狭帯域通信用の FPGA DSP 無線 [ 150177

私は、24 ビット ADC と非常に高速な FPGA での信号処理に基づいた、短波および/または VHF (アマチュア無線帯域) の狭帯域 SSB/CW (場合によっては AM と FM) 用の完全な高性能トランシーバーの開発に取り組んでいます。 DAC: スタンドアロンであり、PC に依存する他のほとんどの SDR プロジェクトとは異なります。

私は、24 ビット ADC と非常に高速な FPGA での信号処理に基づいた、短波および/または VHF (アマチュア無線帯域) の狭帯域 SSB/CW (場合によっては AM と FM) 用の完全な高性能トランシーバーの開発に取り組んでいます。 DAC。

これはスタンドアロンであり、PC に依存する他のほとんどの SDR プロジェクトとは異なります。

動作するデモについては、https://www.youtube.com/watch?v=BCwOSmN_0kI をご覧ください。

https://sm6vfz.wordpress.com/dspsdr-with-fpga/ に、いくつかの写真を含むプロジェクト ログブックの草案があります。 LOシンセサイザーを含むRF回路も一から構築されています。

ラボから: 狭帯域無線用 FPGA DSP ボードダニエルのおかげで素晴らしいデザインを発表することができました。 正直に言うと、すべての功績はダニエルにあります。 ダニエルからの指導と修正を受けて PCB を設計しました。 私たちはこのプロジェクトを 2015 年末に開始しました。長いように思えるかもしれませんが、今では本当に見せたいものができました。 （文：ダニエル）抽象的なこのプロジェクトは、高性能、狭帯域、無線操作用のボードを紹介します。 受信モードでの中間周波数でのサンプリング用の 24 ビット ADC、信号処理用の Cyclone IV FPGA、局部発振器と送信信号生成用の高速 DAC、デジタルマイク/スピーカー用にコード化されたオーディオ、TCXO を備えています。高周波安定性とホスト コントローラー用の I2C または UART インターフェイスを実現します。 シンプルな無線フロントエンドボードも提供されており、これを使用して短波用のトランシーバーを簡単に構築できます。回路説明ボードの心臓 (または頭脳) は、Intel (旧称 Altera (IC4)) の EP4CE10 Cyclone IV FPGA で構成されています。 これは、事実上あらゆるデジタル機能用に構成できるチップです。 そのゲートは、コンフィギュレーション メモリとして知られる外部フラッシュ (IC5) 内のファームウェアに従って起動時に接続されます。オーディオ入出力には、デュアル ADC と 2 つの ADC で構成される「コーデック」TLV320AIC20K (IC3) があります。 DAC は 16 ビット解像度、最大 25 ksps です。 デジタル 8 kHz ローパス フィルターに加え、8 オームで 250 mW を供給できるマイク アンプとスピーカー ドライバーが組み込まれています。 すべてのアナログ オーディオ I/O には、ボリューム コントロールなどのゲイン/減衰係数を選択できます。スピーカー (K2) とマイク (K3) への接続とは別に、補助機器へのオーディオ接続に使用できる他のチャンネルが K4 に接続されています。 。 ボードへの主入力は、通常、K1 で数百 kHz 範囲の差動信号です。 これは、差動オペアンプ・アンプ (IC1) とディスクリート・フィルターを通過し、最終的に AD7760 24 ビット ADC (IC2) でデジタル化されます。 このチップには多くの電源接続があり、電圧および/または受動フィルタリングによって分離されています。 そのマスタークロックはFPGAから供給され、IC8によって5Vスイングに増幅されます。 ボード上には、差動からシングルエンドまでの出力トランスを備えた高速 2 チャンネル DAC DAC5672 (IC6) と、最大 50 MHz の信号を通過させるローパス フィルタリングも搭載されています。 A と B と呼ばれる 2 つの出力チャンネルは、K8 と K9 で使用できます。 すべてをクロックするために、20 MHz TCXO (IC7) がボード上にあります。 このクロックは FPGA に供給され、周辺 IC に再分配されます。 周波数はポテンショメータ P1 で微調整できます。 外部基準ソースが利用可能な場合は、その入力もあります (K5)。 外部リファレンスが利用できるかどうかに応じて、TCXO は T1 を通じてオンまたはオフにできます。 TCXO からの信号と外部リファレンスの両方が、アナログ増幅用に接続されたバッファなしのインバータ (IC9、IC10) を介して FPGA に供給されます。 これらの信号の電圧振幅は中程度になります。 クロックは FPGA 内で分周され、LED1 で低周波のフラッシュが生成され、クロックが動作していて FPGA が設定されていることを示します。 K10 から入力される 5V の電源電圧は 4 つの異なる LDO (IC11 ～ 14) に分配され、異なるチップに必要な 1.2V、1.8V、2.5V、および 3.3V の電圧を生成します。 ホスト コントローラーへのインターフェイスI2C または UART 通信用の 2 つのピンで構成されており、はんだジャンパ (JP1) によって選択できます。 また、通常 PTT (プッシュ トゥ トーク) およびモールス キー信号に使用される 7 つの追加 GPIO (K7 に) もあります。 これらのピンを I2S オーディオ I/O に使用することも可能です。 さらに、FPGA とそのコンフィギュレーション メモリ (K6) をプログラミングするための JTAG インターフェイスもあります。プログラミング 「TRX」という名前のこのプロジェクト用にコンパイルされたファームウェアは、「JTAG 間接コンフィギュレーション」ファイル (trx.jic) として入手できます。このファイルは、最初に FPGA をブリッジとして設定し、次に前者を通じてコン​​フィギュレーション メモリをプログラムします。 これは、USB 経由で PC に接続し、ボードへの JTAG インターフェイスを形成する「USB Blaster」を利用して行われます。 このようなデバイスは非常に安く購入できます - eBay、AliExpress、および同様のサイトで探してください。 PC側で使用するソフトウェアはQuartus Liteとして知られており、インテル/アルテラのWebサイトから無料でダウンロードできます。 完全な開発環境に興味がない場合は、プログラミングに必要なアプリケーションのみをダウンロードすることもできます。 Quartus スイートは、Windows コンピュータと Linux コンピュータの両方で利用できます。制御インターフェーススタンドアロン無線機の場合、コントローラーはディスプレイとボタンを備えた小さなマイクロコントローラー ボードである可能性があります。 これは、PIC、AVR、STM32、または基本的に他のタイプのプロセッサを使用して設計できます。 既製の Arduino、Teensy、Platino、またはその他の一般的なプロトタイピング ボードを使用することもできます。 実験の場合、またはモニターとマウス/キーボードが邪魔にならない場合、Raspberry Pi は柔軟な制御インターフェイスを作成します。 Raspberry Pi (またはその他の Linux コンピューター) の場合、アプレットは GTK グラフィカル フレームワークを使用して Python で作成され、コントロールに簡単にアクセスできるようになります。 このアプレットは、デフォルトで UART シリアル ポート経由で FPGA ボードに接続します。 リモート操作を可能にする実験的なソケット モードもあります。 そこで、無線の設置場所にある Raspberry Pi 上でサーバーを実行し、リモート コンピューターからアプレットを使用してこの Pi に接続するというアイデアが考えられます。都市部では人工騒音が大量にあり、設置には制限があります。これらの場所に大きなアンテナがある場合、アマチュア無線家や短波リスナーにとって、リモート操作のオプションはますます興味深いものになります。また、音声を FPGA から Raspberry Pi の PCM/I2S ポートに直接ルーティングすることも可能である必要があります。リモート操作時にアナログ音声を迂回します。 これはまだテストされていません。ラジオボード上記のブロック図未定を満たす、コンポーネントが少ないシンプルな RF/無線ボードの設計も行われました。 アンテナは K1 に接続されており、ローパス フィルターが FM 放送信号やその他の潜在的な VHF/UHF 干渉源を除去します。 逆並列ダイオード ペア D1 は、フィルタを通過する非常に強い信号を制限すると同時に、長く絶縁されたアンテナ ワイヤに蓄積される可能性がある静電荷の DC リターン パスも提供します。その後、実績のある SA602 チップ (IC1) が増幅します。信号を入力し、K2 で DAC A からの信号と混合します。 水晶フィルタ FL1 は、最初の中間周波数にシャープなフィルタリングを追加します。 SA602 とフィルターのインピーダンスはかなりよく一致しているため、追加の整合コンポーネント (通常は必要となる) は使用されません。 次に別の SA602 が続き (IC2)、DAC B 信号と混合し、FPGA ボードの ADC に供給される差動信号として 2 番目の IF を生成します (K4)。 RF および FPGA ボードは、周波数選択などに適したコントローラーと組み合わせることで、実質的に 0 MHz から約 30 MHz までの受信に非常に適しています。 弱い信号と強い信号の両方を拾う大きなアンテナに接続すると、他の多くの SDR ソリューションのように受信機が簡単に飽和してガベージ オーディオが生成されることはありません。 したがって、本格的な作業や、まれで弱い信号の受信にも使用できます。部品表 FPGA DSP ボード (150177-1 v2.1)抵抗 R1、R2、R3、R4 = 560 Ω、1 %、0W1、SMD 0603R5、R6、R25、R28、R30、R34、R35、R36、R44-R47、R48、R53 = 10 kΩ、1 %、0W1、SMD 0603R7、R32、R33 = 330 Ω、1 %、0W1、SMD 0603R8-R11、R19-R22、R37、R38、R39、R41 = 1 kΩ、1 %、0W1、SMD 0603R12、R13 = 18 Ω、1 %、 0W1、SMD 0603R14、R17、R18 = 10 Ω、1 %、0W1、SMD 0603R15、R49-R52、R54-R58 = 100 Ω、1 %、0W1、SMD 0603R16 = 160 kΩ、1 %、0W1、SMD 0603R23 = 47 kΩ、1 %、0W1、SMD 0603R24、R29、R31 = 27 Ω、1 %、0W1、SMD 0603R26 = 100 kΩ、1 %、0W1、SMD 0603R27、R42、R43 = 未実装R40 = 2k0、1 %、0W1 、SMD 0603P1 = 10 kΩ、20 %、トリマー、4.5 mm、250 mW、SMD (3314G-2-103E、Bourns) コンデンサC1、C2、C5-C8、C14、C16-C19、C20、C22、C23、C25、 C27、C28、C29、C42、C44、C46、C47、C48、C50、C52、C53-C64、C66、C68、C70、C72、C73、C74、C75、C76、C77、C78、C79、C80、C81、 C82、C92、C95、C98、C105、C106 = 100 nF、10 %、50 V、X7R、SMD 0603C3、C4、C33、C34、C35 = 非実装C9 = 5p6 ± 0.25 pF、50 V、C0G/NP0、SMD 0603C10、C11 = 27 pF、1 %、100 V、C0G/NP0、SMD 0603C12、C21 = 10 nF、10 %、50 V、X7R、SMD 0603C13、C43、C89、C90、C102、C103、C104、C107、 C108、C109、C110 = 47 µF、10 %、16 V、タンタル、0.35 Ω、SMD ケース C (TR3C476K016C0350、Vishay)C15 = 33 pF、5 %、50 V、C0G/NP0、SMD 0603C24、C26 = 10 µF、 10 %、6V3、X7R、SMD 0805C30、C31、C32 = 10 pF、5 %、50 V、C0G/NP0、SMD 0603C36 = 1 nF、10 %、50 V、X7R、SMD 0603C37、C38 = 22 nF、10 %、50 V、X7R、SMD 0603C39、C40、C41、C93、C96、C99 = 1 μF、10 %、16 V、X7R、SMD 0603C45、C49、C51 = 100 pF、5 %、50 V、C0G/NP0 、SMD 0603C83、C85、C86、C88 = 120 pF、5 %、50 V、C0G/NP0C84、C87 = 180 pF、5 %、50 V、C0G/NP0、SMD 0603C65、C67、C69、C71、C91、C94 、C97、C100、C101 = 2μ2、10 %、6V3、X7R、SMD 0603 インダクタL1、L2、L3、L4、L6、L7、L8、L9、L10、L11、L12、L13、L14、L15、L16、L17、 L18、L19、L20、L21、L22、L23、L24、L25、L30、L31、L32、L33、L34、L35、L36、L37、L38、L39、L40 = 1 kΩ@100 MHz、0Ω6、200 mA、SMD 0603 (HZ0603B102R-10、Laird Technologies)L5 = 15 nH、5 %、0Ω17、700 mA、周波数 4 GHz (CW160808-15NJ、Bourns)L26、L27、L28、L29 = 180 nH、2 %、0Ω64、0A4、 SMD 0805 (0805CS-181XGLB、Coilcraft)TR1、TR2 = TC4-1WG2+ (ミニサーキット) SemiconductorIC1 = OPA2374AIDG4、SMD SO-8IC2 = AD7760BSVZ、SMD TQFP-64IC3 = TLV320AIC20KIPFB、SMD、TQFP-48IC4 = EP4CE10E22 C8N、TQFP-144IC5 = M25P40-VMN6PB、SOIC-8IC6 = DAC5672IPFB、SMD 5 x 3.2 mmIC7 = 20 MHz 水晶振動子、調整、5 x 3.2 mm (ASVTX-09-20.000MHZ-T、Abracon)IC8、IC9、IC10 = 74AHC1GU04W5-7 、SMD SOT-25IC11 = LP3891EMR-1.2/NOPB、SMD SOIC-8+PowerPADIC12 = TPS73018DBVT、SMD SOT-23-5IC13 = TPS79625DCQG4、SMD SOT-223-6 (DCQ6)IC14 = TPS79633DCQ、SMD SOT-223-6 ( DCQ6)LED1、LED2、LED3 = LED、緑、50 mcd、2.1 V @ 20 mA、SMD 0805 (KP-2012CGCK、Kingbright)T1 = PMV65XP、SMD SOT-23-3T2 = IRF9321PBF、SMD SOIC-8 その他K1、K3 = ピンヘッダー、3 方向、SIL、ピッチ 2.54 mm、垂直、スルーホール K2 = ピンヘッダー、2 方向、SIL、ピッチ 2.54 mm、垂直、スルーホール K4 = ピンヘッダー、14 方向、SIL、ピッチ 2.54 mm、垂直、スルーホールK5、K8、K9 = SMA コネクタストレートジャック、メス、スルーホール、50 ΩK6 = ヘッダー、2x5、垂直、ピッチ 2.54 mm、スルーホールK7 = ピンヘッダー、10 極、SIL、ピッチ 2.54 mm、垂直、スルーホール K10 = 端子台、2 方向、ピッチ 5.08 mm、スルーホール その他 PCB 150177-1 v2.1部品表 160160-1 v1.1抵抗R1、R2、R10 = 1 kΩ、1 %、0W1、SMD 0603R3、R5 = 56 Ω、1 %、0W1、SMD 0603R4、R6 = 120 Ω、1 %、0W1、SMD 0603R7 = 5.6 kΩ、1 %、0W1 、SMD 0603R8 = 22 kΩ、1 %、0W1、SMD 0603R9 = 330 Ω、1 %、0W25、SMD 1206 コンデンサC1、C4 = 150 pF、5 %、50 V、C0G/NP0、SMD 0603C2、C3 = 270 pF、 5 %、50 V、C0G/NP0、SMD 0603C5、C6、C8、C9、C11、C13-C18 = 100 nF、10 %、25 V、X7R、SMS 0603C7 = 1 nF、5 %、100 V、C0G。 NP0、SMD 0603C10 = 8.2 pF、+/-0.25 pF、50 V、C0G/C12 = 10 pF、5 %、50 V インダクタ L1、L2、L3 = 330 nH、5 %、310 mA、周波数 600 MHz (36502AR33JTDG、 TE Con​​nectivity)L4、L5、L6 = 1000 Ω @ 100 MHz、200 mA (HZ0603B102R-10、Laird Technologies) SemiconductorD1 = BAS70-04、SMD SOT-23LED1 = LED、緑色、50 mcd、2.1 V @ 20 mA、SMD 0805T1 = BFR520、300 mW、70 mA、9 GHz、SMD SOT-23IC1、IC2 = SA602AD、SMD SO-8 その他K1、K2、K3、K5 = SMA コネクタ、ストレート ジャック、メス スルー ホール、50 ΩK4 = ピン ヘッダー、 3 ウェイ、SIL、ピッチ 2.54 mm、垂直、スルーホール K6、K7 = 端子台、2 ウェイ、ピッチ 5.08 mm、スルーホール FL1 = 45MHz、1 kOhm、クリスタル フィルター、15 kHz (30 kHz も機能、7.5 kHz狭すぎます)、SMD その他 PCB 160160-1 v1.1