QRSS ONTVANGER VOOR 40 METER

QRSS ONTVANGER VOOR 40 METER
(2020)

De 40 meter QRSS ontvanger. Links de antenne ingang met HF verzwakker
en rechts de LED indicator voor de temperatuur regeling voor het kristal.

QRSS ontvanger voor 40 meter
Er moet een nieuwe QRSS ontvanger voor 40 meter komen die de RTL.SDR dongle zal vervangen. De 80 meter QRSS ontvanger is een succes, ondanks die hoge audio frequentie van 9600 Hz. Zou hetzelfde ontwerp ook voor 40 meter gebruikt kunnen worden? Er ligt hier een Pixie met een kristal van 7023 kHz. Dan wordt de audio frequentie 7039850-7023000=16850 Hz! Veel hoger dan die van de 80 meter ontvanger en al heel dicht bij de bruikbare ingangsfrequentie van de soundcard! Die is 80% van 44100/2=17640 Hz. Echt heel uitdagend om dat te proberen! Dat is vragen om problemen of beter gezegd uitdagingen denk ik...

Mogelijke problemen moeten eerst onderzocht worden
Natuurlijk wilde ik enige zekerheid dat de hoge audio frequentie mogelijk was! Een test met een eenvoudige direct conversion ontvanger bewees dat de hoge audio frequentie mogelijk was. Er werden QRSS stations ontvangen, ondanks dat ook de ongewenste zijband werd ontvangen! Zie het plaatje hieronder, WSPR en QRSS stations! En er moest een andere temperatuur regeling komen voor het kristal met een NTC weerstand als sensor. Ook deze schakeling moest eerst worden ontworpen en getest. De proef schakeling werkte prima (na een paar avonden)! Er zijn geen problemen meer te verwachten! Het ontwerp van de 80 meter ontvanger moet nog een beetje worden aangepast en dan kan de constructie beginnen!

Een test met een eenvoudige direct conversion ontvanger bewees dat de hoge audio frequentie mogelijk was.
Er werden QRSS stations ontvangen, ondanks dat ook de ongewenste zijband werd ontvangen!

Het principe van de zijband onderdrukking
Het kristal van 7023 kHz komt dus uit een Pixie transceiver, maar er zijn meerdere kits die hetzelfde kristal gebruiken. De QRSS band van 7039,85 kHz (+/-150 Hz) ligt 16850 Hz lager. Een directe conversie ontvanger moet het dus worden met een laagfrequent uitgang van 16850 Hz. De ongewenste zijband moet worden onderdrukt door middel van de fase methode. Het voordeel van die hoge audio frequentie is dat de QRSS band van 300 Hz maar 0.9% rondom die 16850 Hz ligt. En kan er in het laagfrequent pad een heel eenvoudig fase netwerkje van maar 1 weerstand en 1 condensator worden toegepast!
Als mixer wilde ik de 74HC4066 gebruiken, daar had ik goede ervaringen mee, ook met de 80 meter QRSS ontvanger. Er lagen hier nog een aantal van het merk Toshiba. En we gaan zoveel mogelijk transistoren gebruiken, geen IC's, behalve dan die 74HC4066 schakelaar die als mixer wordt gebruikt. Het ontwerp is gelijk aan de 80 meter QRSS ontvanger, met hier en daar wat aanpassingen.

Het principe van de zijband onderdrukking

HF versterker
Aan de ingang zit de HF verzwakker, een 1k ohm potentiometer, waarmee de gevoeligheid van de ontvanger optimaal ingesteld kan worden en oversturing door sterke signalen kan worden voorkomen.
Maar waarom zit er na de verzwakker een serie resonantie kring? Deze wordt afgestemd op de ontvangst frequentie van 7039,85 kHz en heeft alleen voor die frequentie een lage impedantie. Voor andere frequenties is dit een hoge impedantie. En dus kun je meerdere ontvangers voor verschillende frequenties parallel schakelen met de antenne zonder dat ze elkaar's signalen verzwakken!
Na deze serie kring zie je de afgestemde kring bestaande uit de spoelen van 0,47uH, 4,7uH en trimmer van 130pF. Deze selectieve kring laat alleen een kleine band rondom 7039,85 kHz door en verzwakt de ongewenste signalen op andere frequenties. Een trimmer van 130pF zul je niet zo gauw vinden. Maar de waarde wordt samengesteld uit een parallel schakeling van een condensator en trimmer met kleinere waarde. Bijvoorbeeld een condensator van 100pF en een trimmer van 40pF. Of een condensator van 82pF en een trimmer van 70pF.
Vanwege de hoge emitter weerstand van 470 ohm heeft de eerste transistor een hoge ingangsimpedantie. Hij zal de afgestemde kring dus weinig dempen. De condensator met een kleine waarde van 10pF en weerstand van 1k ohm beschermen de transistor een beetje tegen hoge spanningspieken en de weerstand voorkomt tevens oscilleren van de HF versterker. De tweede transistor heeft een laagohmige uitgang, dat is nodig om de fase netwerken aan te sturen. En beide transistoren en ook de afgestemde selectieve kring versterken het signaal ook nog eens.

Schema, bijna allemaal transistoren! Er is toch wel wat uitleg nodig om alles te begrijpen!

Hoogfrequent fase netwerken
Na de HF versterker wordt het signaal gesplitst in twee signaal wegen. Er moet met behulp van fase netwerken 90 graden fase verschil worden gerealiseerd. De trimmers van 48pF en weerstanden van 470 ohm doen dit. Met de trimmers kun je fase optimaal afregelen zodat de onderdrukking van de ongewenste zijband maximaal is. Het ene fase netwerk staat op -45 graden en de andere op +45 graden, het verschil is dan 90 graden. En heeft de ene signaal weg wat meer signaal nodig en de andere wat minder? Dan regel je de ene trimmer af op -50 graden en de andere op +40 graden. Dus de trimmers regelen niet alleen de optimale fase af, maar ook de optimale amplitude!
En als de laagfrequent fase netwerken niet exact 90 graden verschillen, kun je dit corrigeren met de trimmers. Dan is de het fase verschil in de hoogfrequent fase netwerken een beetje minder of meer dan 90 graden. Dat de ontvangst gevoeligheid daardoor iets afneemt merk je niet, is waarschijnlijk niet eens meetbaar!

Aan het einde van avond 1

Mixers
Mijn QRP setjes hebben meestal een 74HC4066 als ontvanger mixer. Een eenvoudige, goedkope oplossing en dat werkt prima, geen audio detectie van sterke omroep stations en een prima gevoeligheid. Dus logisch om die hier ook te gebruiken, ik heb nog een aantal liggen! Maar je kunt ook een betere, modernere FST3253 chip gebruiken.
De mixers zijn simpele halfgeleider schakelaars die door de kristal oscillator van 7023 kHz wordt geschakeld. Het IC 74HC4066 bevat vier van die schakelaars, we gebruiken er maar twee. Een nadeel is dat ook HF signalen en audio frequente signalen worden doorgegeven van de ingang naar de uitgang. Bijvoorbeeld ruis op audio frequenties van de HF versterker. Maar het hoogdoorlaat filter direct na de HF versterker bestaande uit een condensator van 1000 pF en een weerstand van 470 ohm laat alleen HF signalen door en blokkeert deze audio frequente signalen.
De spanningsdeler met twee weerstanden van 10k stelt de ingang van de mixer in op de halve spanning, dat is 2,5 volt.
Na de mixers zie je laagdoorlaat filters, ieder bestaande uit twee condensatoren van 1 nF en een weerstand van 470 ohm. Dit filter laat alleen laagfrequent signalen door en blokkeert HF signalen afkomstig van de HF versterker. Zo voorkom je detectie van sterke AM omroep stations in de audio versterker.

Aan het einde van avond 2

Laagfrequent fase netwerken en de opteller (adder)
Na de laagdoorlaat filters komen de twee laagfrequent fase netwerken. Dit zijn de condensatoren van 1000pF en weerstanden van 10000 ohm. De gebruikte frequentie band loopt van 16700 Hz tot 17000 Hz. Dit is een hele kleine afwijking van de centrale frequentie van 16850 Hz. En daarom voldoen deze simpele netwerken bestaande uit maar 1 condensator en 1 weerstand. Het ene fase netwerk draait de fase met -45 graden en de andere met +45 graden, het verschil is dan 90 graden. En het hoeft niet zo heel nauwkeurig, het is niet nodig om heel nauwkeurige componenten te gebruiken. Is het verschil niet exact 90 graden, geen probleem! Dit kun je dit corrigeren met de trimmers in de hoogfrequent fase netwerken. Dat de ontvangst gevoeligheid daardoor iets afneemt merk je niet, is niet eens meetbaar! Bij de 80 meter ontvanger moest de hoge zijband worden onderdrukt, hier de lage. Daarom zijn de laagfrequent fase netwerken net omgekeerd aangesloten op de mixer uitgangen!
En het werkt! De onderdrukking van de ongewenste zijband (7006,15 kHz) is meer dan 45dB en zelfs meer dan 55dB op de centrale frequentie!
De signalen van beide netwerken moeten worden opgeteld. Dat gebeurt in de schakeling met twee transistoren en gezamelijke 4700 ohm collector weerstand. De 1k ohm emitter weerstanden zetten de ingangsspanning om in een stroom en de beide stromen worden in de 4700 ohm weerstand opgeteld en weer omgezet in een spanning. Je hoeft geen "gepairde" transistoren met identieke versterking te gebruiken. De schakeling versterkt ook een beetje: 4700 ohm / 1000 ohm oftewel 4,7x.
Met een schakelaar kan een 10nF condensator parallel geschakeld worden aan de 1nF condensator. Deze 1nF condensator werkt als een hoogdoorlaat filter, zodat alle signalen beneden 10 kHz worden verzwakt. Maar wanneer je naar de ontvanger wilt luisteren, kun je dit hoogdoorlaat filter uitschakelen door middel van de schakelaar.

Aan het einde van avond 3

Laagfrequent versterker
En dan zijn er nog twee transistoren, de laagfrequent versterker. De eerste transistor heeft een emitter weerstand van 330 ohm en een collector weerstand van 6800 ohm. Door de 330 ohm emitter weerstand heeft deze trap een hoge ingangs impedantie en een behoorlijke tegenkoppeling, waardoor er praktisch geen vervorming optreedt. De versterking is weer ongeveer 6800 ohm / 330 ohm = 20x. Niet helemaal waar, de versterking is maar 12x, omdat de laatste trap de 6800 ohm weerstand belast met 10k ohm.
Ook de laatste trap heeft behoorlijk wat tegenkoppeling. Aan de basis zit een 10k ohm weerstand en tussen collector en basis een 100k ohm weerstand. De versterking is 100k / 10k = 10x. De 47k ohm weerstand zorgt voor de juiste gelijkstroom instelling.
De 1 nF condensatoren verzwakken de hoge frequenties. En de 1k weerstand aan de uitgang zorgt ervoor dat de eindtrap minimaal belast wordt met die 1k impedantie en is ook nog een beveiliging indien je iets geks aansluit op de uitgang.

Aan het einde van avond 4

Kristal oscillator
En dan nog een heel belangrijk onderdeel, de kristal oscillator die de mixer stuurt. Eerst maar even een proefschakeling van de kristal oscillator maken! Het oospronkelijke oscillator ontwerp was gebaseerd op een Clapp oscillator. Maar de hier gebruikte oscillator schakeling is veel universeler en werkt over een heel groot frequentie gebied zonder dat er condensator waarden moeten worden aangepast. Twee transistoren vormen de oscillator en deze wordt gevolgd door een extra trapje die er een blokgolf van maakt. Van deze laatste trap kun je de 100k weerstand eventueel wat wijzigen indien de duty cycle niet 50% is. Dit kun je meten door de gemiddelde spanning op de collector te meten, deze moet de halve voedingsspanning van de oscillator zijn, dus 2,5 volt.
De frequentie van de oscillator hoeft niet precies 7023 kHz te zijn. Die van mijn ontvanger is 7022,783 kHz oftewel 217 Hz lager. Het midden van de band ligt op de audio frequentie van 17067 Hz in plaats van 16850 Hz, maar dat is niet een probleem.
Echter, oorspronkelijk was de oscillator frequentie te laag en zou de audio band boven 80% van 44100/2=17640 Hz komen te liggen. Daarom is een serie condensator van 18pF aangebracht. Dit moet een goede, stabiele condensator zijn, ik gebruikte een styroflex condensator. Een trimmer voldoet waarschijnlijk ook.

Kristal oven
Voor QRSS ontvangst moet de oscillator heel stabiel zijn. Een drift van minder dan 1 Hz per uur is wenselijk. En ook een absolute nauwkeurigheid van 5 Hz. Een gewone kristal oscillator is niet stabiel genoeg, er is te veel frequentie drift door temperatuur variaties. Het kristal wordt op een constante temperatuur gehouden door een "heater" weerstand en een NTC weerstand als temperatuur sensor. De twee transistoren BC547c vormen een verschilversterker. De uitgang stuurt de BC557 driver transistor voor de "heater" weerstand aan. Kies de emitter weerstand van de linker transistor BC547c zodaning, dat de schakeling niet gaat oscilleren en ook niet te veel slingeringen vertoont. Dit kun je zien aan de LED. Ik gebruik een weerstand van 120 ohm. Bij het inschakelen zijn slingeringen normaal, maar die moeten vrij snel uitdoven zodat een stabiele situatie ontstaat.

De "heater" weerstand wordt direct op de behuizing van het kristal gesoldeerd en vastgeplakt.
De NTC weerstand moet contact maken met het kristal en ook met de "heater" weerstand!
Anders kan de regeling instabiel worden.

De "heater" weerstand wordt direct op de behuizing van het kristal gesoldeerd en vastgeplakt, evenals de NTC weertand. Het is heel belangrijk dat de NTC weerstand goed fysiek contact maakt met de "heater" en ook met het kristal. De NTC weerstand moet zo snel mogelijk worden opgewarmd door de "heater" weerstand. Daardoor zal het opwarmen van het kristal traag verlopen en is de schakeling stabiel. En alles wordt bij elkaar geplakt door een dikke klodder Glue stick lijm, die kun je smelten met je soldeerbout. Deze klodder zorgt ook voor een vertragend opwarm effect en een rustigere regeling.

Een lage regelweerstand van 120 ohm in de kristal oven regelaar.
Heel nauwkeurig, maar ook veel uitslingeringen.

Een hoge regelweerstand van 1000 ohm in de kristal oven regelaar.
Iets minder nauwkeurig, maar toch nog voldoende en veel rustiger.

Voeding
De 220 ohm weerstand, elco's en 100nF condensatoren zijn ontkoppel condensatoren voor de voeding om stoorsignalen uit te filteren. En dan is er nog een 5 volt voeding met een simpele transistor. Dit is de voedingsspanning voor de 74HC4066 en de oscillator. Ik had geen geschikte zener diode. Maar op de basis staat 6 volt, op de emitter dus ongeveer 5 volt. De weerstand van 100 ohm in de collector is een stroombegrenzing, handig wanneer je per ongeluk kortsluiting maakt...

Voor het afregelen is de eenvoudige GPS frequentie standaard gebruikt.

Afregeling
Voor het afregelen is de GPS frequentie standaard gebruikt. De beschrijving daarvan kun je op deze website vinden. De frequentie kun je instellen op iedere waarde tussen 1 Hz en 10 MHz, zelfs nog een paar MHz hoger met verminderde kwaliteit. De laagfrequent uitgang wordt aangesloten op de audio ingang van de PC en een audio spectrum analyzer programma (er zijn er vele) wordt opgestart op die PC. De GPS frequentie standaard wordt via een hoogohmig weerstand of een "pick-up" draadje verbonden met de antenne ingang. Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard op de QRSS frequentie van 7039,85 kHz. Regel de trimmers van de ingangskringen af op maximum. Je kunt het niveau van het test signaal varieren met de 1k verzwakker potentiometer.

Afregeling van de onderdrukte zijband. De oranje curve is het gewenste signaal op 7039,85 kHz.
De onderdrukking van de ongewenste zijband (7005,7 kHz) is meer dan 45dB
en zelfs meer dan 55dB in het midden van de band.

Nu komt het moeilijke gedeelte, het afregelen van de zijband onderdrukking, daar ben je wel even mee bezig.
Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard weer op de QRSS frequentie van 7039,85 kHz en regel het signaal met de 1k verzwakker zodanig af, dat het signaal bovenaan het spectrum display ligt. Lees de audio frequentie af. Bij mijn ontvanger is dat 17068 Hz. Zet de frequentie van de GPS frequentie standaard vervolgens op de ongewenste zijband, dat is 7039,85 kHz - 2x de afgelezen audio frequentie. Bij mij dus 7039,85 kHz - 2 x 17068 Hz = 7005,714 kHz. Nu zul je op exact dezelfde plaats in het spectrum een zwakker signaal zien. Regel nu de twee trimmers van het hoogfrequent fase netwerk zodanig af, dat dit signaal minimaal is. Steeds 1 trimmer een beetje verdraaien, dan de tweede op minimum signaal afregelen en zo de meest optimale standen vinden.

Echte simpele "Barefoot Technology"! Een eenvoudige loop antenne voor de eerste experimenten!

En... hoe doet hij het?
De gevoeligheid is uitstekend. Aangesloten op een loopantenne kun je de ruis enorm horen afnemen wanneer je de HF verzwakker terugdraait. Ook de frequentie stabiliteit is prima. Er zijn geen ongewenste signalen hoorbaar die bij dit soort eenvoudige ontvangers vaak veroorzaakt worden door oversturing door sterke omroep zenders.
En de zijband onderdrukking van de ongewenste zijband (7005,7 kHz) is meer dan 45dB en zelfs meer dan 55dB op de centrale frequentie! Er zijn geen signalen hoorbaar, die afkomstig zijn van die ongewenste zijband. Dat was wel het geval bij de eerste eenvoudige direct conversion ontvanger zonder die ongewenste zijband onderdrukking.
Met de laptop en loop antenne werden al meteen QRSS signalen ontvangen! Maar het duurt nog even voordat de resultaten zichtbaar worden op de Active QRSS Grabber List by Scott Harden. Er moeten nog wat USB audio dongles voor de Raspberry Pi besteld worden en die zijn niet allemaal bruikbaar! Daarover later meer!

En... al snel werden de eerste signalen ontvangen!
M0BMN, G0FTD, M0RON, GJ7RWT, S52AS (non-stacked), DL1ENZ

En... N8NJ op 7039,910 kHz!

En... verdwaalde neushoorns!!!

Slecht weer! Onweer en bliksem!

QRSS Plus Automatically-Updating Active QRSS Grabber List by Scott Harden

Index PA2OHH