По НЧ биениям

МЕТОДОЛОГИЯ K1GGI FMT

Метод измерения заключается в гетеродинировании точного гетеродина (HFO) с неизвестным сигналом FMT, а затем обнаружении и измерении ноты биений AF с высокой точностью. Реализация использует некоторые инструменты, которые у меня есть под рукой.

ЛОКАЛЬНЫЙ ОПОРНЫЙ ГЕНЕРАТОР

Метод начинается с использования высокостабильного локального генератора (LO) в качестве эталона. Лучшим эталоном, который у меня есть, является прецизионный кварцевый генератор с частотой 10 МГц в анализаторе спектра HP 8594E. Этот осциллятор предназначен для старения 1e-7/год и 1e-8 от 0 до 55ºC.

ГЕНЕРАТОР СИГНАЛОВ HFO

Генератор сигналов HP 8640B может синхронизировать свой резонаторный генератор с эталоном, так что его выходной сигнал является рациональным кратным этому эталону, с точностью 100 Гц на обычных частотах FMT. Ключевым свойством является то, что соотношение является точным и не вносит погрешности.

Приемник

Приемник не должен быть чем-то особенным, если он может настроиться на FMT в режиме AM и обнаружить гетеродин.

Тактовая частота

Частота подается на звуковую карту компьютера и записывается непосредственно в виде файла wav 44,1 кГц для последующего анализа с помощью программного обеспечения Spectrum Lab. Я использую fft довольно высокого разрешения (decimate 64, длина 32768).

РАСЧЕТ

8640B служит в качестве HFO. Он настраивается и фиксируется на несколько сотен Гц ниже неизвестной несущей FMT. Достаточно короткого провода на выходе генератора, чтобы он подхватился и выдал биение с неизвестным сигналом в ам приемник. Тогда неизвестное равно f x = f HFO + f beat .

ТОЧНОСТЬ

Результаты зависят от точного знания HFO и частоты биений. Частота HFO строго пропорциональна частоте гетеродина; поэтому, если гетеродин на самом деле равен 10 МГц × k, тогда f HFO = f set × k, где f set — это то, на что настроен 8640. Основной задачей калибровки является определение значения k с высокой точностью.

Кажущийся f- бит зависит от частоты дискретизации звуковой карты, которую я калибрую, используя тон, полученный из точного кристалла гетеродина. Вклад звуковой карты в погрешность измерения нот биений оказывается в субмиллигерцовом диапазоне.

КАЛИБРОВКА ОПОРНОГО ГЕНЕРАТОРА LO

Калибровка гетеродина использует передачи навигационной системы Loran-C в качестве эталона. Передачи Loran представляют собой несущие частоты 100 кГц с импульсной модуляцией и синхронизацией по цезию. Передачи Loran-C использовались в качестве высокоточных эталонов времени/частоты до того, как GPS получила широкое распространение.

Остров Нантакет, расположенный в 30 милях отсюда, является местом расположения передатчика X вторичных линий двух цепей Loran-C, GRI 5930 и 9960. Сильный стабильный сигнал является отличным эталоном вне эфира.

Полные эталоны частоты, регламентированные Loran, производятся и доступны, но для калибровки генератора в радиолюбительском шеке я применяю практический подход, используя приемник общего назначени.

Передача 5930 GRI представляет собой пакет импульсов, которые повторяются с периодом 59 300 микросекунд. Разделив гетеродин с частотой 10 МГц на 593 000, мы получим импульс длительностью 59 300 микросекунд (Local Pulse, LP), который можно сравнить с передачей Loran, как показано здесь.

На следующей фотографии показаны LP и ам-детектированный сигнал Лорана, выстроенные на осциллографе с временной шкалой 10 мс/дел. Прицел срабатывает на LP. Эта шкала показывает полный период 5930 GRI, который занимает 5,93 деления на координатной сетке. (Эта фотография была отретуширована, чтобы устранить проблемы с выдержкой и скоростью развертки.)

Поскольку Нантакет передает на двух скоростях, трассировка в режиме реального времени показывает, что всплески 9960 появляются повсюду, в то время как всплески 5930 кажутся стационарными. На этой фотографии запечатлена одна серия 9960. Нантакет здесь настолько силен, что трудно выделить всплески низкого уровня от удаленного мастера или других вторичных устройств, но они есть.

Следующая фотография расширяет временную шкалу, чтобы показать передний импульс Nantucket 5930-X GRI, выровненный с нарастающим фронтом LP 59 300 мкс. Следы расположены таким образом, что «угол» LP просто касается наклона импульса Лорана. Это позволяет легко увидеть небольшие изменения в отношениях с течением времени.

Если гетеродин 10 МГц так же совершенен, как опорная синхронизация Loran, на осциллографе не будет видно дрейфа. На этой шкале 100 мкс/дел дрейф в 20 мкс (1/5 деления) может быть обнаружен на глаз. За один час 20 мкс составляют около 6 частей на миллиард (6e-9, 0,06 Гц при 10 МГц), и это «быстрый» способ сделать грубую оценку точности гетеродина. Более длительные наблюдения дадут лучшие цифры. Например, если дрейф составляет 100 мкс ± 10 мкс за 24 часа, это соответствует 1,16 ± 0,12 ppb. Если кажется, что Лоран смещается вправо (появляясь постепенно позже), это означает, что LP слишком рано запускает прицел, что, в свою очередь, означает, что кристалл LO работает быстро.

НАСТРОЙКА LO

Как описано выше, вычисленный поправочный коэффициент гетеродина k может использоваться в вычислениях FMT, и нет необходимости в том, чтобы сам осциллятор был абсолютно точным, если он стабилен и его погрешность известна. Однако есть некоторое удовольствие и удовлетворение от использования измерений дрейфа для корректировки ошибки.

Модуль генератора в 8594 имеет многооборотный подстроечный триммер, а его начальная достижимая точность составляет 22 ppb. Помимо этого, регулировка становится довольно чувствительной из-за осевого люфта и гистерезиса. Благодаря терпению и настойчивости мне удалось добиться точности с точностью до нескольких частей на миллиард.

В моей первой сессии, когда я пытался это сделать, готовясь к ARRL FMT в ноябре 2007 года, я обнаружил, что LO был низким примерно на 400 частей на миллиард. Это неплохо, учитывая, что этому 8594E около 10 лет. Старение будет 4e-8/год, что выгодно отличается от спецификации 10e-8/год.

ДОМАШНЕЕ СОЕДИНЕНИЕ

Для привязки к 8640B требуется 5 МГц, поэтому гетеродин 10 МГц необходимо разделить на два. Осциллографу требуется LP 59 300 мкс, что означает деление LO на 593 000. На следующем фото показано, как это делается.

Это счетчик GR 1192B, соединенный с несколькими дополнительными микросхемами на макетной плате сзади. Счетчик привязан к LO, и несколько его микросхем участвуют в делении на несколько декад, в то время как макетная плата выполняет окончательное значение = 593 .

ПОЛУЧЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТА

Я проверяю гетеродин и частоту дискретизации в течение нескольких дней после теста.

Единственный навык, требуемый во время теста, — это настроить приемник и настроить 8640B, а затем начать запись файла wav. Я выбираю удобную ноту бита во время вызова и обязательно регистрирую настройку и подтверждаю, что она действительно работает ниже цели, поэтому все будет складываться так, как ожидалось.

Анализ файла с помощью Spectrum Lab выполняется на досуге. Результаты всегда имеют сбивающую с толку величину доплеровской дисперсии. Я оценивал изображения на экране на глаз, чтобы определить частоту. Эта часть не является точной наукой, но по какой-то причине к ней подошли довольно близко.