О стабильности частоты наземного радиоканала
через геостационарный спутник QO-100

11.9.2022

Одним из основных технических требований, предъявляемых к наземному радиоканалу для работы через геостационарный спутник QO-100 (Phase4-A) является стабильность частоты приемо-передающего тракта.

Недостаточная стабильность частоты радиоканала при CW и голосовой связи (SSB) может требовать постоянной ручной подстройки частоты оператором, а при цифровой связи может приводить к невозможности декодирования протокола обмена и, в конечном итоге, невозможности проведения сеанса связи.

1. Определение источников нестабильности частоты

Как известно радиоканал для QO-100 предполагает дуплексную работу на прием «спутник-земля» на частотах 10489 МГц и на передачу «земля-спутник» на частотах 2400 МГц. В связи с этим требования стабильности частоты будут наиболее жесткими для канала с большей частотой, а именно к каналу приема на 10489 МГц.

Радиоканал может быть выполнен как по классической (с классическим дуплексным VHF/UHF трансивером), так и по SDR схеме, но принципы решения для обоих вариантов будут похожи. В качестве примера будем рассматривать вариант SDR радиоканала PQ-101 .

Частотоопределяющая структурная схема приемного SDR канала

Как видно из структурной схемы в приемном канале есть только два частотоопределяющих элемента: LNB приемный конвертер и SDR трансивер. Частотоопределяющим элементом в LNB обычно является кварцевый генератор на частоту 25 МГц, который системой ФАПЧ умножается в 390 раз для получения частоты гетеродина LNB равной 9750 МГц.

Вторым частотоопределяющим элементом в канале приема является тактовый кварцевый генератор на частоту 40 МГц SDR трансивера, который работает на прием на частоте 739 МГц. 

Частотоопределяющая структурная схема передающего SDR канала

В передающем канале есть только один частотоопределяющий элемент – тактовый кварцевый генератор на частоту 40 МГц SDR трансивера, который работает на передачу на частоте 2400 МГц. 

Таким образом частотную стабильность радиоканала QO-100 определяют в итоге два элемента:

  • в LNB – опорный кварцевый генератор на частоту 25 МГц
  • в SDR трансивере — тактовый кварцевый генератор на частоту 40 МГц

Не секрет, что эти два частотоопределяющих элемента в LNB и SDR трансивере не отвечают требованиям работы через узкополосный транспондер спутника и требуют существенного улучшения параметров по стабильности частоты.

Для определения масштаба проблемы проведем измерения реальной кратковременной частотной стабильности этих двух элементов и определим возможные варианты улучшения технических параметров.

Для определения кратковременной стабильности частоты генератора принято измерять значение отклонения/девиации Аллана (ADEV — Allan deviation)*.

В качестве LNB будем использовать стандартный LNB типа StarCom SR-3602ACE или аналог LNB Х2HD (оба LNB имеют одинаковые металлические корпуса и схемотехнику).

В качестве SDR трансиверов рассмотрим два варианта – оригинальный ADALM PLUTO от Analog Devices (США) и его клон PLUTO PLUS (Китай).

2. Измерительный стенд

Для измерения девиации Аллана используется измерительный стенд со следующей аппаратурой:

  • Pendulum CNT-91 (Advanced Frequency & Time Interval Analyzer)
    с опцией 19 (short-term stability < 1E(-10) для тау = 1 сек
  • GPIB/USB интерфейс
  • ПО «TimeLab» от John Miles, KE5FX для Windows10
  • Источник питания Rohde&Schwarz NGE100


3. Измерение девиации Аллана для LNB

Проведем измерения ADEV для:

  • 25 МГц опорный кварцевый генератор LNB
  • 10 МГц опорный OCXO основной платы PQ-101
  • 25 МГц опорный сигнал платы PQ-101
  • 10 МГц сигнал с выхода GPSDO LeoBodnar Mini
нажмите на картинку для большего размера графика

На графике сверху указаны следующие измеренные значения девиации Аллана (ADEV):

  • зеленый – 25 МГц опорный кварцевый генератор LNB
  • синий – 10 МГц опорный OCXO основной платы PQ-101
  • малиновый – 25 МГц опорный сигнал платы PQ-101
  • красный – 10 МГц сигнал с выхода GPSDO LeoBodnar Mini

Сигнал

ADEV для тау 100с

ADEV отношение
к GPSDO

25 МГц опорный кварцевый генератор LNB

1.48E-8

299

10 МГц опорный OCXO основной платы PQ-101

6.71E-11

1.35

25 МГц опорный сигнал платы PQ-101

7.58E-11

1.53

10 МГц сигнал с выхода GPSDO LeoBodnar Mini

4.95E-11

1.00

То есть опорный генератор в LNB примерно в 299 раз менее стабилен, чем GPSDO, а также в 195 раз менее стабилен, чем опорный сигнал 25 МГц с основной платы PQ-101.

Учитывая, что сигнал 25 МГц используется для формирования сигнала гетеродина 9750 МГц, то можно вычислить абсолютное среднеквадратическое отклонение девиации частоты при приеме:

  • для стандартной (немодифицированной) LNB = 9750 *1E6 * 1.48E-8 = 144 Гц
  • для модифицированной LNB с внешним сигналом 25 МГц от основной платы PQ-101 = 9750 *1E6 * 7.58E-11 = 0.73 Гц

При расчете следует учитывать, что пиковое значение девиации Аллана может отличаться от среднеквадратического в десятки раз (в среднем примерно от 30 до 100 раз), то есть в не модифицированном варианте LNB пиковое отклонение частоты может превышать 10 кГц.

4. Измерение девиации Аллана для SDR трансиверов

Проведем измерения ADEV для:

  • 40 МГц опорный кварцевый генератор SDR ADALM PLUTO (Analog Devices)
  • 40 МГц опорный кварцевый генератор SDR PLUTO-PLUS (Китай)
  • 25 МГц опорный сигнал основной платы PQ-101
  • 10 МГц сигнал с выхода GPSDO LeoBodnar Mini
нажмите на картинку для большего размера графика

На графике сверху указаны следующие измеренные значения девиации Аллана (ADEV):

  • зеленый – 40 МГц опорный кварцевый генератор SDR ADALM PLUTO (Analog Devices)
  • красный – 40 МГц опорный кварцевый генератор SDR PLUTO-PLUS (Китай)
  • синий – 25 МГц опорный сигнал основной платы PQ-101
  • малиновый – 10 МГц сигнал с выхода GPSDO LeoBodnar Mini

Сигнал

ADEV для тау 100с

ADEV отношение
к GPSDO

опорный кварцевый генератор SDR ADALM PLUTO

4.55E-8

919

опорный кварцевый генератор SDR PLUTO-PLUS

7.09E-10

14.3

25 МГц опорный сигнал платы PQ-101

7.58E-11

1.53

10 МГц сигнал с выхода GPSDO LeoBodnar Mini

4.95E-11

1.00

То есть опорный генератор в SDR трансивере ADALM PLUTO примерно в 919 раз менее стабилен, чем GPSDO, а также в 600 раз менее стабилен, чем опорный сигнал 25 МГц с основной платы PQ-101.

Учитывая, что сигнал 25 МГц используется в модифицированном SDR трансивере для формирования сигнала передачи на 2400 МГц, то можно вычислить абсолютное среднеквадратическое отклонение девиации частоты при передаче:

  • для стандартного (немодифицированного) SDR трансивера = 2400 *1E6 * 4.55E-8 = 109 Гц
  • для модифицированного SDR трансивера с внешним сигналом 25 МГц от основной платы PQ-101 = 2400 *1E6 * 7.58E-11 = 0.18 Гц

При расчете следует учитывать, что пиковое значение девиации Аллана может отличаться от среднеквадратического в десятки раз (в среднем примерно от 30 до 100 раз), то есть в не модифицированном варианте трансивера SDR пиковое отклонение частоты может превышать 10 кГц.

5. Решение вопроса стабилизации частоты в SDR комплекте PQ-101

В SDR комплекте PQ-101 вопрос стабилизации частоты решается синтезом опорного сигнала частотой 25 МГц, который вырабатывается от высокостабильного OCXO на 10 МГц.

При синтезе опорного сигнала 25 МГц наряду с высокой стабильностью частоты важно получить малый фазовый шум опорного сигнала, так как при умножении опорного сигнала 25 МГц до 9750 МГц (в 390 раз) происходит ухудшение фазового шума на 52 дБ. Высокий фазовый шум приведет к снижению отношения сигнал/шум принимаемого сигнала и маскировке сигналов с малой энергетикой.

Для исключения необходимости формирования двух различных опорных частот (40 МГц для SDR Pluto и 25 МГц для LNB) в SDR комплекте PQ-101 вырабатывается опорный сигнал только одной частоты 25 МГц. Этот опорный сигнал поступает на аппаратно-модифицированный LNB и аппаратно-программно  модифицированный SDR PLUTO, который перепрограммируется на работу с опорой 25 МГц.

Такое решение позволило увеличить стабильность частоты в ADALM PLUTO в 600 раз, а стабильность частоты в LNB в 195 раз, то  есть однозначно решить вопрос о стабильности частоты для работы не только в SSB и CW, но и в узкополосных цифровых режимах.

6. Выводы: 

  • использование внешнего опорного генератора от высококачественного OCXO для LNB и SDR трансивера имеет реальный смысл для однозначного решения вопроса стабильности частоты как на прием, так и на передачу
  • фактически хороший опорный OCXO генератор позволяет иметь стабильность частоты одного порядка как с внешним GPSDO
  • основная плата PQ-101 имеет также возможность работать от внешнего GPSDO (как опция)
  • замена кварцевого резонатора в LNB на TCXO не может решить полностью вопрос стабильности частоты особенно при работе LNB вне помещений
  • опорный генератор 40 МГц значительно лучше в китайском PLUTO-PLUS, чем в родном ADALM PLUTO (удивлен !!!)
  • при решении вопроса стабильности частоты опорного сигнала необходимо контролировать фазовый шум формируемого опорного сигнала для исключения деградации отношения сигнал/шум приемного сигнала и получения чистого спектра при передаче
  • GPSDO – OCXO: вместо OCXO в качестве высокостабильного опорного генератора можно использовать GPSDO. Каждое из этих решений имеет плюсы и минусы. Рассмотрим их применительно к конкретной задаче.
    • Плюсы OCXO / минусы GPSDO
      • Работа в местах, где нет открытого неба
      • Нет привязки к оконным проемам, нет ограничения по дистанции от оконных проемов
      • Примерно сравнимая стабильность частоты с GPSDO для задач по QO-100
      • Нет проблемы с «забитием» канала GPS при работе на передачу PQ-101
      • Более низкий фазовый шум по сравнению с GPSDO (в зависимости от типа GPSDO)
    • Плюсы GPSDO / минусы OCXO
      • Более низкое энергопотребление (примерно 1 Вт у GPSDO и 1.5 Вт у OCXO)
      • Высокая точность и стабильность частоты

7. Отговорки

  • Измерения проведены с малой выборкой – только один ADALM PLUTO, один PLUTO-PLUS и один LNB SR-3602ACE
  • Ограничения по опции 19 кратковременной стабильности частоты CNT-91 (пороги измерений):
    • 1E-10 при тау = 1 сек
    • 1E-11 при тау = 10 сек
    • 1E-12 при тау = 100 сек
    • и т.д.
  • Перед проведением измерений вся измерительная техника прогревалась не менее 6 часов. Измеряемые изделия — LNB и SDR трансиверы проходили измерения только после 1 ч прогрева в рабочем режиме.
  • Все измерения проводились при комнатной температуре +23 С. Измерений в климатической камере в диапазоне температур -30… +50 С не проводилось. 
  • Измеренная девиация Аллана GPSDO может быть высока из-за положения GPS антенны не на открытом пространстве, а на кондиционере при закрытой стеной дома второй полусфере неба.

8. Видео

Видео версия размещена на моем канале в Youtube  https://www.youtube.com/watch?v=oLu7ni6blyg

9. Ссылки 

В данной работе большою помощь оказал мне мой друг и учитель Владимир Алексеевич Прокофьев, RA3ACE за что ему я очень благодарен.

Карен Тадевосян, RA3APW

ra3apw@mail.ru

Дата изменений — 16.9.2022