"Tiny Ten" 业余无线电收发信机

一款自制、轻量级、10 瓦、10 波段业余无线电发射/接收机的内部结构之旅。

一款基于 Teensy 4.1 的收发信机，大量使用了 OpenAudio_ArduinoLibrary。

Bob W7PUA

Tiny Ten Radio 简介 - 这一切都始于在俄勒冈州 Cascade Mountains 的一次背包旅行。我们欣赏着我们高山山谷的美丽景色。帐篷前的湖泊清澈见底，倒映着周围的群山。但是，无线电信号都被屏蔽了。不仅没有手机信号，而且我们只能接收到一个微弱的 FM 广播电台。家里的人们真的很想知道我们有没有被熊袭击，但事实并非如此（他们没有）。我带了一个 5 瓦的 2 米手持无线电，但即使使用半波天线，也无法呼叫任何中继器。然后，我想起和 Lew, N6QKP 一起参加过类似的旅行，他用他的 Elecraft KX-2 通过一个简单的偶极天线轻松地与 75 米波段进行了通信。这是在 SSB 上进行的，而且似乎很简单，即使在 VHF 信号无法到达的地方。合乎逻辑的结论是我需要一个那样的设备。 但是逻辑并不总是适用。也许 KX2 解决方案太简单了。也许这是一个新设计的挑战。当然，一个因素是我对 Teensy 4.1 和相关的浮点 DSP 库的熟悉程度。但无论如何，我开始设计和制造一款无线电，以满足一些相当具体的目标：最初的想法是在一个合理的小封装中，以 1 磅以下的重量（包括电池）提供 10 瓦的 SSB 和 CW 功率。它将在 80/75 米和 40 米业余波段工作，并尽可能地使用 DSP 来增强接收机和发射机。它不打算作为家用电台，并将使用小型显示器来简化操作并限制电流消耗。计划是运行数小时的接收时间，以及大约 15 分钟的全功率发射时间，无需充电即可依靠电池运行。 嗯，自从项目启动以来已经一年半了。期间有一些非无线电的干扰，但现在该无线电已在所有模式下运行。基本目标已经实现，而且通常情况下，无线电的复杂性也增加了。本文将总结 Tiny Ten 在物理上和功能上的外观。这不是一个“如何做”的指南，但也没有任何秘密。如果您没有看到任何您感兴趣的东西，请提问，我会尽力回答。但是，我没有提供电路板或套件的计划。 关于这款无线电是什么以及它不是什么，有几句话要说。我想要一个真正的无线电，因为接收机的灵敏度、动态范围和选择性不会限制通信能力。发射机需要能够生成干净的信号，并提供足够的功率输出来随时以 CW 和 FT8 模式，以及大部分时间以 SSB 模式进行通信。CESSB 的使用产生了干净的信号，其效果相当于 25 瓦的传统 SSB 发射机。频率精度和稳定性需要准确无误，并且毫无疑问我们在频段中的位置。此外，重量和尺寸需要能够让一个老家伙背着背包携带。显示器的选择归结于该设备，即测试各种想法的机会，例如小型显示器。小型显示器的主要原因是低功耗。但是，它也是一个试验如何充分利用极简控制界面的机会。我已经知道使用 50 个旋钮和开关以及 10 英寸显示器可以完成什么。现在是时候看看用 8 行 21 个字符加上图形可以做什么了！ 还有架构。我非常喜欢使用双模拟转换，并在第一个中频使用“宽带”晶体滤波器。这允许在第一个本振上进行很大的步进，例如 5 kHz，这基本上没有寄生信号。它可以提供大量的保护，防止干扰信号，因为晶体滤波器可以早期进入增益进程。最后，这为干净的发射机信号生成提供了极大的灵活性。这种方法的例子是 DSP-10 2 米收发信机和 VU2ESE 的 sBitx HF 收发信机（搜索这两个）。但是，Tiny Ten 没有遵循这条路径，而是使用了当前流行的单次转换到 DSP 频率的路径。这更容易构建，并且对于较低功率的便携式无线电来说，性能可能也足够了。它也让我有机会玩这种我以前没有做过的架构。我希望在时间允许的情况下，更多地谈谈这款无线电的测试和设计。 Tiny Ten front panel 这个小的 128x64 像素屏幕会根据发生的情况而变化。这是 SSB 或 CW 的接收模式。顶行是电池电压、日期和时间。第二行是一个错误代码（现在没有），然后是接收信号强度，首先以 dBm 为单位，然后以 S 单位为单位。大行是以赫兹为单位的频率。第 4 行有模式、音频和射频增益设置。接下来是以 dBm 校准的 S-meter 条形图。底行有内部温度和一些未使用的位置。 项目描述 - 这让您了解该项目的一般特性。 **

截至目前（2025 年 1 月），该无线电已在空中运行，但仅在 80 和 75 米波段。峰值输出功率略高于 15 瓦。下面是计划改进的列表，但就目前而言，它可能比其他任何东西都更需要使用。让一个简单的前面板工作是一回事；让用户界面易于使用是另一回事。在本页中，我们将尝试提供无线电在电气、机械和软件方面的快照。 电气描述 - 2025 年 2 月 22 日。Twin Peaks 电路是最大的补充。 这是背面 RF PCB 的原理图。它包括 LO、直接转换 I-Q 混频器、RF 功率放大器和各种开关。该原理图用于 KiCad 中生成制作 PCB 所需的图像 (Gerbers)。 单击图片以在新浏览器选项卡中打开可读大小。关闭选项卡或更改选项卡以返回此处。 此处未显示用于锁定收发信机频率并提供时间和网格方块的 GPS 模块的电路。焊盘位于 RF 板上，但尚未安装或测试。 硬件架构是一个具有正交信号馈入和馈出 DSP 的单个 RF 频率转换器。在 RF 和 I-F 级别都使用开关来在接收和发射之间切换。Si5351A 合成器的单个输出用于驱动转换器并设置 RF 频率。这通过 74ALVC74 高速 4 分频器运行，以建立精确的正交转换信号。这设置了无线电的工作频率。单个 RD16HHF MOSFET 是发射输出放大器。天线继电器是一种保持类型，以节省电流。RF 滤波和匹配网络位于三个小型 PCB 上；这是一项实现两个目标的实验。首先是节省多波段滤波器的重量，因为实际上只使用一个或两个波段。第二个目标是通过使用单波段优化的网络而不是宽带变压器来提高放大器的效率。两个低电平网络的大小与邮票的大小相同，而输出网络的大小约为其两倍。 该原理图是数字 PCB。它包括 PJRC Teensy 4.1 处理器, 带有立体声 ADC 和 DAC 的 SGTL5000 编解码器、DC 电压调节和稳压器、开关、旋钮和显示屏。该原理图用于 KiCad 中生成制作 PCB 所需的图像 (Gerbers)。 单击图片以在新浏览器选项卡中打开可读大小。关闭选项卡或更改选项卡以返回此处。 数字板以 Teensy 4.1 处理器为中心。这是一个小型电路板，它分解了大量的处理器引脚，并提供了电源线的基本旁路和直流电源分配。这既控制了无线电，又为所有接收和发射信号处理提供了浮点 DSP。板上有一个用于音频 (I-F) 输入和输出的 SGTL5000 编解码器。当驱动扬声器时，数字 PCB 还具有一个音频输出放大器。 电容器 是该项目中实验的主题。电解电容器和钽电容器具有比多层陶瓷电容器更高的串联电感，部分原因是它们尺寸更大。它们还具有更高的串联电阻。最后，它们通常比陶瓷电容器的寿命（以年为单位）更短。陶瓷电容器中的可用容量值随着其成本的降低而增加。因此，该设计仅使用陶瓷电容器完成，最大值为 100 微法拉。有关更多信息，请参阅 多层陶瓷的讨论。此外，并联放置多个值的旁路电容器会导致不希望的并联谐振（请参阅刚刚给出的参考链接以及 Experimental Methods in RF Design 的第 2.8 节）。在此设计中，仅并联了相同的值。 调谐电路 -（截至 2025 年 1 月 31 日的新文章）对于接收路径，RF 滤波由倍频程大小的带通滤波器组成。这涵盖 80 到 10，如 3.5 到 7.3 MHz、7.3 到 15 MHz 和 15 到 30 MHz。这种布置效果很好，因为混频器在 3 次、5 次和其他奇次谐波处有响应，但在偶次谐波处没有响应。这些电路 来自以前的项目, 但这些不使用保持继电器，而是使用一个小型插入式卡，如下所示。该板非常小，大约 0.75 英寸（19 毫米）宽。接头连接器的引脚间距为 0.05 英寸（1.27 毫米） Tiny Ten Octave Filter 发射路径使用与接收机相同的混频器和倍频程滤波器。然后是 21 dB 的宽带放大器，然后是一个插入式匹配网络，用于将放大器耦合到 MOSFET 输出放大器。最后，有一个插入式匹配网络，用于将 MOSFET 的 5 欧姆阻抗转换为天线的 50 欧姆。21 dB 驱动器放大器使用 BFU590 NPN 晶体管，并设计为 50 欧姆输入和输出电路。插入式级间匹配网络在拓扑结构上非常通用，如下所示，但并非所有组件（例如电感器分流的电容器）都已使用。 Tiny Ten Interstage Matching Filter 沿着发射路径前进，有一个 Toshiba RD16HHF MOSFET 和一个插入式输出网络。该网络使用两个级联 L 型网络，旨在以出色的 Matthaei 变压器 (n=4) 的精神运行。 由于这些是插入式网络，因此它们仅覆盖单个业余波段，从而提供最小的损耗。为了最好地衰减谐波，每个电感器都可以与一个电容器并联，从而在 2 次和 3 次谐波处放置一个陷波。在其一般形式中，输出网络如下所示。这是一个更大的板，以便为连接器提供更好的载流能力。引脚间距为 0.1 英寸（2.54 毫米）。还有用于 T37-6 环形磁芯的空间。 Tiny Ten Output Matching Filter 设计方法是省略与电感器并联的电容器，并让 ARRL Radio Designer 中的优化器释放出来，以提供 MOSFET 放大器 22 dB 的增益。 Radio Designer 10 米脚本 显示了这方面的一个例子。在优化过程中，驱动器放大器的组件被固定为上述 21 dB 块。当在 80/75 米的插件板上实施时，放大器的性能符合预期，输出功率超过 10 瓦。问题是 2 次和 3 次谐波仅在 -20 dB 左右。因此，是时候使用输出匹配板中的陷波电路了。使用了两种方法。它们被添加到 Radio Designer 脚本中，陷波电容器始终被限制为 2 次和 3 次谐波。这给出了很好的结果，但是该方法需要设置优化。对于现有的设计，发现了一种简单的替代方法可以很好地工作。 这种将陷波添加到 n 次谐波的设计中，而不具有陷波电容器的方法涉及将电感值减小 [1-1/(n^2)] 倍，并添加一个值为 1/[(w^2)L] 的电容器，其中 w=2pinfo，fo 是发射频率，L 是减小的电感值。这导致并联 LC 在 fo 处的电抗与原始电感器相同，并在频率 n*fo 处产生一个陷波。 当事情发生时，带有陷波电容器的修改后的输出网络并没有按预期抑制谐波。经过一些测量和仿真后，发现插件连接器上的接地引脚共享导致了网络周围的耦合。这是引脚的 20 nH 左右的电感的结果。通过切开输出网络板背面的接地平面来解决此问题，以使 C3 和 C4 中的电流仅流经 J1-3 和 J1-4，而 C7 和 C8 中的电流仅流经 J1-6。 机械布置 - 大部分无线电都建立在两个主要的 PCB（数字和 RF PCB）和一个小型 DC-DC 转换器上。还有三个小型插入式网络板。这在下一个顶视图照片中可以看到： Tiny Ten Top View. 这是从顶部看到的视图，盖子已取下。数字 PCB 位于前面板后面，因此开关仅突出。RF PCB 与数字 PCB 背靠背。互连全部通过引脚间距为 1.27 毫米的小型单连接器和双连接器完成。这导致电路板之间没有导线来辐射或拾取噪声。这产生了 4 层 PCB 的许多优点，但使用成本较低的 2 层板。散热片连接在 RF 输出晶体管和后面板之间。可以看出，它还有两个螺丝孔，可以将顶盖连接为主要的散热装置。背面左角有电池的空间。可以在 RF 板的顶部看到三个插件网络板。这些类似于过去的插件线圈，并且很重要，因为它们允许通过特定于一个或多个频段来实现 RF 能量的低损耗耦合。Teensy 4.1 处理器位于数字板的中心附近，在那里可以看到 USB 连接器。仅在发射时使用的 14 伏 DC-DC 转换器位于右后方。 Unpopulates Tiny Ten Digital PCB 这是数字板，略微过时。 Unpopulated Tiny Ten RF PCB 这是 RF 板。这两块板通过两个 0.25 英寸（6 毫米）的方形铝条隔开，接地平面到接地平面。它也需要更新。 DSP 软件 - 所有 DSP 均以固定的 48 kHz 采样率运行。这支持高达约 22 kHz 的输入频率。接收路径使用双重转换，主要是为了增加 Si5351A 频率选择的灵活性，以减少寄生信号。这使得第一个中频约为 15 kHz。然后 BFO 在 DSP 中，并且对于任何所需的频率来说，基本上没有寄生信号。在两个阶段都使用了相位方法转换。发射路径是经典的 I-Q 直接转换。在发射时使用 15 kHz 中频可能会因不完善的载波抑制而导致后续放大器中出现相反的边带再生问题。直接转换仍然存在此问题，但由于靠近所需的边带，因此在频谱上被隐藏了。这意味着有更多不需要的 Si5351A 寄生信号，但它们在发射中的问题比在接收中的问题要少。 有各种生成器、滤波器和检测器，用于支持 AM、FM、FT-8 以及单音和双音发射机测试。这些功能都来自 浮点 DSP 库。 以下流程图由 设计工具 生成（与 16 位设计工具分开）。 Tiny Ten DSP Block Diagram 这是上面引用的设计工具创建的流程图。它表示 Tiny Ten 无线电中音频信号的流程。不太明显的是，在 DSP 软件中，块之间的线将创建与音频流系统一起工作的“连接”对象，以确保按需传输音频数据。一旦实例化块和连接，这一切都会自动发生。它使设计和编程音频/I-F 处理变得简单。请注意，此图不是最新的，因为有一个块（未显示）用于 AudioAlign_F32 库类，该类纠正了 SGTL5000 ADC 中的一个问题，该问题随机地将 I 和 Q 通道错误地对齐一个采样。它位于 audioInI2S1 和 NoiseBlank1 之间。 该软件位于单个 .INO 文件中，以及一些预定义的 FIR 滤波器的单独文件中。它当前不受任何控制，但最终会出现在 GitHub 上。这是 .INO 文件的副本, 截至 2025 年 2 月 21 日。这不会随着更改而更新，但它让您了解程序的外观。不要尝试编译此文件。在设计过程的这一点上，我无法帮助您。此文件为我编译并运行了无线电，但是当您阅读本文时，我正在处理不同的不受控制的文件。包括大量的注释，它大约有 2500 行，通过使用 DSP 库使其变得更小。 性能 - 截至今天，所有功能都正常运行，除了 AM 发射和 FT-8 发射和接收。AM 发射的载波电平不正确，FT-8 已安装在 DSP 中，但尚未经过测试。已经通过良好的报告建立了多个 CW 和 SSB 联系。我在 Straight Key Night 运行了该无线电，并建立了大约 10 个联系。所有这些都在 80/75 上，因为这是我制作的唯一发射输出线圈。没有预选，我监听了高达 6 米的所有波段。有趣的是，LO 在 208 MHz 处掉线，在 6 米停止之前停止了无线电。我不打算尝试使事情在 6 米处工作，并且在 10 米处的操作是可靠的。接收机的灵敏度在较高的波段处下降，显然是因为 LO 引入了噪声（不是相位噪声）。这需要进一步探索。3.8 MHz 时的功率输出受到 RF 功率放大器的限制，为 16 瓦。目标是 10 瓦，并且截至本文撰写之日（25 年 2 月 22 日），已经构建了 10 米的线圈板，并且已经测量了 12 瓦的功率输出。在说 10 米已准备好之前，这需要进一步测量。 CESSB 运行良好。信号在 SSB 上听起来不错。FM 似乎工作正常，但我没有花太多时间在上面。发射时的反向边带抑制为 43 dB（单个 1 kHz 音调）。载波抑制更高。这是没有任何幅度/相位校正的情况。如果需要，可以使用校正来用于更高的波段。 TCXO 校准程序已经制定出来，首先是将无线电放入冰箱中。在 80/75 米的各种检查表明频率在 1 Hz 以内。可能并不总是那么好！实时时钟工作正常，到目前为止，我已经使用了 Teensy/Arduino 加载器设置时钟的功能。2032 电池备份工作正常。 北美 AM 广播频段 - 这是一个奖励频段。我制造了一个修改后的倍频程滤波器来覆盖 530 到 1400 kHz，部分原因是想看看它的工作效果如何，部分原因是能够收听 AM 频段。为了不让 1590 kHz 的电台出现在 1590/3=530 kHz，该滤波器被设计为在几乎 1400 kHz 处具有截止频率。这放弃了该频段的顶部 300 kHz。使用了 Dremel 工具将 L1 的使用从 HP 转换为 LP 滤波器，但未使用任何陷波。像往常一样，另外两个传输极点由 L2 和 L3 以及相关的电容器构成。这两个都有电容器来添加陷波。组件值与传输图一起显示。一般来说，这种设计受到 1812 芯片电感器 Qu 的限制。始终是一种妥协。就性能而言，灵敏度非常好，x3 频率电台没有出现，并且来自 DSP 包络检测器的声音质量非常好。我喜欢延迟双耳的合成立体声。 Attenuation vs Frequency BC Band Filter 这是 AM 广播滤波器的实测传输。所有三个电感器都是 1812 RF 类型。所有电容器都是 0805 NP0 陶瓷。组件值为：L1=10uH, L2=6.8uH, L3=3.6uH, C3=1500p, C4=1500p, C7=4700p, C9=560p, C10=560p, C11=1600p, C12=1600p, C13=2700p, C15=1300p。 性能，I-Q 平衡 - [已添加 2025 年 2 月 16 日] 我通过从 Fluke 6060B 合成信号发生器引入 -50 dBm 的 RF 信号来测量接收的相位和幅度平衡。在软件中，来自 Teensy F32 库的 DSP 相位检测器 AudioAnalyzePhase_F32 被放置在对应于 I 和 Q 输入的 ADC 输入处。峰值检测器已经到位，因此我们可以准确测量模拟 I 和 Q 矢量电压。这些电压很重要，因为它们通过相移网络组合在一起，以产生 15 kHz 范围内的 I-F 信号。如果 I 和 Q 在幅度上不相等并且在相位上相隔 90 度，则在低于所需信号 30 kHz 处进行调谐时将接收到图像信号。请参阅 KK7B 在 Experimental Methods in RF Design. 的第 9.2 节中对此的详细讨论和分析。请注意，此处显示的测量结果没有任何校正。可以应用两项校正来消除误差。下图显示了测得的 I-Q 相移。 Measured I to Q phase shift 在 DSP 中使用上面引用的 OpenAudio_ArduinoLibrary 中的相位检测器测量了 I 和 Q 信号的 ADC 输出之间的这种相移差。输入 RF 信号为 -50 dBm，导致相位噪声为十分之几度。此处的值是 1024 个独立数据点的平均值。在 15 MHz 左右以下，相位非常接近 90 度。LO 转换信号来自 4:1 数字分频器，该分频器固有地产生正确的采样脉冲。通常，相位在 0.2 度以内，对应于约 50 dB 的图像抑制。在 15 MHz 以上，相位开始显示寄生电容和不匹配的延迟路径的影响。尽管如此，直到大约 40 MHz，相位误差仍为 1 度或更小，对应于 40 dB 的图像抑制。在 25 MHz 处的 I-Q 相位差中有一个有趣的峰值。我尚未探索该错误的来源。 在整个频率范围内，I 和 Q 的幅度匹配通常为 1.004 的比率，对应于 48 dB 的图像抑制。在构建 RF 板时，我很幸运地拥有许多 1% 的电阻器，并且尽我所能地将它们匹配起来。甚至四个 Tayloe 脉冲存储电容器也进行了匹配。这一切都显示在 I 和 Q 的严格幅度控制中。无论如何，如果在 DSP 中应用 I-Q 幅度校正，则电阻器匹配将是不必要的。 我测量了几个 RF 频率下的图像抑制。实测值与上述 KK7B 公式计算的值一致。以下是几个测量值，其中 14 MHz 代表较低的频率数字，而 39 MHz 对应于具有较高相位误差的频率。

14 MHz |I|/|Q|=1.0035, dPhase=89.97 deg, Image=-48 dB (calculated -49 dB)
39 MHz |I|/|Q|=1.0091, dPhase=91.17 deg, Image=-37 dB (calculated -34 dB)

一般来说，目前的计划是在不使用校正的情况下继续进行，可能会在以后添加校正。 不知何故，我设法走到了这一步，却忘记了放入 SGTL5000 编解码器的 Twin Peaks 时间移位器。 这是必需的，并且已使用 AlignLR DSP 库类将其添加到硬件和 INO 中。在启动时，在打开 LO 以创建接收器之前，Teensy 上的 i/o 引脚用于以大约四分之一的采样率生成方波。将其引入 ADC 的两个输入。在 I 和 Q ADC 输入之间进行相关，延迟为 0、1、2 和 3 个采样周期。找到正相关，对应于两个通道对齐。然后始终进行此移位以使两个通道对齐。这仅在启动时才需要，因为它在运行中永远不会移位。 性能，音频滤波器 CW Filter Response 这是 CW 的高斯形状 FIR 滤波器的响应。6 dB 带宽约为 200 Hz，但滤波器的声音并不窄。频率的缓慢滚降有效地防止了当信号略微调谐到通带之外时丢失信号。脉冲响应具有也是高斯形状的包络，从而最大限度地减少了振铃。滤波器由 OpenAudio_ArduinoLibrary 中的 filterFIRGeneral 类实现。 计划的增强功能 - 待定！但这将包括让 FT-8 工作，以在非标准 FT-8 频率上发送和接收 13 个字符的消息，完成前面板，在 10 米和 20 米上进行测试。可能会将温度过载传感器添加到 RF 发射输出。前面板需要标记。还有更多。 谢谢 - 多年来，有很多人为接收和发射的 I-Q 转换技术做出了贡献。感谢所有这些。此外，K7MDL、KK7B、W7ZOI、K3KHF、W7GLF、VU2ESE、DD4WH、N6QKP、W7CQ、KF5N、AC8GY 和 W8TEE 以及 T41 收发信机项目中的其他人、Paul Stoffregen 及其 Teensy 处理器及其相关人员，以及 Chip Audette 都分享了宝贵的信息。我直到该无线电运行后才查看 Elecraft KX2 的内部，但仅仅看到它并使用 KK7P 的精良软件就产生了影响。特别感谢 KJ7ERE 和 KJ7EFX 的耐心和灵感！Bob, W7PUA 返回 W7PUA 主页 发布于 2025 年 1 月 15 日。上次修订：2025 年 2 月 22 日 - 所有版权所有 © Robert Larkin 2025. 硬件许可证：为了能够使用 Tiny Ten 硬件中的任何想法，您绝不能采取任何措施来限制它们的使用。