Маленькая ЕМЕ станция с хорошими возможностями - 1296 МГц (часть 1)

 Анализ полученных результатов.

Введение

Последние четыре года я занимался в основном одной задачей. Задачу можно сформулировать примерно так: "Как построить маленькую радиостанцию с большими возможностями". Имеется в виду радиосвязь с отражением от Луны в диапазоне 1296 МГц. Удалось достичь определенных успехов в этом направлении. Особенно в повышении чувствительности приемной системы. Однако предел уже виден и, по крайней мере, мои возможности уже почти исчерпаны. Итак, пора подводить итоги и искать новую задачу.

Этот диапазон мне давно нравится, еще с семидесятых, когда разрабатывал транзисторный трансвертер на 23см. Очень понравился он в конце девяностых, когда проводил свои первые EME QSO на маленькую параболу 1.6м. Это живой диапазон. Даже в будни есть шанс кого-то встретить. Своего рода микроволновый аналог двух метров.

Дальнейшее изложение решил делать по отдельным узлам, которыми за это время занимался. За скобками останутся те немаловажные части, которые сам не делал, а использовал в готовом виде. Прежде всего, это трансвертер конструкции Владимира Прокофьева RA3ACE. Главная особенность, это то, что все гетеродины трансвертера синхронизированы с помощью ФАП с опорой 5 МГц (Гиацинт). Опорный генератор в трансивере IC-746PRO также привязан к этой частоте. Все это обеспечивает исключительно высокую точность и стабильность частоты. После регулярной калибровки Гиацинта по GPS стандарту это 1..2Гц на 1296 МГц. Трансвертер работает давно и надежно. Не буду также писать про различные компьютерные программы, которые так облегчают нашу жизнь. Тут моей заслуги тоже нет.

Немного теории

В чем особенности связи с отражением от Луны, чем она отличается от других видов УКВ связи? От чего зависит результат? Чем хорош диапазон 1296 МГц?

Прежде всего, EME (Earth-Moon-Earth) - это космический вид связи и многие особенности определяются именно этим. Сигнал покидает пределы земной атмосферы и преодолевает огромное по земным меркам расстояние. До Луны и обратно около 800000км. Фактически EME связь это космическая радиолокация, а из формулы радиолокации известно, что потери сигнала пропорциональны четвертой степени расстояния. В результате большое расстояние, возведенное в четвертую степень дает очень большие потери на трассе. За точку отсчета принято брать потери для ненаправленной, изотропной антенны. Для диапазона 1296 МГц потери на трассе L = 270 дБ. Чем же это отличается от обычной наземной связи, где такое затухание, вызванное кривизной земли, тоже не редкость. Прежде всего, своим постоянством. Изменения очень невелики (270...272дБ) и, в основном, связаны с небольшой эллиптичностью орбиты Луны. При обычной связи можно подождать хорошее прохождение. При EME ждать нечего. Если твоя аппаратура вместе с аппаратурой корреспондента не перекрывает 270 дБ, то, увы.

Итак 270 дБ - как преодолеть этот порог? Начнем с передающей стороны. Теоретически, тут ограничений нет. Чем больше мощность, тем лучше результат. То же самое относится к антенне. Чем больше, тем лучше. Выигрыш замедляется только тогда, когда главный лепесток становится уже, чем угловой размер Луны ( 0.5 град ). Но на 23см нам это не грозит, т.к. для этого нужна антенна, диаметром более 30м. На практике ограничения, конечно, есть. Мощность передатчика ограничена лицензией, стоимостью покупки или изготовления, мощностью питающей сети... Стоимость антенны также быстро растет с увеличением размера. К тому же в условиях всеобщей радиофобии все труднее найти место для установки большой антенны. Не знаю почему, но большая парабола вызывает мистический ужас у соседей. Я с огромным трудом удержался на крыше с 2.4м тарелкой. Потом нарастил сеткой до 3.4м. В моих условиях это предел и даже немного больше предела.

Обобщающий параметр для передающей стороны - это эффективная изотропно-излучаемая мощность (произведение мощности на коэффициент усиления антенны). На английском это EIRP (Effective Isotropically Radiated Power). Для больших станций, т.н. бигганов, эта цифра очень велика. Тарелка 10м и 1 кВт дают на 1296 МГц 10 мегаватт эффективной мощности.

Перейдем теперь к приемной стороне. Здесь все немного сложнее, зато интереснее. Прежде всего, надо решить, в каких единицах оценивать чувствительность приемной системы. Сам я последние годы почти полностью перешел на такое понятие, как шумовая температура. Тем более что EME это действительно космический вид связи и вполне естественно пользоваться понятием, пришедшим из радиоастрономии и космической связи. Приятно то, что за этим стоит понятный физический смысл. Холодное - шумит мало, горячее шумит больше. Совсем горячее - чувствуем своей шкурой инфракрасное излучение. Еще горячее - видим своими глазами. Все это результат электромагнитного излучения, вызванного хаотическим тепловым движением носителей заряда. Чем сильнее нагрели, тем интенсивнее движение и, соответственно, излучение. Даже если природа шума не тепловая, все равно для единообразия принято использовать термин "шумовая температура". При дальнейших рассуждениях будем использовать несколько легко запоминаемых принципов.

• из формулы Найквиста следует, что резистор, нагретый то температуры T (градусы Кельвина) генерирует на своих выводах шумовую мощность Pn = k*T*B. Здесь k - постоянная Больцмана, а B - это полоса частот в Герцах. При стандартной комнатной температуре 290K эта мощность на единицу полосы равна 4* 10^ -21 Вт/Гц.
• шумовая температура какого либо устройства, скажем антенны - это температура резистора, которая обеспечит такой же шум.
• шумы генерируют только те потери, которые связаны с преобразованием сигнала в тепло (резистивные потери). Скажем, потери на отражение шумы не генерируют.
• Антенна на своем выходе имеет шумовую температуру, равную температуре объекта, на которую антенна наведена. Навели антенну на участок неба, имеющий эквивалентную температуру 5K - получили шумовую температуру антенны 5K. Навели антенну на землю - получили 300К. Конечно, это полностью справедливо только для идеальной антенны, у которой нет потерь и боковых лепестков. Да и земля должна быть "абсолютно черной", т.е. ничего не отражать и все поглощать. В реальной жизни есть потери в антенне, и есть боковые лепестки, которые добавляют шумы. Но общая тенденция такова.

Итак, что такое шумовая температура приемника. Это температура резистора, который генерирует входные шумы, равные внутренним шумам реального приемника, приведенным к его входу. Что такое шумовая температура антенны. Это температура резистора, который генерирует шумы, равные шумам антенны. Удобно то, что эти температуры можно просто складывать. Коэффициент шума приемника связан с его шумовой температурой простым соотношением:

F = Tr/To + 1

или наоборот:

Tr = ( F-1 ) * To

Здесь Tr - шумовая температура приемника,

To - базовая комнатная температура 290K,

F - коэффициент шума в разах.

Видно, что шумовая температура и коэффициент шума равнозначны при оценке чувствительности приемника. Отличие в том, что коэффициент шума нормируется по комнатной температуре. Однако это связано не столько с физическим смыслом, сколько с принятой методикой измерений. Для оценки МШУ более привычен коэффициент шума. Но когда имеешь дело со всей приемной системой это неудобно. Постоянно приходится делать пересчет из шумовой температуры в коэффициент шума и обратно. Впрочем, если надо что-то прикинуть "в уме", то можно считать, что 0.1 дБ коэффициента шума это 7 градусов Кельвина. Например, МШУ 0.3 дБ, имеет шумовую температуру примерно 21К.

Вернемся теперь к оценке всей приемной системы. Ее можно разделить на две основные части: на антенну и на приемник. Эффективность антенны определяется ее усилением Ga и шумовой температурой Ta. Отношение этих параметров Ga/Ta называют добротностью или коэффициентом качества антенны. Эффективность приемника определяется его шумовой температурой Tr. Сумма Ta и Tr это шумовая температура всей системы:

Tsys = Ta + Tr.

И, наконец, отношение

Ga/Tsys - добротность всей приемной системы.

Это обобщающий параметр, который полностью характеризуют качество приемной системы.

В результате имеем всего два параметра, которые определяют энергетический потенциал радиостанций. Это эффективная изотропно-излучаемая мощность и добротность приемной системы.

Теперь попробуем подтвердить правоту этого утверждения. Итак, необходимо перекрыть потери в 270...272 дБ на 1296 МГц. Эта цифра есть результат измерений, сделанных при радиолокации Луны в основном в 60х годах прошлого века. По некоторым данным эта цифра на 1 дБ больше.

Что означает перекрыть это затухание. Это значит, что надо передать и затем принять информацию, достаточную для проведения и подтверждения связи. Пока мы не говорили об обработке сигнала и о декодировании информации. Это финальный кусок приемной системы, который требует отдельного обсуждения. Часто здесь не все точно и однозначно. Особенно при классических видах связи CW и SSB, где финальная фильтрация и декодирование происходит в голове оператора. Чтобы избежать субъективизма будем пока говорить о выходном соотношении сигнала и шума в некоторой стандартной полосе частот. В последнее время программа WSJT приучила к оценке сигнала в полосе 2500 Гц. Все эти рапорты -10, -17, -25 и проч. - это как раз соотношение сигнал/шум в данной полосе. Что же, пусть будет 2500 Гц.

Для примера посчитаем тот вариант, с которого я начинал поход на 23см чуть больше четырех лет назад (Рис 1.1).

Рис. 1.1

Посчитаем теперь соотношение сигнал/шум SNR для полосы 2500 Гц в режиме эхо (или при связи с точно такой же радиостанцией). SNR = Ps/Pn на выходе приемника. Ps это мощность сигнала:

Ps = Ptx * Ga / L * Ga *Grx.

Т.е. это мощность передатчика, умноженная на усиление передающей антенны, деленная на потери на трассе, умноженная на усиление приемной антенны и на усиление приемного тракта. Теперь мощность шума Pn. Это мощность шумов всей приемной системы, приведенная к входу приемника и умноженная на усиление приемника:

Ps = Pns * Grx.

В Формуле для SNR Grx сократится, и мы получаем

SNR = Ptx * Ga / L *Ga / Pns.

По формуле Найквиста Pns = k * Tsys * B. У нас B = 2500 Гц, а постоянная Больцмана k = 1.38 * 10^ -23 Вт / Гц / К.

Pns = Tsys * 3450 * 10^ -23 или 1 / Pns = 1 / Tsys * 2.9 * 10^19 Вт.

SNR = Ptx * Ga / L *Ga / Tsys * 2.9 * 10^19.

Подставим теперь наши цифры. Расчет идет в разах, а не в децибелах. Поэтому усиление антенны это 631раз, а потери на трассе 10 ^ 27.

SNR = 240 * 631 / 10^27 * 631 / 62 * 2.9 * 10^19 = 0.045. Или, если перевести в децибелы, это -13.5дБ.

Для человека, хотя бы временами работающего в режиме JT65C эта цифра говорит о многом. Это очень легкая и уверенная связь в JT65c. Наличие тональных посылок хорошо различается "на слух". Связь телеграфом CW проводится с некоторым напряжением, но без особого труда. В режиме SSB слышно только присутствие корреспондента. Отдельные фрагменты иногда слышны на пиках QSB.

Вернемся теперь к формуле для SNR. Как уже говорилось выше Ptx * Ga - это эффективная изотропно-излучаемая мощность EIRP. Отношение Ga/Tsys - это добротность приемной системы FOM ( Figure of Merit ). Из формулы видно, что только эти два параметра определяют SNR при заданных потерях на трассе L. Что собственно и требовалось доказать. Чем удобен параметра Ga/Tsys. Первое это то, что он один полностью характеризует всю приемную систему. Второе, и может быть, самое главное - его сравнительно легко измерить с хорошей точностью. Это очень важно для объективной оценки радиостанции. Всегда хочется улучшить что-то, но без надежных измерений это крайне тяжело. Можно конечно измерить коэффициент усиления антенны и шумовую температуру системы по отдельности и разделить одно на другое. Но это очень трудно. При наличии современных моделирующих программ еще можно достаточно надежно посчитать усиление антенны. Хотя это тоже очень непросто. Измерить с высокой точностью шумовую температуру хорошего МШУ (LNA) еще сложнее. Даже самые дорогие анализаторы коэффициента шума (Noise Figure Analyzer) не могут обеспечить необходимую точность. Годятся только специальные стенды с поверенной криогенной нагрузкой, а это уже недоступная экзотика. С другой стороны интегральный параметр Ga/Tsys достаточно легко определить с точностью до десятых долей децибела по измерениям шума Солнца. Надо навести антенну на Солнце, и измерить уровень шума. Затем навести антенну на "холодный" участок неба и повторить измерение. Отношение этих двух измерений дает т.н. Y параметр. Далее можно воспользоваться простой формулой, которая для диапазона 1296 МГц имеет следующий вид.

Ga/Tsys = 65 * ( Y-1 ) / Sf.

Здесь Y в разах, а Sf (Solar Flux) - это коэффициент, показывающий текущую интенсивность шумового излучения солнца. Надо только помнить, что обычно приводится Sf для частоты 2800 МГц. Для 1296 МГц надо этот коэффициент умножить примерно на 0.7. Свежее и более точное значение для 1300 МГц можно найти в Интернете. Например:

http://www.ips.gov.au/Solar/3/4/2

Посчитаем добротность приемной системы для первого варианта радиостанции. При спокойном (Sf = 52) Солнце Y(dB) = 9.5 дБ. Переведем в разы, Y = 8.9. Тогда:

Ga/Tsys = 65 * 7.9 / 52 = 9.87 или Ga/Tsys = 9.9 дБ.

Для сравнения посчитаем радиостанцию в ее нынешнем состоянии, после четырех лет, потраченных на ее совершенствование (Рис 1.2).

Рис. 1.2

SNR = 500 * 1200 / 10^27 *1200 / 18.6 * 2.9 * 10^19 =1.12.

В децибелах + 0.5 дБ. Выигрыш по отношению к первому варианту 14дБ.

Это уже громкое эхо в режиме SSB. Кстати программа JT65Cрассчитана на слабые сигналы и при таких уровнях начинает сильно занижать рапорт.

Добротность приемной системы теперь равна:

Ga/Tsys = 65 * 50 / 52 = 62.5 или Ga/Tsys = 18 дБ. Выигрыш 8.1 дБ.

Результат четырехлетних усилий:

Улучшение всей системы 14 дБ (25 раз).

Улучшение качества приемной системы 8.1 дБ.

Основное улучшение 5.3 дБ за счет снижения шумовой температуры антенны и шумовой температуры предусилителя.

Пока специально старался рассматривать систему крупными кусками, чтобы за мелочами не затерялись основные принципы. Однако любая большая система состоит из большого числа отдельных узлов. Именно в мелочах часто кроются основные проблемы. Связь с отражением от Луны (EME) не прощает даже мелких ошибок. Задан определенный порог, который надо преодолеть. Неаккуратно заделанный разъем и можно легко оказаться ниже этого порога. Супер-прохождение, которое может скомпенсировать ошибку здесь не бывает. Надеюсь в дальнейшем изложении более детально обсудить эти "мелочи".