Οπτικοποίηση συντονισμού με SDR

γράφει ο Διονύσης Δρακόπουλος, SV1CDN

ΣΚΟΠΟΣ ΜΕΤΡΗΣΕΩΝ & ΕΛΕΓΧΟΥ

Ο κλασικός τρόπος συντονισμού μιας κεραίας γίνεται κάνοντας εκπομπή TX, μεταβάλλοντας χειροκίνητα ή αυτόματα τις χαρακτηριστικές τιμές ενός tuner και φυσικά παρατηρώντας την επιστρεφόμενη ισχύ (ή τον λόγο στασίμων) σε μια γέφυρα συνδεδεμένη σε σειρά μεταξύ πομποδέκτη και κεραίας.

Η εξέλιξη αλλά και η προσιτότητα συγκεκριμένων συσκευών προσφέρει έναν διαφορετικό τρόπο συντονισμού, ο οποίος παρέχει οπτικό έλεγχο των αποτελεσμάτων σε μεγαλύτερο φάσμα συχνοτήτων, χωρίς την ανάγκη εκπομπής από έναν πομπό.

ΠΕΡΙΓΡΑΦΗ ΣΥΣΚΕΥΩΝ & ΕΡΓΑΛΕΙΩΝ

Γεννήτρια Θορύβου

Ο θόρυβος στις τηλεπικοινωνίες αποτελεί μια έννοια αρκετά οικεία στους Ραδιοερασιτέχνες. Χωρίζεται σε δυο είδη, εσωτερικό και εξωτερικό (σε σχέση με το σύστημα του δέκτη). Ο εξωτερικός θόρυβος μπορεί να έχει φυσική προέλευση (όπως από τις δραστηριότητες του ήλιου) ή τεχνητή (από πηγές όπως μια ηλεκτρική συσκευή). Ο δε εσωτερικός παράγεται μέσα στον δέκτη από την ροή ηλεκτρικού ρεύματος στα διαφορετικά εξαρτήματα που τον αποτελούν [noise].

Η πιο απλή και χαρακτηριστική μορφή (χρώμα) θορύβου που εμφανίζεται και στα δυο είδη είναι ο λευκός θόρυβος – white noise. Χαρακτηρίζεται από μια σταθερή φασματική πυκνότητα ισχύος, δηλαδή έχει μια σχεδόν σταθερή ένταση εντός ενός συγκεκριμένου εύρους συχνοτήτων. Το δε χρώμα του (λευκό) παραπέμπει στο λευκό φως. Αυτό γιατί όπως το τελευταίο περιέχει όλα τα διακριτά χρώματα, έτσι και ο λευκός θόρυβος κουβαλά ενέργεια σε όλες τις δυνατές συχνότητες εντός του εύρους του. Θα μπορούσε να παρομοιαστεί με την ύπαρξη ενός σταθερού & καθαρού CW carrier σε κάθε Hz αυτού του εύρους [whiteNoise].

Ο λευκός θόρυβος μπορεί εύκολα να παραχθεί από ένα (απλό) ηλεκτρικό κύκλωμα – Γεννήτρια Θορύβου και έχει αρκετές πρακτικές εφαρμογές [noiseGenerator].

Directional Coupler

Κατά την εκπομπή η ενέργεια από την έξοδο του πομπού μεταφέρεται στην κεραία συνήθως από μια ομοαξονική γραμμή μεταφοράς. Αντίστροφα κατά την λήψη, από την κεραία στον δέκτη. Ένας directional coupler αποτελεί μια παθητική συσκευή που συνδέεται εν σειρά σε κάποιο σημείο τομής του ομοαξονικού καλωδίου. Ο κύριος σκοπός χρήσης του είναι να δειγματοληφθεί αυτή η ενέργεια – σήμα με όσο το δυνατό μεγαλύτερη ακρίβεια αλλά και μικρότερη επιβάρυνση – απώλεια. Η κατασκευή τους είναι τέτοια ώστε το δείγμα της ενέργειας να προκύπτει από την ροή αυτής μεταξύ δυο connectors / ports του coupler. Αυτές οι δυο θύρες ονομάζονται Input και Transmitted ports, κάτι που δηλώνει πως η ροή πρέπει να έχει συγκεκριμένη κατεύθυνση (Input – πομπός -> Transmitted – κεραία) προκειμένου να υπάρξει σήμα – δείγμα σαν έξοδο σε μια τρίτη θύρα με όνομα Coupled port.

Αν η κεραία δεν απορροφά όλη την ενέργεια που φτάνει στην είσοδο της από το ομοαξονικό καλώδιο, τότε κάποιο μέρος από αυτή θα επιστραφεί πίσω στον πομπό, δημιουργία στάσιμων κυμάτων. Αν σε αυτή την περίπτωση ένας directional coupler έχει συνδεθεί ανάποδα, δηλαδή η θύρα Input στην κεραία και Transmitted στον πομπό, τότε η δειγματοληψία θα γίνει πάνω στην επιστρεφόμενη ενέργεια, με άλλα λόγια στα στάσιμα κύματα [directional].

Directional couplers χρησιμοποιούνται στις περισσότερες από τις γέφυρες ισχύος και στασίμων που υπάρχουν σε όλα τα shack. Φυσικά μια τέτοια γέφυρα κάνει χρήση και άλλων κυκλωμάτων μιας και το σήμα σε οποιαδήποτε πόρτα ενός coupler είναι καθαρό RF.

ΤΡΟΠΟΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ ΜΕΘΟΔΟΥ

Ο Θόρυβος που δημιουργείται από μια κατάλληλη γεννήτρια μπορεί να μεταφερθεί μέσω ενός ομοαξονικού καλωδίου στην είσοδο μιας κεραίας. Όπως ακριβώς θα είχε συνδεδεμένη την έξοδο του και ένας πομπός στην ίδια κεραία. Μονάχα που το RF σήμα του θορύβου είναι αρκετές δεκάδες dB ασθενέστερο, ακόμη και από έναν QRP πομπό. Επομένως η ακτινοβολία της κεραίας είναι ουσιαστικά αμελητέα. Δεν παύουν όμως να εμφανίζονται άλλα χαρακτηριστικά ηλεκτρικά φαινόμενα, όπως η δημιουργία στάσιμων κυμάτων. Συνδέοντας κατάλληλα έναν directional coupler σε κάποιο σημείο τομής του καλωδίου, μέρος της επιστρεφόμενης ενέργειας μπορεί να δρομολογηθεί στην είσοδο λήψης ενός SDR δέκτη. Ο τελευταίος μπορεί εύκολα, με χρήση του λογισμικού που τον συνοδεύει, να απεικονίσει στην οθόνη ενός υπολογιστή αρκετά KHz ή ακόμη και MHz του φάσματος που λαμβάνει.

Λειτουργικά η συνδεσμολογία του coupler έχει την θύρα Input στην κεραία (απευθείας ή μέσω παρεμβαλλόμενου tuner), την Transmitted/Output στην έξοδο της γεννήτριας και την Coupled στο SDR. Αν τυχόν υπάρχει και τέταρτη θύρα, τότε αυτή θα πρέπει να τερματιστεί με αντίσταση ακριβείας και ίση με την χαρακτηριστική της γραμμής μεταφοράς.

Στην οθόνη λήψης του δέκτη θα πρέπει να έχει επιλεχθεί το μεγαλύτερο εύρος σάρωσης και λογικά να περιλαμβάνονται σε αυτό οι συχνότητες για τις οποίες υπάρχει η ανάγκη εύρεσης της κατάστασης του συντονισμού. Φυσικά εννοείτε πως το SDR μπορεί να κάνει λήψη στις τελευταίες, αλλά και πως η γεννήτρια θορύβου μπορεί να παράγει white noise σταθερού επιπέδου σε αυτές. Η ένταση των σημάτων που απεικονίζονται χρειάζεται να μετριέται με κατάλληλο άξονα. Η μονάδα μέτρησης επιβάλλεται να είναι το decibel – dB ή παράγωγα του όπως dBm. Τα δε όρια ξεκινούν από την μεγαλύτερη δυνατή τιμή εισόδου σήματος στον δέκτη μέχρι την μικρότερη, για την οποία εμφανίζεται ένα σταθερό επίπεδο θορύβου με κατάλληλα τερματισμένη είσοδο (συνήθως με 50Ohm μη επαγωγική αντίσταση).

ΜΕΤΡΗΣΕΙΣ & ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ

Πριν ληφθούν οποιεσδήποτε μετρήσεις είναι αναγκαία η καταγραφή – ορισμός ενός σημείου αναφοράς. Για αυτό τον λόγο θα πρέπει η θύρα Input του directional coupler να μην συνδεθεί στην κεραία, αλλά απλά να μείνει στον αέρα. Σε αυτή την περίπτωση όλη η ενέργεια του θορύβου θα επιστρέφεται πίσω και ο δέκτης SDR θα δείχνει μια σταθερή (έστω με μικρή διακύμανση) τιμή εντάσεως των σημάτων που λαμβάνει σε όλο το φάσμα δειγματοληψίας. Το μέτρο αυτής επιβάλλεται να σημειωθεί γιατί θα χρησιμοποιηθεί στα επόμενα στάδια.

Με την κεραία συνδεδεμένη, το οπτικό αποτέλεσμα της λήψης από το SDR αλλάζει αρκετά μιας και υπάρχουν περιοχές συντονισμού. Στις τελευταίες τα σήματα που λαμβάνονται μέσω του coupler είναι σχεδόν ανύπαρκτα (οπότε παρουσιάζεται μονάχα το εσωτερικό επίπεδο θορύβου του δέκτη), ενώ όταν η κεραία δεν συντονίζει φθάνουν σε ένταση το καταγεγραμμένο σημείο αναφοράς. Αφού τα VSWR δεν είναι μόνο 1:1 ή άπειρα θα εμφανίζονται οπτικά και αρκετές επιπλέον περιοχές που αντιπροσωπεύουν VSWR 2:1, 3:1 κοκ.

Σε αυτό το σημείο, η εύρεση του λόγου των στασίμων είναι εύκολη υπόθεση. Για αυτό τον σκοπό θα πρέπει να υπολογίσουμε την Απώλεια Επιστροφής – Return Loss [RL] και κατόπιν με την βοήθεια κάποιου πίνακα [vswr] την τιμή των SWR που αντιστοιχεί. Η RL μετριέται σε dB και είναι ίση με την διαφορά της έντασης του σήματος που λαμβάνει το SDR σε κάποια συγκεκριμένη συχνότητα, μείον τα dB του σημείου αναφοράς. Για στάσιμα ακριβώς 2 θα πρέπει η RL να είναι 9,5dB, ενώ για μια τέλεια συντονισμένη κεραία η RL είναι πάνω από 46dB. Αν όμως υπάρχει RL 1dB τότε τα SWR είναι τουλάχιστον 18:1, απαγορευτικά στις περισσότερες περιπτώσεις.

Η ακρίβεια της μεθόδου δεν μπορεί να φτάσει εκείνη ενός εξειδικευμένου οργάνου, αλλά τα οφέλη της οπτικοποίησης των αποτελεσμάτων της μέτρησης καθώς και το μεγαλύτερο εύρος αυτής είναι φανερά. Το σύστημα υπό δοκιμή δεν είναι αναγκαίο να είναι μια κεραία. Εφόσον μετριέται το πλάτος – ἐνταση των σημάτων η υλοποιημένη διάταξη μοιράζεται δυνατότητες ενός Scalar Network Analyzer [analyzer]. Για οποιοδήποτε τύπο φίλτρου εκτός από την εύρεση της προσαρμογής εισόδου και εξόδου του, η καμπύλη απόκρισης μπορεί εύκολα και με αρκετή ακρίβεια να απεικονιστεί.

Όταν δεν υπάρχει επιστρεφόμενη ενέργεια από την κεραία, δηλαδή αυτή συντονίζει σχεδόν τέλεια ή αλλιώς έχει RL τουλάχιστον 30dB, υπάρχει η πιθανότητα ο SDR δέκτης να κάνει λήψη πραγματικών σημάτων – σταθμών στην μπάντα. Αυτοί εύκολα μπορούν να αναγνωριστούν ώστε να μην ληφθούν υπόψη, παρά μονάχα το επίπεδο του θορύβου μεταξύ τους.

ΣΥΣΤΑΣΕΙΣ

Σχεδόν όλα τα λογισμικά που κυκλοφορούν για SDR προσφέρουν την δυνατότητα απεικόνισης των σημάτων που λαμβάνονται με δυο τρόπους. Ο κλασικός με το μοντέλο του καταρράκτη – waterfall, καθώς και ο απλός με χρήση ενός γραμμικού διαγράμματος. Ο πρώτος προσφέρει σημαντική πληροφορία για το ιστορικό των μετρήσεων (βολικό σε περιπτώσεις συντονισμού με χειροκίνητο tuner), ενώ ο δεύτερος χρησιμοποιείται κυρίως για στιγμιαίες μετρήσεις (ακριβείας). Η διαθεσιμότητα και των δυο για ταυτόχρονη χρήση είναι λοιπόν επιθυμητή. Επιπλέον μιας και το σήμα που γίνεται λήψη είναι white noise (τυχαίο), το λογισμικό πρέπει να υποστηρίζει τον υπολογισμό (στην απεικόνιση) της μέσης τιμής των δειγμάτων. Το αποτέλεσμα είναι μια αρκετά πιο σταθερή γραμμή στο διάγραμμα και επομένως ευκολία στις μετρήσεις. Σε κάποια SW συναντάται ο χρωματισμός του καταρράκτη και διαγράμματος σύμφωνα με παλέτα χρωμάτων ορισμένη από τον χρήστη. Κάτι τέτοιο βοηθά αρκετά στην οπτική εύρεση περιοχών με συγκεκριμένο εύρος τιμών συντονισμού (1:1 έως 2:1 για παράδειγμα).

Η γεννήτρια / πηγἠ θορύβου χαρακτηρίζεται από την ποσότητα Excess Noise Ratio – ENR, που δείχνει πόσο μεγάλη είναι η ένταση του θορύβου που παράγεται. Μετριέται σε dB και για την συγκεκριμένη μέθοδο προτείνεται να είναι πάνω από 20dB. Αυτό γιατί θα πρέπει να αντισταθμιστούν οι απώλειες – εξασθενήσεις που υπάρχουν κατά την μεταφορά του θορύβου προς την κεραία και κατόπιν πίσω για λήψη στον δέκτη (μέσω του directional coupler), αλλά και να κρατηθεί το επίπεδο θορύβου αρκετά ψηλότερα από πιθανά ληφθέντα σήματα στην μπάντα. Το δε τελευταίο θα πρέπει να είναι όσο πιο σταθερό γίνεται (+/- 2dB ή ακόμη καλύτερο) σε όλο το εύρος συχνοτήτων που λειτουργεί η γεννήτρια, και ουσιαστικά απαιτείται να γίνουν οι μετρήσεις.

Αντιπροσωπευτικές παράμετροι ενός αξιόπιστου directional coupler είναι ο συντελεστής σύζευξης – coupling coefficient και το μέτρο κατευθυντικότητας – directivity. Η πρώτη δείχνει στα πόσα dB χαμηλότερα βρίσκεται η ένταση του σήματος από την Input στην Coupled θύρα. Αποδεκτές τιμές από 10 έως 20dB, ακόμη και 30dB, αλλά σε αυτή την περίπτωση το επίπεδο του θορύβου θα πρέπει να είναι αρκετά υψηλό. Η δε σταθερότητα του συντελεστή (εντός +/- 1dB) σε όλο το εύρος συχνοτήτων λειτουργίας του κρίνεται απαραίτητη. Σχετικά με την κατευθυντικότητα, εκφράζει το πόση ενέργεια εμφανίζεται στην coupled θύρα όταν το κυρίως σήμα μεταφέρεται από την Transmitted στην Input (δηλαδή ανάποδα). Μετριέται σε dB πιο κάτω από την ενέργεια της ορθής φοράς (Input -> Transmitted). Τυπικές τιμές είναι πάνω από 30dB, στην συγκεκριμένη μέθοδο το ενδιαφέρον στρέφεται μόνο στο επιστρεφόμενο σήμα χωρίς άλλες προσθήκες.

Τα προαναφερθέντα χαρακτηριστικά της γεννήτριας θορύβου και του directional coupler εύκολα και σχετικά οικονομικά βρίσκονται σε έτοιμα προιόντα, που διατίθονται ακόμη και χρησιμοποιημένα (σε καλή κατάσταση) στην αγορά. Η homemade κατασκευή τους δεν είναι αδύνατη και σίγουρα θα έχει αρκετά μικρότερο κόστος. Όμως ο κατασκευαστής θα πρέπει να έχει τα σωστά όργανα προς μέτρηση και επαλήθευση αυτών των παραμέτρων.

Η ποικιλία των διαθέσιμων δεκτών SDR που μπορούν να χρησιμοποιηθούν είναι μεγάλη. Κατά προτίμηση αυτοί κάνουν λήψη σε μια συγκεκριμένη μπάντα, όπως HF / VHF / UHF. Όσον αφορά το εύρος συχνοτήτων που μπορούν να απεικονίσουν μέσω λογισμικού, ιδανικές τιμές είναι οι μεγαλύτερες. Κάτω από 200KHz θα δυσκολέψουν τον χρήστη, ενώ αρκετά MHz θα προσφέρουν ικανοποιητική επιφάνεια εργασίας. Όμως σε VGA monitors μικρών διαστάσεων, ο χρήστης ίσως αναγκαστεί να κάνει zoom στις περιοχές ενδιαφέροντος. Χρησιμοποιώντας τους πίνακες VSWR που προαναφέρθηκαν εύκολα μπορεί να βρεθεί πως για VSWR 1.01 (τέλειος συντονισμός) αντιστοιχούν 46.1dB Return Loss. Προσθέτοντας σε αυτά τον συντελεστή σύζευξης του coupler προκύπτουν τουλάχιστον 55dB που πρέπει να είναι διαθέσιμα σαν δυναμική περιοχή λήψης του δέκτη (βύθισμα). Τιμή που σε λιτά – φθηνά ή ακόμη homemade SDR μπορεί να μην είναι εφικτή.

Το απλό αλλά περιεκτικό προσωπικό μου web site είναι το www.sv1cdn.info και το email [email protected]. Όσο καταφέρνω ακούω 145550 FM, περιοχή Αθηνών.

Καλές μετρήσεις!