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The Lab - Usrp External Clock

USRP External Clock:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Manchmal gibt es Situationen in denen der im USRP eingebaute Masteroszillator nicht genau genug ist. Wer sich zum Beispiel mit openBTS beschäftigt wird das Problem kennen. Es funktioniert nur sporadisch wenn der Oszillator mal zufällig richtig schwingt und dann auch nur ganz kurz. Das Problem lässt sich nur durch einen genaueren externen Taktgeber beheben. Das USRP sieht genau dies auch vor. Auf der Platine finden man zwei unbestückte SMA-Buchsen mit der Bezeichnung "CLOCK IN" und "CLOCK OUT" leider reicht es nicht einfach die Buchse bei "CLOCK IN" nachzubestücken. Es ist auch eine Modifikation am USRP notwendig. Die Modifikation ist zwar trivial, jedoch kann danach das USRP nur noch mit einer externen Taktversorgung betrieben werden da der interne Oszillator durch die Modifikation deaktiviert wird. Auch gibt es dann Probleme mit dem TVRX-Modul. Denn wenn Stecker in die SMA-Buchsen geschraubt sind kann man das Modul nicht mehr in RXB stecken. Schade das man das TVRX aus Platzgründen nicht in RXA stecken kann wenn man das USRP in das ETTUS-Gehäuse gebaut hat. Wünschenswert wäre eine Möglichkeit zwischen externem und internen Oszillator beliebig umschalten zu können. Ich habe mir dazu mal Gedanken gemacht und bin zu folgender Lösung gekommen:

Ersteinmal nach Standard:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Zunächst wird der Standard-Umbau vorgenommen. Dazu wird zu allererst die SMA-Buchse bei CLOCK IN (J2001) nachgerüstet. Eventuell muss man zuerst mit Entlötlitze die Löcher von Lötzinn befreien. Man muss dabei etwas aufpassen das man die feine Leiterbahn am inneren SMA-Kontakt nicht beschädigt. Mit ein wenig Gefühl gelingt das nachbestücken jedoch problemlos. Dann wird der lokale Oszillator deaktiviert. Dazu entfernt man Den 0-Ohm Widerstand mit der Bezeichnung R2029 und macht macht mit etwas Lötzinn eine Brücke bei R2030. Man kann das so machen da es sich ohnehin um 0 Ohm Widerstände handelt. Dann wird als nächstes C925 (0.01uF) entfernt und an C926 ein 0.01uF (also 10nF) Kondensator nachbestückt. Effektiv kommt das einem versetzen von C925 nach C926 gleich, jedoch ist es nicht gerade empfehlenswert den abgelöteten SMD Kondensator wiederzuverwenden. Am besten man nimmt einen neuen. Dieser Kondensator bewirkt übrigens das der Clock-Eingang an dem früher der VCTCXO hing AD9513 abgeschlossen wird und der Eingang an dem CLOCK IN hängt geöffnet wird. Zum Schluss muss noch der Koppelkondensator (C924) am VCTCXO entfernt werden. Damit ist der interne Oszillator entgültig von der Schaltung abgekoppelt. Man kann jetzt eine externe Clock anschließen und das USRP testen. Es sollte alles normal funktionieren. Falls es nicht funktioniert sollte man testweise den internen Oszillator wieder aktivieren und dessen Ausgang mit einem stück Fädeldraht mit dem zur SMA-Buchse zeigenden Ende des Koppelkondensators C927 verbinden. Dann hat man zumindest elektrisch den gleichen Zustand wie vorher und kann erstmal testen ob das Problem beim USRP selbst oder beim externen Taktgeber liegt. Ein Blick in den Schaltplan schafft die nötige Übersicht.

Und dann umbauen:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Wenns erstmal funktioniert kann man sich daran machen das ganze so auszubauen das es umschaltbar wird. Ich habe mir winzige Dip-Schalter besorgt. Einen einfachen und einen Umschalter. Der Umschalter dient dazu den VCTCXO ein und auszuschalten. Der Steuereingang wird hierfür ja mal mit Masse und mal mit VCC verbunden, das ist genau das was mit den zwei 0-Ohm Widerständen gemacht wird. Es liegt daher nahe dies durch einen Schalter zu vereinfachen. Dann mann man zumindest schon mal den VCTCXO ein und ausschalten. Ich habe den kleinen Schalter direkt an die Lötpads gelötet. Wenn es nicht ganz so gut passt kann man auch Fädeldraht verwenden um einen größeren Schalter oder Jumper anzuschließen. Das ganze ist ab hier auch noch überhaupt nicht kritisch da kein HF geschaltet werden muss. Mit Einem Oszilloskop kann man messen ob das Schalten einwandfrei funktioniert. Der nächste Schritt ist schon etwas kritischer. Der Ausgang des VCTCXO muss schaltbar mit CLOCK IN verbunden werden. Ich habe hier auch einen kleinen Dipschalter verwendet. Die Fädeldrahtverbindungen habe ich möglichst kurz gehalten. In keinem Fall darf man hier in Versuchung kommen das ganze als Schalter in eine Frontplatte zu bauen. Die Leitungen hierfür wären viel zu lang. Allerdings ist auch die Sache mit dem Dipschalter HF-Technisch nicht ganz sauber. Ist der Schalter geschlossen ist alles schön und gut. Ist er aber offen, stellt er eine Kapazität dar CLOCK-IN ist bei ausgeschaltetem internen Oszillator permanent mit dem VCTCXO kapazitiv verbunden. Dieser Umstand ist meiner Meinung nach nicht weiter störend, da der VCTCXO ja ausgeschaltet ist. Man sollte die Sache allerdings im Hinterkopf behalten und sich darüber im Klaren sein. Auch muss in jedem Fall vermieden werden das bei eingeschaltetem VCTCXO eine externe Taktquelle angeschlossen wird. Die beiden Oszillatoren würden gegeneinander treiben, sich überlagern und damit für viel Ärger sorgen. Und so sieht es bei mir aus: Externe Clock, interner Oszillator ausgeschaltet und Interne Clock so wie man es gewohnt ist.

Brauchbare externe Taktgeber:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Es ist gar nicht so leicht einen genauen Taktgeber zu finden. Vor allem bei GSM-Experimenten ist ein hochgenauer Takt von hoher Wichtigkeit. Eigentlich wünscht man sich hier ein Rubidium-Frequenznormal, oder ein Frequenznormal das den Takt von einem externen Sender (GPS ect.) ableitet. Soetwas, vor allem ersteres, ist allerdings sehr teuer und nicht leicht zu bekommen. Allerdings gibt es bei Funkamateur (Box73) einen Temperaturgeregelten Frequenzsynthesizer (FA-SY No. 1), also einen Quarzofen, der wenn man ihn vernünftig eicht eine ausreichende Genauigkeit bringt und auf jeden Fall besser als der beim USRP eingebaute Oszillator ist. Der FA-SY basiert auf dem SI520 von SI-Labs, einem I2C Frequenzsynthesizer der von einem AVR gesteuert wird. Der AVR ist auch gleichzeitig das Low-Speed USB Interface. Der Nutzbare Frequenzbereich ist 10-160 Mhz. Das USRP braucht 64Mhz oder 52Mhz wenn es mit openBTS läuft. Also eine runde Sache. Einfach mal bei Funkamateur bzw. www.box73.de schauen. Mittlerweile gibt es auch einen hervoragenden Taktgeber von der Firma Fiarwaves aus Russland.

Nachtrag:
Klicken Sie auf das Bild um es zu vergrößern Wenn man externe Taktgeber an das USRP anschließt muss man etwas aufpassen. Es ist generell erstmal eine gute Idee auf eine Terminierung zu achten. Dazu habe ich bei mir noch einen Schaltbaren 50-Ohm Widerstand an mein USRP gebaut. So kann ich bei Bedarf den Clock-Eingang vom USRP zu einem normalen 50-Ohm HF-Eingang machen. Aber da wäre noch etwas: Im Datenblatt des AD9513 steht: "The input level should be between approximately 150 mV p-p to no more than 2 V p-p." Das bedeutet das die Signalamplitude um himmelswillen nie größer als 2V p-p sein darf. Wenns drüber ist wird es kritisch. Bei dem Fairwaves-Clock-Tamer sorgt die 50-Ohm Terminierung alleine schon für einen für das USRP angenehmen Signalpegel (A.C. hat ganze Arbeit geleistet). Bei meinem FA-SY habe ich einen 50-Ohm Wiederstand in Reihe und dazu noch einen 50-Ohm Wiederstand direkt am SMA-Stecker gegen Masse. So ist das Signal bei etwa 1,5V-Spitze-zu-Spitze. Sowol beim Fairwaves-Clock-Tamer, als auch beim FA-SY schalte ich die 50-Ohm Terminierung am USRP ein. Wer keine 50-Ohm Terminierung am USRP nachrüsten will kann auch mit einem T-Stück einen Terminator kurz vor der Einspeisung anschließen.

Für das USRP habe ich mir mal eine Halter-Platine (Bild) für den FA-SY gebaut. Allerdings habe ich die Idee nicht weiter verfolgt, da der Fairwaves-Clock-Tamer viel praktischer als der FA-SY ist. Die Eagle-Dateien der verbesserten Version der Platine können hier runtergeladen werden:

Eagle-Dateien zum Download:
Download - USRP-FASY

Viel Spaß damit!

(c)2001-2015 Philipp Maier, Hohen Neuendorf