers am Ende um die 
2.500 Euro sind. Vielleicht auch mehr.

Für die Reimplementierung ist alles fertig entwickelt und der meiste 
Kram ist da, bei einigen Sachen gibt es ein paar Wochen 
Lieferverzögerungen. Ich sitze momentan beim Zusammenbau. Allerdings bin 
ich bei dem Wetter lieber draußen am See als dass ich Platinen bestücke, 
so dass es gerade etwas langsamer voran geht.

> Wo hast du deine PCBs bestellt?

Die sind von LeitOn aus Berlin.

> Auch dein Messpark verursacht bei mir als RS Fan Schnappatmung..gibt es
> Fotos?:)

Ich müsste mal welche schießen. Die Geräte haben sich in den letzten 
Monaten schon wieder vermehrt. Es ist wirklich eine Plage. :-)

[A. K. (Gast)]

Mario H. schrieb:
> Arno K. schrieb:
>> Glückwunsch zum Empfänger!
>> Es ist beneidenswert so etwas von 0 auf machen zu können!
>
> Na ja, Augen zu und durch. :-) Es kostet aber schon ziemlich viel Zeit,
> hat aber mitunter etwas meditatives. Und man fängt nicht bei Null an.
> Letztendlich sind die meisten Konzepte literaturbekannt und bewährt.
>
Das muss ich noch lernen...


> Für die Reimplementierung ist alles fertig entwickelt und der meiste
> Kram ist da, bei einigen Sachen gibt es ein paar Wochen
> Lieferverzögerungen. Ich sitze momentan beim Zusammenbau. Allerdings bin
> ich bei dem Wetter lieber draußen am See als dass ich Platinen bestücke,
> so dass es gerade etwas langsamer voran geht.
>

Ageh..da hat man wenigstens seinen Frieden:)
Ich bin ja mehr im Winter aktiv..

>> Wo hast du deine PCBs bestellt?
>
> Die sind von LeitOn aus Berlin.
>
Puh..das macht sicher ein Groß des Preises aus...aber wie jeder will

>> Auch dein Messpark verursacht bei mir als RS Fan Schnappatmung..gibt es
>> Fotos?:)
>
> Ich müsste mal welche schießen.

Ich bitte darum!

Die Geräte haben sich in den letzten
> Monaten schon wieder vermehrt. Es ist wirklich eine Plage. :-)

Ach...ich erlöse dich sehr gerne davon...kein Problem.
Für Messgeräte aus München hab ich immer Platz.


LG und Dankeschön für die Antwort!

[Manfred L. (manni)]

Hut ab vor der tollen Leistung !!!

--> bin gearde darüber gestolpert, auch wenn der Artikel schon über ein 
Jahr alt ist.

Frage:
Im Board der A3-Steuerplatine sehe ich den Any-Output Clock Generator 
SI5341, kann ihn aber nicht in der Schematics finden. Es würde mich 
interessieren, wie du den verschaltet hast.

Grüße
Manni

[Funker (Gast)]

Hui,

das hier hatte ich ja noch gar nicht gesehen. Die saubere Ausführung 
lässt auf viel Liebe zum Detail schließen. Da hat sich jemand mit viel 
Freude ein schönes Projekt umgesetzt.

Sehr fein.

[Mario H. (Gast)]

Manfred L. schrieb:
> Frage:
> Im Board der A3-Steuerplatine sehe ich den Any-Output Clock Generator
> SI5341, kann ihn aber nicht in der Schematics finden. Es würde mich
> interessieren, wie du den verschaltet hast.

Die Schaltung um den Si5341 befindet sich in der pdf-Datei mit den 
Schaltplänen auf der Seite 12. Der Si5341 ist der IC6 auf dem A3-Board.

Die Eignung des Si5341 als LO für einen hochwertigen Empfänger wurde 
bereits ein wenig im Forum "HF, Funk und Felder" diskutiert. In 
Beitrag "Re: Simulation SRA-1" gibt es ein paar 
Messungen des Spektrums des vom Si5341 erzeugten Signals. Sie wurden im 
Rahmen der bereits erwähnten Reimplementierung des Empfängers 
aufgenommen; da erzeugt der Si5341 allerdings LVDS-Ausgangssignale für 
den ersten LO. Siehe dazu den in 
Beitrag "Re: Simulation SRA-1" gezeigten neuen 
Schaltplan (enthält noch ein paar Zeichenfehler, die teilweise dadurch 
kommen, dass ich mich erstmals mit KiCad herumschlage, ist aber im 
Prinzip endgültig).

Wenn der neue Empfänger fertig ist, werde ich hier wieder die Ergebnisse 
und die Design-Daten veröffentlichen.