FireFly Transceiver

Costruiamo assieme questo innovativo RTX, per la banda dei 30 metri CW, progettato dal noto Dan Tayloe, N7VE e battezzato Firefly, la foto sottostante rappresenta il FireFly costruito dal sottoscritto e pronto per uscire "ON THE AIR".

L'interesse per questo RTX e cominciato nel mese di settembre quando è apparso un annuncio degno di attenzione da parte dello stesso Dan sul noto newsgroup SoftRock40 e descriveva brevemente le caratteristiche del nuovo "nascituro":

• Ricevitore SDR "Software defined radio" centrato attorno ad una frequenza 10,114MHz. Sensibilità -128dBm a 500Hz
  (questo parametro dipende dal tipo di scheda audio usata)
• Trasmettitore CW con oscillatore tipo VXO, range di frequenza 10,102/10,115MHz Potenza di uscita circa 2.5Watt
• Alimentazione da 9 a 12Volt
• Incorpora un interessante Keyer con tre memorie a 40 caratteri e varie funzioni realizzato con microcontrollore della serie PIC.

FireFly è disponibile anche in Kit, le ordinazioni si possono effettuare sul sito della Hendricks QRP Kits, nota ditta americana specializzata nella realizzazione di Kit rivolti principalmente agli appassionati del QRP. Tra l’ordinazione ed il ricevimento del materiale è passata una decina di giorni, ecco come si presentava il pacco ed il contenuto del KIT. Tutti i componenti sono accuratamente separati e facilmente individuabili, bisogna tenere conto che nel kit non sono inseriti dei componenti esterni al circuito e occorre acquistarli separatamente in qualsiasi negozio di elettronica, più precisamente serve:

• 3 prese jack stereo da 3,5 mm (uscita segnali audio,cuffia monitor,tasto telegrafico)
• 1 pulsante normalmente aperto (programmazione keyer)
• 1 interruttore sub miniatura (funzione spot)
• 1 potenziometro 100Kohm lineare, meglio se multigiri (Sintonia trasmettitore)
• 1 potenziometro 10Kohm lineare (Velocità keyer)
• 1 connettore PL259 o BNC (ingresso antenna)
• 1 contenitore in metallo dimensioni adatte es. H50 x L120 x P140

Il manuale del FireFly in formato PDF si scarica dal sito della Hendricks cliccando qui.
E’ disponibile solo in Inglese, comunque è illustrato in maniera molto chiara con numerose foto riguardanti le varie sezioni del Transceiver.

Descrizione del circuito

Fare riferimento allo schema elettrico prevabile qui.
Come detto in precedenza il ricevitore è stato progettato in modo da disporre di un segnale audio in uscita adatto ad essere elaborato tramite un personal computer per il totale Digital Signal Processing. Questo innovativo sistema radio, ha la principale caratteristica di "sfruttare" un software specifico che implementa una cosiddetta SDR "Software defined radio", in cui la demodulazione del segnale e il suo successivo trattamento sono realizzati in modo completamente numerico. La tecnica di sviluppo SDR aumenta la versatilità di impiego del ricevitore e garantisce un adeguamento semplice e immediato alle caratteristiche di futuri sviluppi. Nei convenzionali ricevitori supereterodina il ricevitore è composto da un insieme di circuiti come, preamplificatori, mixer, una o più medie frequenze con appositi filtri per determinare la larghezza di banda del canale radio, demodulatori per vari tipi di segnali, quali esempio: CW SSB AM/FM ecc, sistemi di filtro per l’audio e circuiti progettati per la riduzione del rumore ed interferenze varie.. Nel ricevitore SDR, tutto questo viene sostituito dal software a cui viene affidato il compito di convertire in forma digitale il segnale ed elaborarlo adeguatamente. Inutile dire come la parte Hardware di quest’ultimo sia quindi notevolmente semplificata. Nel FireFly, come nella maggior parte dei ricevitori SDR, viene adottata la soluzione ormai classica dell’uso di un mixer tipo QSD (Quadrature sample detector). Il vantaggio di questo mixer è di ottenere una bassissima intermodulazione e perdita d’inserzione. Questo particolare circuito è stato progettato da Dan N7VE e talvolta viene anche conosciuto come "Tayloe Mixer". Il QSD, realizzato utilizzando un multiplexer veloce FST3253 (IC8), converte direttamente il segnale radio ricevente, dopo un opportuno filtro preselettore (L9-L10) per eliminare il più possibile eventuali frequenze immagini, in due canali audio sfasati tra di loro in quadratura (90°) I/Q. Per poter operare correttamente la conversione è necessario disporre di un oscillatore locale, quarzato (T1) con frequenza collocata nel centro banda del Ricevitore, molto pulito e due regolari segnali con fasi 0 e 90° ottenuti mediante l’uso di due inverter IC6a - IC6b e una rete LC. La mancanza di simmetria dell’oscillatore locale degrada rapidamente l’intercept point di terzo ordine (IP3). Per questo motivo è stato inserito un correttore della fase del segnale agendo sul trimmer C34. I due canali audio ottenuti in uscita dal mixer sono sfasati tra di loro in quadratura, ecco come appaiono alla visualizzazione dell'oscilloscopio. Questi segnali, che chiamiamo semplicemente I/Q vengono amplificati da due operazionali tipo rail to rail, adatti a funzionare con basse tensioni di alimentazione e con guadagno di circa 50Db, il segnale in uscita può entrare direttamente nell’ingresso stereo della nostra scheda sound blaster. A questo proposito sarebbe ottimale disporre di una scheda audio del tipo professionale con risoluzione di 24bit e campionatura del segnale a 96KHz. La frequenza di campionamento e la risoluzione determinano la quantità di dati prodotti durante il processo di digitalizzazione e di conseguenza la gamma dinamica, cioè la differenza in dB tra il più forte segnale campionabile e il più tenue sopra il rumore, inoltre considerando che la frequenza di campionamento di un segnale deve sempre essere almeno doppia della massima frequenza contenuta nel segnale da campionare (Teorema del campionamento di Nyquist-Shannon) selezionando una frequenza a 96KHz potremmo controllare ben 48KHz di spettro radio. Personalmente utilizzo una Delta44 a 24 bit/96KHz con caratteristiche di dinamica vicino ai 112dB!! Con una tradizionale sound blaster, 16 bit di risoluzione, al massimo avremmo 80dB di dinamica.. la differenza si nota eccome!
Passiamo ora ad analizzare la sezione trasmittente del FireFly iniziando dall’oscillatore variabile quarzato VXO in configurazione Colpitts (T2) con due quarzi di identica frequenza di risonanza in parallelo in modo da ampliare a circa 20Khz il range di frequenza, fermo restando la classica stabilità del quarzo. La variazione di frequenza viene ottenuta tramite un varicap (D2) regolando la tensione ai suoi capi da 1v a 5V con range di frequenza della TX da 10,102 a 10,116MHz. Il segnale dell’oscillatore viene amplificato da due porte logiche Nand contenute in IC7 (IC7a–IC7b) usate come buffer/separatori prima del finale di potenza. In questo stadio viene usato come amplificatore a larga banda "no-tune", senza polarizzazione (Bias), per un miglior rendimento, quasi 85%, tre Mosfet in parallelo, del tipo a commutazione veloce BS170, data l’alta impedenza di ingresso del gate questi possono essere direttamente interfacciati con l’uscita del buffer IC7. L’uscita poi prevede il classico filtro passa basso a tre stadi con attenuazione –30dB a 15MHz. Come si nota dall’analisi spettrale, la seconda armonica è a –60dB, la terza nel rumore. La modulazione del segnale CW viene ottenuta interrompendo l’oscillazione del quarzo attraverso Q3 e inibendo le porte del buffer IC7, le altre due porte logiche contenute in IC7 (IC7c–IC7d) in configurazione monostabile hanno il principale scopo di modulare i fianchi della forma d’onda CW in modo da eliminare i "key clicks" che potrebbero causare fastidiosi disturbi in gamma. Qui la forma d'onda catturata. Inoltre la pressione sul Bug, causa anche un cambiamento dello stato logico all’uscita del monostabile, inibendo il mixer QSD (IC8), livello alto agli ingressi 1-15, e grazie a due mosfet Q3-Q8 viene bloccato ogni eventuale segnale proveniente dal trasmettitore che causerebbe seri danni al mixer. FireFly dispone di un Keyer elettronico realizzato con l’ausilio di un microcontrollore della serie PIC (IC1) il cui software programmato da N5ZE permette molte funzioni tra le quali la possibilità di usare il classico tasto verticale o il bug, tre memorie con 40 caratteri memorizzabili, velocità di trasmissione regolabile, beacon ecc.. Tutte queste funzioni si ottengono semplicemente premendo il tasto PROG. in unione alle "palette" punti e linea del nostro Bug. E’ più difficile spiegarlo che usarlo! Per poter ascoltare la propria manipolazione è disponibile un piccolo amplificatore, monitor, realizzato con il classico LM386.

Realizzazione pratica

Il ricetrasmettitore è stato progettato con la tecnica SMD (Surface Mounting device) a montaggio superficiale, questo per avere il minimo ingombro e quindi risparmiare nelle dimensioni del RTX, tutti i condensatori, difficili da individuarne il valore, erano inseriti in contenitori opportunamente colorati, stesse confezioni anche per le resistenze, transistor, intergrati. Sempre più spesso questi componenti sono prodotti esclusivamente in SMD. Si tratta della naturale evoluzione dell'elettronica industriale e di conseguenza amatoriale: volenti o nolenti, se si vorrà stare al passo della tecnologia sarà necessario attrezzarsi adeguatamente e alla svelta. La principale difficoltà che si incontra sta nel maneggiare i componenti, viste le dimensioni ridotte e soprattutto adattarsi alla tecnica tutta particolare nel saldare. Un buon punto di partenza è quindi procurarsi una piccola attrezzatura idonea ad iniziare; come l’uso di occhiali con lente di ingrandimento, in modo da lasciare libere le mani, saldatore con punta molto sottile, pinzette (dritte e/o curve) per posizionare i componenti SMD. e stagno adeguato 60/40 dimensione 1 mm o meno. Un’altro utile consiglio è quello di usare un tegame da forno per biscotti. Non è uno scherzo, ma per esperienza acquisita posso assicurarvi che all’interno di esso, si lavora tranquillamente e si evita soprattutto la caduta in terra dei minuscoli e quindi introvabili componenti SMD! Il circuito va realizzato consultando il manuale, tutto il processo viene portato a conclusione passo per passo. Basta seguire le varie fasi del montaggio, accompagnati da chiare fotografie e dalla descrizione dei componenti utilizzati nelle varie sezioni, inoltre ad ogni passo viene eseguito una piccolo test e procedura di collaudo, prima di passare al successivo. E’ praticamente impossibile sbagliare! Si consiglia solo di prestare attenzione nell'avvolgere in maniera corretta le bobine realizzate su supporto toroidale, specialmente il trasformatore L9 del "Front end" essendo composto da un primario composto da 19 spire e d il secondario con 4 spire, queste vanno eseguite nella stessa direzione di avvolgimento per non trovarci con un segnale sfasato. Nel Kit è comunque inserito il filo smaltato di due diverse sezioni. Attenzione il diametro del filo è espresso nel sistema di *calibro* americano dei cavi (American Wire Gauge, abbr. AWG) maggiore è AWG minore è il diametro del filo! Potete qui consultare una utile tabella di conversione al sistema millimetrico. Una volte terminato il montaggio, prima di inserirlo nell’apposito contenitore in alluminio bisogna eseguire alcune piccole tarature che descriveremo adesso.

Allineamento del ricetrasmettitore

Non occorre una particolare strumentazione per allineare il FireFly, la raccomandazione principale è di aver già installato sul PC uno dei programmi di ricezione SDR che descriveremo avanti, questo ci servirà come ottimo punto di partenza per allineare il ricevitore. Ideale sarebbe disporre di un generatore RF, in alternativa potremmo anche fare uso del nostro RTX in minima potenza collocato su un opportuno carico fittizio, posto nelle vicinanze del ricevitore da tarare a cui potremmo inserire un piccolo spezzone di filo per creare una minima antenna. Potremmo cosi trasmettere una portante fissa a 10.114MHz e tarare per il massimo di segnale visualizzato sul software SDR i due compensatori C87 e C75. Per la corretta taratura di C34 sarebbe necessario l’ausilio di un oscilloscopio doppia traccia. Si mandano i due segnali I/Q ai due canali dell’oscilloscopio, precedentemente impostato nella modalità X/Y: in questo modo lo spazzolamento orizzontale è fatto mediante la tensione del canale B, se i due segnali hanno le medesime ampiezze e frequenza e sono sfasati di 90° si ottiene un perfetta circonferenza, agendo quindi sul trimmer C34 possiamo aggiustarlo affinché il cerchio sia il più possibile perfetto. Qui la cattura.
Il trasmettitore non necessita di alcuna taratura, se le bobine toroidali sono correttamente avvolte il funzionamento è immediato, unica piccola modifica, chi desidera incrementare la potenza d’uscita a circa 3,5Watt si può ottenere semplicemente inserendo in parallelo a L6 un condensatore ceramico da 47pF. Questo riduce anche l’intensità della seconda armonica di ben 6dB, inoltre controllare l’effettivo "range" di frequenza in trasmissione, se ci sono delle variazioni errate è bene misurare la tensione al varicap, deve cambiare da circa 0,8Volt a 5Volt, nel qual caso ridurre il valore della R52. (Questo per mia esperienza!).
Una volta sicuri che tutto funziona nel migliore dei modi, possiamo inserire lo stampato nel contenitore metallico a cui avremo precedentemente preparato tutti i fori per inserire i vari connettori, potenziometri, interruttori.
Potete trarre spunto dalla questa foto per vedere la mia realizzazione.
Attenzione a sistemare lo stampato nel mobile con opportuni distanziatori per evitare contatti accidentali verso massa.. ricordiamoci che anche la parte inferiore contiene componenti!!

Programmi SDR

Per sintonizzare al meglio il ricevitore, il segnale audio I/Q, in uscita dal FireFly deve essere connesso alla scheda audio del PC attraverso due canali distinti. Un apposito software deve essere installato ed essere configurato correttamente. Nel WEB sono disponibili numerosi programmi anche gratuiti, funzionanti con i principali sistemi operativi, Windows e Linux.
Un ottimo programma a mio modesto avviso è WINRAD, progettato da Alberto di Bene I2PHD scaricabile dal sito dell’autore:

http://www.weaksignals.com/ 

Winrad è molto semplice da usare. Alberto si è impegnato al massimo nel realizzare un software la cui interfaccia sia semplice e subito intuibile, pochissimo uso della tastiera in quanto talvolta è difficile da ricordarsi certe strane combinazioni di tasti!
Suo fratello gemello scritto per il sistema operativo Linux e LINRAD di Leif SM5BSZ, abbastanza difficile però da compilare ed installare in quanto facente uso di librerie grafiche obsolete.
Altri programmi disponibili per Windows, sono ROCKY scaricabile dal sito:

http://www.dxatlas.com/Rocky/

POWER SDR il cui sito per prelevarlo è:

http://flex-radio.com/PowerSDR

Tutti questi software oltre a demodulare vari tipi di segnali, contengono un analizzatore di spettro in tempo reale con larghezza di banda continuamente variabile dall' utente, filtro grafico passa banda variabile a piacere, un waterfall, riduttori del rumore e/o interferenze, insomma un sacco di possibilità sempre in continuo aggiornamento da parte dei vari autori!
Questi programmi in genere "girano" correttamente con una CPU da almeno 1GHz o oltre, specialmente se si usano campionamenti alti, tipo 96 o 192KHz. 
Non per ultimo un buon consiglio è di iscriversi ad un gruppo di discussione per gli utilizzatori o appassionati di Software Defined Radio (SDR ) e relative tecniche di ricezione e ricetrasmissione, ad esempio:

http://it.groups.yahoo.com/group/Ciao_Radio_newsgroup_/ 

Qui troveremmo senza dubbio numerosi appassionati che ben volentieri ci favoriranno aiuti in caso di particolari dubbi, sia dal punto di vista Hardware che Software.

FireFly al lavoro!

Siamo arrivati al punto più atteso, la prova "ON THE AIR" del nostro RTX, ovviamente avrete già caricato e configurato correttamente il vostro programma preferito di ricezione SDR, colleghiamo la nostra antenna all’ingresso e accendiamo! Se tutto è OK, oltre a notare diverse portanti sull’analizzatore di spettro del programma, sentiremmo un FB (Fine Businnes ) in CW uscire dallo speaker del monitor. Perfetto!! Non resta altro che sintonizzarsi, facendo click con il mouse su una stazione vista sulla finestra dello spettro..speriamo stia chiamando CQ/QRP e regoliamo i vari filtri in modo di ascoltarla nei migliori dei modi..
Per facilitare il traffico isoonda, affinché la nostra emissione sia centrata su quella del corrispondente, basta accendere il tasto "Spot". Sull’analizzatore di spettro noteremo subito la nostra portante, variamo il "TX Tune" fino a che udiremmo il battimento zero sul segnale del corrispondente. Proviamo cosi a iniziare il QSO, rispondendo direttamente premendo il BUG, sarà possibile ascoltare la nostra battitura nello speaker monitor. La regolazione del volume, si ottiene agendo sul trimmer R8. La mia impressione è stata ottima sotto tutti i punti di vista, ho già realizzato diversi QSO con il FireFly e in specialmodo la ricezione è impressionante, facendo un paragone con il mio TS2000 non noto alcuna differenza..anzi! Stiamo parlando di un RTX che tutto sommato costa 70 Euro! FireFly è anche disponibile per la banda dei 20 metri basta specificarlo al momento dell’ ordine.
Non mi resta che auguravi : BUON LAVORO! Giuliano IN3KLQ

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