{"id":289,"date":"2023-12-28T13:47:28","date_gmt":"2023-12-28T13:47:28","guid":{"rendered":"https:\/\/tiefenruder.de\/?page_id=289"},"modified":"2023-12-28T14:18:00","modified_gmt":"2023-12-28T14:18:00","slug":"uw-com-system","status":"publish","type":"page","link":"https:\/\/tiefenruder.de\/?page_id=289","title":{"rendered":"UW-Com System"},"content":{"rendered":"\n

Der Wunsch nach drahtloser Kommunikation zwischen Uboot und Wasseroberfl\u00e4che brachte uns dazu ein ein Unterwasserkommuniktionssystem zu bauen.<\/p>\n\n\n\n

Elektromagnetische Wellen (Funk) werden vom Wasser abgeschirmt wodurch „einfache“ Funkger\u00e4te nicht funktionieren.<\/p>\n\n\n\n

Was unterwasser sehr gut funktioniert ist die Schallausbreitung, weil sich Wasser nicht komprimieren l\u00e4sst und so Schallwellen eine beachtliche Reichweite zur\u00fccklegen k\u00f6nnen. Was beim Funkger\u00e4t die Antenne ist, ist unterwasser der so genannte Schallwandler. Im Grunde ein Unterwasserlautsprecher bzw. Mikrofon. Wir benutzen hier piezokeramische Schallwandler. Es gibt auch andere M\u00f6glichkeiten, 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, dr\u00fcckt man die Keramik zusammen, erzeugt sie eine Spannung. Jeder kennt warscheinlich den Piezoz\u00fcnder am Feuerzeug. Draufdr\u00fccken\/schlagen -> Funken erzeugen.Diesen Effekt nutzen wir als Mikrofon<\/p>\n\n\n\n

Unterwasser gibt es St\u00f6rger\u00e4usche wie z.b. Wellenbewegung, Schiffsmotoren und Propeller, Tiere. Wir wollen das Signal gerne in einem Bereich \u00fcbertragen wo nicht so viele St\u00f6rungen sind. Unser f\u00fcr die Verst\u00e4ndigung notwendiger Sprachbereich 0,3 – 3 khz ist da eher ungeeignet. Grunds\u00e4tzlich funktioniert auch das. Es gibt ja z.b. Unterwasserlautsprcher f\u00fcr den Einbau im Pool.<\/p>\n\n\n\n

Die Piezoschallwandler haben einen Frequenzbereich, in dem sie gut einsetzbar sind. (\u00c4hnlich wie es ja auch Lautsprecher f\u00fcr verschiedene Frequenzbereiche gibt. [z.b. Bassbox, Hocht\u00f6ner])<\/p>\n\n\n\n

Im Besten Fall \u00fcbertragen wir die Kommunikation in einem Bereich wo es „ruhiger“ von Au\u00dfenger\u00e4uschen ist und der Schallwandler gut arbeiten kann. Wir haben uns f\u00fcr 34,65 Khz entschieden.<\/p>\n\n\n\n

Die Schallausbreitungsrichtung ist auch noch wichtig. Wir wollen im besten Fall in alle Richtungen gleich laut senden und auch Ger\u00e4usche empfangen die aus allen Richtungen kommen. Von daher w\u00e4re die Kugelcharakteristik eigentlich am besten. Piezokugeln gibt es zwar. Piezozylinder waren aber einfacher und g\u00fcnster zu beschaffen und sind daher ein brauchbarer Kompromiss. Wir haben lange mit den Schallwandlern aus Ultraschallb\u00e4dern experementiert. Die sind zwar mega g\u00fcnstig aber f\u00fcr 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 Ultraschallb\u00e4dern gemacht wird, aber dort gab es Probleme mit dem \u00dcbertragungsbereich (2,7 Khz) und der komplexen Last f\u00fcr den Verst\u00e4rker.Besser war der Frequenzbereich knapp darunter, der ist einigerma\u00dfen linear, und die Last f\u00fcr den Verst\u00e4rker 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 f\u00fcr unseren Fall ist aber die Kavitation. Wenn sich der Transducer schneller zusammenzieht als das Wasser nachstr\u00f6men kann gibt es Vakuumblasen und die \u00dcbertragung ist gest\u00f6rt.<\/p>\n\n\n\n

Es gibt also ein Limit was die Sendeleistung angeht.<\/p>\n\n\n\n

Nun m\u00f6chten wir die zur Verf\u00fcgung stehende Sendeleistung effizient nutzen. Bei vielen \u00dcbertragungsverfahren verwendet man eine Tr\u00e4gerfrequenz auf die dann das zu \u00fcbertragende Signal aufmoduliert wird. Bei der einfach zu realisierden Amplitudenmodulation wird der Tr\u00e4ger die ganze Zeit gesendet, und das Signal wird 2 fach gesendet(unteres und oberes Seitenband),somit ist die doppelte Sendeleistung erforderlich. Das Verbraucht unn\u00fctz Leistung und verringert die Empfangsweite bei gegebener Sendeleistung.Die zu empfangende Bandbreite ist doppelt so hoch wie das Nutzsignal. Von daher werden auch mehr St\u00f6rungen empfangen.<\/p>\n\n\n\n

Mit komplizierterer Elektronik l\u00e4sst sich auch der Tr\u00e4ger weg lassen und nur mit einem Seitenband senden. Dann kann man die gesamte Sendeleistung f\u00fcr das zu \u00fcbertragende Signal nutzen.
Was wir dann haben ist die so genannte Einseitenband Modulation (SSB).<\/p>\n\n\n\n

Die konkrete Umsetzung eines solchen Systems soll im folgenden erl\u00e4utert werden.<\/p>\n\n\n\n

Blockschaltbild<\/strong><\/p>\n\n\n\n

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KOMMUNIKATION_SCHEMA.PDF<\/a>Herunterladen<\/a><\/div>\n\n\n\n

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Modularer Aufbau<\/strong>
Das System ist modular aufgebaut. Das Resultiert im wesentlichen noch aus der Entwicklung.<\/p>\n\n\n\n

Eingangsverst\u00e4rker<\/strong>
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Der Eingangsverst\u00e4rker hat Vier Stufen. Stufe 1 verst\u00e4rkt die Signalspannung desTransducer um Faktor 100 (R3\/R2). R1 Sorgt dabei daf\u00fcr das das Potential des Transducers nahe der Masse bleibt. Stufe 2 und 3 bilden einen 4th order Chebyshev Bandpassfilter mit 40 dB Verst\u00e4rkung. Wenn es dann noch nicht reichen sollte gibt es eine vierte Stufe mit Faktor 5 (R15\/R14). \u00dcber einen Stufenschalter l\u00e4sst sich je nach Abgriff des jeweiligen Sig-Out Ausgangs die gew\u00fcnschte Verst\u00e4rkung ausw\u00e4hlen. Die letzte Stufe bringt nicht mehr wirklich viel, da das Rauschen gleicherma\u00dfen verst\u00e4rkt 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 vorschl\u00e4ge gehalten sondern das ganze mit dem einfachenTL074 umgesetzt. Die passenden Kondensatoren C1-C4 habe ich sp\u00e4ter experimentell so lange hin und her getauscht, bis die perfekte \u00dcbertragungsfunktion mit center 36,25 Khz und Bandbreite von 3Khz herraus kam. Keramikondensatoren haben einen zu hohen Temperaturdrift, so dass die Filterkurve mit nach dem l\u00f6ten warmen Bauteilen stimmt, dann aber mit dem Abk\u00fchlen 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 f\u00fcr St\u00f6reinstrahlungen. Ich habe das Teil in ein Blechgeh\u00e4use gebaut und das Geh\u00e4use mit Masse\/minus verbunden.<\/p>\n\n\n\n

Eingangsverstaerker_doku.PDF<\/a>Herunterladen<\/a><\/div>\n\n\n\n

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Oszillator mit PLL<\/strong>
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osc_mit_pll_doku.PDF<\/a>Herunterladen<\/a><\/div>\n\n\n\n

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Phasenschieber und Mixer
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Da wir ein quarzgenaues sinus- HF signal brauchen, haben wir uns f\u00fcr 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<\/p>\n\n\n\n

Die NF kommt aus einem einfachem Mikrofonverst\u00e4rker mit Automatic Gain Controll.<\/p>\n\n\n\n

MAX9814 und wird durch einen Bandpass in der Bandbreite auf 300Hz bis 3Khz(C8,C9) reduziert. Danach folgt eine Verst\u00e4rkung um Faktor 12.(R18\/R17)<\/p>\n\n\n\n

Der NF Phasenschieber ist mit dem „J-TEK All Pass Filter Designer“ von GJ3RAX entworfen.<\/p>\n\n\n\n

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http:\/\/www.gj3rax.com\/apf.htm<\/p>\n\n\n\n

Das Filter weist \u00fcber den gesamten Frequenzbereich von 300 Hz – 3Khz eine konstante Phasenverschiebung bei gleichbleibender Amplitude auf.<\/p>\n\n\n\n

Einmal wird um 45Grad nach vorne, einmal um 45 Grad nach hinten geschoben.<\/p>\n\n\n\n

Der Phasenschieber f\u00fcr 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.<\/p>\n\n\n\n

fg = 1 \/ (2 * Pi * R * C)<\/p>\n\n\n\n

\u00dcber einen Spindeltrimmer lassen sich Hoch und Tiefpass genau auf die Grenzfrequenz von 36.25 Khz einstellen.<\/p>\n\n\n\n

Im X Y Modus des oszilloskops lassen sich \u00fcber die Lissajous-Figur die Filter abstimmen bzw. kontrollieren. Ein Perfekter Kreis deutet auf eine Phasenverschiebung zwischen den beiden Signalen von 90\u00b0 hin.<\/p>\n\n\n\n

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).<\/p>\n\n\n\n

Bei der Beschaffung dieser Teile ist vorsicht geboten. Im Internet werden gerne F\u00e4lschungen angeboten, die alle eins gemein haben. Sie funktionieren nicht.<\/p>\n\n\n\n

In der Regel bauen F\u00e4lscher den g\u00fcnstigeren Raytheon RC4200 in Ihre f\u00e4lschungen.<\/p>\n\n\n\n

Ken Shirriff hat dazu einen sch\u00f6nen Artikel auf seinem Blog:<\/p>\n\n\n\n

http:\/\/www.righto.com\/2020\/09\/how-to-multiply-currents-inside.html<\/p>\n\n\n\n

Phasenschieber_mixer_doku.PDF<\/a>Herunterladen<\/a><\/div>\n\n\n\n

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RX TX Umschaltung<\/strong><\/p>\n\n\n\n

\"\"<\/figure>\n\n\n\n
umschaltung_doku.PDF<\/a>Herunterladen<\/a><\/div>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

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\u201eUW-Com System\u201c<\/span> weiterlesen<\/a><\/p>\n","protected":false},"author":1,"featured_media":0,"parent":0,"menu_order":0,"comment_status":"closed","ping_status":"closed","template":"","meta":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/pages\/289"}],"collection":[{"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/pages"}],"about":[{"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/page"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/1"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=289"}],"version-history":[{"count":8,"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/pages\/289\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":313,"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/pages\/289\/revisions\/313"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/tiefenruder.de\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=289"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}