Der Wunsch nach drahtloser Kommunikation zwischen Uboot und Wasseroberfläche brachte uns dazu ein ein Unterwasserkommuniktionssystem zu bauen.
Elektromagnetische Wellen (Funk) werden vom Wasser abgeschirmt wodurch „einfache“ Funkgeräte nicht funktionieren.
Was unterwasser sehr gut funktioniert ist die Schallausbreitung, weil sich Wasser nicht komprimieren lässt und so Schallwellen eine beachtliche Reichweite zurücklegen können. Was beim Funkgerät die Antenne ist, ist unterwasser der so genannte Schallwandler. Im Grunde ein Unterwasserlautsprecher bzw. Mikrofon. Wir benutzen hier piezokeramische Schallwandler. Es gibt auch andere Möglichkeiten, wir gehen aber hier im folgenden nur auf die Piezos ein, da sie einfach , und hier bestens geeignet sind. Legt man eine Spannung an die Piezokeramik an deht sie sich aus, oder zieht sich zusammen, wirkt also als Lautsprecher. Analog dazu, drückt man die Keramik zusammen, erzeugt sie eine Spannung. Jeder kennt warscheinlich den Piezozünder am Feuerzeug. Draufdrücken/schlagen -> Funken erzeugen.Diesen Effekt nutzen wir als Mikrofon
Unterwasser gibt es Störgeräusche wie z.b. Wellenbewegung, Schiffsmotoren und Propeller, Tiere. Wir wollen das Signal gerne in einem Bereich übertragen wo nicht so viele Störungen sind. Unser für die Verständigung notwendiger Sprachbereich 0,3 – 3 khz ist da eher ungeeignet. Grundsätzlich funktioniert auch das. Es gibt ja z.b. Unterwasserlautsprcher für den Einbau im Pool.
Die Piezoschallwandler haben einen Frequenzbereich, in dem sie gut einsetzbar sind. (Ähnlich wie es ja auch Lautsprecher für verschiedene Frequenzbereiche gibt. [z.b. Bassbox, Hochtöner])
Im Besten Fall übertragen wir die Kommunikation in einem Bereich wo es „ruhiger“ von Außengeräuschen ist und der Schallwandler gut arbeiten kann. Wir haben uns für 34,65 Khz entschieden.
Die Schallausbreitungsrichtung ist auch noch wichtig. Wir wollen im besten Fall in alle Richtungen gleich laut senden und auch Geräusche empfangen die aus allen Richtungen kommen. Von daher wäre die Kugelcharakteristik eigentlich am besten. Piezokugeln gibt es zwar. Piezozylinder waren aber einfacher und günster zu beschaffen und sind daher ein brauchbarer Kompromiss. Wir haben lange mit den Schallwandlern aus Ultraschallbädern experementiert. Die sind zwar mega günstig aber für unseren Fall u.a. desshalb nicht geeignet da sie nur in eine Richtung abstrahlen.
Zuerst versuchten wir die Schallwandler in ihrem Resonanzbereich zu betreiben, wie es auch in Ultraschallbädern gemacht wird, aber dort gab es Probleme mit dem Übertragungsbereich (2,7 Khz) und der komplexen Last für den Verstärker.Besser war der Frequenzbereich knapp darunter, der ist einigermaßen linear, und die Last für den Verstärker ist nur reell+ kapazitiv und somit leicht zu kompensieren.
Man sollte meinen viel Sendeleistung hilft viel. Aber Achtung: Es gibt eine maximale Spannung die der Piezo abkann danach geht er kaputt. Begrenzenderer für unseren Fall ist aber die Kavitation. Wenn sich der Transducer schneller zusammenzieht als das Wasser nachströmen kann gibt es Vakuumblasen und die Übertragung ist gestört.
Es gibt also ein Limit was die Sendeleistung angeht.
Nun möchten wir die zur Verfügung stehende Sendeleistung effizient nutzen. Bei vielen Übertragungsverfahren verwendet man eine Trägerfrequenz auf die dann das zu übertragende Signal aufmoduliert wird. Bei der einfach zu realisierden Amplitudenmodulation wird der Träger die ganze Zeit gesendet, und das Signal wird 2 fach gesendet(unteres und oberes Seitenband),somit ist die doppelte Sendeleistung erforderlich. Das Verbraucht unnütz Leistung und verringert die Empfangsweite bei gegebener Sendeleistung.Die zu empfangende Bandbreite ist doppelt so hoch wie das Nutzsignal. Von daher werden auch mehr Störungen empfangen.
Mit komplizierterer Elektronik lässt sich auch der Träger weg lassen und nur mit einem Seitenband senden. Dann kann man die gesamte Sendeleistung für das zu übertragende Signal nutzen.
Was wir dann haben ist die so genannte Einseitenband Modulation (SSB).
Die konkrete Umsetzung eines solchen Systems soll im folgenden erläutert werden.
Blockschaltbild
Modularer Aufbau
Das System ist modular aufgebaut. Das Resultiert im wesentlichen noch aus der Entwicklung.
Eingangsverstärker
Der Eingangsverstärker hat Vier Stufen. Stufe 1 verstärkt die Signalspannung desTransducer um Faktor 100 (R3/R2). R1 Sorgt dabei dafür das das Potential des Transducers nahe der Masse bleibt. Stufe 2 und 3 bilden einen 4th order Chebyshev Bandpassfilter mit 40 dB Verstärkung. Wenn es dann noch nicht reichen sollte gibt es eine vierte Stufe mit Faktor 5 (R15/R14). Über einen Stufenschalter lässt sich je nach Abgriff des jeweiligen Sig-Out Ausgangs die gewünschte Verstärkung auswählen. Die letzte Stufe bringt nicht mehr wirklich viel, da das Rauschen gleichermaßen verstärkt wird. Den Bandpassfilter habe ich mit dem Filter Wizard von Analog Devices (https://tools.analog.com/en/filterwizard/) berrechnen lassen, mich dann aber nicht an die OPV vorschläge gehalten sondern das ganze mit dem einfachenTL074 umgesetzt. Die passenden Kondensatoren C1-C4 habe ich später experimentell so lange hin und her getauscht, bis die perfekte Übertragungsfunktion mit center 36,25 Khz und Bandbreite von 3Khz herraus kam. Keramikondensatoren haben einen zu hohen Temperaturdrift, so dass die Filterkurve mit nach dem löten warmen Bauteilen stimmt, dann aber mit dem Abkühlen immer schlechter wurde. Ich habe Folienkondensatoren FKP2-100 verwendet. Beim Abstimmen des Filters hat mein Spektrum-analyzer mit Tracking- generator extrem geholfen. Aufgrund der geringen Siginalspannungen am Transducer ist die Schaltung extrem empfindlich für Störeinstrahlungen. Ich habe das Teil in ein Blechgehäuse gebaut und das Gehäuse mit Masse/minus verbunden.
Oszillator mit PLL
Phasenschieber und Mixer
Da wir ein quarzgenaues sinus- HF signal brauchen, haben wir uns für eine Pll entschieden:ein Quarzgenerator mit IC9a bringt die Frequenzkonstanz(sonst gibts eine Mickymousstimme)und der Sinusgenerator XR22206 erzeugt ein Sinussignal an Ausgang STO.Das Pll IC CD4046 vergleicht die Phasen von Sinusgenerator(PCBin ) und Quarzgenerator (PCAIN)und gibt an das XR2026 eine Verstellgleichspannung an dessen Pin TR1, mit dem die Sinusfrequenz quarzgenau eingestellt wird
Die NF kommt aus einem einfachem Mikrofonverstärker mit Automatic Gain Controll.
MAX9814 und wird durch einen Bandpass in der Bandbreite auf 300Hz bis 3Khz(C8,C9) reduziert. Danach folgt eine Verstärkung um Faktor 12.(R18/R17)
Der NF Phasenschieber ist mit dem „J-TEK All Pass Filter Designer“ von GJ3RAX entworfen.
http://www.gj3rax.com/apf.htm
Das Filter weist über den gesamten Frequenzbereich von 300 Hz – 3Khz eine konstante Phasenverschiebung bei gleichbleibender Amplitude auf.
Einmal wird um 45Grad nach vorne, einmal um 45 Grad nach hinten geschoben.
Der Phasenschieber für die HF sind zwei einfache RC Glieder (mit C16, C17)einmal als Hochpass, einmal als Tiefpass. Bei seiner Grenzfrequenz hat jedes Filter eine Phasenverschiebung um 45 Grad.
fg = 1 / (2 * Pi * R * C)
Über einen Spindeltrimmer lassen sich Hoch und Tiefpass genau auf die Grenzfrequenz von 36.25 Khz einstellen.
Im X Y Modus des oszilloskops lassen sich über die Lissajous-Figur die Filter abstimmen bzw. kontrollieren. Ein Perfekter Kreis deutet auf eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen von 90° hin.
Im folgenden werden jeweils ein Nf-Signal mit einem HF signal multipliziert (X1 mal Y1 Eingang eines der AD633 von Analog Devices) und danach in IC 2 Addiert(Z Eingang).
Bei der Beschaffung dieser Teile ist vorsicht geboten. Im Internet werden gerne Fälschungen angeboten, die alle eins gemein haben. Sie funktionieren nicht.
In der Regel bauen Fälscher den günstigeren Raytheon RC4200 in Ihre fälschungen.
Ken Shirriff hat dazu einen schönen Artikel auf seinem Blog:
http://www.righto.com/2020/09/how-to-multiply-currents-inside.html
RX TX Umschaltung
