YAESU FT-101 Frecuencias Intermedias

Con la idea de construir un VFO externo para el equipo FT-101 he tenido que estudiar las frecuencias intermedias que usa. Según mi apreciación este es el comportamiento del equipo.
Recepción.

El FT-101 en recepción es un radio heterodino de doble conversión. La primera frecuencia intermedia es de 5.520 a 6.020 KHz. Aquí es donde se hace la sintonía de la estación en un rango de 500 KHz. La segunda frecuencia intermedia es fija en 3.180 KHz donde se coloca un filtro mecánico con un ancho de banda de 3.000 Hz para mejorar la selectividad. (Opcionalmente se puede colocar un filtro de banda más estrecha especialmente para CW).
El radio tiene un selector de bandas correspondiente a la bandas de radioaficionados. Cada selección permite recibir un rango de 500 KHz a partir de la frecuencia base de la banda. Ejemplo, para la banda de 40 metros, la frecuencia base es 7.000 kHz y usando el VFO interno podemos sintonizar entre 7.000 a 7.500 KHz. Los radioaficionados en 40 metros solo pueden usar de 7.000 a 7.300. De 7.300 a 7.500 es discrecional del operado: No debe usar estas frecuencias pero el radio lo permite.
La figura abajo muestra simplificadamente la operación del equipo en recepción.

ft101-rx

La señal captada en la antena es amplificada en la banda en operación y su salida alimenta un primer convertidor que la heterodina con un oscilador controlado con cristal a una frecuencia fija de acuerdo a cada banda a operar. A la salida del mezclador se utiliza la resta de frecuencia entre la frecuencia del cristal y la frecuencia que se desea recibir.
Por ejemplo: para la banda de 40 metros, la frecuencia del cristal es 13.020 KHz, si a este valor le restamos 7.000 KHz de la frecuencia más baja, tendremos una salida en 6.020 KHz. Para recibir 7.500 kHz (parte alta de la banda) la frecuencia resta será 5.520 KHz.
Observe que en esta frecuencia intermedia la señal de 7.000 KHz le corresponde 6.020 KHz y 7.500 KHz le corresponde una frecuencia menor de 5.520 KHz, es decir que la distribución de emisora en esta frecuencia intermedia están invertidas debido a que son resultantes de una resta.
La primera frecuencia intermedia de 5.520 a 6.020 KHz se pasa a un segundo mezclador al cual se le entrega también las oscilaciones provenientes de VFO interno. El VFO entrega una frecuencia variable (controlada por la perilla) entre 8.700 a 9.200 KHz. A la salida se toma la resta de la frecuencia intermedia con la frecuencia del VFO. El resultado es:
8.700 – 5.520 = 3.180 kHz.
9.200 – 6.020 = 3.180 kHz.
Entonces la segunda frecuencia intermedia será siempre de 3.180 kHz, la cual se pasa por un filtro mecánico que limita la banda a un ancho de 3 kHz centrado en la frecuencia de 3.180 kHz, es decir que el filtro deja pasar frecuencias entre (3.180 – 1,5) 3.178,5 kHz y (3.180 + 1,5) 3.181,5 kHz. La señal después del filtro es amplificada y entregada al demodulador para que decodifique la señal de acuerdo al modo de transmisión que se esta usando.
Para recibir banda lateral única (SSB), también para CW, es necesario adicionarle la portadora que fue suspendida. El radio debe introducir una frecuencia igual a la Frecuencia Intermedia. Esta señal se llama pitido o batido y en los radios antiguos se llamaba BFO (Beat Frequency Oscilator). La frecuencia de batido es tomada en el radio de un oscilador controlado por cristal y su valor depende del modo de transmisión usado.
Cuando se recibe banda lateral inferior (LSB) la frecuencia es de 3.181,5 KHz correspondiente al límite superior del filtro, esto garantiza que el filtro dejara pasar muy bien la banda lateral que está por debajo de la frecuencia de recepción. Para recibir banda lateral superior (USB) la frecuencia de batido será 3.178,5 KHz correspondiente al límite inferior del filtro.
Para el modo CW se utiliza un batido de 3.179,3 KHz. Para AM no es necesaria frecuencia de batido. AM tiene una consideración: el ancho de banda de una transmisión de AM es de 5 kHz pero el ancho de banda del filtro es de 3 kHz por lo que la calidad del audio se pierde. Para recibir AM el operador debe poner la portadora hacia la mitad del filtro. Para los cálculos de frecuencia se supone que la portadora está en la misma frecuencia de batido del CW es decir 3.179,3 kHz cerca de la mitad del filtro.
Resumiendo podemos calcular:
Fr = Fxtl – Fvfo + Fbfo
Donde:
Fr es la frecuencia a recibir
Fxtl es la frecuencia del cristal. Depende de la banda según esta tabla 1.

BANDA                      FRECUENCIA
180 metros                7.520 KHz
80 metros                  9.520 KHz
40 metros                  13.020 KHz
20 metros                  20.020 KHz
15 metros                   27.020 KHz
10A                              33.020 KHz
10B                             33.520 KHz
10C                             34.020 KHz
10D                             34.520 KHz
WWD                         16.020 KHz
Fvfo es la frecuencia del VFO.
Fbfo es la frecuencia de batido del demodulador. Depende del modo de transmisión y sus valores están en la tabla2
MODO                          FRECUENCIA
LSB                                3.181.500 Hz
USB                                3.178.500 Hz
AM, CW y TUNE         3.179.300 Hz

Si nosotros deseamos recibir una frecuencia determinada podemos calcular la frecuencia del VFO con la misma fórmula.
Fvfo = Fxtl – Fr + Fbfo
TRANSMISION

La figura abajo muestra simplificadamente el manejo de frecuencias:

FT-101-Tx

El transmisor utiliza los mismos cristales y filtros usados por la parte de recepción.
La voz captada por el micrófono se amplifica y se entrega al modulador de acurdo al tipo de modulación deseada por el operador.
Para el caso de AM la señal de audio modula un oscilador en la frecuencia de 3.179,3 KHz. Cuando se selecciona CW y el caso de TUNE el oscilador genera la misma frecuencia portadora pero no se modula con la señal de audio.
Cuando se modula en LSB o USB la modulación es en un modulador balanceado en la frecuencia de 3.181,5 KHz para LSB o 3.178,5 para USB. La salida del modulador balanceado se pasa por el filtro mecánico de 3.180 KHz para que elimine la banda lateral no deseada.
La señal de SSB (USB o LSB) o la señal de AM/CW en la frecuencia central de 3.180 KHz se mezcla con la señal procedente del VFO, el mismo utilizado para recepción, y que trabaja de 8.700 a 9.200 KHz. La salida del segundo mezclador es la resta de las frecuencia del VFO menos la frecuencia del modulador alrededor de 3.180 KHz. Es decir una frecuencia intermedia de 5.520 a 6.020 KHz igual a la utilizada por el receptor.
Por último la frecuencia en esta FI se le resta a la frecuencia del cristal asignado a cada banda.
La frecuencia final del transmisor se puede calcular con la misma fórmula usada para la recepción. La frecuencia de transmisión o recepción esta determinada dentro de la banda por la frecuencia del VFO.

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VFO digital para el FT-101

Tengo un equipo FT-101F fabricado por YAESU en los años 70´s y está completamente funcional y excelente estado físico. Mi idea es desarrollar unos proyectos electrónicos que permitan a experimentar con componentes nuevos y electrónica antigua.
El FT-101F es un equipo hibrido. La mayoría de los circuitos son transistorizados pero la etapa final, amplificador de potencia, es de tubos. El VFO es análogo y la frecuencia se lee observando el desplazamiento de una aguja sobre un tablero calibrado.

Mi primer proyecto es construir una interface entre el radio y un PC para conseguir que desde el PC se le pueda indicar cuál es la frecuencia que se desea debe operar el radio. Si este primer proyecto funciona, me abre la posibilidad de otros proyectos para logra controlar mas funciones del Ft-101 desde un PC.
Para la interface he escogido los siguientes dos componentes:
AD9850 un sintetizador de frecuencia DDF relativamente barato que me suministra cualquier frecuencia exacta menor a 50 MHZ.
Un ARDUINO para programar el AD9850 y sostener la comunicación con el PC.

ft101-2

La conexión entre el PC y el ARDUINO es por cable USB. La conexión del AD9850 al FT-101 se logra mediante un cable conectado en la parte trasera de FT-101. Es un conector Octal previsto para conexión de un VFO externo por lo cual no es necesario hacer ninguna modificación al FT-101.
El ARDUINO recibe alimentación de +5V por el cable USB y este le puede suministrar los 5V requiere el AD9850 para funcionar. De esta manera toda la interface recibe alimentación desde el PC y el AD9850 suministra una señal sinusoidal de 0.1 voltio suficiente para alimentar la entrada de VFO externa al FT-101. Esto significa que con solo estos dos componentes podemos implementar la interface.
IMPLEMENTACION

Las conexiones entre el ARDUINO nano y el AD9850 son sencillas:

ad9850-arduino

Los puertos digitales D4 a D7 son conectados a las espigas de control del AD9850 RST, DAT, FQ y CLK respectivamente.
La espiga “SinB” del AD9850 da la salida de una onda sinusoidal para conectar a la entrada externa de VFO del FT-101. Esta conexión debe hacerse con cable blindado (coaxial).

la foto

La foto superior muestra la implementación del Arduino nano en la derecha y el AD9850 en la izquierda sobre una placa de circuito impreso.
El arduino soporta el cable USB para conexión a la PC.
En el lado superior se observa el conecto preparado para conectarse al FT-101.
La placa de circuito impreso tiene espacio para alojar otros componentes electrónicos para futuros desarrollos pero no están en funcionamiento actualmente.
CODIGO PARA EL ADUINO

El siguiente es el código fuente para el ARDUINO nano.

/*=====================================================================

Proyecto: VFO para Yaesu FT-101F
Por: HK3EU
Version: 0.1
Fecha: Diciembre 3 2014

=========================================================*/

//————————
// Definicion de pines
//————————

#define W_CLK 7 // Pin 7 conectado a AD9850 W_CLK
#define FQ_UD 6 // Pin 6 conectado a AD9850 FQ_UD
#define DATA 5 // PIN 5 conectado a AD9850 DATA
#define RESET 4 // Pin 4 conectado a AD9850 RESET

#define BAUD_RATE 9600 // define baud_rate puerto serial
#define START_FREQUENCY 8600000 // frecuencia inicial

//————————–
// Definición de variables
//————————–
double usedFrequency; // frecuencia en uso
double Frequency; // usada en loop

//————————-
// FUNCIONES
//————————-

//————————–
// pulse(pin)
// Envia un pulso en el pin especificado.
//————————–

void pulse(int pin)
{
digitalWrite(pin, HIGH);
digitalWrite(pin, LOW);
}

//—————————
// sendByte(data)
// Enviar el data al AD9850
//—————————

void sendByte(byte data)
{
int i;
// Serial.println(data);
for(i = 0; i >= 1; // desplace data una posicion a la derecha
}
}

//—————————-
// sendFrequency(frequency)
// Envia la frecuencia la AD9850
// es el valor decimal de la frecuencia
// primero se calcula el valor a enviar al ad9850 para la
// frecuencia escogia.
//—————————–

void sendFrequency(double frequency)
{
int32_t data_AD9850;
int i;

data_AD9850 = frequency * 4294967295/125000000; // 4294967295 = 2 potencia 32
// Serial.print(frequency);
// Serial.print(” – “);
// Serial.println(data_AD9850);
for(i = 0; i >= 8; // desplace 8 bit a la derecha
}
sendByte(0x00); // envie 0 final
pulse(FQ_UD); // hecho
}

//———————————
// Funcion — setup() —-
//———————————

void setup()
{
// Configurar los pin del arduino
pinMode(FQ_UD, OUTPUT);
pinMode(W_CLK, OUTPUT);
pinMode(DATA, OUTPUT);
pinMode(RESET, OUTPUT);
// Iniciar el AD9850
pulse(RESET);
pulse(W_CLK);
pulse(FQ_UD);

// iniciar el puerto serial
Serial.begin(BAUD_RATE);
usedFrequency = START_FREQUENCY;
sendFrequency(usedFrequency);
}

//——————————–
// Bucle principal
//——————————–

void loop()
{
int char_in = 0;

// Monitorial puerto serial
if(Serial.available() > 0) // hay informacion en el puerto
{
char_in = Serial.read(); // leer el puerto
char_in &= 0xFF; // solo 8 bits
switch(char_in) // axion depende del caracter recibido
{
case ‘0’: // recibiendo numeros
case ‘1’:
case ‘2’:
case ‘3’:
case ‘4’:
case ‘5’:
case ‘6’:
case ‘7’:
case ‘8’:
case ‘9’:
char_in -= ‘0’; // valor del caracter
Frequency *=10; // multiplique por 10, sigiente digito
// Serial.println(Frequency);
// Serial.println(char_in);
Frequency += char_in; // sumar digito recibido
char_in = 0;
break;

case ‘;’: // fin de la frecuencia
usedFrequency = Frequency; // salve la frecuencia recibida
sendFrequency(Frequency); // transfiera la informacion al AD9850
Frequency = 0;
char_in = 0;
break;
case ‘?’:
Serial.println(long(usedFrequency));
break;

}
}
}
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PROGRAMA PARA PC

El VFO del FT-101 suministra una frecuencia variable entre 8.700 y 9.200 KHz, un segmento de 500 KHz. El FT-101 traslada la frecuencia del VFO a la frecuencia de la banda en que se desea trabajar: 80, 40, 20, etc metros. Pero nosotros tenemos el problema de otra forma. Conocemos la frecuencia en que debemos trabajar y tendremos que hacer el cálculo inverso a que hace el radio para determinar la frecuencia que debe suministrar el VFO.
El cálculo de la frecuencia del VFO dependiendo de la banda de operación deseada y del modo de transmisión se realizara en un programa de PC diseñado en C#. El programa ha sido diseñado para presentar una interface amigable de usuario y calcula la frecuencia del VFO y esta información se la envía al ARDUINO. La función del ARDUINO es usar la información de frecuencia enviada por el PC y configurar el AD9850 para que emita esa frecuencia.

gui-pc

La figura superior muestra la interface de PC (GUI) diseñada para control de la frecuencia.

CONCLUCIONES

El circuito y los programas para ARDUINO y PC están funcionando. Si le interesa mas información, por favor, escríbame al correo hk3eu@yahoo.com que con gusto les contestare.
Como le he estado comentando este es el primer proyecto de una serie de ideas para lograr una mejora de equipos viejos, como el FT-101, mediante interfaces con componentes electrónicos mas modernos.