Методы измерения преобразованной частоты из эфира

Техника, которую я использую для измерения частоты сигналов, принимаемых на ВЧ-частотах, на самом деле является очень старой идеей, перенесенной в современную эпоху. Вы просто настраиваетесь на неизвестный сигнал и в то же время вводите известный опорный сигнал, настроенный на небольшое смещение (обычно менее одного или двух кГц, а иногда и намного меньше) от неизвестного сигнала.

Результатом будет биение на аудиовыходе приемника, а частота этой ноты будет разницей между двумя сигналами на входе антенны. Эту звуковую частоту можно довольно точно измерить и при необходимости добавить или вычесть из частоты генератора сигналов, чтобы получить частоту неизвестного сигнала.

Раньше эталонным сигналом обычно была гармоника кварцевого калибратора, а расстояние между точками маркеров было довольно большим — простой калибратор мог генерировать маркеры с разницей в 100 кГц, в то время как более сложные могли генерировать сигналы с частотой 10 кГц или даже 5 кГц. Следовательно, расстояние между неизвестным сигналом и ближайшим маркером может составлять несколько килогерц. Методы, доступные для измерения звуковой ноты, были ограничены, а разрешение выше 1 Гц было трудно найти в реальных условиях.

Сегодня все по-другому. Генераторы синтезированных сигналов могут обеспечить опорный сигнал с разрешением 1 Гц или меньше, а методы DSP позволяют измерять звуковые частоты с разрешением в миллигерцы, используя только звуковую карту ПК. Итак, я обновил старую технику (то, что я называю методом «дельта-эталона»), чтобы использовать новую технологию.

Вот грубая схема установки оборудования:

Идея дельта-системы отсчета состоит в том, чтобы использовать радиоприемник просто как окно в спектре; фактическая частота, на которую настроено радио, не имеет значения. Вместо того, чтобы измерять звуковую ноту биения, мы настраиваем эталонный генератор на очень маленькое смещение — всего 5 или 10 Гц — от неизвестного сигнала и используем программное обеспечение для анализа спектра, чтобы измерить разницу (или дельту) между известным и неизвестным сигналом. сигналы.

Хотя дрейф в приемнике не повлияет на разницу между двумя частотами, он будет отображаться в виде наклона на дисплее спектра, поэтому полезно, чтобы приемник был как можно более стабильным в течение периода измерения. Приемник должен быть установлен в режим верхней боковой полосы, чтобы упростить алгебру измерений, и, если возможно, автоматическая регулировка усиления (АРУ) должна быть отключена.

Выход генератора сигналов подключается к антенному разъему приемника через какой-либо объединитель или ответвитель; используемый метод не имеет решающего значения, пока и эфирный, и опорный сигналы попадают в приемник. Полезно, если генератор сигналов имеет легко регулируемый широкополосный аттенюатор, так как вы захотите установить его уровень почти таким же, как у неизвестного сигнала. Конечно, генератор сигналов должен быть синхронизирован с точным заданием частоты; качество ссылки будет ограничивать качество результатов.

Неизвестный сигнал настраивается ближе к центру полосы пропускания приемника (которая должна быть достаточно узкой; хорошо работает что-то между 1000 и 250 Гц, в зависимости от уровня помех). Генератор сигналов настроен на вывод сигнала, как можно более близкого к неизвестному сигналу, при этом он все еще может определить, какой из них есть на дисплее анализатора спектра, и примерно с той же силой. Очень важно определить, какой сигнал на дисплее является неизвестным, а какой опорным; нужно ли вам добавить или вычесть дельту, будет зависеть от того, выше или ниже опорный сигнал, чем неизвестный сигнал.

Выходной аудиосигнал подается с приемника на звуковую карту компьютера, и ваше любимое программное обеспечение для анализа спектра используется для измерения разницы между звуковыми тонами, представляющими неизвестный сигнал, и эталонным сигналом. Предполагая, что приемник настроен на верхнюю боковую полосу, а опорное значение вводится на частоте выше частоты неизвестного, частота неизвестного сигнала равна частоте генератора сигналов минус дельта между двумя звуковыми нотами.

Существует компромисс между разрешением дисплея анализатора спектра и скоростью отслеживания сигналов. Мой метод заключается в использовании дисплея реального времени с относительно низким разрешением и записи сигнала для последующей обработки. Я повторяюсь, но ключевой момент при настройке в режиме реального времени — это знать, находится ли эталонный сигнал выше или ниже неизвестного — если вы ошибетесь, вы получите двойную погрешность!

На изображениях ниже показан сигнал WWV (американская станция стандартного времени/частоты) 10 МГц с опорным сигналом, установленным на 5 Гц выше него. Используя очень классное программное обеспечение для анализа спектра Baudline для Linux, можно легко измерить разницу между двумя сигналами с точностью менее 0,01 Гц. (После создания этих скриншотов автор Baudline добавил инструмент для автоматического измерения либо отдельных пиков, либо разницы между двумя самыми сильными пиками с разрешением до 1 мкГц. При этом он принимает очень чистый сигнал с высоким отношением сигнал/шум. для достижения такого уровня точности с приличным сигналом легко получить солидное разрешение в миллигерцах.)

На первом изображении показан дисплей спектрограммы, а также снимок экрана анализатора спектра. Отметим, что несущая WWV в этот момент едва заметна, хотя на спектрограмме она видна отчетливо, но слабо.

На втором изображении показан средний сигнал за все время сбора данных; это очень четко показывает пики сигнала и является экраном, который я использую для окончательных измерений частоты.

Одна из проблем FMT заключается в том, что сигнал передается всего пару минут, поэтому невозможно использовать длительное время усреднения и глубокие БПФ для получения максимально возможного разрешения. Некоторый компромисс был необходим, но, как показывает этот снимок экрана с усредненным сигналом W1AW 40M и эталонной частотой, вы все равно можете сделать чертовски хорошо (извините за дополнительную ширину, я хотел показать весь экран, не создавая неровностей из-за масштабирования изображения). Сигнал W1AW отображается на дисплее с частотой около 9,5 Гц, а эталонный сигнал имеет пик около 19,4 Гц.