QO-100 Bodenstation in der Antarktis angekommen

Anfang 2019 wurde die erste Version des AMSAT-DL Downconverters gebaut und viele Stationen wurden damit erstmals auf QO-100 aktiv. Seitdem wurden jede Menge Betriebserfahrungen und neue Erkenntnisse gewonnen, welche in die neue Platine V3d eingeflossen sind.

Der AMSAT-DL DownConverter V3d ist eine vollkommen neue Entwicklung. Er bietet für alle QO-100 Stationen wichtige Funktionen, egal ob man mit VHF/UHF-, KW-Transceiver oder SDR arbeitet. Diese neue Platine kann als zentrale Baugruppe benutzt werden. Sie liefert für alle Komponenten stabile Takte, zusätzliche externe GPS Module sind nicht erforderlich.

Folgende Funktionen sind im AMSAT-DL DownConverter V3d vorhanden:

1. zentrale Takterzeugung mit GPS oder OCXO
2. Referenztakt für die PLL im LNB
3. Referenztakt für einen Sendemischer
4. Referenztakt für einen SDR
5. kurzschlusssichere LNB Phantomspeisung
6. Anschluss für einen Dual-LNB (für gleichzeitigen NB und WB Empfang)
7. Abwärtsmischung des NB-Transponders in ein Afu-Band (UHF/VHF oder KW)
8. OLED Display zur Anzeige des Betriebsstatus und der Stationskoordinaten

Zentrale Takterzeugung

Der AMSAT-DL DownConverter V3d ist in 2 Versionen verfügbar, mit GPS oder mit OCXO.

Für den Empfang von QO-100 wird ein handelsüblicher LNB eingesetzt. Dieser benutzt als Referenzfrequenz einen Quarz (meist 25 MHz). Diese Frequenz wird im LNB mit 390 multipliziert und dem LNB-internen Mischer zugeführt. Bereits kurz nach Betriebsbeginn von QO-100 stellten die meisten Stationen eine erhebliche Drift des Empfangssignals fest. Durch die Multiplikation der Referenzfrequenz mit 390 vervielfacht sich auch jeder kleinste Fehler ebenfalls um diesen Faktor. Aus diesem Grund ist es unumgänglich die Frequenzerzeugung des LNBs durch einen sehr stabilen Takt zu ersetzen.

Der AMSAT-DL DownConverter V3d hat deshalb entweder ein GPS-Modul oder einen OCXO als Taktreferenz standardmäßig eingebaut. Aus dieser Referenz werden durch PLLs alle benötigten weiteren Takte abgeleitet und an entsprechenden Steckern oder Buchsen zur Verfügung gestellt:

1. Referenzfrequenz für den LNB von 24, 25 oder 26 MHz (einstellbar)
2. 10 MHz für einen Sendemischer
3. 40 MHz für einen SDR (z.B. Adalm Pluto)
4. und die Referenz für den eingebauten und einstellbaren Abwärtsmischer

Anforderungen für den SSB Empfang des NB-Transponders:

Im SSB Betrieb braucht man eine Frequenzkonstanz von mindestens 10 Hz für ein sauberes Sprachsignal. Wegen der LNB-internen Vervielfachung um 390 muss die Referenzfrequenz einen extrem geringen Jitter haben und sehr stabil sein was nur mit GPS erreichbar ist.

Der AMSAT-DL DownConverter V3d, GPS-Version, enthält einen GPS Empfänger und die erforderlichen PLLs um dessen Referenztakt weiter zu verarbeiten. Es wird die mitgelieferte GPS Antenne angeschlossen. Sobald ca. 4 GPS-Satelliten empfangen werden synchronisiert sich die Takterzeugung auf den Taktausgang des GPS Moduls und stellt alle oben angeführten Takte zur Verfügung.

Anforderungen für den Empfang des WB-Transponders:

Ein DVB-S2 Signal hat ganz andere Anforderungen an die Signalqualität als ein SSB Signal. Hier kommt es nicht auf die Frequenzstabilität an. Eine Drift von ein paar kHz ist kein Problem. Jedoch benötigt die bei DVB-S2 benutzte Quadraturmodulation ein minimales Phasenrauschen. Das Referenzsignal muss so sauber wie möglich sein.

Die beste Lösung hierfür ist ein temperaturstabiler Quarzoszillator, ein OCXO.

Der AMSAT-DL DownConverter V3d, OCXO-Version, enthält anstelle des GPS Moduls einen hochwertigen OCXO wie er sonst in Messgeräten zum Einsatz kommt. Aus diesem OCXO werden alle weiteren Takte abgeleitet.

Auswahl OCXO oder GPS Version:

• GPS-Version: optimaler SSB Empfang und guter DVB-S2 Empfang
• OCXO Version: perfekter DVB-S2 Empfang mit geringster Fehlerrate, guter SSB Empfang

Für den normalen Anwender ist die GPS Version ideal. Wer aber schwache DVB-S2 Signale mit geringster Fehlerrate empfangen möchte sollte zum OCXO greifen.

Für SDR Benutzer:

Wer einen SDR (z.B. Adalm Pluto, Lime SDR usw.) benutzt braucht ebenfalls einen präzisen Takt. Daher wurde der AMSAT-DL DownConverter V3d mit einem 40 MHz Referenzausgang ausgerüstet. Dieser kann direkt mit einem entsprechenden Eingang des SDRs verbunden werden.

Takte für Sendemischer:

Sendemischer sind erforderlich, wenn man die Sendefrequenz eines Amateurfunk-Transceivers auf 2,4GHz umsetzen will. Fast alle handelsüblichen Sendemischer haben einen 10 MHz Referenzeingang.  Daher wird ein GPS oder OCXO synchrones 10 MHz Signal an einer SMA Buchse angeboten und kann direkt mit dem Sendemischer verbunden werden.

Referenztakt für den LNB:

der AMSAT-DL DownConverter V3d erzeugt einen 24, 25 oder 26 MHz Takt welcher als stabiler Ersatz für den im LNB eingebauten Quarz benutzt wird. Diese Frequenz wird über ein Filter in das Kabel zum LNB eingespeist und benötigt daher keine eigene Leitung.

Achtung: Der Referenztakt liegt nur am WB-LNB-Anschluß an.

Mit zwei Steckbrücken ist die Frequenz wählbar.

Ein üblicher Standard LNB hat eine Referenzfrequenz von 25 MHz (früher auch 27 MHz). Diese wird im LNB mit 390 multipliziert woraus sich eine Mischfrequenz von 25×390=9750 MHz ergibt.

Wegen der Sendefrequenz von QO-100 liegt das Ausgangssignal des LNBs auf ca. 740 MHz. Da LNBs jedoch auf Ausgangsfrequenzen von ca. 1 GHz optimiert sind verliert man dadurch ein paar dB Rauschabstand. Außerdem liegt ein DVB-S2 Signal außerhalb des Empfangsbereichs üblicher Satellitenreceiver.

Daher wurde die Frequenz von 24 MHz als Standard ausgewählt. Im DATV Receiver stellt man als Mischfrequenz IF = 9360 MHz (anstelle von 9750 MHz) ein. QO-100 ist dann z.B. mit dem Octagon SF8008 Satellitenreceiver empfangbar.

Die Einstellung 26 MHz ist für ältere LNBs vorgesehen welche einen 27 MHz Quarz haben.

Die Taktfrequenz für den LNB wird mit einer Filterschaltung in eine der Empfangsleitungen eingekoppelt und innerhalb des LNBs mit einer einfachen L/C Kombination wieder ausgekoppelt.

Frequenzstabilität und -genauigkeit:

OCXO-Version: es ist ein OCXO mit 20ppb (=0,02ppm) eingebaut. Der Frequenzfehler bei 25 MHz ist maximal 0,48 Hz. Da der LNB mit 390 multipliziert ist der maximale Fehler eines SSB Signals ca. 190 Hz. Die Kurzzeitstabilität ist um den Faktor 20 besser. Daher gibt es keine störende Drift bei SSB QSOs.

Die Platine muss unbedingt in einem Gehäuse vor Zugluft geschützt sein! Hier bietet sich HF-technisch sowieso ein geschlossenes 110 x 74 x 30 mm Standard Schubert Weißblechgehäuse an.

GPS-Version: der Ublox GPS Empfänger hat eine extrem hohe Stabilität jedoch einen starken Jitter. Die nachfolgende PLL entfernt diesen Jitter um eine saubere Referenz bereit zu stellen.

Prinzipbedingt ist der Jitter am Pulse-Ausgang des GPS Moduls sehr niederfrequent und kann von der PLL daher nicht vollständig entfernt werden. Bereits am Anfang der QO-100 Aktivitäten wurde daher ein Trick für GPS Referenzen entwickelt und im Internet beschrieben. Man stellt die Frequenz ein paar Hz über oder unter die gewünschte Frequenz. Der Ublox-Jitter wird dadurch in einen Bereich verschoben wo ihn die PLL entfernen kann. Dieser Trick wird auch beim AMSAT-DL DownConverter V3d angewandt. Das SSB Signal bleibt damit sauber, ist aber fest um wenige 100 Hz verschoben was im praktischen Funkbetrieb ohne Bedeutung ist. Die Kurz- und Langzeitstabilität entspricht der GPS Genauigkeit von 1×10-12. Wie bei der OCXO-Variante muss auch hier die Platine unbedingt in einem Gehäuse vor Zugluft geschützt sein!

Externe Referenz:

wer bereits ein stabiles 10 MHz Frequenznormal (z.B. Rubidium) besitzt kann dieses ebenfalls als Referenz benutzen. Es wird an Pin-5 des Erweiterungssteckers angeschlossen, Pin-3 und Pin-4 werden mit einem Jumper gebrückt. Siehe Bild 8.

Sämtliche Takte werden dann von dieser Referenz abgeleitet.

LNB Phantomspeisung

Ein LNB benötigt eine Versorgungsspannung. Die Höhe dieser Spannung schaltet die Polarisation um. Der AMSAT-DL DownConverter V3d hat zwei 75-Ohm LNB Anschlüsse die man beide mit einem Dual-LNB verbindet. Für den NB-Transponder wird eine Spannung von 14V und für den WB-Transponder 18V benötigt. Diese Spannung wird direkt auf der Platine erzeugt und als Phantomspeisung in die LNB Anschlüsse eingekoppelt. Diese Versorgungsspannung ist kurzschlusssicher und wird per Software überwacht. Wer den LNB um 90 Grad verdreht einbauen will kann mit zwei Steckbrücken die Polarisationsrichtung wieder korrekt drehen.

Abwärtsmischung des NB-Transponders

diese Funktion gab der Platine ihren Namen „AMSAT-DL DownConverter V3d“. Der eingebaute Mischer versetzt das Signal in ein Amateurfunkband damit es mit üblichen Transceivern oder SSB Empfängern gehört werden kann. Die entsprechende Referenzfrequenz am LNB wird automatisch berücksichtigt.

Die Durchgangsverstärkung vom LNB NB-Eingang zum Empfänger beträgt etwa +2dB.

Ein Schalter mit 10 Stellungen erlaubt die Auswahl der Ausgangsfrequenz, hier bezogen auf die Frequenz der CW Bake:

Für Stellung 8 und 9 (70cm) muss das standardmäßig eingebaute 2m Filter auf der Platine mit einem möglichst kurzen Draht überbrückt werden.

Ausgangsfrequenz des WB-Transponders:

Die Dämpfung vom LNB WB-Eingang zum DATV-Empfänger beträgt etwa -2dB, da es sich hier nur um einen passiven Loop handelt, d.h. es findet keine weitere Umsetzung wie beim NB statt.

Die Frequenz wird auf die Mitte des WB-Transponderbereichs bezogen, diese ist 10495 MHz, und hängt von der per Jumper eingestellten LNB Frequenz ab:

Üblicherweise benutzt man die 24 MHz Einstellung (keine Steckbrücke). Diese passt am besten zum LNB und Satellitenreceivern. 25 MHz benutzt man nur in Verbindung mit Software-DATV-Empfängern, obwohl auch hier 24 MHz zu bevorzugen ist. 26 MHz ist für LNBs mit 27 MHz Quarz vorgesehen.

OLED Display:

Optional kann ein OLED Display direkt auf die Platine aufgesteckt werden. Es wird der Betriebsstatus sowie GPS bezogene Informationen angezeigt. Besonders nützlich ist diese Option für den Portabelbetrieb um die eigenen genauen Koordinaten abzulesen.

Alle Anschlüsse im Überblick:

Bild 1: komplette Platine, Nummern an Stecker und Jumpern