Dokumentation zur Hardware

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Die Urheberrechte für die Schaltung und die Prozessorsoftware liegen bei Henning Rech, Df9IC, die Rechte für die Ausführung der Platine und des Schnittstellenprotokolls bei Johannes Kneip, DG3RBU

Haftungsausschluß: Die Autoren übernehmen keine, über die gesetzlich vorgeschriebene Produkthaftung hinausgehende Haftung für die Richtigkeit der veröffentlichten Schaltungen und sonstigen Anordnungen sowie der technischen Beschreibung. Für den ordnungsgemäßen Einsatz und die Einhaltung der gesetzlichen Bestimmungen für den Betrieb ist der Betreiber selbst zuständig.

PICPAR - ein einfaches FSK-Modem für die Centronics-Schnittstelle

Beherrschbare und preisgünstige Technik sind die Grundvorraussetzungen, wenn eine neue Amateurfunkbetriebsart sich zahlreiche Freunde erschließen soll. Mit dem Erscheinen einfacher Computer-Modem-Lösungen für den 1200Bd Packet-Betrieb Ende der achtziger Jahre begann die Datenübertragung für Funkamateure erst richtig populär zu werden. Steigende Nutzerzahlen und immer größere Datenmengen ließen schon bald den Wunsch nach höheren übertragungsgeschwindigkeiten laut werden. Die von James Miller, G3RUH vor 10 Jahren entwickelte FSK-Datenübertragung mit 9600Bd oder mehr etablierte sich bald weltweit zum Standard. Es gelang aber ihr aber nicht, die technisch eigentlich schon längst überholte 1200Bd-Technik flächendeckend zu verdrängen.

Dies hatte im wesentlichen zwei Gründe: Für 9600Bd benötigte man entweder eine aufwendige PC-Einsteckkarte oder einen TNC anstatt eines einfachen Modems. Es standen nur wenige geeignete Funkgeräte für 9600Bd zur Verfügung, ein Umbau gestaltete sich oft schwierig. An letzterer Tatsache hat sich bis heute leider wenig geändert. In die Modemwelt kam erstmals mit der Entwicklung des BayCom PAR96-Modems Leben, welches direkt an die Centronics-Schnittstelle des PCs angeschlossen wird. Um die Rechenbelastung des PCs gering zu halten, beinhaltet dieses Modem ein FIFO, über das jeweils 16 bit des empfangenen bzw. gesendeten Datenstroms in einem Burst übertragen werden. Pro Burst wird ein Interrupt ausgelöst, d.h. die resultierende Interruptrate liegt mit 600Hz deutlich unter den 1200Hz des AFSK-Modems, wo bei jedem bit ein Interrupt ausgelöst wird. Das in der FSK-Norm vorgesehene Scrambeln des Signals, also eine gezielte Verwürfelung des Inhalts um den bei der Funkübertragung störenden Gleichspannungsanteil des Signals gering zu halten, sowie die Kanalbelegterkennung (DCD) übernimmt dabei der PC. Alle anderen Funktionen (insbesondere Filterung, Taktrückgewinnung und Datenrekonstruktion) werden vom Modem selbst durchgeführt. Dies führte beim PAR96 trotz Einsatz von programmierbaren Logikbausteinen zu einem Schaltungsaufwand von einer halben Eurokarte und einem Stromverbrauch von etwa 150mA - zwar weit weniger als bei einem TNC, aber immerhin noch nicht ganz zu vernachlässigen.

Das hier beschriebene PICPAR-Modem entstand in der Absicht, den Aufwand für das PAR96 nochmals zu reduzieren und vor allem die Notwendigkeit einer externen Stromversorgung zu beenden. Um die bereits vorhandenen Software-Treiber weiter nutzen zu können, sollte es gleichzeitig anschlußkompatibel zum PAR96-Modem bleiben. Beim PAR96-Modem ist der größte Teil des Schaltungsaufwands auf die FIFO-Ansteuerung, das digitale FIR-Filter sowie auf die Taktrückgewinnung zurückzuführen. Hier entstand die Idee, diese Funktionen komplett in einen sparsamen und preiswerten Microcontroller zu integrieren. Die Wahl viel auf den PIC 16C84 der Firma Microchip. Der PIC ist ein vollwertiger 8bit Microprozessor in einem 18-poligen DIL-Gehäuse. Er besitzt 13 I/O-Ports, 36 Byte RAM, 1k EEPROM mit 14 bit Wortbreite für die Instruktionen, integrierter Oszillator und Interruptmöglichkeiten - kurzum alles, was so einen Prozessor komfortabel macht. Dazu kommt, daß dieses IC bereits ab 2V Versorgungsspannung funktioniert und bei den avisierten knapp 4 MHz Takt lediglich 2mA Strom benötigt. Die Grundlage für die Realisierung eines solchen Modems mit 3-5V Betriebsspannung und etwa 5mA Stromverbrauch, wie sie aus der Centronicsschnittstelle zu gewinnen sind, war damit gegeben.

Das Blockschaltbild des Modems

Das folgende Bild zeigt ein Blockschaltbild des Modems. Die Anbindung geschieht wie vom über 6 Leitungen. Im Gegensatz zum PAR96 liefert das PIC-Modem auch eine sehr gute DCD, so daß der PC damit wiederum einer zeitkritischen Pflicht entledigt wird. Das Modem liefert einen Interrupt-Clock mit 16-facher Periode des Sende/bzw. Empfangstakts. Daraufhin hat der PC eine halbe Interruptperiode Zeit, entweder 16 zu sendende Bits in das Modem-FIFO zu schreiben bzw. 16 empfangene Bits aus diesem abzuholen.

Beides geschieht über ein vom PC zu erzeugendes Burstsignal. Der PIC übernimmt beim Senden das vorgeschriebene FIR-Filter und gibt die Daten dann parallel an einen Digital-Analogwandler aus. Empfängerseitig ist erheblich mehr zu tun: Aus dem seriell eingehenden Rohdatenstrom muß zunächst der Empfangstakt regeneriert werden und die Daten dann mit diesem abgetastet werden. Gleichzeitig ist die Kanalerkennung (DCD) durchzuführen. Die regenerierten Daten werden dann an das FIFO ausgegeben und gelangen so in den PC.

Neben PIC und FIFO-Baustein sind noch einige analoge Funktionen notwendig. Das treppenförmig aus dem D/A-Wandler kommende Signal muß noch sauber nachgefiltert werden. Dies geschieht über ein aktives Tiefpaßfilter, von dem aus die Daten über einen Hubregler auf den Modulator des Funkgeräts gelangen. Umgekehrt müssen demodulierte Empfangsdaten zunächst einmal bandbegrenzt werden, auch dies geschieht wiederum über ein aktives Tiefpaßfilter. Anschließend werden die Daten digitalisiert, d.h. ein Komparator vergleicht diese mit einer Referenzspannung und führt das Vergleichsergebnis dann dem PIC-Prozessor zu.

Zum Schaltplan

Schaltplan als GIF,
Schaltplan für Postscript-Viewer

In der Heftmitte befindet sich der Schaltplan des PICPAR-Modems. Es spiegelt direkt das Blockschaltbild wieder, in der Realisierung wurden aber einige Tricks vorgenommen, die nachfolgend etwas näher erläutert werden sollen. Die Spannung für das Modem wird direkt über die Schottky-Dioden D1-D3 aus den Ausgangsleitungen der Centronics-Schnittstelle gewonnen. Typischerweise kann so auch bei treiberschwachen Laptops eine Versorgungsspannung von etwa 4.5V gewonnen werden, das Modem funktioniert aber bereits ab 3 Volt aufwärts. Eine Stabilisierung ist nicht notwendig, mit C1 und C15 wird lediglich eine Siebung vorgenommen.

Für das FIFO wird ein CMOS-Baustein vom Typ 4517 verwendet. Er beinhaltet zwei 64 bit lange Schieberegister, die bei 16 bit angezapft werden. Die Clockleitung teilen sich PIC und PC, sobald der PIC den entsprechenden Ausgang hochohmig schaltet, kann der PC über R1 das Schieberegister bedienen. T3 und T4 treiben den Ausgang des 4517 auf die manchmal recht niederohmigen Centronics-Schnittstellen.

R22 und C2 erzeugen den Reset für den mit 3.686 MHz getakteten PIC-Baustein. Die low-aktive PTT wird über T1 invertiert, T2 schaltet die PTT des Funkgeräts. Hier wird ein MOS-Kleinleistungstransistor eingesetzt, um sicheres Schalten bei kleinster Ansteuerleistung zu erreichen.

Um den Stromverbrauch zu minimieren, wurde auf einen integrierten Digital-Analogwandler (z.B. ZN429) verzichtet, stattdessen kommt ein 2R-Widerstandsnetzwerk (R5-R11) zum Einsatz. An dieser Stelle müssen unbedingt 1% Metallfilmwiderstände der E96-Reihe verwendet werden, um eine saubere Signalformung zu erreichen.

Das anschließende aktive Filter- / Verstärkernetzwerk ist bereits aus den klassischen Modemschaltungen bekannt. Eine Besonderheit stellt der Einsatz des Vierfach-OP's vom Typ OP491 dar. Dieser Operationsverstärker ist zwar deutlich teurer als die sonst verwendeten Universal-Op's, er zeichnet sich aber durch niedrige Versorgungsspannung, geringe Stromaufnahme, Rail-to-Rail-Betrieb und ausreichende Geschwindigkeit und Sättigungs-Erholzeit aus. Seine geringe Schwingneigung ermöglicht eine sehr hochohmige und daher wieder energiesparende Auswirkung. Man bedenke, daß nur ein einziger Lastwiderstand von 1kOhm nach Masse bei 5V Versorgungsspannung die Stromaufnahme des Modems glatt verdoppeln würde....

Empfangsseitig kann aufgrund der guten Eigenschaften des OP's auch auf ein gesondertes Komparator-IC verzichtet werden, diese Eigenschaft übernimmt der OP491 mit (IC3D). Ein Trick wurde auch bei der Erzeugung der Referenzspannung für das Modem angewandt (diese beträgt etwa 0.4 * die Betriebsspannung): Diese für den Analogempfangsteil benötigte Spannung (Hilfsmasse und Komparator- Referenzspannung) wird über eine geeignete Belegung der Ausgangsdatenleitungen und die erste Stufe des Sendefilters (IC3A) erzeugt.

Der Ausgang des Modems ist über C9 gleichspannungsentkoppelt. Alle Signale zum Funkgerät werden auf eine 9-polige Buchse mit Standardbelegung geführt.

Der Aufbau

Das gesamte Modem findet auf einer doppelseitigen, 39*72mm großen Platine Platz (Bild 3). Es sind nur sehr wenige Durchkontaktierungen vorhanden, so daß auch eine selbst angefertigte Platine Verwendung finden kann. Der Aufbau selbst geht relativ problemlos vonstatten. Zunächst werden alle niedrigen passiven Bauteile bestückt und verlötet. Für die ICs sollten Präzisionssockel Verwendung finden. Bei Verwendung einer nicht durchkontaktierten Platine ist zu beachten, daß zahlreiche Bauteile auch an der Oberseite der Platine zu verlöten sind. Anschließend können die höheren Bauteile und die Transistoren eingelötet werden. Die Stecker werden noch nicht verlötet. Ist dieser Vorgang abgeschlossen, so überprüfe man den gesamten Aufbau auf kalte Lötstellen und Lötbrücken. Anschließend steckt man die drei ICs in die Fassungen.

Einbau ins Gehäuse

Die Maße des Gehäuses und das Platinenlayout sind auf ein gut erhältliches kleines Kunststoffgehäuse abgestimmt (AGM25, z.B. erhältlich über Simons Elektronik, Bedburg). Bei diesem kompakten Gehäuse werden die Sub-D-Stecker zwischen den Halbschalen eingeklemmt, die Platine schwebt zwischen den Steckern freitragend im Gehäuse. Um einen paßgerechten Einbau zu erreichen, werden die Sub-D-Stecker zunächst lose auf die dafür vorgesehenen Pads an den Platinenenden gesteckt. Dann wird der Aufbau in eine der Gehäusehalbschalen gelegt und die Stecker auf die richtige Distanz justiert. Danach können diese auf den verzinnten Pads festgelötet werden (Unterseiten nicht vergessen). Oberhalb des Hub-Potis kann noch eine 4mm-Bohrung in das Gehäuse eingebracht werden, um einen späteren Hubabgleich von außen zu ermöglichen.

Bestückungsplan

Bestückungsplan als GIF