RDR 160A

Der RDR 160 ist ein digitaler Empfänger, der speziell für den Empfang hochfrequenter Signale im Bereich von 87,5 MHz - 108 MHz (UKW Rundfunk) und 130 - 160 MHz (2 m Amateurfunk und Spezialanwendungen) ausgelegt ist. Entsprechend der Hauptanwendung “FM-Tuner” ist er mechanisch an die Größe üblicher HiFi-Heimgeräte angepasst (43 cm Breite). Die Ausführung des Gerätes ist mit dicken, gefrästen Seitenteilen und Aluminiumprofilen für Boden und Deckel, sowie einer 8 mm starken Frontplatte äußerst robust und qualitativ sehr hochwertig.

Die Signalverarbeitung ist volldigital mit direkter Abtastung des Antennensignals. Zum Einsatz kommen 4 Stück sehr rauscharme Analog- / Digitalumsetzer mit je 16 Bit Auflösung in Doppel-Gegentaktschaltung. Das ergibt 18 Bit Hochfrequenzauflösung mit exeptioneller Qualität der digitalisierten Signale.

Vor den 4 ADC wird das Empfangssignal mit sehr rauscharmen und intermodulationsfesten GaAs-Verstärkern auf den erforderlichen Pegel verstärkt. Die analoge Vorfilterung erfolgt breitbandig durch SAW-Filter und 6-polige LC-Filterstrukturen in differentieller Gegentaktschaltung. Das sichert zum einen hohe Unterdrückung von Außerbandsignalen und zum anderen die direkte Darstellmöglichkeit der kompletten Bandbelegung als Spektrum sowie den gleichzeitigen Empfang mehrerer Sender.

Innerhalb der digitalen Signalverarbeitung kommen die bewährten Algorithmen des RDR54 zur Anwendung. Das heißt:

• Durchgängig 36 Bit Auflösung bis zum Demodulatorausgang.
• 18 - 24 Bit Auflösung im Audiobereich.
• Kombinierte Signalverarbeitung in Zeit- und Frequenzebene für Summen-, Differenz-, Pilotton-, Hilfsträger- und RDS-Signal.
• Verschiedene Filter optimiert für hohe Trennschärfe und / oder maximale Audioqualität.
• Darstellung des Empfangssignals im Frequenzbereich (Spektrum), Zeitbereich (Oszillogramm), Phasenraum (Goniogramm) und als Histogramm zur Beurteilung des Dynamikbereichs.
• Genaue Messung von Pegel, Hub, SNR und anderen Parametern.

Digitaler Sender RPA5C

Die Baugruppe RPA5C ist ein Erweiterungsmodul für die Digital-Receiver RDR54C (Stand-Alone) und RDR25E (SDR für PC-Anschluss). Es kann in einen freien Steckplatz auf der Geräterückseite eingebaut werden.

Das Modul enthält einen vollständigen Sender inklusive Signalgeneratoren, Modulatoren und Leistungsverstärker. Der Sender wird vom Betriebssystem des RX gesteuert, die Sendedaten erhält er als digitalen Datenstrom vom Modul FDA20E (Mikrofon, Daten- / Tasteneingang und PTT). Alle vom RX empfangbaren Modulationsarten werden auch vom TX unterstützt, mit Ausnahme direkter Einspeisung von analogen I/Q-Daten im Basisband (Ba-IQ) oder mit niederfrequenter ZF (ZF-IQ).

Während die Empfänger voll durchstimmbar sind, arbeitet der Sender nur in folgenden Kurzwellen-Amateurfunkbändern (kundenspezifische Änderungen möglich):

• 160 m-Band: 1,81 ... 2,0 MHz
• 80 m-Band: 3,5 ... 3,8 MHz
• 40 m-Band: 7,0 ... 7,2 MHz
• 30 m-Band: 10,1 ... 10,15 MHz
• 20 m-Band: 14,0 ... 14,35 MHz
• 17 m-Band: 18,068 ... 18,168 MHz
• 15 m-Band: 21,0 ... 21,45 MHz
• 12 m-Band: 24,89 ... 24,99 MHz
• 10 m-Band: 28,0 ... 29,7 MHz

Soll eine externe PA angeschlossen werden, können an Buchse Ctrl das PTT-Signal (mit einstellbarer Verzögerungszeit PTT -> HF-Out) und ein 4-Bit Binärsignal zur Kennzeichnung des aktiven Bandes abgenommen werden (Achtung! Kein Open-Collector-Ausgang!).

Aufbau und Funktionsweise des Senders

Der Sender im Modul RPA5C arbeitet ebenso wie das Empfängermodul RDR25E volldigital unter Benutzung teilweise grundlegend neuer Funktionsprinzipien. Während diese im Empfänger durch eine neuentwickelte Zeit-Frequenz-Transformation ohne FFT für herausragende Leistungen sorgen, kommt im Sender das Prinzip der Polarkoordinaten-Modulation zum Einsatz.

Allein für den Leistungsverstärker (PA) gesehen, entspricht dies dem bekannten “Hüllkurven”-Verfahren. Dabei wird ein Class-C bzw. E / F Verstärker (nichtlinear) mit einer modulierten Versorgungsspannung betrieben, deren augenblickliche Höhe der Hüllkurve des zu generierenden Signals entspricht. Der Verstärker muss zusätzlich phasenmoduliert werden. Ein Ausgangsfilter unterdrückt die Oberwellen des nichtlinearen Verstärkers. Die notwendigen Signale für die Modulation der Versorgungsspannung und die Phasenmodulation des Verstärkers werden üblicherweise aus einem analogen Signal (herkömmlicher Sender oder SDR-Sender mit Digital-Analog-Umsetzer) extrahiert, was die mögliche Qualität mindert.

Im RPA5C erfolgt die Generierung und Modulation aller Signale grundsätzlich auf der Ebene der Phasen- und der Magnituden-Information (“Polar-Koordinaten”). Deshalb sind alle erforderlichen Signale für den Leistungsverstärker von Anfang an vorhanden, es ist kein D/A-Wandler notwendig. Die Signale besitzen eine sehr hohe Genauigkeit und ermöglichen dadurch hervorragende Eigenschaften von Modulation und Signalqualität des hochfrequenten Sendesignals.

Blockschaltbild des Polar-Senders

Die Aussage: “kein D/A-Wandler” ist natürlich nicht ganz zutreffend. Letztendlich wird doch ein sinusförmiges, analoges Sendesignal mit der jeweiligen Modulation erzeugt. Die Umsetzung der rechteckförmigen, digitalen Steuersignale in das analoge Sendesignal erfolgt beim Polarsender jedoch nicht durch einen Halbleiterbaustein mit nachfolgender Verstärkung. Vielmehr entsteht die leistungsstarke Hochfrequenzschwingung direkt in den Reaktanzen des Ausgangsfilters. Hier schwingt eine relativ hohe Scheinleistung, gesteuert von Phasen- und Magnitudenschalter, deren ausgekoppelter Realanteil (mit etwas Blindanteil, je nach Anpassung) das analoge Sendesignal darstellt.

Der Magnitudenschalter zur Modulation der Hüllkurve ist nur einmal vorhanden, während Phasenschalter und Ausgangsfilter für jedes Band getrennt vorhanden sind. Allerdings teilen sich 17 m und 15 m-Band sowie 12 m und 10 m-Band jeweils einen Signalzug. Die Bandumschaltung bzw. Freigabe der Modulations-Schalter beim Senden erfolgt elektronisch ohne Relais. Ausnahme ist eine statische Umschaltung mittels Relais bei 10 MHz (immer, wenn diese beim Abstimmen unter- bzw. überschritten wird), weil die unteren und oberen Bänder auf 2 unterschiedlichen Platinen angeordnet sind.

Für die erreichbare Signalqualität sind die Eigenschaften der Schalter und Filterbauelemente und die Genauigkeit der Steuersignale von entscheidender Bedeutung. Hier einige Beispiele für die realisierten Auflösungen hinsichtlich Bitbreite und Frequenz- / Zeitauflösung:

• Magnitude und Phase:18 Bit mit 81,92 kSps.
• PWM-Takt: 334 MHz + DDR (Double Data Rate) -> 13 Bit Auflösung, 1,5 ns Genauigkeit der Steuersignale des Magnitudenschalters.
• Frequenzeinstellung Rechteckgenerator: 0,625 Hz Auflösung, 6 ns Zeitauflösung der Flanken.
• Impulsformer: Erhöhung der Zeitauflösung für beide Flanken auf 10 ps Genauigkeit des Steuersignals für den Phasenschalter.
• Phasenschalter: ZVS-Schalter (Zero Voltage Switching) für bis zu 100 VA Scheinleistung.

Die folgenden Spektren zeigen die mit dem RPA5C erreichbaren Werte bei 2 MHz. Mit zunehmender Frequenz verringert sich der IM-Abstand langsam, bei 29 MHz sind für 5 W PEP aber immer noch über 40 dBc erreichbar.

1 W PEP bei 2 MHz: 56,5 dBc = 62,5 dB(PEP)

5 W PEP bei 2 MHz: 50,5 dBc = 56,5 dB(PEP)

Nebenwellen oder Rauschen sind hier noch nicht sichtbar, d. h. mehr als 70 dB gedämpft. Dies wird auch bei fast allen Einstellungen aufrecht erhalten. Die Ausnahmen sind “ungünstige” Frequenzen mit ganzzahligen Teilerfaktoren der System-Taktfrequenz (vor allem 1/8 und 1/6 CLK), bei denen Mischprodukte mit ca. -60 dBc in der Nähe der Sendefrequenz erscheinen können.

Ein weiterer großer Vorteil der “Polar-Methode”, der hohe mögliche Wirkungsgrad (aktive Elemente nur im Schaltbetrieb), kommt beim RPA5C aufgrund der relativ kleinen Leistung kaum zum Tragen. Immerhin benötigt das sehr kompakte Modul keine weitere Kühlung und erwärmt sich im eingebauten Zustand nur  langsam und bei CW-Dauerstrich bis zu kritischen Grenzen. Bei 5 W CW und 13,8 V Speisung benötigt der Sender nur ca. 0,6 A.

Transceiver-Betrieb mit dem RDR54C

Der Empfänger RDR54C kann durch Einbau des Sender-Moduls RPA5C zu einem Transceiver erweitert werden. Voraussetzung ist ein vorhandenes Modul FDA20E zum Anschluss von Mikrofon und PTT bzw. Taste und Dateneingang.

Zur Steuerung des Senders ist eine erweiterte Bedienoberfläche notwendig. Sie enthält die notwendigen Einstell- und Anzeigefunktionen für den Sendebetrieb. Dies sind die Konfiguration des Mikrofoneingangs und der zeitlichen Abläufe der Sende-Empfangs-Umschaltung, sowie die Anzeige Sender-relevanter Parameter wie Leistung, SWV, Modulations-Aussteuerung oder Temperatur der Endstufe. Weiterhin ist eine genaue Analyse des Mikrofonsignals und des Sendesignals möglich.

    Konfiguration der Mikrofon- und Sender-Einstellungen

Für den Transceiver-Betrieb des RDR54C können diese beiden Dialoge aufgerufen werden. Hier können, wie beim RDR54 üblich, mit gedrücktem Drehknopf die verschiedenen Punkte ausgewählt und bei nicht gedrücktem Knopf verändert werden. Es werden unsymmetrisch und symmetrisch angeschlossene Mikrofone unterstützt, eine Phantomspeisung (ebenfalls unsymmetrisch oder auf beide Mikrofonanschlüsse) von +5 V oder +40 V (ausreichend für fast alle gängigen Großmembran-Studiomikrofone) kann zugeschaltet werden, Pegel- und Zeitparameter für ALC, Squelch, Vox und PTT können eingestellt werden usw. Ein Equalizer  erlaubt in Verbindung mit der stufenweise schaltbaren Bandbreite eine feinfühlige Einstellung des Sendefrequenzgangs.

Der Sender erlaubt auch eine unabhängige Einstellung der Sendefrequenz gegenüber der Empfangsfrequenz. Die Angabe ist relativ, das heißt als Versatz (Shift) zur generellen Frequenzeinstellung des Gerätes. Senden ist nur möglich, wenn die Gerätefrequenz + eingestellter Shift innerhalb eines der oben angegebenen Bänder liegt.

Das Senden erfolgt immer mit der für den Empfänger eingestellten Modulation (außer bei Ba-IQ und ZF-IQ: kein Senden erlaubt). Die Bandbreite des Sendesignals entspricht jedoch nicht der Bandbreiteneinstellung des Empfängers, sondern den in diesen Dialogen gewählten Grenzen (Equalizer / Bandbreite + SSB-Verschiebung gegen Trägerfrequenz). Bei FM ist der Hub für Audio-Vollaussteuerung im Memory-Dialog wählbar (siehe unten)

Solange der Mikrofon-Dialog geöffnet ist, zeigt die Spektraldarstellung des RDR54C immer das Audio-Spektrum oder ein Oszillogramm des Mikrofonkanals an. Damit ist eine genaue Kontrolle des Mikrofonpegels und des Frequenzgangs möglich.

   Panel für Sender-Kontrolle

Zur Überwachung des Senders erscheint dieses Panel im Display. Es zeigt die Aussteuerung des Modulators, die augenblickliche Sendeleistung, das Stehwellenverhältnis am Anschluss Ant5 und die Temperatur der Senderplatine durch Balkendiagramme an. Die SWV-Anzeige speichert den letztmalig gemessenen Wert, während die anderen Anzeigen immer den aktuellen Zustand wiedergeben.

Die Balkenanzeigen erscheinen in verschiedenen Farben. Sie signalisieren damit normale Betriebszustände (grün), die Annäherung an Grenzwerte (gelb) oder deren Überschreitung (rot). Bei Überschreitung der Grenzwerte für SWV und / oder Temperatur wird der Sender abgeschaltet. Dann leuchtet das komplette Panel rot zur auffälligen Anzeige. Bei Vorhandensein von HF-Leistung an Ant5 (Sender eingeschaltet) leuchtet nur der rechte Rand rot auf.

Zweitongenerator zur Sender-Prüfung

Im Polar-Modulator ist ein Zweiton-Testgenerator eingebaut. Er kann durch Aufruf des Memory-Dialogs aktiviert und über die dortigen Einstellwerte des Stereocoders (nur in Software-Versionen ab 300 vorhanden) gesteuert werden. Die für den linken und rechten Kanal des Coders vorgesehenen Frequenzeinstellungen werden beide unabhängig voneinander zur Modulation verwendet (immer gleicher Pegel). Das erzeugte Signal entspricht den Einstellungen beim Öffnen des Dialogs, also z. B. Seitenbandlage oder Verschiebung bei SSB werden entsprechend berücksichtigt.

Der Sender kann zu Test- und Abstimmzwecken über PTT oder mit Taste F2 ein- / ausgeschaltet werden. Frequenz- und Pegel- bzw. Hubeinstellung sind auch während des Sendebetriebs veränderbar. Die weiter oben gezeigten IM-Messungen wurden mit den Testsignalen vorgenommen. Dieses Spektrum zeigt eine Zweiton-FM-Modulation mit sehr hohem Dynamikbereich.

Anschluss von Mikrofon und Morsetaste

Das Modul FDA20E besitzt eine 8polige RJ-45 Buchse zum Anschluss eines Mikrofons mit PTT-Taste und einer Morsetaste (bzw. Dateneingang für digitale Modulationsarten). Die Pinbelegung entspricht der von vielen üblichen Mikrofonen aus der Amateurfunktechnik (z. B. Yaesu, Icom  oder Kenwood) und ist weitgehend konfigurierbar (die Schalter im unten gezeigten Schaltbild sind per Software ein- und ausschaltbar). Vorhandene oder “Lieblingsmikrofone” sind deshalb oft direkt anschließbar.

Wir empfehlen die Verwendung eines modernen Großmembran- oder guten dynamischen Studiomikrofons. Als Option kann ein Anschlussadapter mit Herausführung von PTT, Data (Taste) und Hilfsversorgung +5V (alles Klinke 3,5 mm) zum RPA5C mitgeliefert werden.

Anschlussbelegung der Mikrofonbuchse des Moduls FDA20E

Anschluss-Box für die Mikrofonbuchse des FDA20E-Moduls