Zeta&Tiny, Software-Defined Radio -SDR – Uludağ Telsiz ve Radyo Amatörleri Derneği

SDR
Software Defined Radio

Merhaba. Uzun zamandır “Yazılım Tanımlı Telsiz” (Software-Defined Radio -SDR) konusuna detaylıca eğilmek istemiş ancak bir türlü vakit bulamamıştım. ARRL Handbook 2011’i incelerken gördüm ki, son yıllarda yayımlanan devreler ve ele alınan konuların pek çoğu dijital dünyaya çoktan yönlenmiş bile. Artık eskiden analog devre bileşenleri ile yapılan ve pek çok mecmuada yayınlanan devrelerin dijital karşılıkları yayınlanır olmuş. Durum böyle olunca haliyle ARRL Hanbook’un da büyük bölümü bu yeni teknolojilere ayrılmış.

Bu yazıda anlatacaklarım, ARRL Handbook’un 15’inci bölümünden, Gerald Youngblood, AC5OD (K5SDR)’nin QEX dergisinde yayınladığı yazılardan (A Software-Defined Radio for the Masses, Temmuz 2002 – Nisan 2003) ve Gintaras Banevicius, LY1GP’nın SDR konusunda yazdığı yazılardan (ZetaSDR, TinySDR, ) derlediğim bilgilerden oluşmuştur.

Devreyi bizzat yaparak denedim ve oldukça tatminkar bir sonuç elde ettim. Devrenin toplam maliyeti de sanırım birkaç TL’yi geçmedi.

Bu yazıyı yazarken okuduklarımı da biraz olsun özetlemek istiyorum. SDR ile birlikte çok eskilerde (süperheterodin radyolar ortamı ele geçirmeden önce) moda olan direkt alıcılar (herhangi bir ara frekans kullanmayan) yeniden moda oldu. Basit SDR devrelerinin temel prensibinde ara frekans kullanmamak ya da başka bir deyişle dinlenecek olan sinyali (0-50) KHz’lik aralığa indirgemek prensibi yatıyor.

Çok temek bir SDR devresi aşağıdaki gibi olacaktır;

Şekil-1. Basit SDR Devresi – Image Credit: ARRL & QEX.

Anten girişinden alınan taşıyıcı (Fc) frekansındaki sinyal önce bir bant geçiren filitreden geçirilerek dinlenmek istenilen bantta olduğundan emin olunur. Daha sonra Fc frekansı ile aynı frekansta çalışan veya çok yakın frekansta olan (<50Khz) bir lokal osilatör (LO) sinyali ile karıştırılır. Ancak bu karıştırma sinyalin (90) derece faz farklı hali ile yapılmalıdır. Fazın nasıl (90) derece çevrilebileceğinden birazdan bahsedeceğim.

Karıştırıcı (Mixer) çıkışında (Fc+LO, Fc-LO, -Fc+LO, -Fc-LO) gibi frekanslar oluşacaktır. Bizim ilgileneceğimiz kısım daha çok (Fc-LO ve -Fc+Lo) olacaktır. Bu aralık (-50) KHz ile (0) KHz arası ve (0) Khz ile (+50) KHz arası bir değer olacaktır.

Aslında alıcımız bu karıştıcı çıkışlarında sona eriyor. Bundan sonraki bölümde bir bilgisayarın (PC) ses kartı devreye giriyor. Ses kartı mikrofon ve line-in girişlerinde alçak geçiren filitreler ve Analog/Dijital çeviriciler (A/D) vardır. Analog/Dijital çeviricilerin çıkışında artık sinyalimiz bilgisayar ortamında sayısal veriye dönüşmüş demektir. Bundan sonrasını bir bilgisayar programı ile kolayca halledebiliriz. İstediğimiz modülasyon tipinde demodüle işlemi yapabilir, çok hassas filitreler ile sinyali dinleyebiliriz. Bu konu ile ilgili AC5OD’nin (Yeni çağrı işareti K5SDR) QEX dergisinde yayınlanmış dört bölümlük makalesini (*.pdf) formatında şuradan inceleyebilirsiniz. (1.Bölüm, 2. Bölüm, 3. Bölüm, 4. Bölüm). Yukarıdaki blok şemasının devre elemanları ile yapılabilecek en basit karşılığı aşağıdaki gibi olacaktır;

Şekil-2. Çok Basit SDR Uygulaması.

Burada devrenin sağ alt bölümünde lokal osilatörümüz ve bunun çıkışına bağlanmış (L2) trafosunu görebilirsiniz. (L2) trafosunun kullanım amacı sinyalin (90) derece faz farklı halini elde edebilmektir. (L2)’nin çıkışındaki (A) ve (B) noktalarındaki lokal osilatör sinyali (90) derece faz farkına sahiptir.

Karıştırıcı olarak ise basit çift diyot karıştırıcısı kullanılmıştır. Bu diyotlar piyasandan kolayca bulunabilecek 1N4148‘ler olabilirler. Bundan sonrası ise bu sinyali bilgisayar mikrofon girişinden bilgisayara uygulamaktır.

Alıcımızın kalitesini ve bant genişliğini bilgisayarımızın ses kartı belirlemektedir. Normal bir ses kartı (16) bit A7D çevrim yeteneğine ve (48) KHz bant genişliğine sahiptir. Böyle bir ses kartı ile (96) KHz bant genişliği elde edilebilir (hem sağ, hem de sol ses kartı kanallarını kullandığımız için bant genişliğimiz iki katına çıkmaktadır). A7D bit çözünürlüğü ise, sinyal üzerinde yapabileceklerimizi belirlemektedir. Örneğin uygulayabileceğimiz en dar bant geçiren filitremizi birkaç Hertz‘e kadar indirebilmektedir. Piyasada (24) bit A7D derinliğine ve (192) KHz band genişliğine sahip ses kartları bulunabilmektedir.

Bu alıcı ile LY1GP tarafından yapılmış ses kayıtlarına aşağıdaki linklerden ulaşabilirsiniz ;

Alexander B. TARABUKIN, ER1TA:(*.Mp3 Formatında)
Vladimir FEDORENKO,UT5MD: (*.Mp3 Formatında)

Alıcınızla kullanmak için İnternet’te pek çok yazılım mevcuttur, ama ilk kullanışta en kolay aşina olabildiğim Rocky SDR olmuştur. Size de onu kullanmanızı tavsiye edebilirim. Diğer yazılımlar ise örnek olarak şunlar.

Yukarıdaki devrede (T1) transistörü etrafında oluşturulmuş lokal osilatörü yerine herhangi bir hazır VFOdevresini de kullanabilirsiniz. Hazır VFO devreleri, bir gerilim uyguladığınzda sizin için üzerinde yazan frekansta sinyal üreten hazır ozilatörlerdir ve kolayca parçacılarda bulunabilmektedirler.

Buradaki karıştırıcı ve detektör bölümlerine en güzel alternatif “Tayloe Detektörü” denilen alıcı devresini kullanarak sağlanmıştır. Aşağıdaki gibi bir “Tayloe Detektörü” kullanılması durumunu gösteren bir blok çizim üzerinde konuşmak gerekirse;

Şekil-3. Tayloe Detektör ile SDR Uygulaması Image Credit: ARRL & QEX.

Antene gelen sinyaller öncelikle dört konumlu bir anahtar üzerinden, (4) ayrı kapasitörü şarj etmek için kullanılıyor. Şarj devresi basit anlamda aşağıdaki gibi bir “örnekle-ve-tut” (sample-and-hold) devresi ile modellenebilir;

Şekil-4. Örnekle-ve-Tut Devresi. Image Credit: ARRL & QEX.

Bu örnekleme devresinin tutma zamanı ve anahtarı anahtarlamak için kullandığımız dinlenecek frekansın (4) katı hıza (frekansa) sahip anahtar konum seçicimiz sayesinde örneklemek istediğimiz sinyalin (0-90-180-270) derecelik durumlarına ait değerlerini örneklemiş oluruz.

Örneklenen bu sinyalleri OP-AMP‘ların (+/-) girişlerine uygun şekilde girerek ses kartımıza ulaştıracağımız (I) “In-phase sinyali” ve (Q) “Quadrature” sinyallerimizi elde etmiş oluruz. (0) ile (180) dereceye karşılık gelen kapasitörlerdeki potansiyel farkı bize (I) , (90 ve 270) dereceye karşılık gelen kondansatörlerdeki potansiyel farkı ise (Q) değerini verecektir.

(I) ve (Q) aslında biri genliği diğeri ise fazı temsil eden ve birbirine dik eksenlerde (90 derece) yer alan değerler olarak düşünebiliriz ve aşağıdaki gibi bir gösterim ile gösterebiliriz;

Şekil-5. I ve Q Sinyallerinin Dik Eksenlerde Gösterimi. Image Credit: ARRL & QEX.

Bu gösterimi ve orta okulda öğrendiğimiz dik üçgen “Pisagor Teoremi“ni kullanacak olursak orjinal sinyalimizi tarif edecek değerleri de kolayca hesaplayabiliriz. Tabii ki bu işlem çok daha detaylı olarak yazılım katmanında bilgisayarımızda yapılacaktır.

Şekil-6. I ve Q’dan Sinyalimizi Tanımlama.

Yukarıdaki blok diagramda anahtar olarak güncel bir (MUX) entegresi kullanabiliriz. Ben “ZetaSDR/TinySDR” uygulamamda (74HC4052) kullandım. MUX entegresinin saydırılması için ise (74HC74) entegresi ile yapılmış basit bir “Johnson Sayıcı” devresi kullanılabilir. Aşağıda öncelikle kavramsal olarak konuyu netleştirmek amacıyla QEX dergisindeki şemayı ardından da “ZetaSDR/TinySDR” uygulamasındaki devreyi vereceğim;

Şekil-7. Entegre İle Tayloe Detektörü Uygulaması. Image Credit: ARRL & QEX.

Yukarıdaki uygulamada Johnson sayıcısına dinlemek istediğimiz anten frekansının (4) katını girdiğimize dikkat ediniz. Johnson sayıcı çıkışında (5 ve 8 numaralı bacaklar) sırası ile (00, 01, 10, 11) değerleri oluşmakta bu da Tayloe detektöründe (4) farklı anahtarlama yapmaktadır.

Şekil-8. ZetaSDR/TinySDR Uygulaması.

Yukarıdaki uygulamda ise lokal osilatörü olarak bir hazır VFO devresinin kullanıldığını görebilirsiniz. Devre ile ilgili olarak söyleyebileceğim basit pratik yaklaşımlar şunlar olabilir;

– Kullanacağınız VFO frekansı dinlemek istediğiniz frekansın dört katı civarında olmalıdır ve çok kritik değildir. Örneğin yukarıdaki devrede (28.322) MHz lik VFO bulamıyor iseniz benim yaptığım gibi (28.375) MHz’lik olanını kullanabilirsiniz.

– Dinleyebileceğiniz aralık (48) KHz’lik bir ses kartı ile) VFO frekansının dörtte birinin (48) KHz aşağısı ve (48) KHz yukarısıdır. Örneğin (28.200) MHz’lik bir VFO ile (28200 / 4 = 7050) merkezi (7050) KHz olan ve yaklaşık (50) KHz bant genişliğine sahip bir aralığı dinleyebilirsiniz. Yani 40 metre (HF) bandının neredeyse tamamını dinleyebilirsiniz. Benim kullandığım (28.375) MHz VFO ile (28375/4=7093) yani (7055 -7140) KHz aralığını dinleyebilmekteyim.

Aşağıda benim yaptığım kart uygulamasından birkaç resim ve orjinal ZetaSDR uygulamasının bileşenlrini (PCB, malzeme listesi, yerleşim *.Zip) bulabilirsiniz.