WSPR: Ultimate3S/GPSDO

23.2.2015

При работе в режиме WSPR (Weak Signal Propagation Reporter) важным требованием является получение высокостабильного по частоте излучаемого сигнала. Радиоинтерфейс WSPR определяет сигнал как четырех-позиционную частотную манипуляцию (4FSK) с непрерывной фазой со сдвигом частоты 1.4648 Гц. При этом декодирование WSPR сигнала прекращается когда общая (на приемной и передающей сторонах) кратковременная (длительность одной WSPR посылки равна 112 сек) нестабильность по частоте превышает 4 Гц. На нижних КВ диапазонах получение указанной стабильности не представляет большой сложности, однако на верхних КВ диапазонах и VHF стандартных решений частотной стабилизации уже недостаточно. Известны различные методы стабилизации опорного генератора с использованием термокомпенсированных (TCXO) и термостабилизированных (OCXO) кварцевых генераторов, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.

В данном материале рассматривается альтернативное решение получения синтезированного высокостабильного по частоте WSPR сигнала (в том числе для диапазонов 28 и 144 Мгц) с использованием технологии GPSDO (GPS disciplined oscillator). Основой получения высокостабильного по частоте опорного сигнала является новый GPS/Глонасc модуль u-blox LEA-M8F, который имеет встроенный VCTCXO на частоту 30.720 МГц, синхронизируемый с ультрастабильными первичными опорными генераторами спутниковой навигационной группировки (ГНСС). Встроенный LEA-M8F VCTCXO имеет не высокий фазовый шум выходного опорного сигнала на частоте 30.720 МГц:

  • -90 dBc/Hz @ 10 Hz
  • -120 dBc/Hz @ 100 Hz
  • -130 dBc/Hz @ 1 kHz
  • -143 dBc/Hz @ 10 kHz
  • -145 dBc/Hz @ 100 kHz
  • -149 dBc/Hz @ 1 MHz

что принципиально важно для получения высококачественного выходного синтезированного сигнала на рабочей частоте WSPR.

WSPR TX контроллер в основе — прекрасное решение от Hans, G0UPL: Ultimate 3S с модулем синтезатора на микросхеме Si5351A и версией ПО V3.07. Также GPSDO решение было проверено на плате генератора Adafruit Si5351 — обе платы имеют примерно одинаковую схемотехнику, однако плата Adafruit выполнена с использованием SMT технологии.

Проведенные испытания микросхемы Si5351A показали возможность подачи внешнего высокостабильного по частоте опорного сигнала вместо использования рекомендованного кварцевого резонатора на частоты 25 или 27 МГц, являющегося главной причиной нестабильности частоты для двух упомянутых выше плат на Si5351A.

Ниже приведена принципиальная схема подключения GPSDO на u-blox LEA-M8F с синтезатору частоты Si5351A при использовании активной GPS антенны. Для питания модуля LEA-M8F используется отдельный линейный стабилизатор напряжения 78L33 (на схеме не показан), обеспечивающий питание 3.3 В на модуль LEA-M8F и на активную GPS антенну.

RA3APW_U3S_GPSDO_LEAM8F_schematic

Рис. 1. Принципиальная схема подключения модуля LEA-M8F к Si5351A (контакты указаны для схем блока U3S и платы Synth Si5351A).

Выходной опорный сигнал частотой 30.72 МГц с REF_FREQ_OUT (контакт 9) модуля LEA-M8F подается на вход XA (контакт 2) микросхемы Si5351A, при этом вход XB (контакт 3) остается не подключенным. Микросхема Si5351A, управляемая по шине I2C, формирует выходной сигнал на рабочей частоте в диапазонах HF и VHF (от 0.47 до 146 МГц).

RA3APW_U3S_GPSDO_LEAM8F_photo

 Рис. 2. WSPR TX контроллер U3S (G0UPL) с GPSDO модификацией опорного cигнала на базе u-blox LEA-M8F.

На плате установлено:

  • модуль u-blox LEA-M8F со стабилизатором напряжения 3.3В на м/с 78L33
  • микроконтроллер Atmega 328 с ПО V3.07 (G0UPL)
  • плата синтезатора Si5351A (Adafruit) — возможно использование платы Si5351A Synth G0UPL
  • ВЧ усилитель мощности на BS170
  • диапазонный ФНЧ
  • дисплей 16 х 02
  • входной линейный стабилизатор 78М05

Что следует сделать для GPSDO модификации WSPR контроллера U3S с платой синтезатора Si5351A

  • с платы синтезатора удалить кварцевый резонатор 27 МГц
  • подключить модуль LEA-M8F к плате синтезатора в соответствии с рис.1
  • в меню U3S установить «Ref. Frq.» значение 30,720,000

Спектры выходного сигнала

Ниже спектры WSPR сигнала на антенном разъеме блока U3S (перед анализатором спектра включен проходной аттенюатор 20 дБ, т.е. на КВ диапазонах средняя выходная мощность составляет +23 дБм (200 мВт)):

U3S_GPSDO_14M_10M

Рис.3. Спектр на частоте 14.097 МГц в полосе обзора 10 МГц

U3S_GPSDO_24M_10M

Рис.4. Спектр на частоте 24.927 МГц в полосе обзора 10 МГц

U3S_GPSDO_28M_10M

Рис.5. Спектр на частоте 28.126 МГц в полосе обзора 10 МГц

U3S_GPSDO_144M_10M

Рис.6. Спектр на частоте 144.490 МГц в полосе обзора 10 МГц

Оценка стабильности рабочей частоты U3S

Для оценки частотной стабильности было произведено сравнительное измерение девиации Аллана для двух вариантов:

  • модуль U3S с синтезаторной платой Si5351A и кварцевым резонатором 27 МГц (стандартный вариант)
  • модуль U3S с синтезаторной платой Si5351A в режиме GPSDO от модуля u-blox LEA-M8F

AllanDeviation_U3S_Si5351A_GPSDO_vs_XTAL

 

Рис.7. Девиация Аллана для стандартного кварцевого опорного генератора и GPSDO опорного сигнала (нажмите на изображение для большего размера)

Измерения проводились анализом ВЧ сигнала на антенном разъеме U3S (но не опорной частоты на Si5351A, так как такое подключение к микросхеме Si5351A могло бы существенно ухудшить измеряемый параметр) — через проходной аттенюатор подключался анализатор сигнала/частоты/времени Pendulum CNT-91, соединенный через GPIB интерфейс с компьютером с ПО TimeLab V1.2  (TNX John, KE5FX).

Как видно из графика на рис.7 отклонения частоты в случае использования опорного генератора GPSDO (синий цвет) примерно в 100 раз меньше, чем в случае использования стандартного кварцевого генератора (малиновый цвет).

На диапазоне 10м в режиме GPSDO среднеквадратическое отклонение несущей частоты составляет примерно 7 миллиГц, а пиковое значение примерно 90 миллиГц. Данные результаты позволяют говорить об отсутствии проблемы нестабильности частоты для верхних КВ и VHF диапазонов в решении U3S/GPSDO.

Что хорошо:

  • высокая стабильность частоты позволяющая обеспечить качественный WSPR сигнал даже в диапазоне 144 МГц
  • использование специального навигационного модуля u-blox LEA-M8F позволяет одновременно получить высокостабильный по частоте опорный сигнал и сформировать точные временные слоты (time slot) для WSPR
  • U3S/GPSDO не требует калибровки — на всех диапазонах излучается точно та частота, которая запрограммирована в модуле U3S
  • не требуется сложные конструктивы обычно применяемые в OCXO, обеспечивающие термостабилизацию — указанные значения девиации Аллана получены даже при отсутствии корпуса устройства
  • по сравнению с решением OCXO существенно снижена потребляемая мощность, так как не требуется нагревать кварцевый резонатор опорного генератора.

Что не очень хорошо:

  • стоимость навигационного модуля u-blox LEA-M8F существенно выше, чем стандартного GPS приемника
  • спектр выходного сигнала на частоте 144 МГц имеет повышенный уровень не гармонических составляющих с уровнями до -45 дБн. Однако это связано не с введением GPSDO, а с работой генератора Si5351A на данной частоте (проверено в варианте стандартной схемы с кварцем на 27 МГц)

Что следует сделать:

  • проверить режим GPSDO с более дешевыми навигационными модулями u-blox серии NEO-7 с программированным выходом частоты NCO генератора

Приложение:

Ссылки:

Карен, RA3APW