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-Wandlerprinzip („Antenna-to-Bits“) in vielen hundert HiQSDR-Modulen weltweit bewährt hat, legten wir dies auch als Basis für einen Muli-User WEDSDR für den DARC fest.

Dabei stellte sich sehr schnell heraus, dass für ein zukunftsfähiges Konzept mehr als ein „aufgebohrter“ DDC/DUC - SDR notwendig ist. Ein SDR-Multiuser-System, 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 (und Verfügbarkeit!) 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 stand-alone 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 (Unterdrückung von lokalen Störungen) oder selektive Vorverzerrung des Sendesignals (TX-Predistortion).

Bei der Wahl der ADC/DAC wurden hochwertige, 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 weder auflösbar noch nutzbar sind. 
Bereits echte 14 Bit stellen extrem hohe Anforderungen, u.a. an den Hauptoszillator! 
(der Jitter muss kleiner als 115 Femto-Sekunden(!) sein) 
von restlichen Systemanforderungen (Stromversorgung, Einstrahlung) sowie externen 
Einflüssen wie Antennenrauschen, QRN usw. ganz zu schweigen. 

Wichtiger als marktschreierische ADC-Auflösungen erschienen uns praxistaugliche, hoch aussteuerbare Eingangsverstärker (PGA) und exakt software-steuerbare Abschwächer. Wir verwenden für den Hauptoszillator eine spezielle Multi-Chain-PLL mit integrierten programmierbaren Teilern (SI5344) der es zusätzlich gestattet, das gesamte System mit einer extern zugeführten Frequenznormal (z.B.10 MHz)zu synchronisieren. So haben wir auch der Anforderungen von Betriebsarten mit extremer Frequenzgenauigkeit und -Stabilität Rechnung getragen. Ein stabiler TXCO erlaubt aber auch ohne externe Synchronisierung Betriebsarten wie WSJT oder EME obwohl auch diese Betriebsarten besondere Anforderungen an die Frequenzgenauigkeit haben.

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 (OGT und 2x 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.

Um Lieferschwierigkeiten einiger besonderer Peripherie für den ZYNQ zu umgehen (1.8V-Gigabit-PHY, DDR3L-Chips) haben wir uns
entschlossen, den FPGA/Prozessorteil mit Speicher und Interfaces auf ein separates Modul auszulagern. Dies ermöglicht neben
späterem „upgrading“ auf noch schnellere und größere ZYNQ-SoCs den R2T2 komplett auf  einer Leiterplatte mit „nur“ 8 Lagen
unterzubringen.

Besonderes Problem war dabei, die durch die vielen Optionen notwendigen Steckverbinder an sinnvollen Stellen an der Platine unterzubringen. Die Leiterplatte des R2T2 ist 200x160mm groß und kann direkt in ein BOPLA-Alu-Stranggußgehäuse ABP 2070-0200 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 notwendige sind. An der Frontplatte kann optional ein LCD und div. Encoder (für den Transceiverbetrieb) 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 angesprochen werden wobei alle Spannungen, Ströme und Betriebszustände über das Webinterface kontrolliert 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.