Projets:Lab:2017:Peripheriques Angelia
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Pourquoi
Début 2017, trois idées de projets "radio logicielle" (SDR) ont mûri à l'Electrolab.
- Réalisation d'un émetteur-récepteur décamétrique (0/30 MHz) d'entrée de gamme architecture DDC/DUC, échantillonnage 60 MSPS sur 12 bits (Hermes Lite)
- Réalisation d'un émetteur-récepteur décamétrique (0/60 MHz) haut de gamme architecture DDC/DUC, échantillonnage 120 MSPS sur 16 bits, double récepteur (Angelia)
- Prise en charge des périphériques "front-end" d'un appareil du commerce closed hardware, openSource (Red Pitaya)
Le premier projet, Hermes Lite V 2.0, a été développé par Steve KF7O et est décrit sur le site Hermeslite.com Hermeslite.com.
Ensemble open source, open hardware, il reprend les fonctions principales du projets Open HPSDR initié par le Radioclub de Tucson, Arizona (TAPR pour les intimes).
Le second projet, Angelia, part du circuit imprimé nu d'un SDR également issu des travaux du TAPR : Hermes, évolution et intégration d'Open HPSDR. Angelia est la seconde génération de cette carte, également open source, open hardware
le troisième projet utilise une base matérielle initialement prévue pour jouer le rôle d'instrument de mesure polivalent destiné au marché de l'éducation. Piètre appareil de mesure, il est en revanche, moyennant quelques modifications et ajouts, un excellent émetteur-récepteur.
Si tout est fait pour que le Hermes Lite soit un transceiver autonome et complet, l'Angelia et le Red Pitaya en revanche, ne peuvent absolument pas fonctionner "tel que". Il leur manque notamment :
- Une alimentation régulée filtrée propre
- Une série de filtres à bande passante variable
- L'électronique de commande de ces filtres
- Les cartes de commutation d'antenne coté émetteur
- Les cartes de commutation d'entrées des récepteurs
- Un amplificateur de puissance HF couvrant de 1 à 60 MHz (chacun choisissant selon son budget la puissance qui lui conviendra). Angelia "nue" ne délivre que 500 mW et le Red Pitaya 10mW
- Un module de mesure de puissance directe et réfléchie
- Un module de prélèvement du signal en sortie d'émetteurs, destiné à un système de pré-distorsion (aka "pure signal" en langage marketing Apache)
- Éventuellement un module d'affichage en façade fournissant les indicateurs de bon fonctionnement de la station radio (puissance de sortie, signal réfléchi, température de l'amplificateur, indicateur d'émission, système de sécurité et de protection dudit amplificateur)
Filtrage : les héritiers d'Alexiares
Ce sont les premières extensions conçues par l'Electrolab, car indispensables au fonctionnement d'Angelia. En outre, une approche modulaire devrait ouvrir ce dévelopement à toute personne cherchant un ensemble de filtres émission/réception pour faible puissance -50 W maxi.
A l'origine, le projet OpenHPSDR utilisait trois filtres et au moins deux protocoles d'adressage pour lesdits filtres
Les protocoles :
- Penelope, alias "Penny", une commutation paramétrable sur 7 bits par le truchement d'un tableau de cases à cocher, et délivrant, sur un connecteur baptisé "J16", un mot décimal ou binaire qui servira à commuter des périphériques capables de réagir aux états de ce mot de 7 bits.
- Alexiares, alias "Alex", une commutation strictement définie et véhiculée par un bus I2S.
Les filtres :
- Apollo, un filtre passe-bas faible coût destiné à suivre un petit amplificateur HF de 10/15W baptisé Pennywhistle. Pour information, Pennywhistle fonctionne sur le Hermes Lite V 1.0 d'un membre de l'Electrolab depuis plus d'un an. Des liaisons de plusieurs centaines, voir milliers de km sont envisageables avec un tel ampli.
- Alex est un filtre plus évolué. Il combine le passe-bas Apollo et un passe-haut. En jouant avec les fréquences de coupure de ces deux filtres, on obtient un filtre à bande passante variable. Alexiares est constitué de 7 passes-bas, 7 passe-haut, et d'un circuit de contournement (pas de filtre du tout). Selon les combinaisons, il peut se limiter à la fonction passe-bas uniquement, passe-haut uniquement, et passe-bande en combinaison. Alex intègre également d'autres fonctions telles qu'une triple commutation d'antennes à l'émission, une quadruple commutation coté réception pour ajouter d'éventuels filtres spécifiques, transverters, amplificateurs faible bruit, antennes spécifiquement réception (beverage par exemple), un amplificateur faible bruit, un atténuateur 0/10/20/30 dB, un filtre antialiasing, l'aiguillage du signal émis vers un récepteur secondaire (à des fins de pré-distorsion par exemple), la prise en compte des paramètres de fonctionnement de l'amplificateur de puissance -tension, courant, puissance directe et réfléchie, température- ... pour ne citer que les principales.
- Anicetus, un passe-bande en L qui n'a jamais vraiment été réalisé en série
Tous ces filtres ont été originellement conçus pour le système OpenHPSDR. Mais avec le temps, seul Alex a survécu. L'évolution de la partie SDR, avec l'arrivée de la carte Hermes et de ses variantes Angelia et Orion, n'a pas entraîné de modification majeur de ce filtre. Et ce malgré plusieurs ajouts, notamment un second ADC sur la chaine de réception, l'apparition de fonctions de traitement de signal évolué (prédistorsion, EER, diversité... ). Mais depuis sa première version, bien des choses ont changé. Certains composants ne sont plus disponibles, d'autres SDR situés dans la mouvance OpenHPSDR utilisent des protocoles différents, les circuits imprimés initialement revendus par le Radioclub de Tucson (TAPR) ne sont plus disponibles...
C'est la raison d'être de cette nouvelle version d'Alex un "fork" matériel du filtre originel. La principale différence avec Alexiares réside dans dans le fait que la section "interface" entre le SDR et le filtrage est indépendante. De cette manière, les lpf, hpf, commutateurs d'antenne etc peuvent être utilisés sur d'autres équipements moyennant une nouvelle interface adaptée.
Alexandrie, ses frères et soeurs
plus de 10 PCB différents constituent le "nouvel Alexiares" (Ἀλεξιάρης ).
Alexi2C
- - Alexi2C ( Ἄλεξις) : interface I2C entre red pitaya ou Hermes lite d'un côté, et les filtres (et commutations antennes, lna, atténuateurs... ) de l'autre. Format 5x10cm
Cette carte peut être utilisée pour interfacer n'importe quel "maitre" I2C (Arduino, Raspberry etc) avec des composants de puissance ou des charges inductives
Si l'on omet de monter les ULN2803, il est possible de ressortir les gpio du PCA9555 en n'installant pas les connecteurs J4 et J5, et en soudant les connecteurs J6 et J11. J3, J12 et J13 sont également inutiles, ainsi que la diode D1
Si l'on ne souhaite installer que les ULN2803 pour n'utiliser que la paire de drivers -dans le but d'interfacer les sorties d'un Arduino ou d'un Raspberry par exemple- il faut monter tous les connecteurs sauf J1 et J2, ne pas installer R4 à R7, C5, C6 et le PCA9555.
Schéma
Principe de fonctionnement
Un PCA9555 est chargé de décoder les informations du bus I2C, lesquelles activent les 16 entrées-sortie du circuit. Soit une à une, soit plusieurs à la fois.
Une paire de réseaux de transistors darlington -ULS28003- tamponne les sorties du décodeur I2C et adapte les tensions de fonctionnement des périphériques extérieurs (les relais 12V des cartes Alexiares HPF et LPF par exemple)
En fonction de l'adresse sélectionnée -0x20 ou 0x21- le circuit décodeur PCA9555 interprète soit le mode par défaut Penelope (aucun jumper), soit le mode Alexiares (jumper sur 0x21).
Si l'on souhaite utiliser les deux types d'adressage, pour piloter par exemple d'une part les lpf et hpf Alexiares, et d'autre part piloter les commutations d'un amplificateur de puissance externe ou gérer les sorties antenne, il suffit de chaîner les deux cartes.
Les adresses 0x22 et 0x23 sont réservées à des développements ultérieurs
Réalisation
La réalisation de cette carte n'appelle aucun commentaire particulier. Il est à noter que les premières cartes prototype pouvaient accepter un régulateur 5V optionnel utilisable dans des conditions très particulières et assez rares (câblage de l'I2C en "trois fils", SCL et SDA en logique TTL). La version "de série" n'intègre pas ce régulateur
La tension appliquée sur le commun des ULN2803 (J3) ne doit pas dépasser 20 V
Lorsque branché à un Red Pitaya, les entrées SCL, SDA et GND sont à repiquer sur le connecteur E2, mais la ligne d'alimentation I2C du PCA9555 doit partir du rail 3.3V (connecteur E1).
Le décodeur I2C ne fonctionnera pas si les signaux I2C sont en 3V et la tension de bus supérieure à 4V
Alexandrie
- - Alexandrie (Ἀλεξάνδρεια): interface I2S entre Red Pitaya ou Hermes/Angelia d'un côté, et les filtres (et commutations antennes, lna, atténuateurs... ) de l'autre. Format 10x10cm
Alexiares_lpf
- - Alexiares_lpf : Filtre passe-bas de puissance. Se connecte à Alexandrie ou à Alexi2C. Filtre la sortie d'un amplificateur HF de puissance. Format 10x10cm
Alexiares_hpf
- - Alexiares_hpf : Filtre passe-haut. Se connecte à Alexandrie ou à Alexi2C. Filtre les signaux radio à l'entrée du récepteur. Combiné avec le filtre passe-bas, il peut jouer le rôle de filtre passe-bande à bande passante variable, selon les cellules sélectionnées. Format 10x10cm
Mentor
- - Mentor (Μέντωρ) : MCU de contrôle et sécurité du P.A., se connecte à Alexandrie (mais pas à Alexi2C). Mentor est chargé de contrôler la tension, température, courant, puissance directe et réfléchie, ventilation de l'amplificateur de puissance. C'est un développement de ON7EQ. Format 5x10cm
Télémaque
- - Télémaque (Τηλέμαχος) : en développement. Capteurs de température, tension, courant, Fwd/Vswr qui se connecte d'un coté à l'ampli de puissance, de l'autre à Mentor. Format 5x10cm
Alexiares_lpf_RX_In
- - Alexiares_lpf_RX_In : filtre antialiasing 60 MHz avec rejection des bandes broadcast fm. Se connecte à Alexandrie pour la commutation, et en tête de filtre hpf dans le "signal path". Utilisable avec Red Pitaya, mais la gestion de la commutation émission-réception et de Pure Signal sont alors légèrement différentes. Format 5x5cm
Aiôn
- - Aiôn (αἰών) : (dieux Grec du temps cyclique) Ocxo 10 MHz pour Angelia (pas de version pour Red Pitaya, un tcxo 125 MHz, moins luxueux, est à l'étude). Format 5x5cm
Themis
- - Themis (Θέμις) : (La déesse qui mesure le bien et le mal) coupleur bidirectionnel qui mesure la puissance directe et réfléchie, se connecte sur Télémaque. Sert également à la ponction d'une faible partie du signal HF dans le circuit de prédistorsion (pure signal) qui contrôle la pureté spectrale de l'amplificateur de puissance. Format 10x10cm
Alexiares_Coax_Out
- - Alexiares_Coax_Out : deux cartes distinctes, l'une RX, l'autre TX. Commutation des antennes et entrées HF d'Angelia. Se connecte sur Alexandrie. Partiellement prises en compte par Alexi2C (il suffirait de demander à Pavel une modif de son firmware pour une prise en compte totale). Format deux cartes de 5x10cm
Hébé
- - Hébé (Ἥβη ) : (La déesse qui abreuve les dieux de l'Olympe) Hébé, système d’asservissement de l'alimentation de puissance, est un développement à long terme visant à l'intégration du procédé d'élimination/reconstitution d'enveloppe HF (émission). Techniquement, c'est un étage qui analyse les signaux I/Q sortant du fpga durant l'émission et les converti, en respectant un temps de latence et déphasage précis, en un signal PWM qui asservit l'alimentation de l'amplificateur de puissance (en gros, Hébé "module" l'alimentation). Cette technique améliore le rendement du final de l'émetteur, et promet des rendements supérieurs à 80% (contre 45% en classe AB1). De manière lapidaire, Hébé rend "linéaire" un amplificateur fonctionnant en classe E ou F, garantissant ainsi une importante économie d'énergie et un rendement élevé des étages HF. Format non encore défini, probablement 10x10
