De droom: een draagbare testmodulator die alle wereldwijd in gebruik zijnde uitzendstandaarden voor digitale televisie kan genereren, zonder voedingsadapter via usb aan te sluiten op een laptop. Dat is het Hilversumse Dektec gelukt met een combinatie van softwaregedefinieerde radio, directe digitale synthese en een rf-dac.
In 2004 lanceert Dektec zijn eerste rf-product: een satellietmodulator op een pci-kaart. Hiermee is het mogelijk om een teststroom vanaf disk uit te spelen en het rf-gemoduleerde signaal direct aan te sluiten op de antenne-ingang van een tv of settopbox. De gebruikte technieken zijn relatief eenvoudig: QPSK-modulatie (2 bits per hertz bandbreedte) en Reed-Solomon-errorcorrectie. Dit past in een eenvoudige fpga. Samen met een analoge kwadratuur-upconverter blijft het product relatief goedkoop.
Testmodulatoren vinden onder meer toepassing in fabrieken om geproduceerde televisies aan het einde van de band op een goedkope manier door te lichten. Onze aanvankelijke verwachting is om zo’n honderd van deze apparaten te verkopen. Op de rest van de markt hebben we dan nog weinig zicht. Later blijken er toch veel meer toepassingen te zijn dan gedacht. Bij de validatie van satellietontvangers in speciaal daarvoor opgezette labs is een betaalbare testmodulator bijvoorbeeld een basisbehoefte. Uiteindelijk verkopen we er meer dan tienduizend exemplaren van.
Volledig digitaal
Een pci-kaart met kabelmodulator volgt. Die is snel te ontwikkelen omdat modulatie volgens DVB-S (satelliet) en DVB-C (kabel) veel op elkaar lijken. Digitale televisie via traditionele aardse zenders (zoals Digitenne in Nederland) is lastiger; daarvoor moet het signaal robuust zijn voor reflecties via bijvoorbeeld gebouwen. Dit vereist een realtime uitgevoerde snelle fouriertransformatie (fft). Door de fft in software te draaien op een pc blijkt de kabelmodulatorhardware ook geschikt te maken voor terrestrische standaarden. Het gebruik van softwaregedefinieerde radio (sdr) is geboren.
Sdr is realtime modulatie of demodulatie in software. Wanneer we hier tien jaar geleden mee aan de slag gaan, blijkt het verrassend genoeg al te kunnen op een standaard pc-processor van Intel of AMD. We merken dat sdr goed past bij de steeds ingewikkelder wordende transmissiestandaarden. Het is veel eenvoudiger om software te ontwikkelen dan fpga-code, en nieuwe versies zijn aanzienlijk gemakkelijker te distribueren. Bovendien kosten nieuwe of extra functies in software alleen cpu-cycli, die zeker tegenwoordig ruim voorhanden zijn; in een fpga vergen ze extra logische elementen en soms zelfs een groter type programmeerbare chip.
Een tweede ontwikkeling is de vervanging van analoge elektronica door directe digitale synthese (dds). Hierbij berekenen we het gewenste signaal eerst volledig digitaal, om het vervolgens met een digitaal-naar-analoog-converter (dac) analoog te maken. Dac’s zijn in de loop der tijd steeds sneller geworden. Na audio en video is het nu ook mogelijk rf-gemoduleerde signalen volledig digitaal te genereren. Met het digitaliseren van de upconversie wordt de hele keten digitaal. Dit heeft als grote voordeel dat er geen analoge vervorming optreedt. Nadeel is dat we de digitale samples op een hoge frequentie moeten berekenen (bij ons 4,6 GHz).
Het resultaat is de DTU-315. Deze testmodulator ondersteunt alle relevante transmissiestandaarden voor digitale televisie. Door de toepassing van sdr en dds kunnen we dit volledig digitaal realiseren met hoge signaalkwaliteit. De enige overgebleven analoge elektronica is de rf-dac, gevolgd door een antialiasfilter.
Net binnen budget
Pci-testmodulatoren moeten worden gemonteerd in een pc. Maar ook professionele gebruikers schroeven hun computer liever niet open. De DTU-315 hebben we daarom uitgevoerd als een extern randapparaat. Dit biedt de mogelijkheid om de testmodulator aan te sluiten op een laptop of tablet, ideaal voor onderhoudsmonteurs of demonstraties.
Voor de verbinding tussen DTU-315 en pc maken we gebruik van USB 3.1 Gen 1. Hierover loopt een continue datastroom van maximaal 1,5 Gb/s, voldoende om de basisbandsamples over te sturen. De testmodulator krijgt zijn voeding via de bus, zodat geen aparte voedingsadapter nodig is. Het beschikbare vermogen is hierdoor echter beperkt, terwijl digitale upconversie juist veel energie vraagt. Met upconversie geïmplementeerd in een fpga zou het huidige DTU-315-ontwerp niet mogelijk zijn qua stroomverbruik.
In het begin van het ontwikkelproces, als we nog verschillende ontwerprichtingen aan het afwegen zijn, hebben we geluk. Maxim introduceert een chip met een combinatie van digitale upconversie en een rf-dac op 4,6 GHz, die signalen kan genereren met een draaggolffrequentie tot 2,2 GHz. Precies wat we nodig hebben.
Het energieverbruik van deze chip is wel fors, en tijdens het ontwerptraject wordt die specificatie nog meermaals naar boven bijgesteld. Met een aantal trucs lukt het echter om net binnen het powerbudget blijven. Denk daarbij aan filtering van voedingsruis met lc-circuits in plaats van spanningsregulatoren, die vermogen dissiperen. Verder hebben we de klokfrequentie van de rf-dac verlaagd naar 4,2 GHz.
Lichtzwaard
Voor het design van de behuizing nemen we Van Berlo in de arm. De DTU-315 is een professioneel product met een flink prijskaartje, waar een luxe uitstraling bij past. Dit blijkt niet eenvoudig, omdat we het apparaat ook klein willen houden om het gemakkelijk in een laptoptas te laten passen. Uiteindelijk zijn we uitgekomen op een combinatie van zwart en goud in een minimalistisch, strak design. De behuizing wordt gefreesd uit zwart geanodiseerd aluminium, met het serienummer erin gelaserd. Een aantal interne onderdelen laten we 3d printen.
Tijdens het testen ontdekken we al snel dat de elektronica toch warmer wordt dan gedacht. Hoewel we eerst vermoeden dat de behuizing daar te krap voor is, blijken er toch miniatuurventilatoren op de markt die – met een uitsparing in de hoofdprint – in de beschikbare ruimte passen. Hiermee blijft de temperatuur binnen de perken. Later vervangen we de ventilator nog door een iets minder koelend, maar veel stiller exemplaar, wat de gebruikerservaring positief beïnvloedt.
Het gebruik van de ventilator brengt nog een onverwachte uitdaging met zich mee. De temperatuurgecompenseerde oscillator (tcxo) – uitgevoerd in een kleine behuizing – blijkt erg gevoelig voor thermische veranderingen door de interne luchtstroom, wat zich met name uit in een verslechtering van de modulation error ratio. Dit lossen we op door de tcxo met een klein kapje af te schermen van de luchtstroom.
De DTU-315 is goed ontvangen. Op de NAB in Las Vegas, de belangrijkste beurs op het gebied van professionele televisie, winnen we een ‘Best of show’-award. Klanten zijn over het algemeen erg te spreken over het design; een enkeling vindt het zelfs te mooi – een modulator hoort er ouderwets technisch uit te zien. Grappig zijn de talrijke associaties die de behuizing oproept: Star Wars-lichtzwaard, stofzuigeropzetstuk, microfoon en erotische tool.