Arduino TNC und Arduino TNC Plus

Arduino TNC ist ein offenes Projekt für einen KISS TNC mit AFSK 1200, dessen Geschichte mehrere Entwicklungsstufen und Beiträge verschiedener Funkamateure umfasst.

Das Projekt begann mit Robert Marshall KI4MCW, der ein softwarebasiertes AFSK-Modem ohne speziellen Modem-IC entwickelte.

Das Audiosignal wurde vom ADC eines AVR-Mikrocontrollers abgetastet, während AFSK-Demodulation und AX.25-Decodierung in Software erfolgten.

Ursprüngliches KI4MCW-Projekt:

https://sites.google.com/site/ki4mcw/Home/arduino-tnc

Experimente und Weiterentwicklung durch George Smart M1GEO:

https://www.george-smart.co.uk/arduino/arduino_tnc/

Polnische Hardwareversion:

https://hamspirit.pl/SQ9MDD/?p=337

Arduino TNC Plus:

https://hamspirit.pl/SQ9MDD/?p=541

Von SQ9MDD und SQ5RWU weiterentwickelter Code:

https://github.com/SQ9MDD/arduino_tnc

Projektidee

Die Grundidee war einfach: Ein verbreiteter AVR-Mikrocontroller sollte als AFSK-Modem arbeiten, ohne einen spezialisierten Modem-Baustein zu benötigen.

Funktionsschema:

Funkgerät
  |
Audio + PTT
  |
Arduino
  |
AFSK / AX.25
  |
KISS
  |
Computer / APRS-Anwendung

Arduino übernimmt:

• Audioabtastung,
• AFSK-Demodulation,
• AX.25-Decodierung,
• Erzeugung des Sendesignals,
• PTT-Steuerung,
• KISS-Kommunikation.

Die externe Anwendung übernimmt die höheren APRS- oder Packet-Radio-Funktionen.

Ursprung: KI4MCW

Robert Marshall KI4MCW begann um 2010 mit der Arbeit an Arduino TNC.

Das Projekt war ein experimentelles softwarebasiertes APRS-Modem, hauptsächlich für AVR-basierte Arduino-Plattformen.

Ein wichtiges Ziel war, möglichst viele Funktionen direkt im Mikrocontroller-Code auszuführen.

Anstelle eines Bausteins wie TCM3105 oder MX614 wurde das Empfangsaudio direkt dem ADC des Prozessors zugeführt.

Funkgerät
  |
Audio
  |
ADC
  |
Demodulationsalgorithmus
  |
AX.25

Spätere Versionen brachten unter anderem:

• AFSK-1200-Empfang,
• KISS,
• DCD,
• automatische ADC-Bias-Korrektur,
• Paketaussendung,
• UART-Unterstützung.

Der Code wurde stark für die begrenzten Ressourcen der AVR-Mikrocontroller optimiert.

Software-Demodulation

Der interessanteste Aspekt des ursprünglichen Projekts war der Verzicht auf ein dediziertes Analogmodem.

Arduino tastete das Audiosignal ab und erkannte softwareseitig die Töne:

1200 Hz
2200 Hz

des klassischen Bell-202-AFSK von APRS.

Dadurch konnte mit sehr wenigen Bauteilen ein vollständiges Modem aufgebaut werden.

Gleichzeitig war sorgfältig optimierter Code erforderlich, da der ATmega328P nur begrenzte Rechenleistung bietet.

Experimente von M1GEO

George Smart M1GEO testete das KI4MCW-Projekt ausführlich und experimentierte mit einer eigenen Eingangsschaltung.

Zu seinen Arbeiten gehörten:

• Filterung des Audioeingangs,
• Stabilisierung des ADC-Bias,
• Verringerung von USB-Störungen,
• Analyse der Abtastfrequenz,
• Tests verschiedener KI4MCW-Codeversionen.

M1GEO verwendete Version 0.14 und erreichte einen guten Betrieb als KISS TNC.

Er experimentierte außerdem mit der Übertragung von APRS-Daten per Bluetooth zu einem Smartphone und entwarf eine eigene Platine.

Das zeigt eine wichtige Eigenschaft von Arduino TNC: Das Projekt war offen und einfach genug, um es an unterschiedliche Anwendungen anzupassen.

Polnische Arduino-TNC-Version

Auf Basis der früheren Arbeiten dokumentierte SQ9MDD eine Hardwareversion.

Ziel war eine einfache und preiswerte TNC-Schnittstelle, die sich aus leicht verfügbaren Bauteilen aufbauen lässt.

Typische Konfiguration:

Funkgerät
  |
Arduino TNC
  |
USB / KISS
  |
Raspberry Pi / PC
  |
APRS-Software

Die Konstruktion wurde sowohl mit WA8LMF-Testmaterial als auch auf dem realen APRS-Kanal getestet.

Sie eignete sich gut als kleines Modem für Raspberry Pi, iGate oder Heimstation.

Softwareentwicklung durch SQ5RWU

Łukasz SQ5RWU leistete einen wichtigen Beitrag zu späteren Codeversionen.

Die Entwicklungsgeschichte umfasst unter anderem:

• CRC-Prüfung empfangener Frames,
• Stabilitätskorrekturen,
• Verbesserungen im Empfang,
• Verbesserungen beim Senden,
• Bereinigung des Codes,
• Korrekturen für stabilen Betrieb.

Version:

0.15.3

enthält eine umfangreiche Reihe von Korrekturen und Verbesserungen durch SQ5RWU.

Danach folgte:

0.15.4

als stabile Ausgabe.

Beim Start meldet sich das Gerät mit:

Arduino TNC v.0.15.4

KISS

Arduino TNC arbeitet als klassischer KISS TNC.

Typischer Aufbau:

Funkgerät
  |
Arduino TNC
  |
KISS
  |
APRSBox / Xastir / Linux AX.25 / andere Software

KISS ist eine einfache Standardschnittstelle zwischen TNC und Anwendung.

Dadurch ist das Gerät nicht an ein bestimmtes Programm gebunden.

AFSK 1200

Der grundlegende Betriebsmodus ist:

AFSK 1200 Bd
1200 / 2200 Hz
Bell 202

die klassische APRS-Modulation auf VHF.

Arduino erzeugt das Sendesignal softwareseitig und steuert PTT.

Arduino TNC Plus

Die nächste Entwicklungsstufe war Arduino TNC Plus, kurz ATNC+.

Es entstand als Erweiterung der früheren Konstruktion.

Die Grundfunktion blieb erhalten, der Funkweg wurde jedoch erweitert.

Die wichtigste Änderung war die Ergänzung eines:

TCM3105

als Signalregenerationsstufe nach einer Lösung von Adam SP5RZP.

Funktionsschema:

Funkgerät
  |
Audioweg
  |
TCM3105
  |
Arduino
  |
KISS
  |
Computer

Ziel war eine bessere Signalqualität für den digitalen Teil und eine höhere Decodiersicherheit unter realen Funkbedingungen.

Hardwareänderungen bei ATNC+

Neben dem TCM3105 wurden weitere Verbesserungen eingeführt.

Dazu gehören:

• Gleichspannungs-Sperrkondensatoren an den Transformator-Eingängen,
• verbesserter Audioweg,
• Möglichkeit zur Steuerung von Handfunkgeräten,
• zusätzlicher Konfigurationsjumper,
• 2,2-kΩ-Widerstand für bestimmte PTT-Steuerungen.

Die ATNC+-Platine ist wegen der zusätzlichen Modemschaltung größer als die ursprüngliche Version.

Stabile Software für ATNC+

Bei Tests von Arduino TNC Plus zeigte sich ebenfalls Bedarf an weiteren Softwarekorrekturen.

Einen großen Teil dieser Arbeiten übernahm SQ5RWU.

Das Ergebnis war eine stabile Softwareversion für ATNC+.

Der Code ist hier verfügbar:

https://github.com/SQ9MDD/arduino_tnc

Dieses Repository sollte als spätere, korrigierte Entwicklungslinie betrachtet werden, nicht als ursprüngliche KI4MCW-Version.

Kommunikationsparameter

In der stabilen Arduino-TNC-Version arbeitet die serielle Schnittstelle mit:

19200 bit/s

für KISS.

Audioisolation

Die Konstruktion verwendet Audio-Übertrager zur galvanischen Trennung.

Sie trennen Funkgerät und digitalen Teil elektrisch.

Das hilft gegen:

• Masseschleifen,
• Computerstörungen,
• Probleme mit Audiopegeln,
• USB-bedingte Störungen.

PTT-Steuerung

Arduino steuert den Sender automatisch.

Der PTT-Pfad verwendet eine Trennung und einen Transistor.

Arduino
  |
PTT
  |
Trennung
  |
Funkgerät

Dadurch kann sicher mit unterschiedlichen Funkgeräten gearbeitet werden.

Anwendungen

Arduino TNC und ATNC+ können als Modem eingesetzt werden für:

• APRS-iGate,
• APRS-Heimstation,
• Packet Radio,
• Raspberry Pi,
• Linux-Rechner,
• KISS-kompatible Anwendungen,
• eigene experimentelle Projekte.

Ein typischer Aufbau kann so aussehen:

Funkgerät
  |
Arduino TNC Plus
  |
USB
  |
Raspberry Pi
  |
APRSBox

Lern- und Ausbildungswert

Ein großer Vorteil von Arduino TNC ist, dass sich der gesamte Weg eines Pakets nachvollziehen lässt.

Das Projekt zeigt praktisch:

• wie Audio zum ADC gelangt,
• wie AFSK-Töne erkannt werden,
• wie AX.25-Frames decodiert werden,
• wie CRC funktioniert,
• wie KISS arbeitet,
• wie das TX-Signal erzeugt wird,
• wie PTT gesteuert wird.

Es ist daher ein sehr gutes Projekt für Interessierte an APRS und AVR-Mikrocontrollern.

Projektgeschichte

Die Entwicklung lässt sich vereinfacht so darstellen:

KI4MCW
  |
ursprüngliches softwarebasiertes Arduino TNC
  |
M1GEO
  |
Tests und Entwicklung des Funkwegs
  |
SQ9MDD
  |
polnische Hardwareversion
  |
SQ5RWU
  |
Codekorrekturen und Stabilisierung
  |
Arduino TNC Plus

Es handelt sich also nicht um eine Einzelkonstruktion eines Autors, sondern um das Ergebnis aufeinanderfolgender Experimente und Verbesserungen mehrerer Funkamateure.

Für wen ist das Projekt interessant?

Arduino TNC kann interessant sein für Personen, die:

• einen eigenen KISS TNC bauen möchten,
• mit Arduino und AVR experimentieren,
• AFSK 1200 praktisch kennenlernen möchten,
• ein einfaches Modem für Raspberry Pi benötigen,
• sich für AX.25 interessieren,
• verstehen möchten, wie ein Softwaremodem funktioniert.

Arduino TNC Plus ist zusätzlich interessant für Personen, die den erweiterten Funkweg mit Signalregeneration nutzen möchten.

Dokumentation

Wichtige Quellen:

• ursprüngliches Arduino TNC von KI4MCW: https://sites.google.com/site/ki4mcw/Home/arduino-tnc
• M1GEO-Experimente: https://www.george-smart.co.uk/arduino/arduino_tnc/
• Arduino TNC SQ9MDD: https://hamspirit.pl/SQ9MDD/?p=337
• Arduino TNC Plus: https://hamspirit.pl/SQ9MDD/?p=541
• späterer SQ9MDD/SQ5RWU-Code: https://github.com/SQ9MDD/arduino_tnc