Grundüberlegungen zum R2T2

Grundüberlegungen zum Schaltungsdesign des R2T2

Der R2T2 ist ein kompletter SDR Transceiver, der durch seinen Aufbau den aktuellen Stand der Technik widerspiegelt und durch seine umfangreiche Peripherie und modularen Aufbau auch zukünftig keine Wünsche offen lassen dürfte. Zum Betrieb ist keinerlei zusätzlicher PC notwendig, an den R2T2 können optional auch direkt ein Monitor (HDMI) und eine USB-Tastatur bzw. eine USB-Maus (noch besser: Wireless USB Desktop)angeschlossen werden.

Das Konzept:

Da sich das Direkt-Wandler-Prinzip („Antenna-to-Bits“) in vielen hundert HiQSDR-Modulen weltweit bewährt hat, legten wir dies auch als Basis für einen modernen SDR-Transceiver fest.

Dabei stellte sich sehr schnell heraus, dass für ein zukunftsfähiges Konzept mehr als ein „aufgebohrter“ DDC/DUC - SDR notwendig ist. Ein komplettes SDR-System, das zusätzlich Multiuser - fähig sein soll und bei dem alle Anwender gleichberechtigt einen „eigenen“ kompletten SDR in voller Auflösung und mit allen Optionen über das Internet zur Verfügung haben erfordert nicht nur Softwaremäßig entsprechend umfangreiche Vorkehrungen sondern auch die Hardware muss entsprechend leistungsfähig sein. Die Software eines modernen SDR-Konzeptes lässt sich nachträglich erweitern und ändern, bei der Hardware ist dies nicht so einfach möglich. Aus diesem Grund haben wir sehr viel Augenmerk auf modernste Bauelemente und Erweiterbarkeit der Hardware gelegt.

Das aus diesen Anforderungen entstandene Konzept des R2T2 lässt viel Luft für die Zukunft und ermöglichtes es, die Baugruppe wahlweise als Multiuser-WEBSDR oder als kompletten, erweiterbaren voll digitalen Standalone Multiband-Transceiver zu verwenden.

Eines der Entwicklungsziele war, den RX und TX-Zweig jeweils doppelt und unabhängig voneinander auszulegen (daher kam der Name R2T2…).
Dies wäre zwar für die Multiuser-Fähigkeit nicht notwendig,eröffnet aber viele neue Möglichkeiten wie Diversity, XPhase-Betrieb und somit die Unterdrückung von lokalen Störungen oder selektive Vorverzerrung des Sendesignals (TX-Predistortion).

Bei der Wahl der ADC/DAC wurden schnelle dual-14-Bit-Wandler von Analog Devices vorgesehen. 
16 Bit Wandler sind hier unseren Erachtens nur ein Werbeargument und technisch sinnlos, 
da die letzten beiden Bits in der Praxis kaum auflösbar und nicht nutzbar sind. 
Bereits echte(!) 14 Bit stellen extrem hohe Anforderungen, u.a. an den Hauptoszillator! 
So sind z.B. extrem niedrige Clock-Jitter erforderlich, von weiteren Systemanforderungen wie 
hochreine Stromversorgung, Einstrahlfestigkeit sowie externe Einflüssen wie Antennenrauschen, 
QRN usw. ganz zu schweigen.

Wichtiger als marktschreierische ADC-Auflösungen erschienen uns praxistaugliche, hoch aussteuerbare programmierbare Eingangsverstärker (PGA) und exakt software-steuerbare Abschwächer. Für den Hauptoszillator eine spezielle Multi-Chain-PLL mit integrierten programmierbaren Teilern verwendet der zusätzlich gestattet, wahlweise das gesamte System mit einer externen Frequenz (z.B. 10 MHz) zu synchronisieren. Standardmäßig sorgt ein stabiler TXCO für Frequenzgenauigkeit und erlaubt somit auch Betriebsarten wie WSJT oder EME die besondere Anforderungen an die Frequenzgenauigkeit und -Stabilität erfordern.

Schnell stand fest, dass neben modernen doppelten ADC/DAC auch das Prozessorsystem auf dem Board sein sollte, um die entstehenden I/Q-Daten direkt verarbeiten zu können und nicht erst über ein (langsames) Interface zu einem andern PC leiten zu müssen. Hier fiel unsere Wahl auf das modernste was momentan verfügbar ist, ein komplettes System-on-chip ZC7020 (ZYNQ) der neben einem großen FPGA auch zwei ARM9-Cores inklusiver kompletter Peripherie direkt auf einem Chip enthält. Ebenfalls viel Wert haben wir auf die Schnittstellen zum Anwender gelegt. Hierfür sind neben einem Gigabit-Netzwerkanschluss zwei USB2 (OTG und dual Seriell-Emulation), SD-Karteninterface usw. vorhanden.

Die Audioaufbereitung übernimmt der programmierbare Audio-DSP ADAU-1791, für die Audioausgabe (Monitoring) ist ein 2W Verstärker mit Kopfhörer- und Lautsprecheranschluss vorhanden.

Der ZYNQ-FPGA/Prozessorteil mit Speicher und Interfaces wurde auf einem separates 
Modul ausgelagert. Dies ermöglicht neben späterem „upgrading“ auf noch schnellere 
und größere ZYNQ-SoCs den R2T2 komplett auf einer Leiterplatte mit „nur“ 6 Lagen
unterzubringen.

Besonderes Problem war dabei, die durch die vielen Optionen notwendigen Steckverbinder an sinnvollen Stellen an der Platine unterzubringen. Die Baugruppe R2T2 ist 200x160mm groß und kann direkt in ein Alu-Stranggußgehäuse eingeschoben werden, die Abwärme wird durch unter der Leiterplatte montierten Wärmeverteilerplatten direkt an das Gehäuse abgegeben. Für den ZYNQ-SoC ist optional ein leiser, temperaturgesteuerter Lüfter vorhanden.

An der Rückseite sind alle Anschlüsse vorhanden, die für den Betrieb notwendig sind. An der Frontplatte kann optional ein LCD und bis zu vier Encoder (für VFO, Transverterbetrieb usw.)angeschlossen werden. Da der R2T2 für den Stand-Alone und für Remotebetrieb konzipiert ist, kann die Stromversorgung sowie PTT und KEY über galvanisch getrennte Leitung geschaltet werden, wobei alle Spannungen, Ströme und Betriebszustände über das Webinterface überwacht werden können.

Auf dem R2T2-Board sind Steckverbinder für Zusatzmodule wie VHF/UHF/SHF-Erweiterung sowie einem neuartigen Preselektor vorhanden. Dieses neuartige Konzept eines MultiUser-Preselektor erlaubt es mehreren Anwendern oder mehreren Software definierten Empfängern gleichzeitig, verschiedene Bänder zu nutzen.