KD2BD
Методология KD2BD FMT
Выполнение точных измерений частоты удаленных радиосигналов с использованием самодельных приборов
(и ионосферные возмущения, которые мешают)
Введение
После сборки моего трансивера Elecraft K2/100 в мае 2003 года мне понадобился точный эталон частоты для калибровки опорного генератора моего трансивера с частотой 4 МГц. Я ожидал, что смогу сопоставить 5-ю гармонику генератора с гармоникой 20-мегагерцового передатчика WWV , но в то время прием WWV отсутствовал из-за малого количества солнечных пятен и в целом плохих условий распространения ВЧ в летнее время. В результате я начал думать о разработке надежного высококачественного стандарта частоты для калибровки моего K2 и других проектов, который работал бы независимо от солнечных пятен, времени суток, сезона или критических условий распространения.
Позже в том же году Американская лига радиорелейной связи объявила о планах провести тест измерения частоты , в ходе которого участники будут ранжированы по тому, насколько точно они могут измерить рабочую частоту W1AW . Перспектива участия в FMT 2003 г. послужила еще одним стимулом для разработки высокоточного стандарта частоты.
Несколько сертификатов участия FMT
Мне удалось разработать простой стандарт частоты, отвечающий требованиям WWVB, и использовать его вместе с моим приемопередатчиком K2/100 и частотомером Heathkit , чтобы принять участие в тесте измерения частоты ARRL 2003 года и получить достойные результаты.
Однако работа инженера никогда не заканчивается. Каким бы быстрым или умным ни был проект инженера, его всегда можно улучшить.
Таким образом, моя методология FMT значительно изменилась с момента моего первоначального участия в ней в 2003 году, и в настоящее время она использует полностью самодельную электронику. Результаты, которые я получаю, используя этот «доморощенный» подход, часто превосходят результаты многих опытных участников FMT, которые используют промышленное оборудование лабораторного класса стоимостью многие тысячи долларов.
Аппаратное обеспечение FMT, разработанное KD2BD
В промежутках между FMT мое оборудование для измерения частоты часто используется для изучения поведения ионосферы Земли. Это делается путем измерения частоты стандартных радиопередач, предоставляемых радиостанциями CHU и WWV, и измерения эффектов Доплера, налагаемых на эти сигналы ионосферой. Я надеюсь, что благодаря этим исследованиям можно будет получить знания, которые могут привести к еще более точным измерениям частоты в будущем или, возможно, к отрезвляющему осознанию того, что мы не можем добиться большего.
Далее следует краткая история и описание аппаратуры FMT, которую я разработал и использовал в течение последнего десятилетия, а также результаты исследований ионосферы, которые иллюстрируют некоторые возмущения, которые делают точные измерения частоты на больших расстояниях очень сложными.
Стандарт частоты
Измерения частоты, процедуры калибровки и даже правильная настройка музыкальных инструментов выполняются с использованием известных и проверенных стандартов частоты . В Соединенных Штатах Национальный институт стандартов и технологий (NIST) обеспечивает беспроводное вещание стандартных звуковых и радиочастот через радиостанции WWV, WWVB и WWVH. В то время как WWV (Колорадо) и WWVH (Гавайи) работают на коротковолновых частотах, на прием которых большое влияние оказывает ионосфера Земли, WWVB (совмещенный с WWV) работает на гораздо более низкой частоте 60 кГц, на распространение которой влияет ионосферная нестабильность значительно меньше. На самом деле прием передач WWVB настолько точен и надежен, что они широко используются в качестве эталона частоты в научных и инженерных кругах на протяжении многих десятилетий.
Контуры, предоставленные NIST, показывают, что покрытие вещания WWVB намного надежнее, чем возможное на коротковолновых частотах:
Покрытие WWVB в дневное и ночное время
Попытки принять WWVB с помощью многовитковой резонансной рамочной антенны, предусилителя с усилением 40 дБ и осциллографа подтвердили, что надежный прием действительно возможен в Нью-Джерси 24 часа в сутки и, как таковой, может хорошо служить эталоном частоты:
Прием WWVB на KD2BD с использованием резонансной рамочной антенны,
предусилителя и осциллографа Tektronix Model 465 — 2 августа 2003 г.
Мой успешный прием WWVB с использованием этого простого оборудования был официально подтвержден Национальным институтом стандартов и технологий (NIST), что еще больше поощрило последующую разработку стандарта частоты, соответствующего WWVB:
Подтверждение приема WWVB — 2 августа 2003 г.
Мой стандарт частоты в конечном итоге принял форму приемника с отслеживанием фазы несущей, который будет управлять 10-мегагерцовым кварцевым генератором с температурной компенсацией и регулируемым напряжением (VCTCXO) относительно 60-кГц несущей WWVB с атомарным управлением. Методы синхронной демодуляции и корреляционного декодирования, использовавшиеся ранее в моем модеме KD2BD Pacsat Modem (опубликованном в августе 1994 г. QEX ), были использованы в этом приложении для надежной демодуляции амплитудной манипуляции WWVB под влиянием шума.
Обработка и декодирование устаревшего временного кода WWVB были реализованы с использованием микроконтроллера Microchip PIC16F88 , который (среди прочего) функционирует как часы UTC в реальном времени, управляет схемой фазового сдвига RF 60 кГц, которая компенсирует почасовую фазовую сигнатуру WWVB, предоставляет дату и время UTC. , коррекция UT1 и информация о напряжении ошибки PLL для пользователя через ЖК-дисплей, а также отправляет информацию о времени и дате в виде последовательного потока данных для точной синхронизации ПК с регистрацией данных с текущим временем. Гармоники и доли кратных 10 МГц VCTCXO, полученные с помощью декадных счетчиков, обеспечивают множество местных опорных сигналов для измерения частоты и калибровки.
Стандарт частоты KD2BD WWVB-Disciplined
Введение модуляции BPSK в формат вещания WWVB в 2012 году вынудило изменить базовую конструкцию приемника с схемы фазовой автоподстройки частоты на петлю Костаса .
Техническая статья, описывающая конструкцию и работу моего стандарта частоты, была опубликована в выпуске журнала QEX за ноябрь/декабрь 2015 года .
Приемник
Дальние радиосигналы неизвестной частоты принимаются с помощью квадратурного фазирующего (искажающего изображение) приемника прямого преобразования собственной разработки. В моем приемнике используется пара смесителей с двойной балансировкой, управляемых выходами I и Q цифровой схемы с фазовым сдвигом, которая управляется генератором переменной частоты (VFO) с прямым цифровым синтезом (DDS) на основе AD9851, работающим на частоте, близкой к четырем. раз больше входящего сигнала.
Мой приемник имеет полосу пропускания шириной 50 Гц, которая сосредоточена на частоте аудиовыхода ровно 1000 Гц. Этот высокий уровень избирательности и большая часть чувствительности приемника достигаются за счет активных полосовых фильтров, разработанных на основе малошумящих операционных усилителей.
Входной ВЧ-усилитель и схема VFO размещены отдельно от корпуса приемника, что позволяет легко заменять эти системы в зависимости от конкретного применения приемника.
Приемник KD2BD FMT
Процедура настройки начинается с резонирования антенны на приблизительную частоту измеряемого сигнала. Затем VFO тщательно настраивается до тех пор, пока желаемый сигнал не будет найден и демодулирован приемником в виде звукового тона частотой 1000 Гц.
Звук от приемника микшируется вместе с эталонным тоном частотой 1000 Гц, создаваемым эталоном частоты в фазовом компараторе. Компаратор фаз выдает «напряжение ошибки», пропорциональное разнице фаз между двумя тонами частотой 1000 Гц. Напряжение ошибки фильтруется и подается на 30 МГц VCXO, который служит в качестве тактового генератора для VFO DDS, тем самым электронно направляя VFO к частоте, на которой отдаленный радиосигнал демодулируется как звуковой тон ровно 1000 Гц, и удерживает VFO. синхронизированы по фазе относительно измеряемого сигнала.
Методика настройки KD2BD FMT с фазовой синхронизацией
После того, как эта схема настройки с фазовой синхронизацией установлена, частота VFO приемника отслеживает частоту удаленного радиосигнала с очень определенным смещением. Тщательное измерение частоты VFO с последующей компенсацией смещения позволяет получить частоту удаленного сигнала с очень высокой степенью точности.
Частотомер
Частота VFO моего приемника измеряется с помощью 10-разрядного частотомера моей собственной конструкции. Счетчик частоты работает путем стробирования выборки VFO в цепочку счетчиков пульсаций 74HC4040, первый из которых является членом семейства высокоскоростных CMOS Fairchild 74VHC.
Частотомер KD2BD FMT
Доступны периоды стробирования 100 секунд, 10 секунд, 1 секунда и 1 миллисекунда, и они находятся под точным контролем стандарта частоты, регламентированного WWVB. Элементы управления на передней панели позволяют прервать и возобновить процесс измерения частоты в любое время.
После того, как период стробирования закончился, счет, накопленный в счетчиках пульсации, фиксируется в серии параллельно-последовательных сдвиговых регистров и последовательно передается на микроконтроллер PIC16F88. Микроконтроллер собирает 32-разрядный последовательный поток данных в четыре 8-разрядных слова, преобразует эти двоичные слова в двоично-десятичный формат и отправляет результат на 10-разрядный светодиодный дисплей, а также на ПК под управлением Linux через последовательное соединение для передачи данных RS-232.
Разрешение измерения FMT
Если счетчик частоты настроен на период стробирования 100 секунд, он может разрешить измерение частоты с точностью до 0,01 Гц (10 миллигерц). Тем не менее, разрешение измерений FMT увеличивается за пределы этой суммы за счет снятия показаний непосредственно в VFO до разделения частоты, происходящего в цифровой сети с фазовым сдвигом приемника. Так как схема со сдвигом фазы делит частоту VFO на 4, разрешение измерения FMT увеличивается до 0,0025 Гц (2,5 мГц).
При измерении низких радиочастот двоичные делители частоты могут быть вставлены между VFO и приемником, в то время как частотомер остается напрямую подключенным к VFO. При работе VFO на частоте 14 064 000,00 Гц и частоте VFO, разделенной в 4 раза выше и выше частоты, имеющей место в самом приемнике, измерение частоты неизвестного сигнала становится равным 880 000,00000 Гц с разрешением 0,000625 Гц (625 микрогерц).
Это разрешение менее одной части на миллиард!
Выполнение математики
Зная, что цифровая схема сдвига фазы приемника делит частоту VFO на четыре и что приемник демодулирует входящий сигнал как тон 1000 Гц, если используется фазирование верхней боковой полосы (USB), подача гетеродина на детектор продукта приемника будет ровно на 1000 Гц ниже , чем у входящего сигнала. Следовательно:
Частота эфирного сигнала = (Частота VFO / 4) + 1000 Гц
Если выбрана фазировка нижней боковой полосы (LSB):
Частота эфирного сигнала = (Частота VFO / 4) — 1000 Гц
Пример: предположим, что приемник настроен на фазировку USB, и счетчик частоты показывает 13 316 000,00 Гц, когда VFO синхронизирован по фазе с входящей несущей. Какова частота неизвестного сигнала? Ответ: 3 330 000,00 Гц .
Глядя на некоторые результаты
Несущая радиостанции WCBS, по-видимому, относится к стандарту GPS на основании следующих показаний, снятых в зоне покрытия станции наземными волнами . Обратите внимание, что эти показания были сняты в течение всего периода сигнатуры фазы WWVB (ЧЧ: 10:00 до ЧЧ: 15:00) без видимого влияния на показания. (Это наблюдение очень хорошо говорит о схеме компенсации фазовой характеристики в моем стандарте частоты.)
WCBS — Нью-Йорк, штат Нью-Йорк — 880 кГц:
Вс, 06 января 16:09:37 2008 UTC: 880000.000000
Вс, 06 января 16:11:27 2008 UTC: 880000.000000
Вс, 06 января 16:13:17 2008 UTC: 880000.000625
Вс, 06 января 16:15:07 2008 UTC: 880000.000000
Вс, 06 января 16:16:57 2008 UTC: 880000.000625
Вс, 06 января 16:18:47 2008 UTC: 880000.000000
Вс, 06 января 16:20:37 2008 UTC: 880000.000625
Вс, 06 января 16:22:27 2008 UTC: 880000.000625
Измеренная несущая частота WCBS (880 кГц) на пути наземной волны, 6 января 2008 г.
Незначительное несоответствие показаний связано с погрешностью +/- 1 младшего разряда, присущей цифровому процессу подсчета частоты. Это можно уменьшить за счет усреднения числа или показаний по времени, при этом ошибка уменьшается на квадратный корень из обратной величины числа измеренных периодов.
WFAN — Нью-Йорк, штат Нью-Йорк — 660 кГц:
Вс, 06 января 17:25:36 2008 UTC: 660000.000000
Вс, 06 января 17:27:26 2008 UTC: 660000.000000
Вс, 06 января 17:29:16 2008 UTC: 660000.000000
Вс, 06 января 17:31:06 2008 UTC: 660000.000000
Вс, 06 января 17:32:56 2008 UTC: 659999.999375
Вс, 06 января 17:34:46 2008 UTC: 660000.000000
Вс, 06 января 17:36:36 2008 UTC: 660000.000000
Вс, 06 января 17:38:26 2008 UTC: 660000.000000
Вс, 6 января 17:40:16 2008 UTC: 660000.000625
Измеренная несущая частота WFAN (660 кГц) на пути наземной волны, 6 января 2008 г.
Во второй таблице перечислены измерения, сделанные другим местным оператором радиостанций, привязанным к GPS. В этой последовательности показаний неопределенность подсчета LSD быстро усреднялась до нуля.
Доплеровский сдвиг
Изменения эффективной высоты ионосферы Земли, вариации плотности слоев, фарадеевское вращение и возмущения, вызванные сверхнизкочастотными (УНЧ) магнитогидродинамическими (МГД) волнами, являются одними из наиболее доминирующих эффектов, которые вызывают возврат радиосигналов, распространяемых ионосферными волнами. на Землю на частотах, немного отличающихся от тех, которые передаются. Люди, участвующие в работе с ТФМ, находят это явление очень разочаровывающим и ищут способы обойти его.
Как показывает следующий график, часто интересно изучать влияние доплеровского сдвига, вызванного нестабильностью ионосферы, на радиоприем. Он также иллюстрирует проблемы, с которыми сталкивается инженер при попытке точного измерения частоты удаленных радиосигналов.
Циклические эффекты Доплера, которые, как полагают, являются результатом возмущения ионосферы Земли магнитогидродинамическими волнами УНЧ.
На этом графике была измерена и нанесена на график зависимость несущей частоты радиостанции CHU в Оттаве (Канада) с атомарным управлением, причем каждое показание усреднялось по 100-секундному периоду интегрирования. В то время как частота принятой несущей была довольно точной и стабильной в течение примерно полутора часов в этом исследовании, низкочастотные колебания, предположительно являющиеся эффектом магнитогидродинамических волн, развивались в точке 6000 секунд и становились все более интенсивными в течение всего времени. период измерения.
В этом сюжете два пробела. Первый произошел из-за того, что сбор данных был ненадолго приостановлен для участия в тесте измерения частоты, спонсируемом K5CM (где мои 80-метровые показания оказались низкими на 0,078 Гц). Второй разрыв произошел из-за того, что тестовая установка оставалась без присмотра в течение определенного периода времени, и VFO дрейфовал до точки потери фазовой синхронизации с несущей CHU. Несмотря на эти короткие перерывы в сборе данных, цикличность очевидна.
Доплеровский сдвиг можно использовать для определения эффективной скорости между передатчиком и приемником следующим образом:
Скорость = (доплеровский сдвиг / частота передачи) x скорость света
Выбрав удобную точку данных, было обнаружено, что частота несущей CHU составляет примерно 0,15 Гц на 10000 секунд периода сбора данных. Подставляя некоторые числа в приведенное выше уравнение, мы находим скорость между передатчиком и приемником:
Скорость = (0,15 Гц / 3330000 Гц) x 3x10e8 метров в секунду = 13,5 метров в секунду
или около 30,2 миль в час. Поскольку доплеровский сдвиг был положительным, если мы предположим, что сигнал CHU достиг приемника за один скачок (а передающая и принимающая точки неподвижны), то высота отражающего слоя уменьшалась вдвое, или примерно на 15 миль в час. .
Ситуация намного сложнее, чем эта, но, тем не менее, это интересное упражнение — попытаться визуализировать колебания, происходящие в ионосфере во время этого исследования.
Доплеровский сдвиг в зависимости от поляризации антенны
Был проведен еще один эксперимент, чтобы выяснить, какое влияние поляризация антенны может оказать на наблюдаемые доплеровские сдвиги.
Во время этого испытания несущая частота радиостанции CHU измерялась с использованием вертикально поляризованной резонансной рамочной антенны с длиной волны 0,08, а также полуволновой горизонтально поляризованной дипольной антенны с учетом того, что CHU передает с использованием вертикальной поляризации.
Поскольку было невозможно проводить измерения частоты через обе антенны одновременно с использованием одной комбинации приемника и частотомера, логический управляющий сигнал был извлечен из счетчика частоты и использован для управления реле, которое поочередно переключало приемник между каждой антенной после выполнения каждого измерения частоты. . На следующих графиках делается попытка проиллюстрировать, как поляризация антенны влияет на точность принимаемой частоты.
Измеренные эффекты Доплера во времени в зависимости от поляризации антенны, CHU, 2 января 2008 г.
Были времена, когда измерения частоты были очень похожими, и другие, когда они были совершенно разными. Большую часть времени доплеровский сдвиг имел тенденцию к одному и тому же направлению, но так было не всегда. Считается, что за эти эффекты отвечает фарадеевское вращение, происходящее в ионосфере.
Одно поразительное наблюдение, сделанное в ходе этого эксперимента, которое не проявляется в данных измерения частоты, заключается в том, что сигнал, полученный от CHU, испытал гораздо большее затухание сигнала во время приема горизонтального диполя, чем то, что наблюдалось при вертикальной поляризации. Фактически, было ясно видно, какая антенна использовалась в ходе этого эксперимента, просто по наблюдению за звуковым качеством принимаемого сигнала в то время.
Геомагнитная активность
Вот ночной график приема CHU, иллюстрирующий эффекты заката, восхода и «каннибальского CME», который ударил по магнитному полю Земли 31 марта 2022 года в 02:10 UTC, где он вызвал геомагнитную бурю класса G1, включая видимые полярные сияния в некоторых местах. области.
Эффекты Доплера, измеренные KD2BD во время геомагнитной бури класса G1 31 марта 2022 г.
Краткосрочные эффекты распространения
Кратковременные эффекты распространения также могут быть интересны для изучения. Как показано в следующем видеоклипе, при сопоставлении несущей 5 МГц WWV с местным стандартом получается диаграмма Лиссажу, которая иллюстрирует некоторые интересные краткосрочные эффекты, которые ионосферное распространение оказывает на амплитуду, частоту и фазу принимаемой несущей. Обратите внимание, что в некоторых случаях, когда уровень сигнала остается довольно сильным, фаза несущей меняется довольно резко. Между тем, есть и другие короткие интервалы в течение периода дискретизации, когда амплитуда несущей заметно увеличивается по отношению к общему среднему значению:
Наблюдаемые эффекты амплитуды и фазы несущей WWV 5 МГц, 27 октября 2008 г.
Наблюдаемая амплитуда и фаза звука CHU (3,330 МГц), 16 марта 2009 г.
Мы ожидали бы увидеть всплески тонов 1000 Гц от CHU, создающие стационарную картину, если бы полученная частота тонов измерялась точно 1000 Гц. Вместо этого мы видим медленно вращающийся эллипс, особенно во время глубокого затухания сигнала. Это вращение указывает на фазовый сдвиг между несущей CHU и верхней боковой полосой, который происходит с течением времени. Изменение фазы во времени означает, что также имеет место изменение частоты.
CHU передает с использованием модуляции одной (верхней) боковой полосы с полной несущей. Поскольку звук, восстановленный приемником, представляет собой произведение частоты принятой несущей и верхней боковой полосы, представленные здесь данные подразумевают, что несущая и верхняя боковая полоса претерпевают отдельные и отчетливые изменения длины пути, доплеровского сдвига, поляризации и/или многолучевого распространения. эффекты, даже если они исходят из общей системы передатчика и антенны и разделены в радиочастотном спектре всего на 1000 Гц (длина изменения волны 27 миллиметров).
FMT с двумя несущими
Передачи FMT с двумя соседними несущими, проведенные Конни, K5CM, позволили провести дальнейшее исследование кратковременных эффектов Доплера. Следующий видеоклип иллюстрирует демодулированный звук AM, построенный как функция времени для пары 20-метровых несущих, разнесенных ровно на 2000,277 Гц. Некоторые очень интересные (и пока необъяснимые) циклические фазовые сдвиги хорошо видны на следующем видео:
K5CM Dual Carrier, 20-метровая передача FMT, 17 мая 2012 г.
а передача была получена на расстоянии 1200 миль KD2BD в Нью-Джерси с использованием приемника, чей AM-детектор использовался для гетеродинирования двух несущих вместе, тем самым создавая звуковой тон, равный частотной разнице между отдельными частотами радиочастотных несущих. Полученный звуковой тон был отфильтрован до полосы пропускания 10 Гц и нанесен на график относительно местного стандарта частоты.
Последующая передача, имевшая место 20 мая 2012 г. при менее благоприятных условиях распространения, выявила более резкие дифференциальные фазовые сдвиги между отдельными несущими RF:
K5CM Dual Carrier, 20-метровая передача FMT, 20 мая 2012 г.
Несмотря на менее благоприятные условия распространения, представленное мной измерение частоты для FMT 20 мая 2012 г. дало погрешность менее 0,001 Гц!
В то время как изображенные здесь осциллограммы со временем «привязываются» к горизонтальному положению по умолчанию и создают впечатление, что они построены в зависимости от запускаемой горизонтальной развертки, местный стандарт частоты, используемый в качестве горизонтальной развертки, не был привязан к мгновенной частоте или фазе сигнала.
Эксперимент по распространению солнечного затмения 2017 г.
Полное солнечное затмение, охватившее континентальную часть Соединенных Штатов 21 августа 2017 года, предоставило уникальную и редкую возможность изучить влияние затмения на распространение радиоволн. Подробности эксперимента по распространению НЧ-радиосигналов, который я проводил во время затмения 2017 года, можно найти здесь .
Дальнейшая информация
Исследования, эксперименты и открытия в этих увлекательных областях метрологии и радиочастотного распространения активны и продолжаются. Дополнительную информацию по темам FMT можно найти по ссылкам.