Могилевский И.А. (RA3PCS)

   В 1998 году английский радиолюбитель Питер Мартинез (G3PLX) создал программу PSK31SBW, это событие стало началом использования радиолюбителями всего мира, такого вида цифровой радиосвязи как PSK (Phase Shift Keying). С того времени программное обеспечение, для работы PSK, стремительно совершенствовалось. Компьютерные технологии позволили использовать практически неограниченные возможности для работы цифровыми видами связи, появились и аппаратные решения для возможности работы ими в радиолюбительском эфире.
   Как правило, программа для работы PSK, использует для приёма и формирования сигнала звуковое устройство компьютера, внутреннее или внешнее. Для работы в цифровых участках радиолюбительских диапазонов используется коротковолновый трансивер, на смеситель которого и подаётся сформированный звуковым устройством компьютера PSK сигнал. Соединение звукового устройства компьютера с трансивером осуществляется с помощью интерфейса связи. Качество сигнала PSK в эфире зависит от многих факторов: - линейность приёмо-передающего тракта радиолюбительского трансивера, качество изготовления аналогового интерфейса, соединяющего звуковое устройство компьютера с трансивером, характеристики звукового устройства компьютера, даже наличие хорошего заземления играют важную роль в формировании качественного сигнала PSK. Также немаловажным фактором служит правильная настройка уровней сигналов между звуковым устройством компьютера и трансивером. Уровни должны быть подобраны таким образом, чтобы не перегружать звуковой вход компьютера, а смеситель трансивера работал в линейном режиме. Если превысить допустимый порог, то в сигнале PSK, как правило, появляются нежелательные составляющие, проявляющиеся в появлении внеполосных излучений и искажений сигнала.
   Критерием качества сигнала PSK принято считать уровень интермодуляционных искажений IMD (Intermodulation Distortion), проявляющихся в результате "биений" между гармоническими составляющими присутствующими в сигнале, возникающих в следствии нелинейности протекающих в тракте процессов. Чем выше уровень гармоник в сигнале, тем выше IMD и наоборот.
   Как правило, большинство радиолюбителей, работающих PSK, используют для контроля уровня сигнала, поступающего от звукового устройства компьютера, показания индикатора ALC. Как только индикатор ALC отклоняется, то уровень сигнала с компьютера необходимо уменьшить. В идеальном случае можно использовать контрольный приёмник, подключенный ко второму компьютеру, но этот метод самый затратный. Также существуют специальные устройства, специально разработанные для контроля качества сигналов PSK. Они тем или иным способом фиксируют PSK сигнал, передаваемый корреспондентом в эфир, и производят соответствующие измерения уровней составляющих сигнала, а затем рассчитывают уровень IMD присутствующий в нём. Конструкция одного из таких радиолюбительских приборов описана в этой статье.
   Устройство подключается к коаксиальному кабелю, питающему антенну посредством тройника 3-PL или 2-PL и 1-SO, для этого служит коаксиальный ВЧ разъём SO-239NGB, установленный на торце корпуса прибора. Основой данного устройства служит микроконтроллер PIC18F452, который осуществляет оцифровку сигнала, и на основании полученных значений вычисляет уровень гармонических составляющих сигнала PSK, начиная с основной гармоники до шестой включительно. Для этого в данной конструкции используется программное решение, основанное на методе быстрого преобразования Фурье с использованием 24 ординат на период сигнала, уровни гармонических составляющих вычисляются микроконтроллером по схеме Рунге. После получения данных о гармониках присутствующих в сигнале, выполняется вычисление интермодуляционной составляющей сигнала (IMD). Способ вычисления IMD основан на вычислении величины искажений сигнала, вызванных за счёт появления гармонических составляющих, образующихся в результате нелинейной работы одного или нескольких узлов приёмо-передающего комплекса. Коэффициент интермодуляционных искажений принимается равным отношению суммы величин всех гармонических частот к величине основной частоты. Таким образом, зная напряжение всех гармонических частот и напряжение основной частоты, можно вычислить величину искажений. Внешний вид прибора изображён на рис. 1.

рис.1

   Вычисленные параметры выводятся микроконтроллером на графический дисплей размером 128х64 пикселя. В левой части экрана расположена столбчатая гистограмма гармонических составляющих сигнала, с 1-й (основной) по 6-ю гармонику включительно. Уровни гармоник на ней отображаются в ваттах, прибор имеет два диапазона мощностей, 50 Вт и 100 Вт. В правом верхнем углу дисплея отображается надпись, сигнализирующая о наличии сигнала на входе прибора. При отсутствии сигнала отображается надпись "NO SIGNAL", когда сигнал присутствует и его мощность находится в пределах выбранного диапазона, прибор выводит надпись "SIGNAL", в случае превышения мощности отображается надпись "OVERLOAD". Ниже, в правой части дисплея выводятся данные о режиме прибора и расчётные данные о состоянии анализируемого сигнала PSK. Прибор способен работать с тремя различными видами сигнала PSK, это: PSK31, PSK63, PSK125. При выборе соответствующего режима в правой части дисплея выводится соответствующая аббревиатура PSK31, PSK63 или PSK125. Ниже её располагается строчка вывода рассчитанного уровня интермодуляционных искажений (IMD), его значение выводится в децибелах, относительно уровня основной гармоники сигнала, и отображается непосредственно после аббревиатуры "IMD:". Самая нижняя строчка выводит раппорт о состоянии сигнала PSK. Она обозначена на дисплее аббревиатурой "REP:" и может принимать три различных значения. При включении прибора никаких сигналов ещё проанализировано не было, поэтому в строку рапорта выводится значение "UNKN", что означает отсутствие каких либо измеренных и расчётных значений. После выполнения измерений, при уровне IMD ниже 21 dB, в строку выводится значение "GOOD", сообщающее о приемлемом уровне интермодуляционных искажений в сигнале PSK, при превышении уровнем IMD порога в 21 dB, в строке выводится значение "BAD", что сигнализирует о необходимости регулировки уровней сигнала поступающих на смеситель трансивера, необходимости доработки узлов соединения трансивера с компьютером, или параметры применяемого звукового устройства оставляют желать лучшего. На лицевой панели прибора, слева от дисплея, располагаются два световых индикатора. Верхний индикатор, обозначенный символом "sig", сигнализирует о качестве анализируемого сигнала PSK и, фактически, дублирует информацию, отображаемую в строчке "REP", при уровне IMD ниже 21 dB, он загорается зелёным цветом, при превышении указанного уровня цвет индикатора изменяется на красный. Нижний индикатор красного цвета, служит индикатором процесса заряда аккумуляторной батареи и обозначен аббревиатурой "chrg". В правом нижнем углу дисплея находится информация о состоянии батареи питания прибора. Выводится рисунок батарейки, заполняемой в зависимости от уровня заряда батареи, а также выводится напряжение батареи питания. В процессе работы от батареи уровень её напряжения понижается, при достижении уровня в 6В батарею необходимо зарядить, об этом просигнализирует и незаполненный рисунок батарейки на дисплее прибора.
   Схема устройства изображена на рис.2.

рис.2

   При осуществлении передачи, сигнал PSK, через конденсатор С9 и резистивный делитель R2, R1 попадает на детектор выполненный на диодах VD1, VD2. Детектированный сигнал PSK, через цепь С1 и R3 попадает на вход АЦП RA1 микроконтроллера DD1. Галетный переключатель SW1 предназначен для выбора режима PSK, анализ которого необходимо производить, и имеет три рабочих положения: PSK31, PSK63, PSK125 соответственно. Тумблером S2 производится выбор диапазона мощности 50 или 100 Вт, в котором планируется производить измерения. Светодиод HL2 двухцветный, при определении рапорта сигнала PSK рапорту "GOOD" соответствует зелёный цвет светодиода, рапорту "BAD"- красный. Управляется светодиод посредством транзисторов VT4 и VT5, работающих в ключевом режиме, управление зелёным свечением осуществляется с порта RC6, управление красным свечением с порта RC7 микроконтроллера. Резистором R4 осуществляется настройка контрастности графического дисплея HG1. Тумблер S1 осуществляет включение питания прибора от встроенной батареи NiMH аккумуляторов, расположенной на задней стенке прибора рис. 3.

рис.3

   Батарея аккумуляторов включает в себя 6 NiMH элементов, заряд которых осуществляется с помощью встроенного в прибор зарядного устройства, выполненного на микросхеме DD2. Схема включения микросхемы, применяемая в приборе осуществляет импульсный режим работы зарядного устройства, что позволяет существенно повысить КПД зарядного устройства и снизить нагревание элементов устройства при выполнении заряда батареи. Принцип работы устройств, с применением данной микросхемы широко описан в различных изданиях и сложностей не представляет, поэтому в рамках данной статьи полностью рассматривать принцип его работы не будем. Стоит упомянуть лишь о необходимости подбора номиналов резисторов R35, R36, R37, R38 с помощью которых устанавливается зарядный ток аккумуляторной батареи. Эти резисторы включены параллельно и представляют шунт для измерения микросхемой DD2 тока заряда батареи. Чем меньше сопротивление шунта, тем выше зарядный ток. Для питания прибора автором были применены аккумуляторы ёмкостью в 1000 mAh, поэтому номиналы резисторов соответствуют значениям, указанным на принципиальной схеме (1 Ом). В случае применения аккумуляторов иной ёмкости, значения резисторов необходимо изменить в соответствии с руководством к микросхеме. Светодиод HL1 включается в начале процесса заряда батареи и гаснет при достижении батареей номинального напряжения заряда. Микросхема DA1 является интегральным стабилизатором напряжения, от неё питаются все узлы рассматриваемого прибора. Через резистивный делитель R23,R24 часть напряжения аккумуляторной батареи подаётся на вход АЦП RA2 микроконтроллера. Делитель необходим, чтобы привести измеряемое напряжение в интервал, допустимый для АЦП микроконтроллера, с помощью которого производится контроль уровня заряда батареи питания. Резистор R33 выполняет ограничение тока в цепи подсветки дисплея, при этом яркость подсветки составляет примерно 33% от полной яркости. Это необходимо для уменьшения тока, потребляемого прибором и продления времени его работы от батареи. При необходимости увеличения яркости прибора следует уменьшить значение сопротивления резистора R33.
   Прибор собран в алюминиевом корпусе размерами 120х100х35мм на печатной плате с размерами 100х78мм, из фольгированного с двух сторон стеклотекстолита толщиной 1.5мм, и имеет места для установки элементов и печатные проводники с обеих сторон. Чертёжи платы прибора приведён на рис. 4a - d. (4а-детали слой ТОР, 4b-детали слой ВОТТОМ, 4c-дорожки слой ТОР, 4d-дорожки слой ВОТТОМ).

рис.4a-d

   Микросхемы DD1 (PIC18F452) и DD2 (MAX712) применяются в DIP-корпусах и устанавливаются с обратной стороны платы (ВОТТОМ). Микроконтроллер DD1 устанавливается в специализированную цанговую панельку для микросхем в DIP корпусах. Резисторы R1, R2, R33, R35, R36, R37, R38 марки МЛТ 0,125, остальные ЧИП - резисторы типоразмера ЧИП1206. Потенциометр R4 марки СП3-19 или подобный для установки на печатную плату. Кварцевый резонатор устанавливается со стороны установки микроконтроллера, желательно применить резонатор в корпусе "лодочка". Неполярные конденсаторы, кроме С9, керамические, с типоразмером корпуса ЧИП1206. Полярные конденсаторы также типоразмера ЧИП1206 танталовые. Транзистор VT1 в корпусе ТО252АА. Диоды VD1 и VD2 марки КД521, диод VD5 марки DL4148 в корпусе для поверхностного монтажа, VD3 и VD4 - диоды Шоттки, марки VS-10MQ040NT, или подобные с обратным напряжением 40В и прямым током 1.5А в корпусах SMA. Светодиод HL1 - одноцветный "красный" типа АОЛ307 или подобный, HL2 - двухцветный "красный и зелёный", марки BL-D345. Светодиоды монтируются в плату на длинных выводах, чтобы обеспечить возможность вывода их на лицевую сторону прибора. Дроссель L1 - 220 мкГн, в корпусе для поверхностного монтажа, но конструктив платы предусматривает возможность применения и самодельного дросселя, например на ферритовом кольце. Монтаж элементов на печатной плате показан на рис.5 и рис.6.

рис.5

рис.6

   В приборе использован графический дисплей HG1 марки WC12864A фирмы WinSTAR, имеющий размеры матрицы 128х64 точки. Возможно применение подобных графических дисплеев других производителей. Он устанавливается на печатную плату со стороны 1 (TOP), с помощью стоек высотой 10мм, в специально предусмотренные для них отверстия, совпадающие с отверстиями в дисплее. Для соединения цепей интерфейса графического дисплея со схемой прибора, на плате предусмотрен ряд контактов для подключения дисплея. Подключение можно произвести с помощью отрезков проводников, запаянных непосредственно в соответствующие контакты подключения дисплея на плате и на дисплее, также возможно применить различные штырьковые разъёмы для подключения, что обеспечит возможность снятия дисплея с платы прибора без пайки. Плата с установленным на ней дисплеем показана на рис. 7.

рис.7

   Плата устанавливается в прибор на пластиковых распорках рис. 8, которые выполнены таким образом, чтобы при закрытии крышки прибора плата надёжно фиксировалась внутри корпуса.

рис.8

   Конденсатор С9 неполярный керамический дисковый, типа К15-5Н70, монтируется навесным способом к центральному проводнику входного коаксиального ВЧ разъёма прибора и соответствующему контакту на плате прибора. Аккумуляторная батарея закреплена на задней стенке прибора с использованием двух пластиковых боксов для элементов типа АА и подключается к контактам "BAT+" и "BAT-" на плате, с помощью отрезков провода ПЭВ0,5. Питание зарядного устройства, для осуществления заряда аккумуляторной батареи, осуществляется с помощью внешнего источника постоянного тока напряжением 12-15В. Источник подключается к прибору через разъём питания, расположенный на боковой стенке, рядом с ВЧ разъёмом. Разъём питания подключается к контактам "+" и "-" платы устройства отрезками провода ПЭВ0,5. Тумблеры S1, S2 и галетный переключатель SW1 подключаются к соответствующим контактам на плате устройства отрезками провода МГТФ.

рис.9

   Методика измерения интермодуляционных искажений PSK сигнала с помощью описанного прибора производится следующим образом: прибор подключается к коаксиальному кабелю, питающему антенну посредством тройника рис. 9; тумблером "ON" (S1) включается питание прибора; тумблером выбора диапазона мощности (S2) выбирается предельная мощность для измеряемого сигнала PSK; галетным переключателем (SW1) выбирается используемый режим PSK31, PSK63 или PSK125; трансивер настраивается на свободную частоту в участке, разрешённом для работы цифровыми видами модуляции, например 14070.00 кГц, необходимо отметить, что при работе видами PSK, трансивер должен быть соответствующим образом настроен, отключите все спич - процессоры, компрессоры, ограничители, а также микрофон, если в трансивере имеется специально предусмотренный режим для работы цифровыми видами связи, воспользуйтесь им; установите регулятор уровня выхода звукового устройства компьютера в минимальное положение; запустите режим передачи в любой программе поддерживающей PSK, без ввода каких - либо символов для передачи; регулятором уровня выхода звукового устройства вашего компьютера медленно поднимайте выходной уровень сигнала, на дисплее начнут появляться показания уровней гармонических составляющих сигнала, производите увеличение выходного уровня звукового устройства до тех пор, пока не достигните желаемой выходной мощности или показания прибора в строке IMD не превысят значения в 21 dB, и светодиод "sig" не изменит цвет свечения на красный, при этом в строке "REP:" Вы увидите рапорт о качестве сигнала "BAD", чтобы сигнал не выходил за установленные рамки всегда следите за состоянием светодиода "sig" и рапортом прибора, светодиод должен светиться зелёным цветом, а в строке рапорта должна присутствовать надпись "GOOD". При появлении отрицательного рапорта верните регулятор выходного уровня звукового устройства немного назад. В процессе работы PSK прибор, подключенный к кабельной линии будет реагировать на изменение фазы контролируемого сигнала, поэтому в процессе передачи информации адекватно оценивать уровень IMD невозможно, но в начале и в конце каждой посылки PSK присутствуют так называемые стартовые и стоповые участки, при анализе которых прибор выдаёт корректные значения IMD для измеряемого сигнала. Контролируйте качество своего сигнала в начале и в конце передачи PSK сообщений, а также производите контроль до начала работы в эфире при настройке.

P.S. По просьбам читателей добавлены к статье файлы принципиальной схемы и платы в формате P-CAD и несколько фотографий прибора в момент измерения сигнала ПСК с присутствием высших гармоник.

рис.10

рис.11

рис.12

рис.13

рис.14

рис.15

рис.16

Литература

1. Однокристальные 8-разрядные FLASH CMOS микроконтроллеры c 10-разрядным АЦП компании Microchip Technology Incorporated PIC18FXXX, техническая документация DS39564A.
2. Цифровая обработка сигналов/ А.Б. Сергиенко - СПб.: Питер, 2002 -608 с., ил.
3. Дьяконов В.П. Справочник по алгоритмам и программам на языке Бейсик для персональных ЭВМ: Справочник.- М.: Наука. Гл.ред.физ. - мат. лит., 1989. - 240 с.
4. MAXIM NiCd/NiMH Battery Fast-Charge Controllers, Datasheet 19-0100; Rev. 3; 1/97.

Скачать файл прошивки микроконтроллера.
Скачать файлы принципиальной схемы и платы в формате P-CAD.

*********************************
Андрей RA9CHT немоного усовершенствовал программу прошивки IMD-тестера.
Теперь вид модуляции переключается кнопкой, а не переключателем на 3 положения, что удобнее, да и кнопка дешевле переключателя.
Файл прошивки для этого варианта можно скачать здесь.