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 PICPAR-Modem existiert in zwei Ausführungen. Das "Ur-PICPAR-Modem" ist mit diskreten Bauelementen aufgebaut und eignet sich hervorragend für den Selbstbau. Dieses Manual beschreibt jedoch die neue SMD-Version, die zusammen mit unserem amerikanischen Partner Tigertronics entwickelt wurde. Schaltungstechnisch gleichwertig zum PICPAR-Modem bietet es einen erheblich kompakteren Aufbau und zusätzlich noch die Möglichkeit der externen Spannungsversorgung, wo eine Versorgung über den PC nicht möglich ist.

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 D2-D4 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. Optional ist jedoch über die Buchse J3 auch eine externe Spannungsversorgung mit 6-12V möglich, die Stabilisierung erfolgt dann über die Z-Diode D1. C1-C3 sorgen für eine Glättung und Stabilisierung.

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 R4 das Schieberegister bedienen. IC6A und 6F treiben den Ausgang des 4517 auf die manchmal recht niederohmigen Centronics-Schnittstellen.

R6 und C6 erzeugen den Reset für den mit 3.686 MHz getakteten PIC-Baustein. Die low-aktive PTT wird über IC6C und 6D sowie den Transistor Q1 geschaltet. 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 (R9-R15) 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 Zweifach-OP's vom Typ OP291 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 OP291 mit (IC4B). 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 (IC5B) erzeugt.

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

Die Realisierung

Das gesamte Modem findet auf einer doppelseitigen, SMD-bestückten Platine Platz, die in ein Kunststoff-Halbschalengehäuse eingebaut wird. Die 25-polige Schnittstellen-Buchse des Modems kann dabei direkt auf die Centronics-Schnittstelle des PCs gesteckt werden. Auf der Rückseite erfolgt der Anschluß des Funkgerätes über eine 9-polige Buchse. Die optionale externe Spannungsversorgung erfolgt über eine AC-Buchse. Ebenfalls von der Rückseite des Modems zugänglich ist das Poti zur Hubeinstellung (R25).

Bestückungsplan als GIF,
Bestückungsplan für Postscript-Viewer

Mit * gekennzeichnete Widerstände: Metallfilm, 1% (E96-Reihe).

Alle anderen: Kohleschicht, 5% Toleranz

Änderungen für 19200Bd auf der vorletzten Seite dieser Bauanleitung!

Anschluß an Funkgerät und Computer

Der Stecker J1 des Modems wird 1:1 an die Centronics-Schnittstelle des Computers angeschlossen. Am besten steckt man das Modem direkt auf die Rückseite des Rechners, ist das nicht möglich, sollte ein geschirmtes Kabel, so kurz wie möglich, verwendet werden.

Für das Funkgerät müssen vier Anschlüsse hergestellt werden: Sende-Nf (TX-AF), Empfangs-Nf (RX-AF), PTT und Masse. Die Leitungen liegen auf Stecker J2 des Modems, siehe dazu auch die nachfolgende Zeichnung. TX-AF wird direkt auf den Modulator des Funkgeräts geführt, RX-AF wird direkt vom ZF-IC abgegriffen. Der TX-AF-Ausgang ist gleichspannungsentkoppelt. Bitte beachten Sie, daß Ihr Funkgerät speziell für 9600Bd hergerichtet sein muß!

Das Modem wird üblicherweise intern aus der Schnittstelle mit Spannung versorgt. Wo dies nicht möglich ist (z.B. manche Laptops mit 3V-Schnittstellen), kann über die Buchse J3 eine externe Spannung angelegt werden. Hierzu ist der äußere Ring des AC-Steckers mit der Masse der Spannungsversorgung zu verbinden, der innere Ring mit einer positiven Gleichspannung von 6-12V.

Inbetriebnahme

Das PICPAR-Modem wird von allen Treibern angesteuert, die bislang auch das PAR96-Modem bedient haben. Im wesentlichen sind dies der BayCom-L2-Treiber (ab Version 1.60) und das Programm TFX von DB7KG sowie PC/FlexNet. Eine unmittelbare Funktionskontrolle kann z.B. mit dem BayCom-L2 vorgenommen werden, er meldet nach Konfiguration (INSTALL-Programm oder SCC.INI) und Start direkt, ob er das vom Modem erzeugte Interruptsignal empfangen hat oder nicht. Da mit dem ersten Start von L2 natürlich auch erst die Stromversorgung des Modems aktiviert wird und der Kondensator C1 einige Zeit zum Aufladen benötigt, kann es sein, daß bei Nutzung der internen Spannungsversorgung der erste Versuch mit einer Fehlermeldung endet. In diesem Fall sollte L2 nocheinmal gestartet werden, im Zweifelsfall sollte das Modem extern über den Stecker J3 mit Spannung versorgt werden (siehe oben). Für andere Treiber gilt entsprechendes. Wenn man vom PAR96 auf das PICPAR- Modem umsteigt, so sollte man beachten, daß man die Hardware-DCD des Modems nutzen sollte. Die Mode-Einstellungen bei BayCom und FlexNet lauten dann :MODE 9600 anstatt bislang :MODE 9600c.

Als einzige Justage ist die Einstellung des Hubs nötig. Hierzu adjustiere man R25 auf den vom Funkgerätehersteller angegeben Spitz-Spitze-Pegel für das vorgesehene Funkgerät oder versuche die richtige Einstellung (ca. 3 kHz Hub) empirisch zu finden. Bei diesem Pegel sollte das beim Aussenden einiger Testpakete erzeugte Signalrauschen in etwa so laut sein wie das bei freiem Kanal und offener Squelch zu hörende Grobkornrauschen. Sollte es bei der übertragung zu Retrys kommen, so versuche man, die Hubeinstellung nachzujustieren. Angemerkt sei allerdings, daß das PICPAR-Modem die gleichen besonderen Anforderungen an Funkgeräte stellt wie alle anderen FSK-Modems auch, also insbesondere an Umschaltzeiten, Bandbreite und PLL-Verhalten. Unzulänglichkeiten machen sich hier in der Regel in erheblichem Maße bemerkbar.

Hinweise zum Betrieb

Das Modem selbst kann aufgrund des schmalen Gehäuses direkt auf die Centronics-Schnittstelle gesteckt werden. Das Kabel zum Funkgerät sollte allerdings so kurz wie möglich sein, 2m sollten nicht überschritten werden. Eine Abschirmung sollte vorhanden sein und an einem Ende an Masse angeschlossen sein. Eine kräftige Masseverbindung zwischen PC und Funkgerät (dafür dann keine Masseleitung im Funkgerätekabel) verbessert die Signaleigenschaften und vermindert Schäden bei eventuellem Blitzeinschlag. Das Modem selbst ist lediglich simplex- bzw. halbduplextauglich, d.h. gleichzeitiges Senden und Empfangen ist nicht möglich, bei Userfrequenzen aber auch nicht üblich. Aufgrund der relativ geringen Interruptrate ist auf den meisten Rechnern auch ein Betrieb mit dem BayCom-Terminal unter Windows 3.x möglich. Der Treiber L2 sollte dazu vor dem Start von Windows aufgerufen werden, das Terminalprogramm kann dann in einem DOS-Fenster aufgerufen werden.

Die Autoren wünschen viel Spaß beim Nachbau und Betrieb des PICPAR-Modems!

Betrieb mit 19200Bd

Für einen Betrieb mit 19200Bd sind folgende änderungen vorzunehmen:

PIC-Prozessor, 10MHz-Version

X1 7.372 MHz

C12 1.5nF

C15 100pF

C14 47pF

C13 220pF

C7 470pF

C9 100pF

Softwareeinstellungen entsprechend auf 19200Bd.

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Technische Rückfragen und Reparaturservice

Für alle BayCom-Bausätze bieten wir Ihnen einen Reparaturservice an. Sie werden sicherlich verstehen, daß dieser Service nicht ganz kostenlos sein kann. Wir versichern Ihnen aber, die Reparatur so kostengünstig wie möglich durchzuführen, da sich unser Team sehr wohl in die Nöte des Bastlers hineinversetzen kann. Sofern die Reparaturkosten den halben Bausatzpreis nicht überschreiten, führen wir sie sofort durch, Sollte der Schaden größer sein, so nehmen wir vor der Durchführung mit Ihnen Verbindung auf. Bitte senden Sie Ihre Geräte direkt an uns. Sie erhalten hier ebenfalls Auskunft, wenn Sie technische Fragen haben. Bitte beachten Sie, daß wir eine "just-for-fun" Feierabendfirma sind, wir können Ihnen daher leider weder einen 24h-Reparaturservice bieten noch sind wir ständig telefonisch erreichbar.