Optogekoppeltes USB-Audiointerface für Amateurfunkgerät

Für digitale Betriebsarten im Amateurfunk (z.B. PSK31) verwendet man meistens die Rechenfähigkeiten eines gewöhnlichen PCs oder Laptops mit Soundkarte zum Codieren und Decodieren der Signale. Dabei wird ein mit der digitalen Nachricht moduliertes Audiosignal vom Kopfhörerausgang des Computers ins Funkgerät zur Aussendung eingespeißt und umgekehrt das empfangene Signal aus dem Funkgerät in den Mikrophoneingang des Computers um dort decodiert zu werden.

Anstatt die Audiosignale direkt über eine galvanische Verbindung zu leiten, empfiehlt es sich die Geräte potentialfrei zu verbinden. Damit vermeidet man die Bildung einer sogennanten Erdscheife, in der durch magnetische Wechselfelder (z.B. eines in der Nähe befindlichen Netztransformators) Störspannungen induziert werden können. Die machen sich akustisch meist als Brummen bemerkbar. Im Wasserfalldiagramm der Digi-Mode-Software erkennt man sie als eine oder eine ganze Reihe von Linien im 50Hz oder 100Hz Abstand.

Überlicherweise verwendet man zur potentialfreien Übertragung von Audiosignalen sogenannte Übertrager (kleine Transformatoren).
Für dieses Projekt wurde allerdings ein anderer Weg gewählt: Die Verwendung von speziell für Analogsignale entwickelten Optokopplern.
Die Vorteile sind

höhere Linearität
besserer Frequenzgang
kleineres Volumen u. Gewicht, dadurch höhere mechanische Stabilität

Als Nachteile sind der höhere schaltungstechnische Aufwand und die Notwendigkeit jeweils einer Stromversorgung auf beiden Seiten der Isolation zu nennen.

Außerdem wurde eine kleine externe USB-Soundkarte in das Interface integriert, so dass die gesamte Verbindung zum Computer über eine einzige USB-Leitung besteht.

USB-Soundkarteninterface mit Optokoppler.

Analoger Optokoppler mit hoher Linearität durch Rückkopplung

Ein gewöhnlicher Optokoppler für digitale Signale besteht aus einer LED und einer Fotodiode oder einem Fototransistor. Die LED wandelt ein Stromsignal in ein Lichtsignal, die Fotodiode das Lichtsignal wieder zurück in ein Stromsignal.
Für die Übertragung eines Analogsignals ist es jedoch wichtig, dass sich das Ausgangssignal linear zum Eingangssignal verhält. Die gewünschte hohe Linearität eines Optokopplers für Analogsignale wird erreicht, indem die LED zwei identische Fotodioden bestrahlt und der Fotostrom einer der Fotodioden rückgekoppelt wird um den Strom der LED so zu steuern, dass sich der Fotostrom linear zum Eingangssignal verhält. Der Strom der anderen Fotodiode ergibt das Ausgangsignal im isolierten Stromkreis. Da sich die Ströme durch beide Fotodioden in sehr hohem Maße linear zueinander verhalten (sie werden ja von der selben Lichtquelle beschienen), ist auch das Ausgangssignal linear zum Eingangsignal. Damit ist es nicht mehr notwendig, dass die LED eine lineare Strom-Lichtintensität-Kennlinie ausfweist, sondern nur noch die viel schwächere Bedingung, dass sich die Lichtintensität monoton zum Strom verhält.

Der Optokoppler enthält eine LED und zwei Fotodioden. Die LED bestrahlt beide Fotodioden. Der Strom einer der Fotodioden wird so zurückgekoppelt, dass sich ihr Strom linear zum Eingangsignal verhält. Der Strom der anderen Fotodiode ergibt das isolierte Ausgangssignal, welches sich linear zum Strom der ersten Fotodiode und damit auch linear zum Eingangsignal verhält.

Integrierte USB-Soundkarte

Um nicht die im Computer verbaute Soundkarte verwenden zu müssen und das Signal nicht unnötig weit in analoger Form durch die Gegend zu leiten, wurde eine USB-Soundkarte, die es mittlerweile für wenig Geld und in winziger Abmessung als sognennannten USB-Headset-Adapter zu kaufen gibt, integriert.
Außerdem liefert der USB-Anschluß die Betriebsspannung für die computerseitige Analogschaltung.

Die USB-Soundkarte wurde aus ihrem urspünglichen Plastikgehäuse entfernt und die Buchsen für den USB- und die Audioanschlüsse abgelötet; die USB- und Audiosignale mit feinen Drähten auf einen 16-poligen IC-Sockel geführt und das Platinchen damit verklebt. Das Ergebnis ist eine USB-Soundkarte im DIL-Format.

USB-Soundkarte mit DIL-Anschluss.

PTT-Schaltung

Für die die Ansteuerung eines Funkgeräts wird noch ein Signal benötigt um zwischen Empfang- und Sendebetrieb umzuschalten. Gängige Digi-Mode-Software bietet die Möglichkeit zur Signalisierung des Sendezustands einen Dauerton auf einem der beiden Audiokanäle auszugeben.
Ein Schaltungsbestandteil des Interfaces erkennt diesen Dauerton und schaltet über einen einfachen digitalen Optokoppler die PTT-Leitung ("Push To Talk") auf Seite des Funkgeräts.