Dieses Projekttreffen des Open Research Institute (ORI) behandelt primär Architekturentscheidungen und Fortschritte im Bereich weltraumtauglicher Software-Defined-Radio-Hardware (SDR), digitaler Signalverarbeitung auf FPGAs sowie Amateurfunk- und EME-Systeme (Earth-Moon-Earth).
Ein zentrales Thema ist die Identifikation einer grundlegenden Hardware-Inkompatibilität bezüglich der I/O-Spannungen zwischen dem Xilinx-Versal-Entwicklungsboard VCK190 und der analogen Transceiver-Karte ADRV9002, was einen Schwenk hin zu weltraumqualifizierten ADCs und DACs von Teledyne unter Verwendung des quelloffenen ESIstream-Protokolls anstelle von JESD204B/C erforderlich macht. Parallel dazu berichtet das Team über erfolgreiche digitale Loopback-Tests auf AD9361/OpenCPI, Herausforderungen bei der Taktstabilität interner Oszillatoren gegenüber externen Referenzen (PPM-Drift) sowie das Wärmemanagement des Versal-Chips.
Zudem werden Fortschritte an der EME/EVE-Bodenstation vorgestellt, darunter ein 3D-gedrucktes, Arduino-Mega-basiertes K3NG-Rotator-Interface zur Steuerung eines Yaesu G-5500, die Fertigung eines Septum-Hohlleiter-Erregers für Zirkularpolarisation zur Kompensation massiver Doppler-Spreizungen sowie eine Reverse-Engineering-Analyse eines integrierten 21-cm-L-Band-Mikrostreifenleiter-Feeds (Discovery Dish) für Radioastronomie.
Wichtigste Punkte & Zeitstempel
00:00:50 OpenCPI & Digitaler Loopback: Erfolgreicher digitaler Loopback auf Chipebene über die digitale Schnittstelle mit einem TX- und einem RX-Kanal; Vorbereitung von HF-Validierungstests mittels ADALM-PLUTO (mit Maya) und Signalgenerator.
00:01:56 Transceiver-Auswahl für Raumfahrtanwendungen: Prüfung alternativer ICs für Geostationäre Umlaufbahnen (GEO); der AD9361 existiert als strahlungstolerante Variante (30 bis 100 krad), erfordert jedoch proprietäres FMC-Trägerkartendesign.
00:03:31 VCK190 und ADRV9002 Spannungsinkompatibilität: Das Versal-Board VCK190 weist eine physikalische Pegelinkompatibilität mit dem ADRV9002 auf, die weder per Pin-Constraints noch DRC in AMD Vivado behebbar ist; die ADRV9002-Entwicklung verbleibt daher auf der terrestrischen ZCU102-Plattform.
00:06:24 Migration auf Teledyne ADCs/DACs: Strategiewechsel zu weltraumqualifizierten Teledyne-Datenwandlern mit Abtastraten bis zu 2 GSPS und Evaluierungsboards für den VCK190-FMC-Port.
00:13:53 ESIstream als Schnittstellenprotokoll: Einsatz von ESIstream als Open-Source-Alternative zu JESD204B/C mit Datendurchsätzen über 10 Gbit/s, geringerem FPGA-Ressourcenverbrauch, reduzierter Latenz und vereinfachter Protokoll-Decodierung.
00:31:40 Remote-Labor-Aufbau des VCK190: Inbetriebnahme des Versal-Boards auf Metallgrundplatte mit Quad-Port-USB-Seriell-/JTAG-Interface, dediziertem Zynq-UltraScale+-Housekeeping-SoC und massiver Kupferlamellen-Kühleinheit samt Radiallüfter.
00:38:22 Thermische Auslegung im Vakuum: Diskussion des 10- bis 20-Watt-Wärmebudgets für Flugmodelle via Wärmerohre (Heatpipes) und Kälteplatten (Cold Plates) zur Wärmeabstrahlung in den Weltraum.
00:41:09 Oszillator-Drift und Frequenzstabilität: Messungen am ZCU102-Bordoszillator zeigen Abweichungen von 20 bis 25 ppm, was für Mikrowellen- und Raumfahrtverbindungen unzureichend ist; Implementierung externer Frequenznormale zur Minimierung des Phasenrauschens und Beherrschung von Doppler-Effekten.
00:45:36 Screening-Verfahren für COTS-Komponenten: Erläuterung historischer und moderner Selektionsmethoden von COTS-Bauteilen (Komponentenscreening bezüglich Total Ionizing Dose, Wafer-Schichtdicken und Kennlinienabgleich).
00:51:11 EME-Stationssteuerung (Moon Unit): Aufbau einer kostengünstigen Open-Source-Antennensteuerung für Yaesu G-5500 DC-Rotoren mittels Arduino Mega, Seeed-Studio-Relais-Shield und K3NG-Firmware in einem 3D-Druck-Gehäuse.
00:53:17 Septum-Hohlleiter-Feed: Fertigung eines Hohlleiter-Speisesystems via SendCutSend; stufenförmiges Septum zur Erzeugung zirkularer Polarisation, 1/8-Zoll-Messingstab-Sonde am SMA-Anschluss und Einkopplung eines 20-Watt-DB6NT-Leistungsverstärkers.
00:55:58 Signaldesign für Doppler-Spreizung: Erstellung und Validierung einer Python-basierten QRP-Digitalsignalübertragung via Ettus USRP B210 zur Bewältigung extremer Pfaddämpfungen (>500 dB bei Venus/EVE, hunderte dB bei Mond/EME) und massiver Doppler-Spreizungen.
01:02:46 Projekt Sending Stones: Telemetrie-Mesh-Projekt basierend auf Meshtastic zur Messung der realen Paketübertragungsrate (Packet Delivery Ratio, PDR) bei Großveranstaltungen wie der DEF CON.
01:05:05 Reverse Engineering des Discovery Dish Feeds: Analyse einer kombinierten Leiterplattenantenne mit integriertem zweistufigem LNA und SAW-Filter für die 21-cm-Wasserstofflinie (1420 MHz) sowie L-Band-Wettersatelliten (1600 MHz) und Inmarsat (1500 MHz).
Glossar
ADC (Analog-to-Digital Converter): Elektronisches Bauelement (Analog-Digital-Wandler), das kontinuierliche analoge Spannungssignale in diskrete Digitalwerte für die Signalverarbeitung umsetzt.
AD9361 / ADRV9002: Hochintegrierte, softwarekonfigurierbare HF-Transceiver-Schaltkreise (RF Agile Transceiver) von Analog Devices für Breitband-SDR-Anwendungen.
AMSAT (Radio Amateur Satellite Corporation): Weltweite Vereinigung von Funkamateuren, die Amateurfunksatelliten entwickelt, baut und betreibt.
Cold Plate (Kälteplatte): Wärmeüberträger in der Raumfahrttechnik, der thermische Energie von elektronischen Baugruppen durch Wärmeleitung aufnimmt und an Kühlkreisläufe oder Radiatorflächen ableitet.
COTS (Commercial Off-The-Shelf): Kommerzielle Serienprodukte aus dem zivilen Markt, die nicht primär für militärische Zwecke oder Raumfahrtstandards qualifiziert sind.
DAC (Digital-to-Analog Converter): Bauelement (Digital-Analog-Wandler), das digitale Signalströme wieder in kontinuierliche analoge Spannungskurven transformiert.
Doppler-Spreizung (Doppler Spread): Spektrale Aufweitung eines Funksignals, hervorgerufen durch unterschiedliche Relativgeschwindigkeiten und Rotationsbewegungen reflektierender Oberflächen (z. B. Mond oder Planeten).
DRC (Design Rule Check): Automatisierte Entwurfsregelprüfung in EDA- und FPGA-Entwicklungsumgebungen (wie Vivado), die prüft, ob Schaltungsvorgaben und physikalische Grenzen eingehalten werden.
EME (Earth-Moon-Earth): Funkverbindung (Erde-Mond-Erde), bei der die Mondoberfläche als passiver Reflektor für Mikrowellensignale genutzt wird.
ESIstream: Schlankes, quelloffenes Hochgeschwindigkeits-Serialisierungsprotokoll zur Datenübertragung zwischen FPGAs und Datenwandlern mit geringerem Verarbeitungs-Overhead als JESD204.
EVE (Earth-Venus-Earth): Interplanetare Funkverbindung (Erde-Venus-Erde) unter Nutzung der Venus als Radarkorpus mit extrem hoher Freiraumdämpfung.
FMC (FPGA Mezzanine Card): Standardisierte Steckkarten-Spezifikation (ANSI/VITA 57) zur modularen Anbindung von I/O- und HF-Frontends an FPGA-Basisplatinen.
FPGA (Field-Programmable Gate Array): Integrierter digitaler Halbleiterschaltkreis, dessen logische Verschaltung nach der Herstellung softwareseitig konfiguriert werden kann.
GEO (Geostationary Orbit): Geostationäre Umlaufbahn in ca. 35.786 km Höhe über dem Äquator, gekennzeichnet durch harte Strahlungsumgebungen außerhalb des inneren Van-Allen-Gürtels.
GPSDO (GPS-Disciplined Oscillator): Quarzoszillator oder Rubidium-Frequenznormal, dessen Arbeitsfrequenz kontinuierlich mit den hochpräzisen Zeitsignalen von GNSS/GPS synchronisiert wird.
Heatpipe (Wärmerohr): Passives thermisches Transportelement, das durch Verdampfung und Kondensation eines internen Arbeitsmediums hohe Wärmemengen verlustarm transportiert.
JESD204B / JESD204C: Industrieller Hochgeschwindigkeits-Seriell-Schnittstellenstandard zur bitseriellen Datenübertragung zwischen Wandlern (ADC/DAC) und Logikbausteinen (FPGAs).
K3NG-Controller: Weitverbreitete, quelloffene Arduino-Firmware zur universellen Ansteuerung von Antennen-Azimut- und Elevations-Rotoren.
LEO (Low Earth Orbit): Niedrige Erdumlaufbahn (typischerweise 200 bis 2.000 km Höhe) mit verhältnismäßig moderater ionisierender Strahlungsbelastung.
LNA (Low-Noise Amplifier): Rauscharmer Vorverstärker direkt am Antennenspeisepunkt, der sehr schwache Eingangssignale verstärkt, ohne das Signal-Rausch-Verhältnis maßgeblich zu verschlechtern.
Meshtastic: Open-Source-basiertes, dezentrales Mesh-Netzwerk-Kommunikationssystem, das auf der energiesparenden LoRa-Funktechnik aufsetzt.
Mikrostreifenleitung (Microstrip): Planare elektrische Leitungsgeometrie auf Leiterplatten für Mikrowellensignale, bestehend aus einer Leitbahn auf einem Dielektrikum über einer Massefläche.
PDR (Packet Delivery Ratio): Metrik für Netzwerkgüte; das Verhältnis von erfolgreich empfangenen Datenpaketen zu den insgesamt durch den Sender emittierten Paketen.
Peltier-Element: Elektrothermischer Wandler, der bei Stromdurchfluss über den thermoelektrischen Effekt einen Wärmestrom von einer Seite auf die andere erzeugt.
PPM (Parts Per Million): Relative Maßangabe für Frequenzungenauigkeiten oder Drift; 1 ppm entspricht einer Abweichung von 1 Hz pro 1 MHz Grundfrequenz.
QRP: Amateurfunk-Q-Schlüssel, der den Funkbetrieb mit minimaler Sendeleistung bezeichnet (typischerweise unter 5 Watt).
SAW-Filter (Surface Acoustic Wave): Akustischer Oberflächenwellenfilter zur hochselektiven Bandpass-Filterung von Hochfrequenzsignalen.
Septum-Feed: Antennenerreger für Parabolantennen, der über eine stufenförmige Trennwand im Hohlleiter lineare Signale in zirkular polarisierte Wellen (LHCP/RHCP) wandelt.
SMA-Steckverbinder: Koaxiale Schraubverbindung für Hochfrequenzanwendungen bis typischerweise mindestens 18 GHz.
Total Ionizing Dose (TID): Gesamte kumulative Dosis ionisierender Strahlung (gemessen in rad oder Gray), die ein Halbleiter über seine Lebensdauer absorbiert.
VCK190: AMD/Xilinx-Evaluierungsboard für die Versal-AI-Core-Architektur (Heterogenes SoC mit ACAP/FPGA-Struktur).
Wasserstofflinie (21-cm-Linie): Spektrallinie des neutralen atomaren Wasserstoffs bei 1420,40575 MHz; zentrales Beobachtungsband in der Radioastronomie.
ZCU102: Entwicklungsboard von AMD/Xilinx auf Basis des Zynq UltraScale+ MPSoC für Evaluierung und Prototyping.