MMDVM Dual Hat – adattamento delle antenne e configurazione del segnale DMR

In questo successivo articolo, sempre “scritto a quattro mani” da me e Antonio “IZ0MXY”, desideriamo spiegare come apportare delle modifiche hardware alle due antenne e come effettuare delle modifiche software necessarie a migliorare il funzionamento e le prestazioni di un hotspot pi-star che utilizzi una scheda MMDVM Dual Hat (duplex).

ATTENZIONE: Per coloro che utilizzano un hotspot con la scheda MMDVM SIMPLEX (con singola antenna), seguite le indicazioni presenti in questo articolo riguardanti la modifica hardware dell’antenna dell’hotspot, in modo da migliorarne le prestazioni di ricezione e trasmissione, e le tarature riguardanti la riduzione dell’errore BER.

 

L’implementazione del multi protocollo in ambito radioamatoriale, utilizzando diversi software open source (codice libero e modificabile) pensati per la comunità radioamatoriale, prevede l’implementazione di programmi diversi tra loro che interagiscono per inviare il flusso dati da un sistema all’altro (quindi da un protocollo all’altro).

In questo sito potrete trovare molti articoli riguardanti l’installazione e la configurazione dei nodi pi-star, nei quali ho inserito molte informazioni per aiutare i nuovi Radioamatori ad avvicinarsi a questo modo avvincente e divertente di fare radio in giro per il Mondo.

 

 

Informazioni e considerazioni iniziali

Come avrete potuto vedere dall’immagine qui sopra, molto spesso gli hotspot Dual Hat (duplex) utilizzano di default le due antenne in posizione verticale, parallele tra loro e molto ravvicinate. La scelta di utilizzarle in questa posizione standard può rappresentare un problema, dato che l’accoppiamento tra le due antenne per induzione inizia già alla distanza di 1/6 della lunghezza d’onda della frequenza utilizzata (lambda).

La condizione per ottenere una miglior separazione del segnale e una minor interferenza tra il ricevitore e il trasmettitore della scheda, è quella di posizionare le antenne in posizione orizzontale, contrapposte tra loro. Per ottenere questa configurazione d’antenna, è necessario installare due connettori SMA a 90° per ogni antenna.

 

Se le due antenne verranno posizionate orizzontalmente e le loro punte risulteranno contrapposte tra loro, otterrete un disaccoppiamento di circa 10 dB. Davvero niente male, come prima semplice soluzione (vedi figura sotto).

 

 

Controllo iniziale della risonanza delle antenne originali

Noi Radioamatori lo sappiamo bene: utilizzare delle antenne risonanti in frequenza è molto importante!!

In questa immagine, la lettura della frequenza è stata effettuata PRIMA dello smontaggio della protezione esterna dell’antenna. Utilizzando un connettore SMA a 90°, connettete l’antenna originale ad uno strumento nanoVNA (noi abbiamo utilizzato il nostro nanoVNA H4); effettuate la misurazione e leggete la frequenza di risonanza originale dell’antenna dallo strumento.
NOTA: Sarebbe stato possibile effettuare la misurazione in modo più dettagliato e professionale, utilizzando il programma nanoVNA-saver, con lo strumento connesso via USB (articolo già descritto in questo blog).

In questa immagine, vedete la misura della risonanza di una delle mie due antenne originali in esame, che risuona a 443,275375 MHz.  É evidente che questa antenna sia poco adatta a funzionare sulle frequenze che si desiderano utilizzare nell’hotspot, dato che è necessario utilizzare uno shift di circa 5 MHz. tra le due frequenze.

IMPORTANTE: Per ottimizzare e migliorare sia la ricezione che la trasmissione dell’hotspot duplex sarà quindi NECESSARIO provvedere alla modifica fisica delle antenne, portandole ambedue in risonanza sulle frequenze desiderate!
Praticamente, siamo arrivati alla conclusione che nessuna antenna originale installata su gli hotspot duplex sia risonante sulla frequenza utilizzata!

 

 

Modifica delle due antenne dell’hotspot

Antonio IZ0MXY ha provveduto per primo ad ottimizzare le due antenne del suo hotspot, riuscendo a portarle in risonanza sulle due diverse frequenze impostate nella configurazione. Successivamente l’ho fatto anch’io, seguendo le sue indicazioni per lo smontaggio delle protezioni delle antenne.

Controllate, prima di tutto di aver calcolato uno shift tra la frequenza di trasmissione e quella di ricezione del vostro hotspot duplex, di almeno 4,600 MHz., meglio se di 5,000 MHz. .
Prendete nota delle due frequenze utilizzate che avete impostato nella configurazione del programma pi-star, in quanto vi serviranno durante la successiva taratura delle due antenne.

Esempio (come le trovate scritte nella configurazione del software pi-star):
Radio Frequency RX = 435.800.000 MHz.
Radio Frequency TX = 430.600.000 MHz.

 

 

Smontaggio della copertura delle antenne

Per effettuare questa modifica, è necessario togliere la protezione in plastica nera che copre ognuna delle due antenne. Per riuscire a togliere le protezioni effettuate un piccolo taglio laterale sulla plastica, all’altezza della base del connettore (noi abbiamo utilizzato un utensile Dremel).
Sarà poi sufficiente dilatare un po’ la plastica della base per riuscire a sganciarla dal colletto del connettore SMA-M, esercitando un po’ di forza per liberare l’antenna dalla sua protezione esterna.

 

 

Misura della frequenza di risonanza delle antenne

La seguente operazione va effettuata su ognuna delle due antenne, contrassegnandole preventivamente come RX e TX, in quanto dovranno essere portate a risuonare (ovviamente) su una frequenza diversa.

Connettete l’antenna nuda al vostro strumento nanoVNA, dove avrete impostato la frequenza di risonanza desiderata (corrispondente ad una delle due frequenze del vostro pi-star).
Effettuate la lettura della misura; vi accorgerete che l’antenna, senza la sua protezione, si sarà spostata di frequenza di risonanza, rispetto alla misura iniziale effettuata con la protezione inserita.

A questo punto, è necessario che consideriate prima due cose:

• l’antenna, senza la sua protezione, sposterà la sua frequenza di risonanza su una FREQUENZA PIÚ ALTA;
• rimettendo il cappuccio di protezione dopo la taratura, la frequenza di risonanza dell’antenna si sposterà PIÚ IN BASSO, rispetto alla frequenza che avrete ottenuto dalla modifica.

Le misure per portare le antenne in risonanza alle due frequenze desiderate, sono state effettuate utilizzando lo strumento nanoVNA H4  (acquistato da entrambi, diverso tempo fa, e recensito più volte in questo sito).

 

Mantenendo l’antenna connessa allo strumento, con molta attenzione iniziate a stirare (allungate) di poco e in modo uniforme le spire dell’antenna; allungatela leggermente effettuando vari passaggi, fino a raggiungere e superare leggermente la frequenza di risonanza desiderata.
NOTA: Ricordate che la frequenza di risonanza DEVE essere superata di poco, dato che con l’applicazione della protezione plastica dell’antenna, la frequenza si abbasserà leggermente.
Fate le vostre prove e considerazioni procedendo con vari tentativi, stando attenti a non deformare troppo le spire delle due antenne.

Nelle seguenti due immagini, è possibile visualizzare le misure ottenute dopo la taratura delle due antenne.

 

 

Terminata la taratura delle due antenne, Antonio “MXY” ha preferito non riutilizzare le protezioni originali nere di plastica delle due antenne ma utilizzare un tubetto plastico trasparente, recuperato dalla parte plastica cilindrica di una penna a sfera.
NOTA: Utilizzando questo diverso tipo di materiale, lo spostamento della frequenza di risonanza potrebbe essere diverso, rispetto a quello misurato con le protezioni delle antenne originali (data la differenza del tipo e della dimensione del materiale).

Nella seguente figura, potete notare la diversità di spaziatura data alle due antenne, in quanto risuonanti a frequenze diverse (ovviamente l’antenna con le spire più estese è quella del ricevitore).

 

 

Controllo del funzionamento delle due antenne modificate

Dopo aver completato la modifica delle antenne, Antonio “MXY” ha effettuato alcune prove di ricezione strumentale durante la trasmissione del segnale DMR dell’hotspot, utilizzando la radio OpenGD77 assieme all’hotspot duplex, dato che questa radio ha la possibilità di regolare con più precisione la propria potenza di trasmissione RF.

É necessario prima fare delle dovute considerazioni!

Il funzionamento della scheda MMDVM Dual Hat è particolare, in quanto durante la ricezione del segnale dalla sua antenna (contrassegnata sulla scheda con RX), allo stesso momento trasmette sull’altra frequenza, attraverso l’altra antenna (contrassegnata sulla scheda con TX).
Ricordiamo che il segnale RF del trasmettitore presente sulla scheda MMDVM viene trasmesso (di default) con una potenza di circa 10 mW.

Come già scritto, si consiglia sempre di impostare una differenza di frequenza (shift) tra le due frequenze di almeno 4,600 – 5,000 MHz. .

NOTA BENE: L’hotspot con scheda MMDVM Dual Hat si comporta quindi come un vero ripetitore, solo che… sulla sua scheda radio (lato ricevitore) non ha filtri di ingresso, non ha connesso esternamente ai connettori SMA-F un duplexer o altri dispositivi (filtro in cavità a n. celle), che possano filtrare il segnale in arrivo sul ricevitore. Quindi il ricevitore è molto ‘aperto’ e può venir disturbato da altre frequenze indesiderate!

A conoscenza di quanto sopra descritto, ora vi spieghiamo come risolvere facilmente al problema senza aggiungere altro hardware, e riuscendo a migliorare la sensibilità e il funzionamento globale dell’hotspot.  Una soluzione semplice esiste, e la si può mettere in pratica seguendo le successive indicazioni.

Dalle nostre prime prove di trasmissione (effettuate con la radio OpenGD77 in trasmissione con solo 50 mW in antenna, posizionati ad almeno a 5 mt. di distanza dall’hotspot), l’errore di BER visualizzato sulla dashboard web del pi-star non scendeva mai al di sotto dell’ 1.0%; nonostante noi avessimo la certezza che i nostri hotspot duplex in test fossero perfettamente tarati e centrati in frequenza. La certezza era dovuta dalla precisa calibrazione RX e TX  effettuata in precedenza da ambedue, utilizzando la procedura di calibrazione (mmdvmcal).

Il fatto più incredibile è stato quello di constatare immediatamente dalle prime trasmissioni con la radio OpenGD77, che ora con le antenne perfettamente accoppiate la ricezione dell’hotspot fosse migliorata di molto, di almeno 3 dB!
Purtroppo il valore di BER visualizzato sulla dashboard rimaneva sempre alto e non c’era modo di abbassalo almeno vicino al valore di 0.2%.

Merito delle precedenti esperienze effettuate da Antonio “MXY”  su questo tipo di scheda radio duplex negli anni precedenti, inizialmente solo lui ha iniziato a variare il valore del campo RFLevel della configurazione della scheda MMDVM (valore di default = 100), abbassandolo poco a poco, con diversi passaggi successivi.
Successivamente, anch’io ho iniziato questa procedura di variazione del parametro con valori minori, notando sulla dashboad dei miglioramenti del valore di BER. Ma la misurazione con la quale si è ottenuto il valore definitivo (quindi NON a caso…), la trovate descritta nel prossimo paragrafo!

IMPORTANTE: Prendendo nota delle misurazioni effettuate per vari passaggi, si è arrivati alla conclusione che con le antenne perfettamente risonanti sia in RX che in TX, al trasmettitore dell’hotspot è necessaria meno potenza di uscita RF per funzionare bene, ottenendo anche una diminuzione dell’interferenza con la parte ricevente, con il conseguente aumento della sensibilità del ricevitore e la diminuzione del tasso di errore (BER). 
Il valore di compromesso di RFLevel, raggiunto dopo numerose prove è stato: 33 , per ambedue gli hotspot in test.

Per visualizzare un esempio della configurazione definitiva ottenuta, questa è la configurazione della scheda MMDVM Duplex, installata sul nodo pi-star IV3BVK. (menu pi-star: Configuration > Expert > MMDVMHost )

Legenda:
I valori di RXOffset e TXOffset sono stati calcolati con la procedura di calibrazione mmdvmcal
I valori di TXLevel e DMRTXLevel sono stati impostati entrambi a 53.5; questo è il valore medio che azzera il picco centrale della maschera di Bessel
Il valore di RFLevel è stato impostato a 33

 

 

Calibrazione della scheda MMDVM e misurazione effettuata con un ricevitore SDR DVB-T USB

Qui descriviamo la procedura utilizzata per ottenere il valore definitivo del parametro RFLevel. La misurazione e la calibrazione per tarare la vostra scheda MMDVM è relativamente semplice da fare, e può essere effettuata seguendo le informazioni descritte di seguito.

Se avete un ricevitore DVB-T (tipo chiavetta USB), potrete effettuare voi stessi la misurazione della vostra scheda radio.

È possibile utilizzare un ricevitore SDR (io ho utilizzato questo ricevitore DVB-T USB RTL 820-T2) in sostituzione dell’analizzatore di spettro. Questa soluzione richiede l’installazione di un software di gestione della chiavetta come ricevitore; ho installato il  software SDRSharp, su un PC con Windows 10, software che è stato utilizzato nel video seguente. Questo software è a 32 bit, ma funziona abbastanza bene anche con Windows 10.
Altrimenti potete installare e utilizzare anche l’ottimo programma CubicSDR, molto semplice e funzionale.

Per utilizzare ambedue i programmi sopra descritti, è necessario prima correggere lo scostamento della frequenza ricezione (correzione software del Frequency Offset di ambedue i programmi). Per avere una frequenza campione certa da ricevere, abbiamo utilizzato il nostro strumento nanoVNA H4, come signal generator (marker).

 

NOTA IMPORTANTE: Il valore di 53.5 impostato nei due parametri TXLevel e DMRTXLevel della scheda DDMDV Duplex, è il valore medio che azzera il picco centrale della maschera di Bessel (vedi immagine seguente), che imposta la larghezza di banda a 2,75 kHz., così come indicato nelle procedure di taratura con il tool pistar-mmdvmcal, che trovate descritte in modo prefetto anche nella pagina del sito di N5AMD.

 

Un altro punto di vista per calcolare il valore

Da alcune informazioni ricevute dal collega Francesco IK8JKL, ottimo tecnico, mi informa che  il valore di 53.5 che noi abbiamo ottenuto, lo si deve ridurre ancora del 5% circa, ovvero moltiplicandolo per 0,95% . Si otterrà il valore di 50,8 , che corrisponde al valore standard impostato nelle schede MMDVM Dual Hat che arrivano già tarate da alcuni costruttori.

Di seguito, scrivo la sua spiegazione per ottenere il valore indicato:
Il valore J0 nella figura di Bessel  appare nullo quando l’indice di modulazione è uguale a 2,4; l’indice di modulazione è dato dalla nota (1.200 Hz) diviso la deviazione; quindi, se la nota è di 1.200 Hz., il valore J0 di Bessel lo ritroviamo con una deviazione di 2.880 Hz. (2.880/1.200=2,4), ma nel nostro caso ci interessa ottenere una deviazione a 2.750 Hz. (ovvero -5% di 2.880 Hz. circa).

 

 

 

Video della procedura di calibrazione  dell’hotspot con SDR Sharp

Se desiderate conoscere la modalità per effettuare la taratura ed eliminare l’errore di “BER alto” del vostro hotspot, seguite questo video realizzato dal collega GB7NR.
É la stessa procedura utilizzata da Antonio “MXY” per trovare il  valore di compromesso di RFLevel, descritto nel paragrafo precedente.

 

Qualche giorno fa abbiamo terminato le tarature e i vari test di funzionamento incrociati, su i nostri hotspot in test. Sono state ricontrollate completamente tutte le misure e le calibrazioni sulle modifiche descritte; successivamente abbiamo deciso di rendere pubbliche le nostre sperimentazioni e informazioni relative a questo progetto, per aiutare i Radioamatori che desiderano migliorare il funzionamento delle proprie apparecchiature.

 

 

Utilizzo del firmware modificato per l’utilizzo dell’hotspot su frequenze non autorizzate  (DA NON FARE)

Il firmware originale installato nella scheda MMDVM (HS_Hat: v1.5.2) cn TCXO a 14.7456 MHz, permette all’hotspot di utilizzare dei range di frequenza in banda VHF (144-144.975 MHz.) e UHF (430-434.975 MHz.) specifici, per evitare di disturbare i servizi radioamatoriali satellitari. Se imposterete una frequenza esterna a questi range (esempio 145 MHz. a salire, 435 MHz. a salire) , il firmware della scheda non la farà funzionare, visualizzando la frequenza impostata sul software pi-star con lo sfondo rosso, anziché verde!
A questo link, potete visualizzare la TABELLA DI ATTRIBUZIONE DEL PIANO NAZIONALE DI RIPARTIZIONE DELLE FREQUENZE del MISE, dove trovate indicati i servizi dedicati a noi Radioamatori.

EVITATE di utilizzare i seguenti intervalli di frequenza: 145.8-146.000 MHz. e 435.000-438.000 MHz, altrimenti il ​​firmware originale non attiverà l’uso della scheda, ed inoltre avrete le antenne completamente non risuonanti.

Ovviamente esistono sempre i furbetti (quelli che “ne sanno di più“), che cercano e trovano facilmente la soluzione per aggirare l’ostacolo e operare fuori frequenza. La prova di questo fatto la si trova facilmente, andando a visualizzare gli hotspot italiani che compaiono nella dashboard degli Hotspot configurati sulla rete di BrandMeister; avrete la prova definitiva che non tutti i Radioamatori si attengono alle regole…
Come hanno fatto? É molto semplice! Cercando attraverso i motori di ricerca in rete, si trovano facilmente dei firmware “sbloccati“, che permettono alla scheda MMDVM di lavorare normalmente fuori dalle frequenze autorizzate. Ci sono OM che se ne fanno un vanto, e alcuni che spingono altri OM a farlo!
Dopo lo “sblocco” della scheda MMDVM, gli intervalli di frequenza abilitati, saranno: 145 MHz-148 MHz., 420 MHz-475 MHz., 842 MHz-950 MHz. .
Quindi non c’è alcun segreto per riuscire a modificare la scheda, in modo che possa fare anche questo; esiste solo il buon senso di ogni buon Radioamatore di rimanere dalla parte giusta dei regolamenti!

 

 

Conclusioni

Come avete potuto osservare (sperando anche di essere riusciti a farvi capire in modo semplice tutti i vari passaggi relativi alle modifiche apportate e i ragionamenti che hanno poi portato alle altre configurazioni della scheda MMDVM duplex), questo hotspot duplex è davvero molto potente ed efficace. 
Oltre a quanto avete trovato descritto in questo articolo, è possibile sperimentare molte altre modifiche interessanti (riguardanti l’alimentazione delle schede, il raffreddamento dei chip, ecc.), seguendo altri vari articoli radioamatoriali presenti in rete, o creandone di  nuovi.

Questo articolo, come alcuni dei precedenti, è frutto della nostra continua sperimentazione radioamatoriale (di Antonio “MXY”  e mia), per riuscire a far comprendere che con la collaborazione e la passione si possono sempre raggiungere degli ottimi risultati (e a volta dei traguardi insperati).

Non ci resta che augurarci che la sperimentazione su i vari sistemi radio digitali vada ad aumentare sempre più e di continuare a fare tanti QSO interessanti su questi argomenti; e che quanto fatto possa essere d’esempio ad altri Radioamatori per riunirsi e creare nuove cose e/o sistemi per comunicare assieme.

Rimaniamo in attesa di potervi ascoltare in radio; passate a trovarci sul TG Multi Protocollo Lazio DMR (TG 2230) /C4FM (#03832).

’73 de Paolo IV3BVK e Antonio IZ0MXY