Kurzwellenempfänger Mark II

Nachdem ich mich bereits an einem Kurzwellenempfänger versucht hatte und 
in Beitrag "Kurzwellenempfänger" darüber berichtet hatte, 
bin ich endlich dazu gekommen, die im zitierten Thread angekündigte 
Reimplementierung des Geräts abzuschließen. Ziel dabei war in erster 
Linie, dem Gerät ein großsignalfesteres Frontend zu verpassen und 
verschiedene Verbesserungen vorzunehmen. Am Grundkonzept hat sich nicht 
viel geändert. An Ausstattung sind ein FM-Demodulator, ein (einfacher) 
6-Band Preselector, ein Vorverstärker (momentan außer Betrieb gesetzt) 
und ein etwas besseres Bedienkonzept (numerisches Keypad) und diverse 
Kleinigkeiten (z.B. Tuning-Auflösung 1 Hz) hinzugekommen. Die 
wichtigsten technischen Daten und Messergebnisse sind in dem PDF im 
Anhang aufgeführt. Ein Blockdiagramm, Schaltpläne und ein paar Bilder 
des Endprodukts sind ebenfalls angehängt.

Neu ist auch der Aufbau des Geräts auf insgesamt fünf Platinen, die von 
A1 bis A5 bezeichnet sind. Der ganze analoge Teil ist auf einer einzigen 
190x180mm großen Platine (A1) untergebracht. Nachfolgend ein kurzer 
Überblick über die Baugruppen:

A1 -- Analog Board:
Hinter einer Schutzbeschaltung, einem schaltbaren 20dB-Abschwächer, dem 
Spiegelfrequenzfilter und dem zuschaltbaren Vorverstärker (realisiert 
mit einem Gali-74+ von Mini-Circuits) folgt dem Antenneneingang der 
erste Mischer. Dieser ist als sog. H-Mode-Mischer ausgeführt, als 
Schaltelement kommt ein schneller Video-Analogschalter (74LVCG3175 von 
NXP) zum Einsatz. Damit und mit den Signaltrafos (T2.5-6T-KK81+ von 
Mini-Circuits) wird der Mischer gut linear. Gemischt wird auf die 1. ZF 
von 86,85 MHz. Es folgt das Roofing-Filter, das aus zwei SAW-Filtern 
PX1002 von Murata besteht (die sind für die ZF von AMPS-Telefonen 
gedacht und werden sicher bald abgekündigt). Die SAW-Filter sind mit 
zwei Quadraturhybriden verschaltet, um den Mischer breitbandig mit 50 
Ohm abzuschließen. Danach kommt ein Low-Noise-Amp (PSA4-5043+ von 
Mini-Circuits, Rauschfaktor ca. 0,7 dB bei der ZF) und dann ein AD603 
als VGA. Der zweite Mischer ist ein AD831 Gilbertzellenmischer, der auf 
die zweite ZF von 10,7 MHz umsetzt. Die vier recht guten ZF-Filter von 
Krystaly Hradec Kralove (Bandbreiten siehe PDF) sind mit PIN-Dioden in 
den Signalweg schaltbar, und mit dem zweiten ZF-Verstärker (zweimal 
AD603) abgeschlossen.

Der SSB- und AM-Synchrondemodulator ist, wie auch beim Vorgänger, um 
einen IQ-Demodulator aufgebaut. Verwendet wird ein AD607, von dem der 
der IQ-Mischer und der PLL-Quadraturoszillator zur Träger-Rückgewinnung 
bei AM-Betrieb in Verbindung mit einem AD8306 Begrenzerverstärker 
verwendet werden. Der AD8306 dient auch als Pegeldetektor für die AGC. 
Die Seitenbandselektivität des SSB-Demodulators leistet ein diskret 
aufgebautes Polyphasenfilter im Basisband (mit engtolerierten 
Widerständen und selektierten C0G-Kondensatoren). Die Umschaltung der 
Komponenten zwischen AM/USB/LSB-Betrieb erfolgt mit Analogschaltern bzw. 
PIN-Dioden, um zwischen dem BFO-Signal bei SSB-Betrieb und dem vom 
AD8306 begrenzten ZF-Signal bei AM-Betrieb zu wechseln. Der 
FM-Demodulator ist um einen SA605 von NXP aufgebaut. Bei FM-Betrieb wird 
zunächst auf die dritte ZF von 455 kHz umgesetzt, mit zwei 
Murata-Keramikfiltern gefiltert und dann mit dem Koinzidenzdemodulator 
des SA605 demoduliert.

Außerdem enthält A1 die AGC, welche elektronisch zwischen "schnell", 
"langsam", "hängend" (schnelle Anstiegs- und langsame Abfallzeit) und 
"manuell" (auf der Frontplatte einstellbar) umschaltbar ist. Die AGC 
wirkt zur Optimierung des Rauschfaktors gestaffelt: zunächst wird in der 
ersten ZF die Verstärkung erhöht. Wenn in der ersten ZF der Regelbereich 
von 40dB ausgeschöpft ist, stehen in der zweiten ZF weitere 80 dB 
Regelbereich zur Verfügung. Schließlich erfolgt auf A1 die Verarbeitung 
der Audio-Signale (Verstärkung, Umschaltung), und es gibt zwei 
Leistungsverstärker für den Kopfhörer und den eingebauten Lautsprecher.

A2 -- Control Board:
Die Steuerung des Empfängers ist um einen mit 16 MHz getakteten 
ATmega64A aufgebaut, der die Frontplatte (Display, LEDs, Tastatur, 
Drehencoder) und ein Schieberegister/Latch steuert, an dem die 
Analogplatine A1 und der Preselector A4 hängen. Der Drehencoder ist ein 
sehr hochwertiger optischer Encoder mit 128 Stufen/Umdrehung von Bourns, 
der nicht gerade billig ist, aber mit dem sich das Gerät sehr schön 
abstimmen lässt. Ferner misst der ATmega mit dem internen ADC die RSSI- 
und Gain-Set-Spannung, und berechnet daraus den am Antenneneingang 
anstehenden Signalpegel in dBm. Die LO-Signale werden von einem Si5341 
PLL-Chip erzeugt, der vom Mikrocontroller über I2C gesteuert wird. Er 
zeichnet sich durch sehr geringes Phasenrauschen aus; ein paar Messwerte 
und Spektren hierzu hatte ich letztes Jahr in 
Beitrag "Re: Simulation SRA-1" gepostet. 
Der PLL-Chip spielt dabei die Rolle des 1., 2. und 3. LO, und die des 
BFO. Das Signal des ersten LO ist ein LVDS-Signal, welches mit einem 
LVDS-Receiver auf A1 ausgewertet wird, alle anderen Signale werden über 
Leitungstreiber an A1 weitergereicht. Die Zeitbasis ist ein recht 
genauer TCXO mit 0,28 ppm Stabilität. Es gilt das in den zitierten 
Beiträgen gesagte bzgl. Layout und Entkopplung der verschiedenen 
Signale.

A3 -- Front Panel: Die Frontplattenplatine mit Tastatur, LED-Display und 
entsprechenden Treibern.

A4 -- Power Supply:
Modul-Ringkerntrafos und linear geregeltes Netzteil mit 
Bandgap-Referenz, das insgesamt drei Spannungen zur Verfügung stellt: 
+5V digital, und +5V, und -5V analog. (Auf A2 werden lokal für den 
Si5341 noch 3,3V und 1,8V erzeugt.) Schutzschaltungen (Strombegrenzung, 
Crowbar für Überspannung, Temperaturüberwachung) sind ebenfalls 
vorhanden.

A5 -- Preselector:
Ein einfacher Preselector mit sechs Oktav-Bändern (siehe die Tabelle im 
Schaltplan für die Frequenzbereiche) in einem Alu-Druckgussgehäuse. Die 
einzelnen Filter werden automatisch über Relais in den Signalweg 
geschaltet. Außerdem lässt sich der Preselector überbrücken (Taste auf 
der Frontplatte). Die Filter sind mit guten Standard-SMD-Induktivitäten 
aufgebaut, von denen man bezüglich Linearität allerdings keine Wunder 
erwarten darf.

Ein paar Messwerte finden sich, wie gesagt, im angehängten PDF. Den 
Intercept-Punkt 3. Ordnung (IP3) bezogen auf den Empfängereingang bei 
Zweitonmessung in 50 kHz Abstand habe ich mit größer 30 dBm ermittelt. 
Genau messen kann ich ihn ohne größeren Aufwand leider nicht, da es 
nicht so einfach ist, zwei Signalgeneratoren hinreichend 
intermodulationsfrei zu überlagern. Die Empfindlichkeit (z.B. AM bei 2,4 
kHz Bandbreite ca. -110 dBm) ist gut, aber nicht überragend, was 
angesichts des passiven Mischers zu erwarten war. Deswegen hatte ich den 
Vorverstärker eingeplant. Leider war ich zu blöd, eines der Signalrelais 
richtig herum einzulöten und zerstörunsfrei wieder auszulöten, daher ist 
er erstmal stillgelegt. Außerdem hat der Gali-74+ ein paar Probleme 
damit, dass er Ausgangsseitig mit dem LO-Durchschlag konfrontiert wird. 
Da muss ich noch etwas experimentieren. Allerdings braucht man unter 
fast allen Umständen in einem solchen Empfänger keinen Vorverstärker.

Absolut kritisch sind die Abschirmung und die Filterung von 
Steuersignalen und Betriebsspannungen, besonders bei dem kompakten 
Aufbau (alles auf einer Platine). Auch sind die Signaltrafos empfindlich 
gegen Einkopplungen. Die Platinen A1 und A2 sind beide vierlagig mit 
einer durchgehenden Massefläche. Ich habe lange gepuzzelt was die 
Anordnung der einzelnen Schaltungsteile auf A1 betrifft. Die innen 
teilweise unterteilten SMD-Schirmdosen (Hersteller: Laird Technologies) 
sind okay, aber mit einer aus dem Vollen gefrästen Aluminiumhaube nicht 
vergleichbar. Man bekommt daher einen leichten Durchschlag der ersten 
Oberwelle der zweiten ZF-Frequenz. Ursache ist der Begrenzer AD8306, wie 
man mit Nahfeldsonden leicht ermitteln kann. Ein oder zwei weitere leise 
Pfeifstellen fast im Rauschen gibt es außerdem noch, aber eigentlich bin 
ich für den Aufbau mit dem Ergebnis recht zufrieden.

Fazit: Nicht perfekt, aber ein deutlicher Fortschritt gegenüber dem 
Vorgängermodell.

Was man noch tun bzw. verbessern könnte:
1. Die AGC in der "Fast"-Stellung ist schön schnell, aber hart an der 
Grenze zur Instabilität, und manchmal auch leicht darüber. Man sollte 
den P-Anteil der Regelung (A1-R157) etwas verringern.
2. Den Vorverstärker, wie gesagt.
3. Software: Man könnte eine Kalibrierroutine hinzufügen und die 
RSSI-Anzeige frequenz- und pegelabhängig korrigieren, und die 
Kalibrierwerte im EEPROM ablegen. Allerdings programmiere ich nicht 
sonderlich gern.
4. Der quäkende Lautsprecher in der Frontplatte taugt nicht viel.

Die Kompletten Designdaten (Schaltplänte, Platinenlayouts, 
Front-/Rückplatte, Firmware-Sourcen) hänge ich an. Die Schaltpläne und 
Platinen sind dieses Mal mit Kicad gemacht, nachdem ich mich von Eagle 
verabschiedet habe. Ich habe allerdings davon abgesehen, die Daten auf 
die Version 5 zu konvertieren, sondern sie für dieses Projekt in der 
Version 4.0.7 belassen.

Die Korrekturen, die man auf der A2-Platine sehen kann, sind bereits in 
den angehängten Daten umgesetzt. Parallel zur Kopfhörerbuchse wurden 
außerdem noch 100 nF und weitere 10 nF parallel zum Anschlusspunkt auf 
der Platine hinzugefügt, um den Verstärker zu beruhigen und die 
Einkopplung von Störungen über das Kopfhörerkabel zu verhindern.