Petite étude
du synthétiseur du faisceau
hertzien 25 GHz Alcatel 9425 (gamme Melodie)
Pilotage précis de la fréquence par microcontrôleur
Suite à diverses restructurations de réseaux ou réaménagements de bandes de fréquences, il devient possible de trouver dans les brocantes spécialisées
des boîtiers de faisceaux hertziens relativement récents, articulés autour du concept ODU / IDU (Outdoor Unit / Indoor Unit). Ces matériels, souvent de qualité, peuvent trouver une utilisation dans le domaine amateur.
Nous décrirons dans
cet article le synthétiseur RF qui se trouve au coeur du faisceau
hertzien 25 GHz type 9425 Alcatel, afin de permettre sa réutilisation éventuelle en émission/réception dans la bande amateur 24 GHz. Il est fourni en fin d'article tous les éléments permettant de piloter précisément la fréquence du synthétiseur au moyen d'un microcontrôleur PIC. Le programme source du logiciel de pilotage est fourni.
Il faut souligner que les notes de calcul des concepteurs n'ont bien sûr pas été portées à la connaissance de l'auteur du présent article. L'étude a été effectuée grâce à un examen long et minutieux du produit, à différents tests, et à une démarche de type "reverse engineering". Il est donc possible que subsistent des erreurs, soit dans l'analyse du fonctionnement, soit dans les données fondamentales permettant un fonctionnement optimal. Toute information permettant l'amélioration du fonctionnement sera la bienvenue.
A gauche la maquette de test qui a été réalisée pour les essais, à droite la connexion du prédiviseur par 8 pour la mesure des fréquences produites
(cliquer pour agrandir)
Architecture et principe de fonctionnement du synthétiseur
Le synthétiseur (modèle étudié) délivre en sortie un signal RF dont la fréquence est comprise entre 6,000 GHz et 6,800 GHz. Le niveau du signal RF en sortie est de + 10 dBm.
Attention ! Il existe deux types de synthétiseurs suivant le demi-plan de fréquences prévu pour le matériel ! En fonctionnement normal, un ODU émet par exemple dans le demi-plan haut et reçoit dans le demi-plan bas. Pour l'ODU situé à l'autre extrêmité du bond herzien, les fréquences sont bien entendu croisées. La différence entre les deux fréquences, appelée écart duplex, est fixée en Europe dans cette bande à 1008 MHz. La conséquence pratique de cela est qu'il existe au niveau matériel deux types de synthétiseurs 6 GHz, dont les bandes de fréquence de fonctionnement sont séparées d'environ 500 MHz. On pourra se référer à l'article de François Jouan, F1CHF, pour connaître les références précises des différents produits.
Le signal RF de sortie est produit par un VCO fonctionnant à la fréquence de 3 GHz, suivi d'un doubleur de fréquence, d'un filtre à 6 GHz sur circuit imprimé et d'un amplificateur. Par ailleurs, le signal à 3 GHz issu du VCO est, de son côté, divisé par deux avant d'être appliqué aux boucles à verrouillage de phase.
Ce synthétiseur moderne possède de hautes qualités de pureté spectrale et un faible bruit de phase. Ce résultat est obtenu grâce à architecture relativement complexe, faisant intervenir deux boucles PLL:
- Une première boucle dite "rapide", à bande passante large, équipée d'une référence asservie et d'un diviseur fractionnaire
- Une deuxième boucle dite "lente", à bande passante étroite et équipée d'une référence fixe.
- synoptique du synthétiseur:
(cliquer pour agrandir le synoptique)
Raccordemement du synthétiseur
Le boîtier porte un connecteur Sub-D mâle à 9 broches pour l'alimentation et la connexion au bus I2C. La sortie RF (+ 10 dBm autour de 6 GHz) s'effectue sur un connecteur SMA.
Le brochage du connecteur Sub-D 9 broches est le suivant:
1 --> I2C SDA
2 --> Masse
3 --> - 5 V ( 1 mA)
4 --> + 5 V (110 mA)
5 --> + 10 V (430 mA)
6 --> + 24 V (18 mA)
7 --> Alarme
8 --> Masse
9 --> I2C SCL
NB: figurent entre parenthèses les consommations mesurées en fonctionnement normal.
Principe de paramètrage du synthétiseur
Il est relativement complexe. Trois circuits PCF8574 (interfaces 8 entrées-sorties pilotées en I2C) assurent le lien entre le monde extérieur et les circuits PLL situés à l'intérieur du synthétiseur. Le circuit PLL SP8855E (boucle rapide) est chargé en parallèle, directement par les sorties de deux PCF8574 et le diviseur fractionnaire. Le circuit PLL LMX2326 (boucle lente) doit lui recevoir un signal série composé de 21 bits sur ses broches Clock et Data. Le processus d'élaboration de ces signaux est plus complexe puisque les signaux série doivent être construits à partir de deux sorties parallèle d'un des PCF8574. De plus un double commutateur actionné par une sortie d'un des PCF8574 sert à isoler les entrées I2C des deux autres afin d'inhiber leur action en dehors des périodes de configuration.
Le logiciel de gestion devra réaliser l'ensemble de ces actions, en même temps que la collecte des informations d'alarme: déverrouillage PLL et tension de commande VCXO hors limites.
A noter la présence sur la carte d'une mémoire EEPROM PCF 8582C, 256x8, gérée en I2C, qui ne présente pas ici d'intérêt pour nos applications amateur.
Pilotage de la fréquence en I2C par microcontrôleur PIC
- matériel
On pourra avantageusement utiliser le petit générateur de signaux I2C décrit dans un article précédent. Le fonctionnement sera alors autonome. Pour une rapidité de chargement, il est conseillé d'équiper le générateur I2C d'un quartz de 4 MHz en lieu et place du quartz de 32,768 kHz.
- logiciel
Le logiciel assurant le fonctionnement du synthétiseur, dans l'environnement PIC 16F876A décrit ci-dessus, peut être téléchargé ici :
télécharger le logiciel Alcatel_3.c et le fichier Alcatel_3.h (3 ko zippés)
Ce logiciel est écrit pour le compilateur bien connu PIC C, PCWH de la société CCS (Custom Computer Services). Il permet la sélection d'une fréquence parmi deux au moyen du commutateur situé sur la carte PIC. Le logiciel assure également la gestion des alarmes de la carte synthétiseur en allumant la LED rouge, en cas d'anomalie comme un déverrouillage des PLL. A titre d'exemple, le logiciel inclut deux fréquences programmées: 6400,000 MHz et 6720,000 MHz. Chacun pourra bien entendu modifier ces fréquences à sa guise.
- détermination des paramètres logiciels définissant la fréquence
Le problème à résoudre est d'obtenir en sortie du synthétiseur un signal à la fréquence F de son choix.
Il faut tout d'abord bien noter que la fréquence d'oscillation du VCO est égale à la moitié de la fréquence de sortie du synthétiseur (le VCO est suivi d'un doubleur) et que la fréquence du VCO est divisée par deux avant d'être présentée à l'entrée des circuits LMX2326 et SP8855E (cf. synoptique du synthétiseur).
On pourra par ailleurs utilement se référer aux fiches caractéristiques des deux circuits utilisés (LMX2326 et SP8855E).
1) détermination du rapport de division N de la boucle lente (circuit LMX2326)
La fréquence du signal de comparaison de la boucle à verrouillage de phase est fixée à 15,625 kHz. Ceci conduira, après les diverses multiplications effectuées dans l'équipement, à un pas de 250 kHz à 24 GHz. Si la fréquence de sortie F du synthétiseur est exprimée en MHz, nous avons la relation:
N = F / (4 * 0,015625)
Nous traiterons à titre d'exemple l'obtention d'une fréquence de sortie du synthétiseur égale à 6400 MHz. Le rapport N est dans ce cas égal à:
N = 6400 / (4 * 0,015625)
soit N = 102400
Le nombre décimal 102400 est alors converti en binaire avec un format de 18 bits:
102400 (décimal) = 011001000000000000 (binaire)
Pour obtenir le mot à introduire dans le LMX2326, on fera précèder cette séquence d'un zéro en N19 (Go bit) et on la fera suivre du dibit de contrôle 01 en C1 et C2.
(attention les bits de poids faible sont bizarement placés à gauche dans ce dessin issu de la documentation du LMX2326 ! )
Finalement, le mot de code à introduire dans le logiciel est le suivant:
int8 N_data[21] = {0,0,1,1,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1}; |
|
// N = 102400 |
2) détermination du rapport de division N de la boucle rapide (circuit SP8855E)
Comme on peut le voir sur le synoptique, la fréquence de référence de la boucle à verrouillage de phase "rapide" est fournie par un VCXO fonctionnant à 16 MHz. La fréquence du VCXO peut varier légèrement autour de 16,000 MHz en fonction de la tension commande qui lui est appliqué. Nous sommes en présence d'une référence asservie.
Le circuit PLL SP8855E est un circuit à chargement parallèle. Le chargement est confié à deux circuits PCF8574 (8 bit I/O expander for I2C bus), appelés MX106 et MX107, qui alimentent un diviseur fractionnaire. Le pas de réglage du SP8855E est de 16 MHz (à la fréquence incidente de 1600 MHz). Le diviseur fractionnaire est commandé sur 7 bits pour sa partie entière et sur 6 bits pour la partie fractionnaire proprement dite. L'ensemble fait appel à une logique câblée et des circuits discrets 74AC283 (additionneur parallèle 4 bits) et 74AC574 (bascule D). La commande par les circuits MX106 et MX107 s'effectue de la manière suivante:
Le pas de réglage logiciel de la boucle rapide sera par conséquent de 250 kHz (à 1600 MHz) et de 1 MHz à 6400 MHz, fréquence de sortie du synthétiseur. Le réglage logiciel à effectuer est donc un réglage grossier. Le réglage fin, et donc le verrouillage de la boucle, seront obtenus naturellement par les asservissements qui ajusteront automatiquement la fréquence du VCXO par le biais de sa tension de commande. La détermination des bons mots de commande consiste donc à rechercher le rapport de division qui approche le mieux possible la fréquence de sortie recherchée.
Pour une fréquence de sortie du synthétiseur égale à 6400 MHz, la fréquence du signal présenté à l'entrée du circuit SP8855E sera de 1600 MHz. Le rapport de division sera N = 1600 / 16, soit N = 100.
100 (décimal) = 1100100 (binaire)
La partie fractionnaire sera nulle.
Au bout du compte, on introduira dans le logiciel les deux lignes suivantes:
int8 MX106_data = 0b00000000;
int8 MX107_data = 0b00011001;
Au moyen des informations ci-dessus on pourra maintenant modifier librement la fréquence de sortie du synthétiseur, dans le respect de la plage de fonctionnement de celui-ci et du pas de réglage prévu par sa construction.
Conclusion
Le synthétiseur de fréquences du faisceau hertzien 9425 de la gamme Melodie Alcatel possède de grandes qualités. Dans le domaine amateur, il mérite d'être conservé intact pour être utilisé dans des conditions les plus proches possibles de celles prévues par ses concepteurs. Toute suggestion d'amélioration du fonctionnement, notamment dans le domaine du logiciel de pilotage, est la bienvenue.
Allumons nos fers à souder !
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