WSPR mit Rpi Pico und PLL      

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Der bereits vorgestellte WSPR-Sender mit dem RPi Pico konnte wegen zu starker Nebenwellen nur mit 10 mW betrieben werden. Wenn etwas mehr Leistung gefordert ist, braucht man einen sehr sauberen Signalgenerator wie z.B. den SI5351. Eigentlich schade, denn mit dem Pico war der Aufwand noch wesentlich geringer. Das Problem der Nebenwellen entsteht durch die Signalerzeugung mit einem fraktionalen Teiler. Um gebrochene Teilerverhältnisse zu erzeugen, wird immer wieder zwischen zwei ganzzahligen Teilern umgeschaltet. Wie dabei Nebenwellen entstehen und wie man sie mit viel Aufwand bekämpft, beschreibt dieser Artikel:

https://www.digikey.de/de/articles/the-fundamentals-of-phase-locked-loop-frequency-synthesizers

Meine Idee für eine möglichst einfache Lösung basiert auf der Nachschaltung einer PLL 74HC4046. An dieses IC wurde ich durch den alternativen Elektronik-Adventskalender 2023 von Fritjof Flechsig erinnert, der die Funktion einer PLL genau erläutert. Das IC ist preiswert und im DIL16-Gehäuse leicht zu verwenden. Normalerweise verwendet man eine PLL zur Vervielfachung von Frequenzen, d.h. der VCO arbeitet auf einer mehrfach höheren Frequenz als der Phasenvergleicher. Ich möchte jedoch die originale Frequenz von der PLL nachbilden lassen, wobei ein sauberes Signal entstehen soll. Das vom Pico erzeugte Signal hat ein gewisses Jitter, das man im VCO-Signal der PLL nicht mehr finden sollte. Wichtig ist dabei die optimale Dimensionierung des Schleifenfilters, das eine möglichst glatte VCO-Steuerspannung abgeben sollte und trotzdem schnell genug auf die WSPR-typischen Frequenzsprünge reagieren soll.



Das Datenblatt von Texas Instruments gibt die grundlegende Beschaltung vor.



Mit einem ersten Testaufbau wurde die geeignete Dimensionung gefunden.



 


Weil die Phasenvergleicher üblicherweise mit kleineren Frequenzen, wie z.B. 1,0 kHz arbeiten, war ich anfangs unsicher, ob sie auch die höheren Frequenzen korrekt verarbeiten. Aber die Sorge hat sich als unbegründet erwiesen. Der VCO-Frequenzbereich wird durch 100 pF und 4,7 kOhm festgelegt. Das Schleifenfilter mit 100 k und 22 nF plus 100 nF und 470 Ohm wurde experimentell ermittelt. Und tatsächlich, das Jitter auf dem Signal wird am Ausgang nicht mehr sichtbar. Und der Spectrum Analyzer zeigt nur noch unbedeutende Reste der ursprünglichen Nebenwellen mit mehr als 40 dB unter dem Nutzsignal. Die PLL arbeitet in dieser Dimensionierung als hochwirksame Signal-Waschanlage.

Am Ausgang der PLL liegt ein BS170 als Leistungsverstärker. Ursprünglich lag das Gate direkt am Ausgang, Aber dann zeigte sich, dass beim Ausbleiben des HF-Signals vom Pico in den Sendepausen auch mal ein High-Pegel am Ausgang stehen bleiben kann, wodurch der FET überlastet wurde. Jetzt wird mit dem Spannungsteiler eine Ruhespannung in Größe der halben Betriebsspannung festgelegt, die unterhalb der Gate-Schwelle liegt. Der Drainstrom geht damit in den Sendepausen auf null zurück, und im aktiven Betrieb wird der FET voll ausgesteuert.



 

Auf der Filterplatine des ursprünglichen WSPR-Senders war gerade noch genug Platz für die PLL-Schaltung und die Endstufe. Das ging allerdings nur, indem alle Bauteile zuerst direkt an die IC-Pinne gelötet wurden, und die gesamte Einheit erst danach in die Platine eingesetzt wurde. So musste ich nicht alles neu bauen, und das Gerätchen blieb so klein und kompakt wie vorher. Im aktiven Betrieb werden nun 120 mA gebraucht, in den Sendepausen nur 25 mA. Die Ausgangsleistung beträgt 100 mW.



Drei Stunden am Nachmittag, 100 mW auf 40 m und 30 m

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