Polaric Tracker - en prosjektbeskrivelse fra hardware ansvarlig PDF Skriv ut E-post
Skrevet av LA2NI Kjell Karlsen   
søndag 11. oktober 2009 19:22

Denne artikkelen ble skrevet av LA2NI Kjell Karlsen ved LA3T. Kjell har i praksis vært ansvarlig for utvikling av hardware for Polariic Tracker.

Artikkelen beskriver utviklingsprosjektet av Polaric Tracker og er pr. 13.10.09 oppdatert mot slutten av artikkelen med informasjon om produksjonsenheten.

 

Prosjektmål

Målet er å konstruere en lett, liten og komplett APRS Tracker til en fornuftig pris.

Den må være enkel å bruke slik at ”alle” kan bruke den uten spesielle kunnskaper.

Programmeringen og konfigureringen må være enkel og kunne gjøres med generelle dataverktøy.

Den må være mulig å brukes på flere frekvensområder.

Ulike protokoller må kunne benyttes.

Ulike modulasjonstyper må kunne benyttes.

Utviklingen av prosjektet

For noen år siden laget vi ett APRS modem som gruppa har solgt til amatører i ett antall på ca 70-75 stk. Vi har lenge sett ett behov for å videreutvikle dette til en enhet med innebygget GPS, APRS modem, VHF transceiver og batteri. Dessuten ser vi behovet for mottaker, både for å forhindre pakkekollisjoner, men også for at enheten skal kunne brukes som digipeater.

Først hadde vi planlagt å bruke en mottakerkrets fra Philips (SA607). Det er en konvensjonell enkeltsuper med MF på 450 KHz. På VHF og UHF brukes den etter en blander med en høy MF på 45-100 MHz.

 

 

Vi tenkte først å bruke den som en enkeltsupeer med 450 KHz MF og ikke bry oss om speilfrekvensen, men når vi regnet på dette så viste det seg at dersom lokaloscillatoren ble lagt over 144,8 MHz så ville speilet ligge på (144,8+0,9) 145,700 MHz som jo er utfrekvensen til R4 (RV56). Dersom lokaloscillatoren legges under vil speilet ligge på (144,8-0,9) 143,900 MHz. Dette er en av jaktfrekvensene så denne løsningen gikk vi bort fra. Vi bestemte oss for å lage en dobbelsuper med første MF på 45 MHz. Det finnes standardfiltre for denne frekvensen og dessuten hadde jeg flere tilgjengelige filter fra storslakt av utrangert NMT utstyr slik at for labmodellene og en liten prototypeserie ville kostnadene bli relativt lave. Imidlertid koster disse filtrene ca 100 kr. Selv i større antall så de vil utgjøre en betydelig del av totalkostnadene for en Tracker.

I tillegg til denne mottakeren måtte vi ha en synthesizer for å generere lokaloscillatoren og sendeoscillatoren og selvsagt en utgangsforsterker for å få ca. 5W ut.

PA trinnet er en sendemodul fra Mitsubishi og den leveres også for andre frekvensbånd, for eksempel 450 MHz.

For å kontrollere hele prosessen tenkte vi først å bruke en AVR mikroprosessor fra Atmel og i tillegg  en egen USB krets for tilkobling til en PC, men etter nærmere vurdering fant vi at vi heller ville satse på en ny AVR krets med USB innebygd, AT90USBxxx. Vi anskaffet utviklingsutstyr for denne mikroprosessoren fra Atmel og dette har lettet programvareutviklingen mye.

Jeg har i flere år benyttet ICér fra Analog Devices (AD) i prosjekter som jeg har arbeidet med, blant annet Direct Digital Synthesizers (DDS), PLL kretse og i ett prosjekt jeg hadde sammen med G3PLX, Peter Martinez (PSK31 ”oppfinneren”) sist vinter da vi brukte HF forsterkere, I/Q demodulator og en spesiell operasjonsforsterker fra AD for å lage en Software Defined Radio (SDR). Vi laget to SDR mottakere og skal fortsette med en enkel SDR Transceiver når trackerprosjektet er ferdig.

Litt tilfeldig kom jeg over en serie med transceiverchiper som AD lager for bruk på ISM-båndene  (450 og 900 MHz) Noen av disse kretsene kan settes opp til å gå helt ned til 80 MHz. Imidlertid bruker disse FSK modulasjon (2FSK, 3FSK og 4FSK). Siden APRS benytter AFSK kunne dette bli et problem.

 

Mottakeren kan demodulere AFSK  i testmode så dette går fint. I senderen tenkte jeg først å gå inn på loopfilteret og modulere som i en konvensjonell PLL, men etter å ha konsultert G3PLX som vel må regnes som en ekspert på modulasjon så viste han en løsning hvor vi kan ”lure” kretsen til å gi AFSK ut på lufta. Vi anskaffet ett evalueringskort fra AD for å teste dett ut før vi gikk videre med trackerprosjektet og har fått testet alle funksjonene og alt virket som det skal. Se fig 2

 

 

ADF7021 som vi benytter er en enkeltsuper med MF på 100 KHz. Selv med en så lav MF så er speilfrekvensen dempet ca 40-60 dB ved hjelp av intern DSP og all filtrering er også DSP og vi kan sette nesten hvilken som helst båndbredde i mottakeren. Følsomheten er ca -115 dBm og strømforbruket er 20 mA. Dette er for hele mottakeren, inkludert synthesizeren.

Frekvensen genereres i en såkalt Fractional-N PLL synthesizer. De som kjenner en konvensjonell PLL vet at laveste frekvensoppløsning en kan oppnå ved hjelp av en vanlig PLL (hvor en deler ned utgangsfrekvensen ved hjelp av en heltalsdeler) er lik fasedetektorfrekvensen, for eksempel 25 KHz.

Dersom en benytter en Fractional-N PLL synthesizer kan en legge fasedetektoren mye høyere. Vi bruker ett krystall på 6,4 MHz og i vårt tilfelle er faktisk detektorfrekvensen 6,4 MHz. Oppløsningen er nede i noen Hz selv med en så høy detektorfrekvens. Vi behøver ikke å fintrimme referansekrystallet med kondensatorer, dette gjøres i software under klargjøring og innlegging av program. Dessuten kan loopfilteret ha en høy cutoffrekvens og dermed får vi ett svært rent signal ut. Ett frekvensskift vil også kunne gå svært fort så lenge loopfilteret har en så høy cutoffrekvens. Modulasjonen gjøres digitalt ved hjelp av Fractional-N deleren og loopfilteret vil ikke røve å motvirke modulasjonen i motsetning til i en vanlig PLL.

Senderdelen gir ut ca 13 dBm og dette er nok til å drive PA kretsen til en utgangseffekt på 5W+. PA kretsen må ha 7V for å gi ut full effekt. Batteriet gir bare 3,3V så vi må derfor ”booste” opp spenningen ved hjelp av en switchmode krets.

Vi trekker ca. 4A fra batteriet i senderstilling, men dette batteriet tåler faktisk 40A belastning! Dette er ett nyutviklet Litium Ion batteri (A123). Det er plass til ett større batteri i den kassen vi har benyttet, men med den programmeringen av senderintervall vi har idag skal batterikapasiteten være tilstrekkelig.

 

Øverst fra venstre: GPS-antenne og batteri.

Midten: 6,4 MHz ref. xtal, ADF7021 TX/RX, CPU med 8MHz xtal og PSU komponenter.

Nærmest: Av/på bryter, PA trinn og USB kontakt.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Bare GPS-mottakeren på denne siden.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Tekniske data:

Ytre mål: 100X60X30 mm

Vekt      200 g (inklusive batteri og antenne)

Frekvensområde      140 – 150 MHz (Men også frekvenser fra 80- 950 MHz)

Effekt      5W

Strømforbruk      <30 mA

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 
Slik ser barnet ut

 

 

Komentarer og tillegg, 13.10 09

 

 

                       Vi skriver i dag 13 oktober 2009 og mye har skjedd siden dette foredraget ble skrevet våren 2008 .

 

Vi har gjort ett nytt utlegg av printplaten og har gått over til å bruke 4-lags kort. Dette gjør at ett av lagene kan være sammenhengende jordplan, noe som gir oss ett mye stabilere produkt. Dessuten er utlegget av en print med 4 lag mye enklere enn med 2 lag. Printen blir dyrere, men i det store og hele er det bare fordeler med 4 lag.

 

I den første labmodellen hadde vi bare ett 3,6V batteri. Vi måtte derfor ”booste” opp spenningen til PA-trinnet til 7V for å få nok utgangseffekt. Dette viste seg å være vanskelig uten å få for mye rippel på spenningen og dermed uønsket utstråling. For å få plass til 2 battericeller ble nesten alle komponentene flyttet over på undersiden av printplaten. Dette gjorde også sitt til at produksjonen er enklere.

 

Modulasjonen på de første labmodellene var brukbar men ikke perfekt. Ved AFM bør det være 6dB økning av deviasjonen pr. oktav av modulasjonsfrekvensen. Dette fikk vi ikke med den metoden vi brukte. Derfor gikk vi tilbake til vanlig AFM direkte på PLLen. Vi gjør dette med en 4-bits D/A converter fra CPUen. Ved å tilpasse lavpassfilteret etter converteren er det lett å få perfekt modulasjon.

 

Av andre forandringer kan nevnes at vi fant en ny og bedre GPS. Denne bruker mindre strøm, har bedre følsomhet og leveres sammenbygget med antenne. Dette har gitt oss litt hodebry, i og med at den ikke er satt inn i ett tett deksel. Vi har derfor fått laget ett spesialdeksel for denne for å få hele GPSen oppå lokket. På labmodellen kunne GPS antennen stå under plastlokket men i og med at vi har skiftet til en boks med metallokk så går ikke det lenger.

 

Vi har også skiftet noen av spenningsregulatorene (Switch mode) til mer moderne typer som støyer mindre og bruker mindre strøm. Det er lagt inn mulighet for egen strømforsyning til eksterne enheter for at trackeren skal kunne brukes i såkalt ”Host Mode” . En lydgiver er også satt inn for audio signalering. En RGB diode er også installert for å indikere forskjellige tilstander. Her er det mange muligheter for LA7ECA og andre programskrivere til å slippe fantasien løs!

 

På programvaresiden har det vært gjort en kjempeinnsats fra -7ECA og -7DJA slik at vi har fått en Tracker som i dag fungerer svært godt. Vi har fått anledning til å være med på øvelser og skarpe aksjoner så både mannskap og utstyr har fått vise hva de duger til. Det er også laget ett system for å presentere data lokalt på ett skadested som også fungerer godt. Se egen artikkel om programvaren.

 

LA2NI, Kjell Karlsen