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DSP-Empfänger

Obwohl es auf dem Markt (AliExpress, eBay, Shopee usw.) mehrere DSP-Empfängermodelle gibt, erfüllen manche nicht die Anforderungen für einen guten HF- oder auch UKW-Empfang (Rundfunk). In solchen Fällen wird der Bau von Projekten mit besonderen Eigenschaften interessant, etwa Unterstützung für SSB-Empfang, Bandbreiteneinstellung, AGC-Regelung usw.

Die Idee zu diesem Artikel entstand ursprünglich durch die Veröffentlichung der Bibliothek von Ricardo (PU2CLR) für den integrierten Schaltkreis Si4735, Ende 2019. Mehrere YouTube-Videos zeigten einen exzellenten Empfang und das große Alleinstellungsmerkmal, SSB-Signale über einen Firmware-Patch zu demodulieren, bei einer zugleich extrem einfachen Schaltung.

Ein weiteres erwähnenswertes Modul ist der TEF6686 von NXP, weit verbreitet in Autoradios, veröffentlicht von Sjef Verhoeven (PE5PVB). Obwohl er mit Eigenschaften vergleichbar zum Si473x von Silicon Labs aufwarten kann, unterstützt er leider keine SSB-Demodulation. Auch findet man zahlreiche Videos zu diesem Projekt unter dem Namen Receptor DSP Pro 3 (Thiago Lima).

Si473x (Si4735/Si4732) und Si4825​

In den ersten Tests wurde ein Arduino Nano mit einem Logikpegelwandler von 5 V auf 3,3 V verwendet, da dieser IC zwar 5 V an der Versorgung verträgt, jedoch nicht diese Spannung an den Pins des I2C-Busses akzeptiert. Neben dem Arduino können auch Mikrocontroller wie STM32 und ESP8266/ESP32 verwendet werden, sofern sie über eine I2C-Kommunikationsschnittstelle verfügen und die Arduino-IDE zur Nutzung der Bibliothek unterstützen. Als Proof of Concept wurde das mit der Bibliothek mitgelieferte Beispiel SI4735_03_POC_SSB verwendet, mit dem seriellen Monitor zum Senden von Befehlen.

Es wurden mehrere HF-Tests mit einer magnetischen Loop-Antenne durchgeführt, die zeigten, dass Empfindlichkeit und Trennschärfe sehr nahe an denen kommerzieller Geräte liegen und bei Verwendung der SSB-Demodulation sogar überlegen sind. In den ersten Tests wurde die Antenne über einen Kondensator von 0,47 µF direkt an den Pin AMI angeschlossen. Außerdem wurden Empfangstests im UKW-Rundfunkbereich mit einem 10 cm langen Drahtstück am Pin FMI durchgeführt, die eine gute Empfindlichkeit für weiter entfernte Sender zeigten, obwohl dieses Band nicht im Fokus dieses Projekts stand. Dieselben Tests, durchgeführt von den Freunden Cláudio (PP5CFL), Guilherme (PU5KNB), Pacheco (PP5AMP) und Rodrigo (PP5NW), zeigten ebenfalls hervorragende Ergebnisse beim Empfang von Rundfunk- und Amateurfunkstationen in HF.

Blockdiagramm des Si4825

Blockdiagramm des Si473x-D60

Mehrere kommerzielle Empfänger von Herstellern wie Tecsun, XHDATA und Degen verwenden den Si4735. Außerdem gibt es den Si4825, der kein SSB unterstützt und keinen externen Mikrocontroller benötigt — weit verbreitet in Motobras-Radios, mit derselben Empfindlichkeit und Trennschärfe — sowie den SI4732-A10, eine gleichwertige Teilenummer, die ebenfalls den Patch für SSB-Empfang unterstützt und in einem leichter zu verarbeitenden Gehäuse vorliegt. Alle diese Bauteile nutzen intern einen LNA und einen DSP-Prozessor, um die von einem ADC abgetasteten Funksignale zu demodulieren.

Schaltung des Si473x​

Anschlussschema des Si473x (D60)

Der Bau dieses DSP-Empfängers ist im Vergleich zu analogen Entwürfen auf Basis von ICs wie dem NE602, TA7358 oder Double-Balanced-Mixer-Schaltungen unkompliziert, bei denen mehrere Induktivitäten benötigt und Kondensatoren abgeglichen werden müssen, um Frequenzdrift durch Temperaturschwankungen zu vermeiden. Der Takt des DSP-Prozessors stammt von einem 32,768-kHz-Quarz und zwei 22-pF-Kondensatoren — nichts Kritisches, und ganz ohne Induktivität. L1 ist eine Ferritantenne, nur für den Empfang von Mittelwelle (MW) und Langwelle (LW).

Vollständiges Schema des Empfängers

Detail des UKW-Antenneneingangs

Schema des automatischen BPF, basierend auf dem Design von Ricardo PU2CLR

Der von Ricardo (PU2CLR) veröffentlichte BPF deckt das gesamte HF-Band ab, wobei die Umschaltung über einen vom Arduino gesteuerten elektronischen Schalter FST3253 erfolgt.

Um die Tests zu vereinfachen, wurde ein Monoband-BPF für 4 MHz – 8 MHz auf Basis einer unbestückten Leiterplatte und einiger Bauteile aus der Bastelkiste aufgebaut. Der wichtigste beobachtete Unterschied bei Verwendung des BPF war der verbesserte Empfang schwächerer Signale und eine teilweise Reduzierung des Empfangsrauschens. Da mir die Amidon-Ringkerne nicht zur Verfügung standen, wurden HF-Drosseln mit einer Induktivität nahe den angegebenen Werten verwendet.

Monoband-Test-BPF (4-8 MHz)

Für den Audioverstärker gibt es mehrere Alternativen wie den TDA2822, LM386, KA2209, 8002D, TPA301 usw., und wegen seiner großen Einfachheit wurde der LM386 gewählt. Der Si4735 besitzt einen Stereo-Audioausgang für den UKW-Empfang, weshalb die beiden Kanäle (L+R) zusammengeführt werden mussten, um nur einen mono Audioverstärker zu verwenden.

Der Audioverstärker wird direkt von der Eingangsspannung versorgt, da er problemlos mit Spannungen zwischen 6 und 12 V arbeitet und dabei eine beachtliche Lautstärke für einen Lautsprecher liefert.

Schaltung des Audioverstärkers (LM386)

Aufbauten​

Gegenüber dem Originalschema wurden einige Änderungen vorgenommen, nichts Komplexes, die im folgenden Bild nachvollzogen werden können:

Änderung am HF-Antenneneingang

Im vollständigen Schaltplan lassen sich alle Verbindungen des Si4735 und der übrigen Peripherie nachvollziehen. Die Arduino-Schaltung ist nicht dargestellt, da sie ohne Änderungen direkt an ein Entwicklungsboard angeschlossen werden kann, wobei nur die benötigten GPIOs verwendet werden.

Es folgen einige Aufbaufotos dieses auf dem Si4735 basierenden Empfängers, zunächst mit einer Lochrasterplatine und der Dead-Bug-Methode:

SSOP24-Adapter

Platine Si4735 + TDA2822

Aufbau Si4735, gesteuert von einem Atmega328 + LCD 20x4

Aufbau PP5NW

Aufbau PP5NW

Aufbau PP5NW

Aufbau PU5KNB

Später wurde die Leiterplatte RADIO DSP PRO angeschafft, entwickelt von Kollege Thiago Lima, basierend auf dem von Ricardo (PU2CLR) und Gert Baak entwickelten Projekt.

Platine

Platine mit installiertem ESP32

Platine nach dem Einlöten der PTH-Bauteile und des Si4732

Vorschau mit dem TFT

Erste Tests mit dem ESP32

Fertiger Aufbau

Abschirmung an der TFT-Schaltung hinzugefügt

Unteransicht des TFT

Unteransicht

Änderung der RF-Vorstufe für HF

Änderung der RF-Vorstufe für HF

Fertiges Projekt nach den Änderungen

Ansicht der RF-Vorstufe

Empfänger im Test

Empfänger im Test

Empfänger im Test

Montage der Platine auf einer Basis

Fertiges Projekt

Firmware​

Nach zahlreichen Tests von Firmware-Versionen für die Touch-Version auf Basis von ESP32 und Si4732 sowie Anpassungen von Mateus (PP5FMM) erreichten wir eine stabile Version mit einigen sehr interessanten Funktionen, die auf GitHub verfügbar ist.

Firmware für auf SI473x basierenden Empfänger – QEX Team

Danksagungen​

Ich möchte es nicht versäumen, Ricardo (PU2CLR) für die Bereitstellung der Arduino-Bibliothek für den Si4735 und seine umfangreiche Dokumentation zu danken, sowie Mikael (PU5FON) für die Beschaffung der Si4735-ICs und deren Verteilung an unsere Gruppe von Freunden. Ebenso wenig möchte ich alle Erfahrungen und den Austausch von Ideen mit Cláudio (PP5CFL), Guilherme (PU5KNB), Mateus (PP5FMM), Pacheco (PP5AMP) und Rodrigo (PP5NW) während der Projektentwicklung unerwähnt lassen, sowie Thiago Lima für die Bereitstellung der Platine für den Aufbau auf Basis von ESP32 und Touch-TFT.

Referenzen​