RasPager (Digi)

RasPager und RasPager Digi

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Einleitung

Die Abdeckung durch Funkrufsender in Deutschland ist nach einem Aufschwung im letzten Jahrzehnt immer noch stark lückenhaft. Grund dafür ist unter anderem die mangelhafte Verfügbarkeit an Sendern, welche das POCSAG Signal ausstrahlen können. Auf der UKW-Tagung 2012 wurde ein Funkrufsender basierend auf Software Defined Radio vorgestellt [1]. Dieser ermöglichte mittels eines Java-Programms, eines Computers mit Soundkarte und eines Funkgerätes einen Funkrufsender aufzubauen. Von dieser Art der Sender wurden mittlerweile einige an verschiedenen Standorten in der Republik in Betrieb genommen. Dennoch ist weiterhin ein 9k6-fähiges Funkgerät sowie Interface-Kabel von Nöten. Der in diesem Paper beschrieben Funkrufsender beinhaltet bereits den Sender sowie einen Raspberry Pi, mit dessen Hilfe die Einbindung des Senders über Hamnet oder Internet in das Verwaltungsnetz möglich ist. Es wird eine Variante für In-House-Betrieb mit kleiner Leistung sowie eine Funkturm-taugliche Lösung im professionellen 19 Zoll Gehäuse vorgestellt. Diese Entwicklung entstand im Rahmen einer Diplomarbeit von Christian Jansen unter Betreuung von Ralf Wilke am Institut für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen Universtiy.

Übersicht des Aufbaus

Der Funkrufsender besteht aus drei Teilen. Ein Raspberry Pi Computer sorgt für die Kommunikation über TCP/IP mit dem Funkrufmaster. Dieser ist ein zentraler Server, welcher die Benutzereingaben zum Versenden von Funkrufen entgegennimmt, ein Warteschlagensystem betreibt und die Funkrufe an alle weiteren Master des Funkruf-Netzes verteilt. Ebenso versorgt der Funkrufmaster die Sender mit Informationen zu den gewünschten Aussendungen. Die hier vorgestellte Lösung verhält sich auf der Netzwerk-Seite wie die etablierten Funkruf-Sender auf Basis des RPC von Adacom. Damit ist diese Software kompatibel und in der bestehenden Server-Infrastruktur lauffähig. Als Sender wird ein ADF7012 verwendet. Dieser stellt einen frequenzvariablen Sender da, der nur geringe externe Beschaltung zur Funktion benötigt. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau.

Abbildung 1: Übersicht des Aufbaus

In dieser Variante liefert der Sender ca. 10 mW Ausgangsleistung auf der Funkruf-Frequenz 439,9875 MHz. In Verbindung mit einer kleinen Ansteck-Antenne reicht damit die Ausleuchtung für den Funkamateur zu Hause im beaufsichtigen Betrieb. Es kann also ein Funkruf-Hotspot mit dieser Konfiguration aufgebaut werden. In der Variante für den Einsatz auf Funktürmen folgt dem Sende-Chip eine Endstufe, welche mit aktiver Kühlung die Ausgangsleistung auf nominell 10 Watt erhöht. Bei Bedarf kann diese noch weiter angehoben werden, etwa um Verluste in den Speiseleitungen der Antenne auszugleichen. Hier ist die behördlich genehmigte EIRP nicht zu überschreiten.

Beschreibung des Senders

Ursprünglich war angedacht, den ADF7012 direkt mit der GPIO-Leiste des Raspberry Pi zu verbinden. Über diese Schnittstelle würde sowohl die Konfiguration des Sende-Chips, als auch die zu sendenden Daten übertragen werden. Bei der Entwicklung hat sich allerdings herausgestellt, dass der Raspberry Pi nicht dazu in der Lage ist, die Sendedaten in einem konstanten Takt über einen GPIO-Anschluss auszugeben. Das Betriebssystem belegt in unvorhersehbaren Abständen die CPU und erzeugt dadurch Aussetzer im Takt der zu sendenden Daten. Zur Lösung wurde ein ATMega-8 Mikrocontroller zwischen Raspberry Pi und ADF7012 implementiert, welcher als Buffer nach dem FIFO Prinzip arbeitet. Er nimmt die Sendedaten vom Raspberry Pi asynchron entgegen und schreibt sie in einen Ringbuffer. Mittels seines eigenen Taktgenerators werden die Daten dann mit einer konstanten Rate an den ADF7012 geschickt und ausgesendet. Abbildung 2 zeigt den Aufbau grafisch.

Abbildung 2: Blockschaltbild des RasPagers

Schaltung des Senders RasPager

Die äußere Beschaltung des ADF7012 ist recht einfach. Im Wesentlichen muss das PLL-Filter und das Ausgangsfilter des Senders dimensioniert und bestückt werden. Das Datenblatt des Chips gibt bereits Bauteilwerte für 433 MHz vor, welche an die Sendefrequenz von 439,9875 MHz angepasst wurden. Mittels einer Software des Chip-Herstellers kann das PLL-Filter entsprechen den Anforderungen des POCSAG Protokolls ausgelegt werden. Das Ausgangsfilter dient zur Unterdrückung von Oberwellen und zur Anpassung des Ausgangswiderstandes des Senders an die 50 Ohm Koplanar-Leitung. Diese endet auf einem SMA Stecker, an den eine Aufsteckantenne oder die optionale Endstufe angeschlossen werden kann.

Die Platine wurde als Aufsteck-Variante für den Raspberry Pi entworfen. Alle Datenleitungen und die Stromversorgung werden über die GPIO-Leiste des Computers im Scheckkartenformat realisiert. Bei Verwendung eines Gehäuses ist eine Öffnung für die SMA Buchse zu schaffen. Abbildung 3 zeigt ein Foto der bestückten Platinen und Abbildung 4 das Fertiggerät RasPager.

Abbildung 3: Foto der bestückten Platine	Abbildung 4: Fertiggerät RasPager

 

Beschreibung der Software

Die alte Java-Software ist bereits überholt. Wir empfehlen die Verwendung von Unipager für die Anbindung an das DAPNET.

Für den ATMega gibt es auch eine neue Software. Es war in der Original-Version in Bug enthalten, der dafür sorgt, dass der Sender 1202 Baud statt 1200 Baud lieferte. Dieses ist nun behoben. Wer updaten möchte, kann sich https://github.com/dh3wr/RasPagerDigi/tree/master/software/AVR%20FIFO anschauen.

Variante für den Einsatz am Funkturm

Für den Einsatz als automatisch arbeitende Amateurfunkstelle werden meist Ausgangsleistungen im Bereich von 10 Watt benötigt. Daher wurde ebenfalls die Variante RasPager Digi entwickelt. Hierbei handelt es sich um einen professionellen 19 Zoll Einschub mit 1 Höheneinheit. Hier ist neben dem RasPager ein Leistungsverstärker-Modul eingebaut, welches die Ausgangsleistung des RasPagers anhebt. Die Kühlung des Moduls erfolgt aktiv über zwei Lüfter. Diese blasen einen Luftstrom von vorne nach hinten durch das Gehäuse an den Kühlrippen vorbei. Dadurch wird auch bei Dauerbetrieb und hohen Temperaturen in einem Geräteschrank die Betriebssicherheit nicht gefährdet. Abbildung 6 zeigt ein Foto des geöffneten Gehäuses. Die nominelle Betriebsspannung ist 12 Volt.

Abbildung 6: Fotos des RasPager Digi in 19 Zoll Technik

Evaluierung

Beim Betrieb von Sendern müssen die gesetzlichen Bestimmungen und Grenzwerte eingehalten werden. Daher wurde das Ausgangsspektrum sowohl des Tischsenders RasPager als auch der Variante für den Einsatz als Basisstation vermessen. Abbildung 7 und 8 zeigen die gemessenen Ausgangsspektren, welche die Anforderungen erfüllen.

Abbildung 7: Ausgangsspektrum RasPager	Abbildung 8: Ausgangsspektrum RasPager Digi

Die thermische Untersuchung zeigt, dass das Gerät für den unbeaufsichtigten Betrieb geeignet ist. Nach 60 Minuten Dauersendung mit Nennleistung 10 Watt hat sich der Kühlkörper bei 25 °C Raumtemperatur auf nur ca. 38 °C erwärmt, wie die Wärmebildkamera in zeigt.

 

Abbildung 9: Temperaturverteilung auf dem Endstufenmodul nach 60 Minuten Dauersendung

Zusammenfassung

Als verfügbarer Ersatz für die umgebauten kommerziellen Funkrufsender wurde ein Komplettgerät neu entworfen. Auf Basis eines Sender-ICs und eines Kleincomputers vom Typ Raspberry Pi wurde ein Tischsender mit 10 mW Ausgangsleistung vorgestellt. Die Stromversorgung des Senders erfolgt über den Raspberry Pi, ebenso die Konfiguration und die Datenübermittlung.

Für den Betrieb als automatisch arbeitende Station mit großer Reichweite wurde eine Variante mit nominell 10  Watt Ausgangsleistung vorgestellt, die in einem 19 Zoll Gehäuse mit 1 HE ihren Platz findet. Eine Zwangskühlung sorgt für Betriebssicherheit.

 

Bezugsquellen

Der RasPager wird als Bausatz von CJ-Elektronik vertrieben. Ein Teil des Erlöses dieses Bausatzes geht als Spende an den Verein zur Förderung der Hochfrequenztechnik in Aachen e.V. und wird für Projekte der Amateurfunkgruppe der RWTH Aachen verwendet werden. Damit wird der Amateurfunk in und um Aachen unmittelbar gefördert.

 

Literatur und Quellen

[1]       Ralf Wilke und Michael Delissen, „Funkruf-Sender basierend auf Software Defined Radio“, 57. Weinheimer UKW Tagung, Weinheim, 14.-16.9.2012

[2]       Christian Jansen, „Modularer Funkruf-Sender basierend auf Raspberry Pi“, Diplomarbeit am Institut für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen, 4.8.2014

[3]       Amateurfunkgruppe der RWTH Aachen, Homepage https://www.afu.rwth-aachen.de,
im Hamnet http://db0sda.ampr.org

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