WSPR: Ultimate3

Красивая идея протокола WSPR (Weak Signal Propagation Reporter) от Joe, K1JT была удачно реализована Hans, G0UPL в комплекте Ultimate3, обеспечивающим передающий WSPR режим на всех КВ диапазонах без использования внешнего компьютера.

Комплект был реализован в виде двух самостоятельных устройств — готового блока для постоянной WSPR работы в эфире и отдельной платы для модификаций/тестов.

DSC01485_1_

Фото 1. Внешний вид блока

U3 main box

Фото 2. Вид внутри блока

U3 test board

Фото 3. Тестовая плата

Вместо стандартного GPS модуля был установлен совмещенный GPS & ГЛОНАСС модуль, обеспечивающий захват до 18 спутников в Москве. Модуль обеспечивает точную временную синхронизацию для двух минутных тайм-слотов передачи и частотную синхронизацию DDS синтезатора в период между передающими посылками.

U3 в диапазоне 10м при напряжении питания выходного каскада 5В обеспечивает выходную мощность +20 дБм (100 мВт), что позволило при наличии прохождения  получить подтверждения приема от большинства европейских стран.

SM6WZI

Фото 4. При настройке блока первое подтверждение с уровнем -21 дБ ниже уровня шума получено от SM6WZI (расстояние 1507 км) при «антенне» в виде длинного провода на столе внутри квартиры !!!

EU QSO

Фото 5. Подтверждения на диапазоне 10м от европейских станций.

При использовании диапазона 10м гармонические составляющие сигнала подавлены удовлетворительно: вторая гармоника на 55 дБ; третья гармоника на 45 дБ. Более подробно результаты измерений можно посмотреть ниже

U3 10m harmonics

Фото 6. Гармонические составляющие для диапазона 10м (на входе включен внешний аттенюатор 20 дБ)

Применение относительно простого и дешевого DDS синтезатора AD9850 позволило легко реализовать модуляцию 4-FSK с шагом 1.4648 Гц с удовлетворительным качеством синтезируемого сигнала при соблюдении относительно не высокой выходной мощности — см. частотные спектры ниже:

spectr 100Hz

Фото 7. Спектр выходного сигнала в полосе 1 кГц. Спуры в ближней зоне подавлены более чем на 30 дБ, но сильно усиливать такой сигнал точно не следует.

spectr 100 kHz

Фото 8. Спектр выходного сигнала в полосе 100 кГц (на входе включен внешний аттенюатор 20 дБ)

spectr 10 MHz

Фото 9. Спектр выходного сигнала в полосе 10 МГц (на входе включен внешний аттенюатор 20 дБ)

Все было бы хорошо, но один параметр устройства U3 мне не очень нравился — стабильность частоты за время одного тайм-слота. Время одного тайм-слота в WSPR составляет 110.6 секунды и графе «Drift» таблицы подтверждений можно было частенько наблюдать отклонения от нулевого значения. Особенно часто это проявлялось на высокочастотных КВ диапазонах, особенно на 10м.

Разбирательство показало, что причиной является высокая нестабильность по частоте опорного кварцевого генератора на 125 МГц для тактирования DDS AD9850.

DDS_TCXO_1_

Фото 10. Причина нестабильности частоты — опорный кварцевый генератор в корпусе SMD0705 (выделен красным кругом и стрелкой).

Рекомендации установки дополнительного радиатора на крышку кварцевого генератора помогают не значительно. При этом было выявлено две причины частотной  нестабильности кварцевого опорного генератора:

  • температурная нестабильность частоты
  • нестабильность частоты при изменении нагрузки

Было принято решение применить другие кварцевые генераторы на частоту 125 МГц и опробовать различные схемные решения для необходимой «развязки» выхода кварцевого генератора от последующих каскадов.

Были приобретены 4 различных типа опорных кварцевых генераторов на частоту 125 МГц в разных корпусах и на разное напряжение питания (3.3В и 5В). Для обеспечения «развязки» был изготовлен на отдельной плате кварцевый генератор со слабой емкостной связью и  буферным каскадом на MOSFET транзисторе BF999. Для стабилизации напряжения питания кварцевого генератора использовался отдельный стабилизатор LM3940-3.3V. Плата с кварцевый генератором, буфером и стабилизатором помещалась в пенополистироловый корпус для температурной изоляции.

 CXO_half_size_SDE_pena_

Фото 11. Опорный кварцевый генератор 125 МГц SDE 3.3В в корпусе «half-size» со слабой емкостной связью с буфером на BF999 и отдельным стабилизатором LM3940-3.3V.

Были проведены длительные исследования нестабильности частоты следующих вариантов:

  •  кварцевый генератор 125 МГц в корпусе SMD0705 (установленный изначально на плате DDS) с дополнительным радиатором
  •  кварцевый генератор 125 МГц SDE 3.3В в корпусе «half-size» с буфером на BF999
  •  кварцевый генератор 125 МГц FT 5В в корпусе «full size»
  •  кварцевый генератор 125 МГц MEI MOSC-1016 5В в корпусе «full size»
  •  кварцевый генератор 125 МГц SDE 3.3В в корпусе «full size»

U3 CXO 125 MHz metal HALF case _no heating_freq difference

Фото 12. Опорные генераторы выходят на режим примерно за 15 минут…

U3 CXO 125 MHz compare final

Фото 13. Девиация Аллана для исследованных кварцевых генераторов (нажмите на фото для увеличения)

На графике видно, что значение девиации Аллана (среднеквадратическое отклонение) частоты кварцевого генератора в корпусе SMD0705 (установленного изначально на плате DDS AD9850 — синий цвет линии) примерно в 20 раз хуже чем значение девиации Аллана для кварцевого генератора SDE  125 МГц с напряжением питания 3.3В в корпусе «full size» (зеленый цвет линии).

DDS_Full_size_CXO_SDE

Фото 14.  Победитель стабильности — кварцевый генератор SDE  125 МГц с напряжением питания 3.3В в корпусе «full size»

Замена изначально установленного на плате DDS кварцевого генератор 125 МГц в корпусе SMD0705 на кварцевый генератор SDE  125 МГц с напряжением питания 3.3В в корпусе «full size» (даже без радиатора), а также слабая емкостная связь через конденсатор 16 пФ опорного генератора с DDS AD9850 позволила решить проблему с нестабильностью частоты на всех КВ диапазонах, включая диапазон 10м.

drift before_

Фото 15. Как было со стабильностью частоты до изменения опорного кварцевого генератора.

no drift

Фото 16. Как стало со стабильностью частоты (колонка Drift) после замены опорного кварцевого генератора.

В итоге или что понравилось:

  • красивая идея протокола WSPR — наглядно продемонстрированы возможности цифровой передачи данных в радиоканале в очень узкой полосе 6 Гц с ограниченной мощностью на несколько тысяч километров с автоматическим онлайн подтверждением — TNX K1JT
  • удачная реализация режима WSPR TX в устройстве U3 — TNX G0UPL:
    • высокая повторяемость
    • дружественный интерфейс
    • широкие возможности настройки параметров
    • эффективная синхронизация частоты DDS от GPS
    • возможность работы на всех КВ диапазонах
    • отсутствие необходимости использования компьютера
    • автоматическое определение QTH локатора через координаты от GPS
    • возможность использования навигационных модулей с поддержкой ГЛОНАСС и GPS
    • возможность работы в других режимах — QRSS, FSKCW, DFCW, Hell, DX Hell, Slow Hell, FSK, CW, CW ID, WSPR-15 (пока не пробовал)
    • подробная и детальная документация
  • TNX KE5FX за TimeLab ПО, позволившее оценить и выбрать правильный опорный генератор
  • TNX Владимиру Прокофьеву, RA3ACE за консультации и помощь в решении задачи

 

Запись опубликована в рубрике WSPR, Новости с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

2 комментария: WSPR: Ultimate3

  1. Andrey говорит:

    Здравствуйте.
    Карен, вторая деталь в схеме(похоже конденсатор, жёлтый) каковы его параметры?

  2. ra3apw говорит:

    Андрей,
    не совсем понял, перезвоните мне — обсудим.

Комментарии запрещены.