(Poslední aktualizace: 7. listopadu 2024)
V říjnu roku 2024 byl ukončen vývoj projektu W230325 – SQUARE SDR poslední verzí W230325.07, která byla vydána 21.9.2024. Další změny, úpravy nebo doplnění funkcí již nejsou možné.
Popis
SQUARE SDR je moderní softwarově definované rádio (SDR) navržené na základě inspirace transceiverem Hermes-Lite 2. Integruje přijímač i vysílač na kompaktní desce plošných spojů o rozměrech 100 x 100 mm, která obsahuje všechny potřebné komponenty, včetně horní a dolních propustí N2ADR. Zařízení podporuje frekvenční rozsah 100 kHz až 30 MHz pro příjem a 1,8 až 30 MHz (pokrývající amatérská pásma 160-10 m) pro vysílání s maximálním výstupním výkonem 5W. Je napájen z externího 12V zdroje. Spotřebuje kolem 3,6W v režimu příjmu a až 18W při vysílání.
SQUARE SDR je kompatibilní s různým softwarem SDR, jako je Thetis, SDR Console atd., takže je vhodný i pro vzdálené ovládání. Zařízení podporuje vstup externícho hodinového signálu, přepínání pásem u externího PA zesilovače a nabízí možnost připojení sondy Pure Signal, užitečnou pro adaptivní korekci předzkreslení ve vysoce kvalitních přenosech. Jeho mechanická konstrukce využívá robustní hliníkový kryt pro mechanickou odolnost a účinnost chlazení, zatímco integrovaný ventilátor dále pomáhá udržovat optimální pracovní teplotu i při delším používání.
Jak to vzniklo?
Jak už je popsáno výše, k návrhu SQUARE SDR mě inspiroval projekt SDR transceiveru Hermes-Lite 2 (dále také HL2). Deska HL2 může fungovat samostatně, nebo se k ní může připojit další rozšiřující hardware přes pinové hřebínky uvnitř a na hraně desky. Toto řešení, hlavně propojení dvou desek na hraně dutinkovou lištou se mi vůbec nelíbí. Navíc při návrhu desky plošných spojů autor moc nešetřil místem a oboustranná SMT montáž je zde zbytečná. Většinou, pro případ použití jako Remote HF transceiveru, se používá stejně jenom rozšiřující deska s HPF a LPF filtry pro radioamatérská pásma od 160 do 10 m – N2ADR. Tak proč to nespojit dohromady?
Realizace
Aby byla výroba desky plošných spojů (dále také PCB) co nejefektivnější, tak se její rozměry musí vejít do velikosti 100 x 100 mm. Tato velikost je využita a deska má čtvercový rozměr. Proto je v názvu “SQUARE”. Pro jednodušší osazování je deska navržena pro jednostrannou montáž SMT. Byla to pro mě výzva. Celý návrh projektu jsem realizoval v KiCad EDA, který je od verze 7.0 pro mě plnohodnotným profesionálním nástrojem. Návrhem této desky SQUARE SDR jsem si to jenom potvrdil. Krabička a mechanická konstrukce je navržená ve FreeCAD. Topografie rozmístění konektorů na přední panelu je totožná s HL2. Orientace všech signálů připojení je totožná s celou konstrukcí HL2+N2ADR. Z hlediska zachování topologie přední strany původního PCB HL2 a předem daného rozměru pro nový návrh PCB nebylo možné orientaci konektorů logicky změnit k jejich povaze připojení.
Samotná deska plošných spojů prošla od prvopočátku až k aktuální verzi (07) různými změnami z hlediska použitých komponentů, přidáváním vnitřních ochran a funkcionalit na základě optimalizace výrobních metod a zpětné vazby od radioamatérů z celého světa. SQUARE SDR se ale pořád tváří pro obslužné programy (console) jako HL2.
Základní specifikace
- napájecí napětí 11 – 15 VDC
- kmitočtový rozsah RX 100 kHz – 30 MHz / TX 1.8 – 30 MHz (160 – 10 m amatérská pásma)
- integrované HPF a LPF filtry (N2ADR)
- výstupní RF výkon max. 5 W
- příkon při příjmu bez zapnutého ventilátoru cca 3,6 W
- příkon při vysílání (CW 5 W) bez zapnutého ventilátoru cca 18 W
- 12-bit ADC/DAC
- Gigabit Ethernet
- External Clock I/O
- LED indikace relé na desce
- SWR (PSV) metr
- interní ventilátor 80 x 80 mm. Nezávislé řízení od gateware FPGA
- integrované sériové rozhraní (TTL 3.3V). Možnost přímého připojení PA Hardrock-50 (konektor ACC)
- integrované analogové rozhraní “Band Voltage”. Možnost přímého připojení PA Xiegu XPA125B (konektor ACC)
- integrovaný konektor SMA (RX) pro připojení sondy “Pure Signál”
- ochrana a indikace nesprávného napájecího napětí (podpětí) nebo nesprávného připojení (přepólování)
- PCB 4 vrstvy, rozměr 100 x 100 mm
- jednostranná SMD montáž
- kompatibilita s Hermes-Lite 2
- celkové vnější rozměry v krabičce 126 (š) x 46 (v) x 110 (h) mm
- hmotnost cca 490 g
Rozdíly a vylepšení oproti HL2
- integrované HPF a LPF filtry (N2ADR)
- LED indikace relé na desce
- interní ventilátor 80 x 80 mm. Nezávislé řízení od gateware FPGA. Od verze PCB 05
- integrované sériové rozhraní (TTL 3.3V). Možnost přímého připojení PA Hardrock-50 (konektor ACC)
- integrované analogové rozhraní “Band Voltage”. Možnost přímého připojení PA Xiegu XPA125B (konektor ACC). Od verze PCB 07
- integrovaný konektor SMA (RX) pro připojení sondy “Pure Signál”
- ochrana a indikace nesprávného napájecího napětí (podpětí) nebo nesprávného připojení (přepólování)
- ochrana výstupu EXTTR (PTT) proti nadproudu a přepětí nad 30V
- ochrana vstupů KEY/PTT proti připojení nežádoucího napětí do 30V. Od verze PCB 07
- ESD a EOS ochrana ethernetového připojení. Od verze PCB 07
- jednostranná SMD montáž
- náhrada a doplnění některých komponent pro snadnější vyrobitelnost v EU
- náhrada pulsního zdroje napájecího napětí 1,2V za lineární stabilizátor kvůli eliminaci rušení na dolních pásmech. Od verze PCB 06
- náhrada separátních IC mikroprocesorem STM32 pro řízení ventilátoru, řízení relé pásmových propustí, ADC, BV. Od verze PCB 05
- robustní hliníková krabička s lepším odvodem tepla a s nožičkami
- dodává se kompletně smontovaný a odzkoušený. Je to jednoúčelová konstrukce, ne stavebnice
- kvůli odlišné mechanické konstrukci nelze v krabičce použít rozšiřující deseky pro HL2. Je ale zachován footprint původního pinového headeru DB1 a DB12 na PCB, P4 (PIO) a P3 (LINK)
Pohledy na celkovou konstrukci
Popis konektivity na desce plošných spojů
Popis konektorů a LED na předním a zadním panelu
- 1. Konektor DC 5.5/2.1mm pro vstup napájecího napětí ze zdroje 11-15 V. Kladný pól je na středovém kolíku. Zdroj musí být dimenzovaný na min. 2.5 A
- 2. LED indikátor aktivity připojení v síti LAN
- 3. LED indikátor připojení v síti LAN
- 4. Konektor ETHERNET RJ45 pro připojení do sítě LAN 1000BASE-T, IEEE 802.3ab. K připojení je potřeba použít stíněný Patch kabel (STP). Jinak hrozí poškození Ethernetového portu indukcí při použítí externího PA zesilovače.
- 5. LED indikátor chyby (nesprávného) napájecího napětí nebo přepólování
- 6. LED indikátor zapnutí a běhu systému
- 7. LED indikátor přepnutí do stavu vysílání
- 8. 9. LED indikátory dosaženého hodnoty vrcholu ADC přijímače
- 10. 11. Dvojice konektorů SMA pro připojení výstupu a vstupu externího hodinového signálu. Možnost vzájemné synchronizace dalších zařízení. Běžně se nepoužívá
- 12. Konektor TRS 3.5 mm Jack pro připojení telegrafního klíče a spínače PTT (Push-to-talk) pro manuální telegrafní provoz. S-GND, R-PTT, T-KEY
- 13. Konektor SMA, RX přímý vstup přijímače. Možnost připojení sondy pro Pure Signal. Spolu s výstupem TX se může použít SQUARE SDR jako RF front end pro plně duplexní provoz. Běžně se nepoužívá
- 14. Konektor SMA, TX výstup budiče koncového stupně vysílače. Výstupní výkon je kolem 40 mW. Tento výstup je aktivní pouze při vypnutém koncovém stupni a nastavuje se v obslužném programu (SDR Console – TX Options). Běžně se nepoužívá
- 15. Konektor DB-9 ACC, pro připojení externích zařízení. Možnost připojení a ovládání externího koncového stupně s anténním tunerem. Zapojení jednotlivých dutinek je na obrázku níže. Pozor, toto rozhraní není RS232, které má odlišně definované napěťové úrovně
- 16. Konektor SMA, ANT připojení antény nebo externího koncového stupně o impedanci 50 ohm. Výstupní výkon integrovaného vysílače je 5W
- 17. Konektor RCA, EXTTR (Externí Transmiter). Je určen pro ovládání externího anténního relé, externího PA zesilovače, anténního přezesilovače atd. Výstup je aktivní při zaklíčování (PTT). Při aktivaci se signál na střední dutince konektoru spojí se zemí GND na obvodu konektoru. Vnitřně je zapojen jako kladný otevřený kolektor s max. napětím 30 V a proudovým limitem 100 mA.
Popis zapojení konektoru ACC
Ovládání externího PA zesilovače
Pro připojení a ovládání externího PA zesilovače je možno použít konektory EXTTR nebo ACC na zadním panelu. Pomocí konektoru EXTTR je možné pouze externí PA přepínat do módu vysílání (klíčovat). To se provádí spojením signálu PTT na PA proti zemi (GND). Pomocí konektoru ACC je možné externí PA klíčovat a automaticky přepínat frekvenční pásma.
Možnosti automatického přepínání frekvenčních pásem s jednotkou SQUARE SDR:
Frekvenční detekce: Některé PA zesilovače mají vestavěný frekvenční detektor, který monitoruje výstupní signál z transceiveru. Na základě zjištěné frekvence ze vstupního signálu při vysílání zasilovač automaticky přepne na příslušné pásmo.
Digitální komunikace: Na základě datového rámce který vysílá SQUARE SDR po sériové lince směrem k PA zesilovači. Formát datového rámce, rychlost komunikace a napěťová úroveň může být u různých PA zesilovačů rozdílná. SQUARE SDR, stejně jako HL2 používá pro komunikaci sériovou linku UART (3.3V TTL, 9600,8,N,1), která je vyvedená na konektoru ACC, který je umístěný na zadním panelu. Popis signálů na konektoru je uveden výše na obrázku „ACC-Pinout…“. Datový rámec obsahuje údaj o frekvenci a je vysílán na signálu TxD při každé její změně (i při zaklíčování). Jeho obsahem je textový řetězec v délce 14 znaků ve formátu například “FA00014195000;” pro frekvenci 14.195 MHz. Formát vychází z protokolu CAT – Computer Aided Transceiver, který je původně určen pro ovládání transceiverů z počítače. Datovému rámci, který vysílá SQUARE SDR, například dobře rozumí zesilovač Hardrock-50.
Analogový signál: Na základě napěťové úrovně signálu, který nastavuje SQUARE SDR. Napěťová úroveň je odlišná pro každé frekvenční pásmo. Tento signál, nazvaný BVO „Band Voltage Output“, je vyvedený na konektoru ACC (od verze PCB 07), který je umístěný na zadním panelu. Popis signálů na konektoru je uveden výše na obrázku „ACC-Pinout…“. Jednotlivé napěťové úrovně pro dané frekvenční pásmo, které SQUARE SDR nastavuje jsou popsány v následující tabulce:
Jak je z tabulky patrné, pro jednotlivé napěťové úrovně pásem jsou zvoleny úrovně vycházející ze zesilovače Xiegu XPA125B, které se nastaví vždy po zapnutí jednotky. Tyto úrovně se dají dočasně uživatelsky změnit. Změnu nastavení úrovní lze provést v uživatelském programu, který umožňuje přímo ovládat interní I2C sběrnice. Thetis I2C Control.
Nevím, zda dané napěťové úrovně zesilovače XPA125B vycházejí z nějaké normy a nebo jak jsou případně rozdílné tyto úrovně mezi jednotlivými zesilovači od různých výrobců. Proto byla zároveň doplněna možnost tyto úrovně uživatelsky měnit. Pokud by vznikla do budoucnosti potřeba tyto úrovně změnit vždy po každém zapnutí jednotky, byla by možnost buď tyto hodnoty úrovní zapisovat po každé změně do Non-volatile paměti (NVM) v jednotce, nebo po zapnutí jednotky spouštet na hostitelském počítači skript, který by dané hodnoty všech úrovní změnil automaticky. Případně by šlo tuto automatickou změnu úrovní aplikovat i do uživatelského ovládacího programu (konzole) přímo.
Robustní mechanická konstrukce
Základem mechanické konstrukce je hliníkový profil o rozměrech 120 x 40 x 98 mm a síle stěny 4 mm. Do jeho těla jsou strojově vyvrtané otvory pro uchycení bočních panelů, PCB a ventilátoru. Na čelní strany hliníkového profilu jsou usazeny plastové díly, do kterých jsou vloženy boční panely. Boční panely jsou realizovány jako PCB s kvalitním potiskem. Na vnitřní straně PCB bočních panelů je ponechána měď, která je elektricky spojená přes čtyři šrouby v rozích s hliníkovým profilem. To celé zajišťuje dostatečné stínění pro pracovní frekvence vlastního SDR. Celá konstrukce zajišťuje i dostatečné chlazení pro nepřetržitý provoz.
Odvod tepla
Pro lepší odvod tepla se postarají čtyři tepelné podložky umístěné mezi deskou plošných spojů a hliníkovým profilem krabičky:
- 1. silikonová podložka pro odvod tepla z LDO
- 2. silikonová podložka pro odvod tepla z FPGA
- 3. silikonová podložka pro odvod tepla z RF modemu
- 4. hliníková podložka pro odvod tepla z LDMOS
Silikonová podložka 1. je přidána od verze desky plošných spojů 06, podložky 2. a 3. jsou přidány od verze desky plošných spojů 07.
Alternativní konektor napájení
Pro stálou instalaci v horších klimatických podmínkách vznikla alternativa osazení desky plošných spojů robustnějším konektorem pro přívod napájecího napětí (P2). Typ použitého konektoru PTR STLZ1550/2G-3.81-H-GREEN s protikusem PTR AKZ1550/2-3.81-GREEN.
K této možnosti je také navržena alternativa předního panelu:
Uvedení do provozu
Pro maximální a optimální využití hardwaru SQUARE SDR je potřeba dokonalá znalost a nastavení obslužného programu (konzole), kterým se SQUARE SDR ovládá. Při nesprávném nastavení a obsluze nemusí některé části jednotky správně nebo vůbec fungovat.
SQUARE SDR je kompatibilní s veškerým softwarem podporujícím protokol openHPSDR 1. Seznam oblíbených obslužných programů pro ovládání a použití SQUARE SDR jako transceiveru, je totožný jako pro HL2. Nejlépe propracovaný je v současnosti pravděpodobně Thetis.
V obslužném programu (konzoli) se SQUARE SDR vybírá a připojuje jako “HERMES LITE”, “Hermes-Lite”. Proto se mohou použít všechna zveřejněná nastavení pro HL2.
Upozornění pro verze vyrobené před rokem 2024:
Rok výroby se pozná podle prvního dvojčíslí sériového čísla, které je umísténé na zadním panelu v levém horním rohu. Tyto verze nemají oddělené PWM řízení vnitřního ventilátoru (podle původního návrhu HL2) a využívají stejný sdílený signál pro napěťové (úrovňové) přepínání pásmových filtrů, které je též generované pomocí PWM. V samotné jednotce SQUARE SDR se pro přepínání pásmových filtrů tento signál nepoužívá. Pro externí přepínání pásmových filtrů je možné použít sériovou komunikaci a od verze PCB 07 i napěťové řízení “Band Voltage”, které je však nezávislé od gateware FPGA. To vše je dostupné na zadním konektoru DB-9 s označením ACC.
Pro uživatele programu Thetis, odškrtněte volbu “Band Volts” v záložce General -> F/W Set. Tato volba umožňuje pomocí napěťové úrovně (generované pomocí PWM) na výstupu FPGA, pin 80 (IO_4), přepínat externí pásmovou propust. Tento pin je ale v SQUARE SDR primárně určen pro řízení ventilátoru. Jinak vám bude ventilátor pískat podle zvoleného pásma.
Pro uživatele programu SDR Console, musí bý zvolena tato volba.
Od verze desky plošných spojů 05, vyrobené od roku 2024 se to řešit nemusí. Na desku byl přidán MCU, který se mimo jiné stará i o řízení ventilátoru.
Reálný provoz
Ukázka při příjmu v programu Thetis:
Ukázka při příjmu v programu SDR Console:
Dokumenty k deskám plošných spojů podle vydaných PCB verzí
Důležité upozornění: Tyto dokumenty jsou určeny pouze pro vlastní osobní potřebu. Společnost WIDE SERVIS a provozovatel těchto stránek nenesou žádnou zodpovědnost za případné finanční ztráty, škody na majetku a zdraví vzniklé při použití těchto dokumentů.
Na závěr
Tato konstrukce SQUARE SDR nevznikla z důvodu tvorby nějakého laciného klonu Hermes-Lite 2, ale z důvodu vylepšení, zjednodušení a celkem tak zefektivnění konstrukce pro jednoúčelové použití. Není to tedy stavebnice. Původní koncept Hermes-Lite 2 navrhnul autor Steven KF7O skvěle a patří mu za to nejen můj obdiv.
V říjnu roku 2024 byl ukončen vývoj projektu W230325 – SQUARE SDR poslední verzí W230325.07, která byla vydána 21.9.2024. Další změny, úpravy nebo doplnění funkcí již nejsou možné.
Odkazy
Obrázky osazené desky plošných spojů
Videorecenze
DO6BJ Thomas, první kupující, první člen FB skupiny SQUARE SDR. Short Unboxing.
DL6KA Peter, YT kanál.