QRSS ONTVANGER VOOR TWEE BANDEN

QRSS ONTVANGER VOOR TWEE BANDEN
(2020)

De oude directe conversie QRSS ontvanger wordt vervangen door twee simpele ontvangers met zijband onderdrukking
in een low-budget houten kistje met transparant deksel. Nu kunnen 10 en 20 meter tegelijkertijd worden ontvangen!

Twee nieuwe QRSS ontvangers voor 10 en 20 metermeter
De oude directe conversie QRSS ontvanger doet het prima. Maar deze heeft geen ongewenste zijband onderdrukking en ontvangt beide zijbanden, dus ook de ongewenste!!! En de 10 meter en 20 meter band kunnen niet tegelijkertijd worden ontvangen. Dus tijd om twee nieuwe enkel zijband ontvangers in 1 behuizing te maken. De ongewenste zijband wordt onderdrukt, dus ook de ruis daarvan. Daarom is de gevoeligheid ook iets beter.
Natuurlijk moet het weer een eenvoudig "Barefoot Technology" radio project worden, zelfs zo eenvoudig dat het geschikt is voor een arme, bescheiden en sober levende monnik op blote voeten!
Een enkele SI5351 module met een Arduino Nano moet het VFO signaal voor de beide ontvangers genereren. Twee is het maximum, hoewel er drie klok signaal uitgangen zijn!
De 80 en 40 meter QRSS ontvangers hebben bewezen dat het hier toegepaste eenvoudige principe werkt. Maar is fase onderdrukking op de hoge 10 meter band frequentie ook nog mogelijk? Dat is vragen om problemen of beter gezegd, smeken om uitdagingen!

Het principe van de zijband onderdrukking

Het principe van de zijband onderdrukking
De ongewenste zijband wordt onderdrukt door middel van de fase methode. Het 90 graden fase verschil in het hoogfrequent gedeelte wordt gerealiseerd door de twee 45 graden fase netwerken met een trimmer voor de optimale afregeling. En in het laagfrequent gedeelte zitten ook twee 45 graden fase netwerken om het 90 graden fase verschil te realiseren. Het resultaat is dat er een zijband wordt onderdrukt en de andere wordt versterkt door beide signalen.
Maar het fase verschil moet over het hele laagfrequent bereik 45 graden zijn! Daarvoor zijn vrij complexe schakelingen nodig en dat willen we niet! We willen eenvoudige, sobere "Barefoot Technology" radio projecten! We willen een laagfrequent fase netwerk met maar 1 weerstand en 1 condensator gebruiken! Met zo'n eenvoudig netwerk is het fase verschil nauwkeurig genoeg in een gebied van 5% rondom de centrale frequentie. Wanneer we de gebruikelijke 1500Hz nemen is dat maar 75Hz en dat is te weinig. De QRSS banden zijn 200Hz tot 300Hz breed en op 10 meter zelfs nog iets meer! Maar natuurlijk is daar weer een eenvoudige simpele "Barefoot Technology" oplossing te vinden! Wanneer we de frequentie van het laagfrequent uitgangs signaal van de ontvanger verhogen tot 8000Hz, dan is die 5% band ineens 400Hz en dat is ruim voldoende!
Hier is 7700Hz gekozen als frequentie, omdat er een storend signaal op 8000Hz zit waar mijn goedkope audio kabels grote moeite mee hebben... Maar je kunt iedere frequentie tussen 7000Hz en 8000Hz gebruiken. Gewoon even de uitgangs frequentie van de SI5351 oscillator module aanpassen!

Weer een uitdagend en eenvoudig "Barefoot Technology" radio project! In een simpel houten kistje!
Twee QRSS ontvangers en een heel goedkope module met de SI5351 klok oscillator die beide ontvangers aanstuurt.

HF versterker
Aan de ingang zit een 1k ohm potentiometer, waarmee de gevoeligheid van de ontvanger optimaal ingesteld kan worden en oversturing door sterke signalen kan worden voorkomen.
Maar waarom zit er een serie resonantie kring? Deze wordt afgestemd op de ontvangst frequentie en heeft alleen voor die frequentie een lage impedantie. Voor andere frequenties is dit een hoge impedantie. En dus kun je meerdere ontvangers voor verschillende frequenties met dezelfde antenne verbinden zonder dat ze elkaar's signalen verzwakken!
Na deze serie kring zie je de afgestemde kring bestaande uit twee spoelen en een trimmer. Deze selectieve kring laat alleen een kleine band rondom de ontvangst frequentie door en verzwakt de ongewenste signalen op andere frequenties. Je kunt de waarde van een trimmer ook samenstellen uit een parallel schakeling van een condensator en trimmer met kleinere waarde.
Vanwege de hoge emitter weerstand van 470 ohm heeft de eerste transistor een hoge ingangsimpedantie. Hij zal de afgestemde kring weinig dempen. De condensator met een kleine waarde van 10pF en de weerstand van 1k ohm beschermen de transistor een beetje tegen hoge spanningspieken en de weerstand voorkomt tevens het oscilleren van de HF versterker. De tweede transistor heeft een laagohmige uitgang, dat is nodig om de fase netwerken aan te sturen. En beide transistoren en ook de afgestemde selectieve kring versterken het signaal ook nog eens.
Het ontwerp is bruikbaar op alle frequenties. Voor frequenties lager dan 14MHz kun je een BC547 gebruiken in plaats van een BF494. En voor 10 meter heb ik een extra weerstand van 470 ohm parallel geschakeld aan de emitter weerstand van 470 ohm voor wat extra versterking.

Schema, bijna allemaal transistoren! Er is toch wel wat uitleg nodig om alles te begrijpen!

Hoogfrequent fase netwerken
Na de HF versterker wordt het signaal gesplitst in twee signaal wegen. Er moet met behulp van fase netwerken 90 graden fase verschil worden gerealiseerd. De trimmers en weerstanden van 470 ohm doen dit. Met de trimmers kun je fase optimaal afregelen zodat de onderdrukking van de ongewenste zijband maximaal is. Het ene fase netwerk staat op -45 graden en de andere op +45 graden, het verschil is dan 90 graden. En heeft de ene signaal weg wat meer signaal nodig en de andere wat minder? Dan regel je de ene trimmer af op -50 graden en de andere op +40 graden. Dus de trimmers regelen niet alleen de optimale fase af, maar ook de optimale amplitude!
Mochten de laagfrequent fase netwerken niet exact 90 graden verschillen, dan kun je dit corrigeren met de trimmers. Dan is de het fase verschil in de hoogfrequent fase netwerken een beetje minder of meer dan 90 graden. Dat de ontvangst gevoeligheid daardoor iets afneemt merk je niet en is waarschijnlijk niet eens meetbaar!

Hoogfrequent gedeelte

Mixers
Mijn QRP setjes hebben meestal een 74HC4066 als ontvanger mixer. Een eenvoudige, goedkope oplossing en het werkt prima, geen audio detectie van sterke omroep stations en een prima gevoeligheid. Dus logisch om die nu ook te gebruiken, er liggen hier nog een aantal ongebruikte! Maar je kunt ook een betere, modernere FST3253 chip gebruiken.
De mixers zijn halfgeleider schakelaars die door het signaal van de SI5351 module en de daarop volgende transistor versterker wordt geschakeld. Het IC 74HC4066 bevat vier van die schakelaars, we gebruiken er maar twee. Een nadeel is dat ook HF signalen en audio frequente signalen worden doorgegeven van de ingang naar de uitgang. Bijvoorbeeld ruis op audio frequenties van de HF versterker. Maar het hoogdoorlaat filter direct na de HF versterker bestaande uit een condensator van 1000 pF en een weerstand van 470 ohm laat alleen HF signalen door en blokkeert deze audio frequente signalen.
De spanningsdeler met twee weerstanden van 4700 ohm stelt de ingang van de mixer in op ongeveer de halve spanning.
Na de mixers zie je laagdoorlaat filters, ieder bestaande uit twee condensatoren van 1 nF en een weerstand van 470 ohm. Dit filter laat alleen laagfrequent signalen door en blokkeert HF signalen afkomstig van de HF versterker. Zo voorkom je detectie van sterke AM omroep stations in de audio versterker.

Laagfrequent gedeelte

Laagfrequent fase netwerken en de opteller (adder)
Na de laagdoorlaat filters komen de twee laagfrequent fase netwerken. Dit zijn de condensatoren van 2000pF en weerstanden van 10000 ohm, een heel simpel netwerk! Een condensator van 2000pF kun je maken door twee condensatoren van 1000pF parallel te schakelen. Het ene fase netwerk draait de fase met -45 graden en de andere met +45 graden, het verschil is dan 90 graden. En het hoeft niet zo heel nauwkeurig, het is niet nodig om heel nauwkeurige componenten te gebruiken. Is het verschil niet exact 90 graden, geen probleem! Dit kun je dit corrigeren met de trimmers in de hoogfrequent fase netwerken. Dat de ontvangst gevoeligheid daardoor iets afneemt merk je niet en is niet eens meetbaar! Wanneer je de lage zijband wilt gebruiken, dan moet je de verbindingen "LSB" gebruiken, voor de hoge zijband de "USB" verbindingen.
De signalen van beide netwerken moeten worden opgeteld. Dat gebeurt in de schakeling met twee transistoren en gezamelijke 4700 ohm collector weerstand. De 1k ohm emitter weerstanden zetten de ingangsspanning om in een stroom en de beide stromen worden in de 4700 ohm weerstand opgeteld en weer omgezet in een spanning. Je hoeft geen "gepairde" transistoren met identieke versterking te gebruiken. De schakeling versterkt ook een beetje: 4700 ohm / 1000 ohm oftewel 4,7x.

De frequentie curve van de laagfrequent versterker, gemeten met ruis.
Een audio frequentie tussen 7000Hz en 8000Hz is prima bruikbaar

Laagfrequent versterker
En dan zijn er nog twee transistoren, de laagfrequent versterker. De eerste transistor heeft een emitter weerstand van 100 ohm en een collector weerstand van 6800 ohm. Door de 100 ohm emitter weerstand heeft deze trap een hoge ingangs impedantie en een behoorlijke tegenkoppeling, waardoor er praktisch geen vervorming optreedt. De versterking is weer ongeveer 6800 ohm / 100 ohm = 68x.
Ook de laatste trap heeft behoorlijk wat tegenkoppeling. Aan de basis zit een 22k ohm weerstand en tussen collector en basis een 220k ohm weerstand. De versterking is 220k / 22k = 10x. De 100k ohm weerstand naar massa zorgt voor de juiste gelijkstroom instelling.
De diverse condensatoren naar massa en de 68pF condensator verzwakken de hoge frequenties. De 1k5 weerstand aan de uitgang zorgt ervoor dat de eindtrap minimaal belast wordt met die 1k5 impedantie en is ook nog een beveiliging indien je iets geks aansluit op de uitgang. De laatste condensator is een extra laagdoorlaat filter met die 1k5 ohm weerstand. Kost bijna niks en scheelt weer een beetje.
De laatste trap heeft veel tegenkoppeling. Daarom is de uitgangs impedantie gelijk aan die 1k5 ohm. Deze moet zo laag zijn om de audio kabels te dempen. Anders pikken de goedkope audio kabels teveel stoorsignalen op uit de omgeving!

De zijband onderdrukking is gemeten met de NanoVNA van 50 euro en een programma om deze als sweep generator te gebruiken.
Het uitgangsniveau wordt geregeld met een verzwakker module van 8 euro. En deze verzwakker kun je weer
controleren met de... NanoVNA! Alles low-budget, maar wat kun je er ongelooflijk veel mee meten!

Voeding
De 220 ohm weerstand, elco's en 100nF condensatoren zijn ontkoppel condensatoren voor de voeding om stoorsignalen uit te filteren. En dan is er nog een 5 volt voeding met een simpele transistor. Dit is de voedingsspanning voor de 74HC4066 en de oscillator. Ik had geen geschikte zener diode. Maar op de basis staat 6 volt, op de emitter dus ongeveer 5 volt. De weerstand van 100 ohm in de collector is een stroombegrenzing, handig wanneer je per ongeluk kortsluiting maakt!

De SI5351 oscillator module met temperatuur stabilisatie

De SI5351 module!
En dan nog het belangrijkste onderdeel, de oscillatoren voor de mixers! Er waren geen bruikbare standaard kristallen te koop. Maar een goedkope SI5351 klok oscillator module met een Arduino Nano zou een geweldige oplossing kunnen zijn!!! Helaas niet zo eenvoudig als een kristal oscillator, maar ook weer niet zo heel erg moeilijk en wel heel interessant! Hoe werkt zo'n module? En er moet software worden gemaakt! Maar dan heb je ook een geweldige, algemeen toepasbare oscillator. Deze is ook bruikbaar voor andere banden! Gewoon heel simpel even een andere frequentie programmeren en in de ontvanger een paar inducties en trimmers wijzigen!!! En dus kan dit ontwerp van een QRSS ontvanger ook heel eenvoudig voor andere banden worden gebruikt!
Maar hoe moet je een Arduino Nano programmeren? En hoe kun je zo'n SI5351 module besturen? Geen idee! Het leek me geweldig om daarmee een paar uitdagende weken intensief te experimenteren!

Het schema van de SI5351 oscillator module. Er kunnen maar twee jitter arme CLK uitgangen tegelijkertijd
worden gebruikt omdat de SI5351 module maar twee PLL's heeft. Voor deze ontvangers zijn dat CLK0 en CLK1.

Na een paar weken was het me helemaal duidelijk hoe de Arduino Nano moet worden geprogrammeerd en de SI5351 moet worden aangestuurd. Er was een SI5351 library, maar die programmeert de "fractional dividers" in plaats van de PLL frequentie. En dat geeft veel meer jitter. Er kunnen maar twee jitter arme CLK uitgangen tegelijkertijd worden gebruikt omdat de SI5351 module maar twee PLL's heeft. Voor deze ontvangers zijn dat CLK0 en CLK1. Er was een speciaal bit dat gezet moest worden wanneer je deze mode gebruikt. En ongebruikte uitgangen moet je uitzetten, dat deden de voorbeeld programma's op internet niet! Heel spannend en leuk om dat allemaal te bestuderen! Ik had software gemaakt voor de oscillator module!

Het programmeren van de Arduino Nano. Laad het programma "GRABRX01.ino"
en druk op het pijl symbool net onder "edit" om dit te uploaden.

Software voor de Arduino Nano
Het was een leuke uitdaging om mijn eigen programma te maken: "GRABRX01.ino" dat je moet uploaden in de Arduino Nano!
Wanneer de Arduino Nano wordt gestart, zet hij de frequenties van de CLK0 en CLK1 uitgangen. Daarna wordt het commando "set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN)" gegeven. Alle interne oscillatoren van de Arduino Nano worden daarmee uitgeschakeld, zodat hij geen radio storingen meer kan veroorzaken! Mocht je de SI5351 module voor andere frequenties willen gebruiken, dan moet je deze in het programma aanpassen.
Bij normaal gebruik wordt de Arduino Nano via het korte kabeltje uit de eigen 5 volt gevoed. Na een stroomstoring start hij opnieuw op en programmeert hij de SI5351 en gaat daarna in de sleep mode. Wanneer je de Arduino Nano wilt programmeren, haal je dat korte kabeltje los en verbind je de Arduino Nano met je PC.
In de ZIP file "20qrxdcsource.zip" vind je het programma "GRABRX01.ino" dat je moet uploaden in de Arduino Nano.

20qrxdcsource.zip

Het programmeren van de Arduino Nano is niet moeilijk! Je kunt alles vinden op https://www.arduino.cc/ onder de downloads. En er is nog veel meer informatie over de diverse Arduino versies te vinden.
Download en installeer de IDE. Verbind de Arduino Nano met de USB poort van je laptop of PC en bij "Tools - Port" kun je de juiste COM poort selecteren. Wanneer het werkt, heb je de juiste COM poort te pakken.
Met "File - Open..." open je een programma, dat is een file met de extensie ".ino". Met het eerste Vtje op de werkbalk kun je een programma eventueel controleren op fouten. Met het tweede rondje met pijltje wordt het programma gecompileerd en ge-upload en dan ben je al klaar!
Een programma bestaat uit twee gedeelten. Het gedeelte "void setup()" bevat de configuratie, bijvoorbeeld welke poorten als ingang of uitgang worden geconfigureerd. Het tweede gedeelte "void loop()" bevat het programma. Meer informatie kun je vinden op de bovengenoemde website van Arduino.

Het resultaat is een SI5351 module met kristal oven voor de universele QRSS ontvanger!

Kristal oven
Toch is er nog een probleem!
Voor QRSS ontvangst moet de oscillator heel stabiel zijn. Een drift van minder dan 1 Hz per uur is wenselijk. En ook een absolute nauwkeurigheid van 5 Hz. Een gewone kristal oscillator is niet stabiel genoeg, er is te veel frequentie drift door temperatuur variaties. Het kristal wordt op een constante temperatuur gehouden door een "heater" weerstand en een NTC weerstand als temperatuur sensor. De twee transistoren BC547c vormen een verschilversterker. De uitgang stuurt de BC557 driver transistor voor de "heater" weerstand aan. Kies de emitter weerstand van de linker transistor BC547c zodaning, dat de schakeling niet gaat oscilleren en ook niet te veel slingeringen vertoont. Dit kun je zien aan de LED. Ik gebruik een weerstand van 120 ohm. Bij het inschakelen zijn slingeringen normaal, maar die moeten vrij snel uitdoven zodat een stabiele situatie ontstaat.
De "heater" weerstand wordt direct op de behuizing van het kristal gesoldeerd en vastgeplakt, evenals de NTC weertand. Het is heel belangrijk dat de NTC weerstand goed fysiek contact maakt met de "heater" en ook met het kristal. De NTC weerstand moet zo snel mogelijk worden opgewarmd door de "heater" weerstand. Daardoor zal het opwarmen van het kristal traag verlopen en is de schakeling stabiel. En alles wordt bij elkaar geplakt door een dikke klodder Glue stick lijm, die kun je smelten met je soldeerbout. Deze klodder zorgt ook voor een vertragend opwarm effect en een rustigere regeling.
Er zijn ook SI5351 modules verkrijgbaar met een TCXO. Dat is uiteraard een eenvoudigere oplossing! En wat is de beste oplossing? Een TCXO die met deze temperatuur stabilisatie op een constante temperatuur wordt gehouden!

Voor het afregelen is de eenvoudige GPS frequentie standaard gebruikt.

Afregeling
Voor het afregelen is de GPS frequentie standaard gebruikt. De beschrijving daarvan kun je op deze website vinden. De frequentie kun je instellen op iedere waarde tussen 1 Hz en 10 MHz, zelfs nog een paar MHz hoger met verminderde kwaliteit. De laagfrequent uitgang wordt aangesloten op de audio ingang van de PC en een audio spectrum analyzer programma (er zijn er vele) wordt opgestart op die PC. De GPS frequentie standaard wordt via een hoogohmig weerstand of een "pick-up" draadje verbonden met de antenne ingang. Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard op de QRSS frequentie. Regel de trimmers van de ingangskringen af op maximum. Je kunt het niveau van het test signaal varieren met de 1k verzwakker potentiometer.
Nu komt het moeilijke gedeelte, het afregelen van de zijband onderdrukking, daar ben je wel even mee bezig.
Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard weer op de QRSS frequentie en regel het signaal met de 1k verzwakker zodanig af, dat het signaal bovenaan het spectrum display ligt. Lees de audio frequentie af. Bij mijn ontvanger is dat 7700Hz. Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard vervolgens op de ongewenste zijband, dat is QRSS frequentie - 2x de afgelezen audio frequentie. Bij mij dus QRSS frequentie - 2 x 7700Hz. Voorr LSB ontvngst is dat QRSS frequentie + 2 x 7700Hz. Nu zul je op exact dezelfde plaats in het spectrum een zwakker signaal zien. Regel nu de twee trimmers van het hoogfrequent fase netwerk zodanig af, dat dit signaal minimaal is. Steeds de zwevende trimmer een beetje verdraaien, dan de tweede die met massa is verbonden op minimum signaal afregelen en zo de meest optimale standen vinden.

Dit is een van de goede USB audio dongles. Hij was echter te gevoelig, omdat de 20dB versterker standaard is ingeschakeld.
Dat kun je wijzigen door de nul ohm weerstand van positie R12 naar positie R13 te verplaatsen (is hier al gedaan).
De sample rate is ook instelbaar op 22050 samples/sec. Dat vermindert de "CPU usage" aanzienlijk!
Ook de audio devices van Behringer zijn uitstekend!

En... hoe doet hij het?
De gevoeligheid is prima op 20 meter en net goed genoeg op 10 meter. Ook de frequentie stabiliteit is voldoende. Wat beter zou wenselijk zijn, maar het is al beter dan van vele MEPT's! En de onderdrukking van een zijband met behulp van de fase methode werkte ook goed op 10 meter!
De zijband onderdrukking van de ongewenste zijband is meer dan 40dB en zelfs meer dan 50dB op de centrale frequentie! Er zijn geen signalen hoorbaar die afkomstig zijn van die ongewenste zijband. Dat was wel het geval bij de eerste eenvoudige direct conversion ontvanger zonder die ongewenste zijband onderdrukking.
Er zijn geen ongewenste signalen hoorbaar die bij dit soort eenvoudige ontvangers vaak veroorzaakt worden vanwege oversturing door sterke omroep zenders.
Maar niet alle USB audio dongles zijn van goede kwaliteit. De goedkoopsten hebben teveel jitter, waardoor de lijnen niet strak, maar onregelmatig worden.

En nu is het tijd om te ontspannen en te wachten op de resultaten!

En... al snel werden de eerste signalen ontvangen!
Helaas maar 1 MEPT op 20 meter, maar vele WSPR stations.

En... een ballon!

Gelukkig meer stations op 10 meter. Maar liefst 6 MEPTS tijdens sporadische E.
En een kalibratie signaal om de frequentie stabiliteit te testen.

En nog een leuk plaatje, met een hartslag!

Index PA2OHH