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Im Dezember 2005 fand in Marburg ein 2-tägiges Kick-Off Meeting zur Entwicklung und Bau eines SDX-Transponders statt. Mit dem SDX würde die AMSAT neueste Technologien im P3-E realisieren, mit denen sich künftige Transponder auf Satelliten wesentlich effizienter betreiben lassen.  Im Vorfeld zum SDX-Meeting gab es ein 1-wöchiges Arbeitsmeeting, indem sich Karl Meinzer, DJ4ZC und Bob McGwier N4HY ausgiebig mit der Inbetriebnahme der neuen IHU-3 befassten.

Was ist ein SDX?

Der Terminus Software-defined Transponder (kurz SDX)  wurde abgeleitet vom Software-defined Radio (kurz SDR) und beschreibt die Bestrebung, möglichst die gesamte Signalverarbeitung eines Transponders bestehend aus Empfänger, Passbandumsetzung und Sender in Software abzubilden. Ein Großteil der Signalverarbeitung wird mit Hilfe eines Digital-Signalprozessors (DSP) und FPGAs durchgeführt, um damit eine frei rekonfigurierbare Plattform und größtmögliche Flexibilität  zu erhalten. Durch Austausch von Software läßt sich somit die Anwendung und Verhalten eines Transponders definieren. Dies gilt zum Beispiel für Funktionen die über einen normale Umsetzung des Passbands bei einem Transponder hinausgehen, wie LEILA (LEIstungs Limit Anzeige) oder STELLA (Satellite Transponder with Equalising Level Limiting Adaptor). Aber auch die traditionelle 400 Bit/s Bake läßt sich einfach per Software erzeugen und dem Passband hinzufügen.

LEILA und STELLA

Lineartransponder sollen den unkoordinierten Vielfachzugriff von vielen Benutzern ermöglichen, die gleichzeitig auf verschiedenen Frequenzen innerhalb des Passbands arbeiten. Weil bei  traditionellen Transpondern aber nur eine AGC für den gesamten Passband-Bereich benutzt wird, kann eine einzelne Station mit übermäßiger Sendeleistung auf der Uplink die AGC herunter regeln. Schwache Stationen werden unter Umständen so stark  abgeschwächt, dass sie auf der Downlink nicht mehr wahrnehmbar sind, obwohl sie die Empfehlungen für die maximale Uplink-Leistung zum Satelliten einhalten. Dieser Effekt ist seit OSCAR-10 auch als „Alligator“-Problem bekannt, kleine „Ohren“ wegen schlechter Empfangstechnik für die Downlink und großes „Maul“ für zuviel Sendeleistung auf der Uplink. Bei P3-D hat das konventionell aufgebaute LEILA-System  bereits eindrucksvoll gezeigt, wie man dieses Problem in den Griff bekommen kann.  Durch die analoge Hardware, ist man jedoch in den Möglichkeiten noch sehr eingeschränkt.  Der SDX bietet hier vollkommen neue Perspektiven, ein erster Ansatz ist STELLA von Howard Long, G6LVB. Seine Entwicklungshardware ist bereits in der Lage alles Signale im Passband auf einen gleichen Pegel zu regeln. Gerade auf einem Linear-Transponder in einer P3-Bahn sind LEILA oder STELLA eigentlich unverzichtbar. Aus diesem Grund haben wir uns kurzfristig entschlossen einen solchen SDX für P3-E zu entwickeln und unterzubringen.

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Am 2-tägigen Kick-Off Meeting nahmen teil: Bob McGhwier N4HY, Lyle Johnson KK7P, Frank Brickle AB2KT, Howard Long G6LVB, Hartmut Päsler DL1YDD, Karl Meinzer DJ4ZC und Peter Gülzow DB2OS. Frank Sperber DL6DBN nahm am 2. Tag teil, da die kurzfristigen Änderungen auch einen Einfluß auf den Kabelbaum im P3-E Satelliten haben und einige neue Signalwege dort berücksichtigt werden müssen.

Der SDX gründet sich auf AMSAT-NA's Implementierung eines Software-definierten Radios auf Basis eines Quadratur-Sampling Detektors. Der SDX wird den Platz des ursprünglich geplanten RUDAK Modem Moduls (RMU) einnehmen, da RUDAK entfallen ist.  Tatsächlich lassen sich aber viele der ursprünglichen Ideen für RUDAK mit dem SDX realisieren, vielleicht sogar noch viel einfacher. Gedacht ist hier beispielsweise an ein Short-Message-System, ähnlich wie die viel geliebten SMS beim Mobiltelefon. Durch den Einsatz extrem effizienter Modulations- und Kodierungstechniken, sollten sehr kleine portable Benutzergeräte möglich sein.

HELAPS (High Efficiency Linear Amplification by Parametric Synthesis)

Bei der Vorstellung und Diskussion des SDX-Konzeptes gingen wir zunächst von den ursprünglichen HF-Schnittstellen aus, wobei die Empfänger auf 70cm (U-Band) und 23cm (L-Band) jeweils einen getrennten ZF-Ausgang auf 10.7 MHz für RUDAK bereitstellen und die RUDAK-Downlink bei den 2m (V-Band) und 13cm (S-Band) Transpondern als einfache ZF eingespeist wird. Im Verlaufe der Diskussion demonstrierte  Howard Long G6LVB seine funktionierende Software für den SDX, welche auch eine weiter perfektionierte Version von STELLA bereits beinhaltet. Howard demonstrierte auch sein 10.7 MHz ZF-Modul, welches auf der populären Technik von Gerald, K5SDR in seinem SDR-1000 beruht. Die Technologie würde für den SDX adaptiert. Der SDX würde hier ohne große Änderungen nahezu perfekt ins bisherige Konzept passen.

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Doch dabei sollte es nicht bleiben. Karl Meinzer DJ4ZC erteilte allen Teilnehmer eine Lektion in Sachen „HELAPS“ Design und präsentierte dann seine radikalen Ideen: Wenn man schon die neue SDX-Technologie auf P3-E fliegen will, dann gleich richtig!!!!  

Mit den Möglichkeiten eines SDX und relativ geringen Änderungen an der Hardware, ließen sich Karl Meinzer's  Ideen aus seiner Doktorarbeit von 1973 zum ersten Mal vollständig im Detail implementieren. Mit dem SDX würden sich Linearität und der Wirkungsgrad des U/V-Transponders gegenüber allen bisherigen HELAPS-Transpondern in früheren P3-Satelliten noch einmal spürbar steigern. Mehr Wirkungsgrad heißt natürlich noch mehr Sendeleistung bei der Downlink und weniger Verluste in der Endstufe, wobei der thermische Faktor und weniger die Leistungsaufnahme der entscheidende Faktor ist.

Das Blockdiagramm vom P3-E SDX DSP zeigt die Wirkungsweise des geplanten Konzeptes.

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Herzstück des SDX ist ein TMS320C6713B DSP von Texas Instruments. Der DSP arbeitet mit 200 MHz Takt und erreicht bis zu 1800 MIPS bzw. 1350 MFLOPS. Unterstützt wird er von einer ganzen Reihe von Hardware-Interfaces zum Anschluss diverser Peripherie, insbesondere für die A/D- und D/A-Wandler, sowie FPGA und externen Flash-Speicher. Neben dem internen RAM von 256K-Byte, ist auch externer EDAC Massenspeicher vorgesehen.

Auf der Eingangsseite sind 2-identische Signalaufbereitungen sowohl für den L-Band Empfänger, als auch für den U-Band Empfänger vorgesehen. Die ZF-Signale aus den beiden Empfängern stehen jeweils mit -15 dBm auf 10,7 MHz zur Verfügung und werden nach einem einfachen Bandpassfilter dem Quadratur-Sampling Detektors (QSD) zugeführt. Hier wird das Basisband in eine I- und Q-Komponente auftrennt, die dann mit einem ADC digitalisiert wird. Der Transponder-Durchlassbereich kann dann im DSP weiter verarbeitet werden. Je nach Leistungsfähigkeit der Hard- und Software ist dann ein Passband mit 50 bis maximal 100 Khz angedacht. Auf der Sendeseite sind zwei unterschiedliche Konzepte vorgesehen. Im oberen Teil ist die herkömmliche Aufbereitung für den S-Band Sender zu sehen. Hier wird wieder ein normales ZF-Signal auf 10.7 MHz mit -15 dBm erzeugt. Spiegelbildlich zum Empfangsteil, werden die I- und Q-Komponenten des Basisbandes mit einem Quadratur-Sampling Exciter (QSE) synthetisiert und auf die ZF-Frequenz von 10.7 MHz hochgemischt. Im Gegensatz dazu wird bei dem unterten Block für den V-Band Sender das HELAPS-Prinzip implementiert. Hierbei wird das eigentliche Signalband vom SDX  in einen nur phasenmodulierten Kanal und in die momentanen Amplitudenwerte, die Hüllkurve (Envelope), aufgespaltet. Erst im in der Leistungsendstufe wird durch Remodulation das Signalband zurückgewonnen. So ist es möglich, dass die Endstufe als Klasse-C Verstärker mit hohem Wirkungsgrad realisiert werden kann, wobei die Kollektorspannung des Endstufentransistor moduliert wird. Der Wirkungsgrad kann gegenüber üblichen Sendern damit etwa vervierfacht werden. Während für den S-Band Sender die bereits vorgesehenen RUDAK ZF-Leitungen genutzt werden, bedeutet der V-Band Sender doch einen Eingriff in das bisherige Konzept für den U/V-Transponder, wobei dann nur noch der Empfänger und die HELAPS-Endstufe übrig bliebe.  Abgesehen von den HF-Schnittstellen ist der SDX ein relativ autarkes System. Über das CAN-DO Modul kann der SDX eingeschaltet werden, ebenso werden darüber die Betriebs-Modi geschaltet. Prinzipiell wäre L/S, L/V, U/V und U/S Transponderbetrieb möglich. Eine 400 Bit/s BPSK Telemetriebake wird ebenfalls vom SDX erzeugt, die Daten kommen über die EB-Leitung (Engineering Beacon) von der IHU. Für Notfälle soll es über den CAN-DO auch möglich sein den SDX mit neuer Software zu laden. Dies Bedarf dann der Mitwirkung der IHU und Kommandostationen. Im Normalfall soll aber der SDX einen eigenen Software-Kommandoempfänger haben, um neue Software direkt in den SDX hochladen zu können. Der „Mikrofoneingang“ soll keine Spielerei sein, aber „in Space no one can hear you“. Wie bei AO-40 soll ein „Körperschallmikrofon“ verschiedene Geräusche im Satelliten zu Kontrollzwecken hörbar zu machen, z.B. das Umschalten von Antennenrelais oder Ventilen des Antriebssystems.

Den SDX auf P3-E zu fliegen bedeutet einer sehr frühe Gelegenheit die Potentiale eines SDX im Orbit zu evaluieren und Erfahrungen zu sammeln, auch was die Strahlungsfestigkeit angeht. Weiterhin ermöglicht der SDX auch weitere Experimente im Sinne der Signalverarbeitung und Auswertung von extrem schwachen Signalen, wie sie z.B. für die P5-A Deep-Space Mars-Mission wertvoll sind, möglicherweise könnte der SDX auch hier künftig eine tragende Rolle spielen. Für die Benutzer des SDX auf P3-E stehen natürlich LEILA und STELLA im Vordergrund.

 

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Howard Long, G6LVB

 

Howard Long G6LVB von AMSAT-UK hat sich bereiterklärt die Rolle des Projektleiters für die Entwicklung der SDX-Software zu übernehmen. Sowohl für P3-E, als auch für EAGLE.  Bob McGwier N4HY und Frank Brickle AB2KT übernehmen die Integration des des HELAPS-Prinzips in den SDX und das Interface zu HELAPS-Endstufen von P3-E. Lyle Johnson KK7P und Chuck Green N0ADI werden die Flughardware bauen, so wie sie es inzwischen schon bei vielen AMSAT-Satelliten getan haben.

Bereits am 28.ten Dezember hatte AMSAT-DL die AMSAT-NA über die Entscheidung den SDX auf P3-E zu fliegen, informiert. Rick Hambly, W2GPS, Präsident der AMSAT-NA, gab dazu folgende Erklärung: "This is outstanding news", "The opportunity to fly SDX on P3-Express will provide an early opportunity to demonstrate the potential of SDX in orbit and gives AMSAT NA the benefit of in-orbit testing before placement on the Eagle-class satellites."  Hambly added, "This announcement and the follow on work reinforces the close cooperation between AMSAT-NA, AMSAT-DL and AMSAT-UK as we develop the next generation of high earth orbit amateur radio satellites."

 

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Weihnachtsstimmung und Glühwein mit einigen Mitarbeitern vom ZEL: v.l.n.r. Ulrich Müller DK4VW, Horst Wagner DB2ZB, Bob McGwier N4HY, Peter Osswald, Heike Straube (P3-E Projekt Manager), Heinz Mölleken DL3AH. (Photo N4HY)