Проект «Селенит». Часть 6: Финализация

Каждый проект рано или поздно заканчивается. При любом исходе проекта, удачном и неудачном, остаются документация, наработки, опыт, практики. Завершающая стадия проекта как раз и имеет целью разобраться с этим наследием, привести его в удобоваримое состояние. Одним словом, финализировать.

Мне очень не хотелось писать эту часть цикла. Учить других на своих ошибках – сомнительное удовольствие, но образовательная составляющая всегда была и остаётся основной в проекте «Селенит». И очень важно не только сделать что-то, но и доступно объяснить на этом примере, почему сделано именно так.

Далее речь пойдёт о неочевидных нюансах влияния топологии печатной платы на характеристики радиоэлектронной аппаратуры связи на примере весьма неоднозначных опытов по компоновке и трассировке печатной платы трансивера Selenite Lite.

Все части цикла статей о создании любительской радиостанции:

• Проект «Селенит». Часть 1: Побуждение к действию
• Проект «Селенит». Часть 2: Квадратурный смеситель
• Проект «Селенит». Часть 3: Диапазонный полосовой фильтр
• Проект «Селенит». Часть 4: Квадратурный гетеродин
• Проект «Селенит». Часть 5: Контроллер, встроенное ПО и квадратурный модулятор
• Проект «Селенит». Часть 6: Финализация ← Вы здесь

▍ Опытный образец трансивера Selenite

Как уже говорилось ранее, шансов для реализации всех целей проекта было мало, поэтому и были сначала определены требования к MVP, а в качестве основной была выбрана стратегия минимизации материальных затрат. К изготовлению опытных образцов SDR-трансивера Selenite решено было приступить только после того, как основные схемные и программные решения были отработаны на макетных и отладочных платах.

На трассировку печатной платы опытного образца SDR-трансивера Selenite потребовалось шесть недель. Основной особенностью топологии была практически полная развязка радиочастотного тракта трансивера по «земле» и по питанию от его «цифровой» части.

На чертеже печатной платы очень хорошо видна «зональность»: полигон «аналоговой земли» обведён красным; компоненты модулей BPF, QSD, QSE и кодека сгруппированы; частотозадающие цепи (помечены как «si5351») и микроконтроллер расположены в противоположном углу от антенного разъёма.


«Объединение земель» (оранжевые линии на рисунке) сделано рядом с кодеком. Это наиболее логично, так как именно кодек является «посредником» между «аналоговой» и «цифровой» частями трансивера.

Для исключения «перетоков» антенный вход и выход синтезатора «отвязаны» от радиотракта широкополосными ВЧ-трансформаторами, а переключение режимов и полосовых фильтров производится через оптроны (выделено жёлтым).

По этим же принципам разрабатывалась топология печатной платы SDR-приёмника Softrock Ensemble RX II. Только там питание контроллера и радиотракта полностью автономные, а «объединение земель» происходит при подключении шнуров к компьютеру.

Сборка началась с цифровой части, которая заработала сразу и без видимых проблем. CAT-интерфейс работал: гетеродин перестраивался, режимы переключались. Звуковое устройство USB работало без нареканий.


Ничто не предвещало, что «белая полоса» на этом и закончится.

▍ Поражённые точки и другие «артефакты»

До момента сборки всей схемы трансивера на одну плату радиотракт тестировался, разве что, на частотах 9996 кГц и 14996 кГц для калибровки гетеродина по сигналам RWM. Ещё по выходным на макетную плату принимались сигналы любительских станций в диапазонах 20 м и 40 м, как наиболее оживлённых. Эфир на частотах выше 15 МГц оставался пока вне поля зрения.

Понятно, что микроконтроллер и его периферия просто обязаны быть источником помех для радиотракта. Поэтому сразу после проверки диапазонного полосового фильтра был начат поиск «поражённых точек», т.е. частот, приём на которых невозможен по зависящим только от конструкции аппарата причинам. В качестве контрольного приёмника, чтобы отделить «поражённые точки» от реально существующих в эфире сигналов помех, использовался старый добрый Softrock Ensemble RX II.

Поиск начался с частоты опорного генератора (25 МГц) и продолжился на частотах 12288  кГц (тактовая частота MCU и сигнал MCLK шины I2S), 12000 кГц (тактовая частота USB и шины SPI) и 1536 кГц (сигнал BCLK шины I2S). Все они имели место быть, но были обнаружены и другие.

Сначала выяснилось, что опорный генератор работает на третьей гармонике и даёт две «поражённые точки»: 25000122 Гц и 8333374 Гц. Идея использовать в качестве опорного генератор в корпусе SMD размером 5x3.2 мм, чтобы была возможность заменить его на какой-либо более дорогой и стабильный, была здравой, но замена генератора на дешёвый кварцевый резонатор решила проблему «поражённой точки» на частоте 8.33 МГц и дала значительное ослабление сигнала на частоте 25 МГц.

С мощной «поражённой точкой» на частоте 12288 кГц «комплектом» шла не менее мощная на частоте 24576 кГц. Экспериментальным путём было выяснено, что сигнал на частоте 12288 кГц становится значительно слабей, если увеличить тактовую частоту MCU и шины I2S до частоты 24576 кГц, а частоту дискретизации поднять с 48  кГц до 96 кГц.


В «комплекте» с точкой на частоте 12000 кГц (на рисунке выше) была обнаружена более мощная на частоте 24000 кГц. С ними ничего сделать, к сожалению, так и не удалось.


На рисунке выше мы видим интерференционную помеху в результате «биений» мощного сигнала помехи на частоте 24000 кГц и сигнала гетеродина частотой 24005 кГц. Что самое интересное, при подключении антенны сигнал в «поражённой точке» усиливается.

Оптимистичный тон повествования может создать видимость, что счастливым исходом «дела о поражённых точках» стала ситуация, когда «и осталось их пять»: 12000, 12288, 24000, 24576 и 25000 кГц. На самом деле, была их тьма тьмущая, и на частотах выше 15 МГц на панорамном индикаторе присутствовало какое-то непонятное месиво из «артефактов», на контрольном приёмнике отсутствующих как класс.

▍ Разделяй и проверяй

Сначала нужно пояснить, каким образом отображаемый на панорамном индикаторе сигнал может попасть на вход приёмника. Есть два пути: один «по воздуху», из эфира; второй по цепям питания, включая полигон «земли». «Эфирный» путь обозначен первым потому, что кажется наиболее логичным.

Поскольку печатных плат мне прислали из КНР пять штук, я буквально сразу начал собирать на одной из них только «цифровую» часть (включая кодек), а на другой – только радиоканал. Оба собранных модуля были помещены в алюминиевые корпуса, соединённые между собой двумя короткими кабелями: коаксиальным (сигнал гетеродина) и звуковым (выход QSD). Питание производилось от двух «сухих» батарей, т.е. было полностью изолированным.


На рисунке выше плата опытного образца с «цифровой» частью трансивера.

«Грязи» стало меньше, но ненамного. Когда же вместо модуля радиотракта к аудиовходу «цифровой» части был подключён выход контрольного приёмника, картина кардинально не поменялась. Затем модуль радиотракта был подключён к контроллеру приёмника Softrock Ensemble RX II, где он продемонстрировал отличную работу.

Складывалась картина, когда вся «физика» была устранена экранированием и изоляцией цепей питания, но это не помогало. Оставалась только «мистика». И местом её обитания был, несомненно, кодек.

▍ Нет кодека, нет проблемы?

Наиболее изящным путём решения проблем с кодеком казался способ избавиться от кодека совсем. Первое, что пришло при этом в голову, использовать наработки проекта QCX-SSB и его «клона» uSDX, где сигнальный процессор (DSP) реализован на встроенных в микроконтроллер АЦП и таймерах.

В качестве подопытного устройства выступила плата с «цифровой» частью трансивера. Ход эксперимента подробно описан в двух публикациях:

Звуковая карта USB на STM32. Часть 1: Используем I2S-кодек
Звуковая карта USB на STM32. Часть 2: Используем встроенный АЦП

Результат был малоутешительным: DSP встроенными средствами STM32F411CEU6 организовать можно, но использовать DSP с такими характеристиками в составе SDR-радиостанции не стоит, как из-за плохого соотношения «сигнал-шум», так и из-за достаточно куцего динамического диапазона в пределах всего 46.6 дБ. Напомню, что динамический диапазон трансивера начального уровня «Радио-76» равен 80 дБ.


Избавиться от кодека не удалось. Экранирование не спасало. Изоляция по питанию всех проблем не решала. Публикация про звуковую карту USB на STM32, по сути, «финализировала» наработки по проекту «Селенит», который на тот момент я был морально готов закрыть.

▍ Проект закрывать собирайся, но…

По моему опыту проектной деятельности в сфере разработки радиоэлектронной аппаратуры ни один проект, длящийся более трёх лет, не был завершён командой, которая его начинала. Проект «Селенит» нужно было закрывать и по этой причине тоже.

За год мучений с платой опытного образца были сделаны следующие выводы:
– части трансивера отлично работают сами по себе;
– при совместной работе «цифровая» часть создаёт помехи «аналоговой»;
– источником помех является кодек;
– экранирование дорого и неэффективно;
– гальваническая развязка «земель» дорога и неэффективна;
– изоляция по питанию работает, но без ожидаемого эффекта.

Шестой год проекта начинался с решения сделать ещё один вариант печатной платы для полной и безоговорочной «финализации» проекта.


«Аналоговая» и «цифровая» части по-прежнему располагались на разных полигонах, но уже без гальванической развязки «земель». Входные цепи QSD располагались на отдалении от шины I2S кодека. Квадратурный сигнал гетеродина стал формироваться непосредственно микросхемой синтезатора Si5351A-B-GT. Питание на «аналоговую» часть подавалось со стороны радиотракта, а не со стороны кодека.

Поведение конструкции после сборки подтвердило вышеприведённые выводы, а чуда, как и ожидалось, не произошло. Широкополосная помеха с панорамного индикатора никуда не делась.

▍ Нечаянная радость

Второй закон Вышковского гласит: «Всё можно наладить, если вертеть в руках достаточно долго». И в один прекрасный миг «артефакты» с панорамного индикатора исчезли: я случайно замкнул полигоны «земель» в районе кодека.

Как уже писалось выше, объединять «цифровую» и «аналоговую» «земли» рекомендуется именно здесь. При этом у меня эти «земли» уже были объединены в точке ввода питания рядом с QSD. Получалась «петля», которую я устранил, разъединив «земли» рядом с QSD. Панорамный индикатор сразу наполнился помехами.

Я восстановил «петлю», помехи исчезли. На душе стало светло и спокойно, а к микросхемам кодеков я стал относиться как к исключительно цифровым. Теперь весь кодек питается только от «цифрового» питания:


На рисунке выше «аналоговый» полигон выделен красным, а оранжевым показаны цепи питания и места «объединения» земель.

«Поражённых точек» с мощной интерференционной составляющей после этих приключений осталось четыре: 12000, 12288, 24000, 24576 кГц. Картина поражения на 12 и 24 МГц показана раньше. На частотах около 12288 кГц на самом деле идёт приём на второй гармонике сигнала с частотой 24576 кГц:

▍ От автора

С возрастом начинаешь понимать, когда нужно продолжать, а когда лучше остановиться. В аббревиатуре MVP буква V означает, в том числе, «viable», «жизнеспособный». MVP проекта «Селенит» реализован в виде аппаратной платформы. Он жизнеспособен и готов к дальнейшему развитию уже как программный продукт.

Разработанный в рамках проекта SDR-трансивер Selenite Lite не обладает выдающимися техническими характеристиками. Его главными достоинствами являются простота использования, низкая себестоимость и хорошая повторяемость.

Схема электрическая принципиальная, перечень элементов и рисунок печатной платы SDR-трансивера Selenite Lite содержатся в документе «Selenite Lite User Manual», расположенном в репозитории проекта «Selenite Lite».

Я не являюсь профессионалом в области разработки программного обеспечения. Моя стезя – менеджмент и управление проектами. Если кто-то решит присоединиться к проекту, моя организационная и моральная поддержка ему обеспечена. Если энтузиастов не найдётся, то моя душа спокойна: в рамках проекта я уже сделал всё, что мог, и рассказал об этом миру.

Больше информации о проекте можно найти в некоммерческом telegram-канале «Проект «Селенит».

72/73! de RD9F

Источники:

1. Гутников. Интегральная электроника в измерительных устройствах. Энергоатомиздат, 1988
2. Хоровиц, Хилл. Искусство схемотехники. 2-изд. Мир, 1993
3. Шкритек. Справочное руководство по звуковой схемотехнике. Мир, 1991

Скидки, итоги розыгрышей и новости о спутнике RUVDS — в нашем Telegram-канале