Моя СДВ/VLF обсерватория (прием сверхдлинных радиоволн - сверхдлинные волны)

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за возможные последствия использования предоставленной информации.

С теоретическими сведениями о сверхдлинных радиоволнах Вы можете ознакомиться здесь.
С описанием некоторых сверхмощных радиопередатчиков в диапазоне сверхдлинных волн Вы можете ознакомиться здесь.

Конструкция сверхдлинноволнового приемника

Антенна

Антенны для приема сверхдлинных волн разделяются на электрические (англ. E-Field antenna), реагирующие на электрическую составляющую электромагнитного поля, и магнитные (англ. B-Field antenna), реагирующие на магнитную составляющую:
электромагнитная волна

Пространственная ориентация электрической составляющей электромагнитной волны (вертикальная или горизонтальная) называется поляризацией. Сверхдлинные волны обладают вертикальной поляризацией в большинстве случаев.
поляризация электромагнитных волн

Электрическая антенна :

вертикальный монополь (англ. whip):
комбинация вертикального штыря и заземляющего провода, соединенного с корпусом прибора, контактирующим с телом оператора, или с заземлением:
VLF штыревая антенна

длинный провод (англ. long wire).

Для настройки в резонанс приемника с электрической антенной можно использовать два способа:

переменная индуктивность переменная емкость
приемник сверхдлинных волн антенна для сверхдлинных волн

В качестве переменной индуктивности для настройки контура может быть использован гиратор (этот вариант предложен в 1993 году исследователем Phillip Eide (позывной  KF6ZZ):
гиратор

 При настройке с помощью переменной емкости используется катушка на тороидальном ферритовом сердечнике с индуктивностью в десятки миллигенри и воздушные конденсаторы переменной емкости (подобный приемник описан исследователями Peter Taylor и Arthur J. Stokes (позывной N8BN) в 1993 году).

Магнитная антенна (англ. loop, coil):

рамочная антенна - рамка в виде замкнутой плоской фигуры (прямоугольника, круга, ромба и т.д.) из нескольких десятков витков: ферритовая антенна (магнитная рамочная антенна) - катушка на ферритовом стержне:
VLF рамочная антенна VLF ферритовая антенна

Для настройки в резонанс приемника с магнитной антенной используется переменная емкость:
настройка магнитной антенны

Для приема сверхдлинных волн с частотой до единиц герц применяют горизонтальную магнитную антенну, охватывающую большую площадь (англ. horizontal loop) - рамка из нескольких витков провода (1) с отводами (3), закрепленная на изолирующих стойках (2):
горизонтальная магнитная антенна
Например, итальянский радиолюбитель  Renato Romero с позывным IK1QFK для приема в диапазоне 1 Гц - 6 кГц использует квадратную рамку из трех витков изолированного провода диаметром 0,6 мм с длиной стороны 30 м (длина провода составила 360 м), закрепленную на деревянных стойках высотой 2 м. Рамка через согласующий трансформатор и коаксиальный провод RG58 длиной 70 м подключена к микрофонному входу звуковой карты.

Альтернативой такой антенны является земной диполь (англ. earth dipole) - два металлических стержня длиной около метра, закопанные вертикально в землю на расстоянии нескольких десятков метров друг от друга.

Также применяют T-образные антенны размерами в десятки метров, впервые использованные в радиолюбительском диапазоне 137 МГц.

Усилитель

В простейшем варианте антенна подключается напрямую к входу звуковой карты ноутбука.

Для улучшения чувствительности можно использовать предусилитель с входным каскадом на полевом (JFET) транзисторе (активная антенна - active antenna) или операционном усилителе.

Мой приемник сверхдлинных волн

Антенна

Я использовал рамочную антенну (реагирующую на магнитную составляющую электромагнитной волны) в виде квадрата с длиной стороны $W=26 \, см$, намотанную $N=50$ витками эмалированного провода омическим сопротивлением $R=45 \, Ом$ радиусом $a=0,1 \, мм$):

ELF/VLF антенна

Длина провода составила $l=4 N W = 52 \, м$.
Площадь рамки $S = {W^2} = 0,068 \, {м^2}$.
Так как длина провода намного меньше длин сверхдлинных радиоволн, то такая антенна является "малой" (small) рамочной антенной.

Напряжение сигнала, наводимое в такой антенне вертикально поляризованной радиоволной, определяется формулой:
$U = {{2 \pi S N E cos \theta} \over {\lambda}}$, где $E$ - напряженность электрического поля электромагнитной волны, В/м, $\lambda$ - длина радиоволны, м, $\theta$ - угол между плоскостью антенны и направлением на источник сигнала (передатчик).
Такая антенная эквивалентна по эффективности вертикальной штыревой антенне высотой $h = {{2 \pi S N} \over {\lambda}}$. Таким образом, моя антенна для частоты $f = 20 \, кГц$ (длина волны ${\lambda} =   \, м$ ) соответствует штыревой антенне высотой $h = {{2 \pi S N} \over {\lambda}} \, м$ .
Диаграмма направленности рамочной антенны в горизонтальной плоскости (при расположении плоскости витков вертикально) имеет вид "восьмерки":
диаграмма направленности рамочной антенны

Если плоскость рамки параллельна направлению на радиостанцию (рамка «стоит боком»), то уровень (амплитуда) принимаемого рамочной антенной сигнала максимален. Если же плоскость рамки перпендикулярна направлению на радиостанцию, то уровень принимаемого сигнала минимален.

Это позволяет применить для определения направления на передатчик (пеленг (bearing angle) -  это угол между магнитными (или географическим) меридианом и направлением на передатчик) амплитудный метод с пеленгацией по минимуму (более точный, чем по максимуму). Минимум принимаемого сигнала имеет место в направлении, перпендикулярном к плоскости витков рамки. Антенна при пеленгации поворачивается до положения нулевого приема.

Магнитный пеленг (англ. magnetic bearing, MB):
магнитный пеленг

Для Гомеля с помощью калькулятора geomag.nrcan.gc.ca я получил магнитное склонение (англ. magnetic declination)  8,2° East - магнитный пеленг меньше истинного пеленга (англ. true bearing, TB) на это значение.

Для определения пеленга из точки наблюдения на заданную точку на поверхности Земли между точками прокладывается ортодромия - дуга большого круга, являющаяся кратчайшим расстоянием между этими точками на поверхности земного шара. В таком случае пеленг совпадает с ортодромическим путевым углом (ОПУ) в точке наблюдения.

Наглядное отображение изменения уровня принимаемого сигнала при повороте антенны на 360º:
поворот рамочной антенны

Применение рамочной антенны позволяет снизить влияние промышленных помех на приемник.

Для того, чтобы распределение тока в рамке можно было считать равномерным, длина одного витка должна быть меньше $\lambda \over 8$.

Расчет индуктивности антенны

Индуктивность одного круглого витка радиусом $R$ определяется выражением:
$L = {\mu}_0 R [  {\ln {( {{8 R} \over a}} )} - 2  ]$

Индуктивность одного квадратного витка с длиной стороны $W$ определяется выражением:
$L = 2 {\mu}_0 {W \over {\pi}} [  {\ln {( {W \over a}} )} - 0,774  ]$

Индуктивность рамки из $N$ витков больше индуктивности одного витка в $N^2$ раз.

(информация взята из курса ECE753 Modern Antennas in Wireless Telecommunications http://www.ece.mcmaster.ca)

Расчетная индуктивность одного витка моей антенны при этом оказалась равной 1,47 мкГн, а всей антенны - 3,7 мГн.

При использовании онлайн-калькулятора сообщества EEWeb результирующая индуктивность составила 4,05 мГн:
EEWeb калькулятор индуктивности

Для расчета параметров квадратной рамочной антенны также предназначена DOS-программа rjeloop3.exe (автор - Reg Edwards).
Для запуска этой программы под управлением современных ОС можно использовать эмулятор DOSBox.
Перед запуском эмулятора я скопировал программу в каталог DOS на диске C. Затем запустил DOSBox.exe и в командной строке эмулятора задал команду для монтирования каталога C:\DOS как диск C:

mount C: C:\DOS После этого перешел в диск C: C: Затем запустил программу расчета антенны: RJELOOP3.EXE Ввел параметры своей антенны: 260 - длина одной стороны рамки, мм;50 - количество витков; 0,2 - диаметр провода, мм. При этом, задав частоту 20 кГц, я получил следующие результаты:
расчет рамочной антенны
Как видно, индуктивность антенны (1,93 мГн), рассчитанная программой, отличается от индуктивности (3,7 мГн), рассчитанной по вышеуказанной формуле.

С помощью коаксиального кабеля РК-75-2-32А (волновое сопротивление 75 Ом) (первоначально был участок и обычного аудиокабеля) антенна подключается к линейному звуковому входу "старого" ноутбука (оба канала запараллелены, для безопасности подключены антипараллельные диоды 1N4148).

Для настройки в резонанс на частоту $f_r$ можно подключить параллельно рамке с индуктивностью $L$ и сопротивлением $R$ конденсатор емкостью $C$:
$f_r ={1 \over {2 \pi}} \sqrt {   {1 \over {LC} } - { {R^2} \over {L^2} }   }$.

Предусилитель

Для повышения чувствительности я использовал двухкаскадный предварительный усилитель, каскады которого собраны по схеме с общим эмиттером:
VLF предусилитель

Усилитель питается через интегральный стабилизатор 78L09, обеспечивающий выходное напряжение 9,13 В.
78L09
Сначала я применил в качестве источника питания восемь гальванических элементов формата AA, а затем подключил сетевой блок питания с выходным напряжением 12 В:
блок питания приемника

В качестве активных элементов я использовал транзисторы BC547B:
BC547

Резисторы R1-R2 и R5-R6 образуют делители, задающие напряжения смещения на базах транзисторов, при котором напряжения покоя на коллекторах транзисторов Q1 и Q2 составляют половину напряжения питания (около 4,5 В).
Резисторы R4 и R8 создают отрицательную обратную связь в цепи эмиттера, обеспечивающую термостабилизацию работы усилителя ("эмиттерная стабилизация").

Результаты моделирования в пакете LTspice  показали, что коэффициент усиления составляет несколько десятков и в диапазоне частот 50 ... 50000 Гц без искажений усиливается сигнал амплитудой до ~ 50 мВ:
усиление VLF сигнала

Выход усилителя подключается к линейному аудиовходу ноутбука ("синий" разъем): линейный аудиовход

Свой СДВ-приемник я собрал, просто закрепив некоторые детали цианоакрилатным клеем на куске картона:
сверхдлинноволновый приемник
Для соединения я использую штекер мини-джек (mini-jack):
VLF приемник
1 - левый канал; 2 - правый канал; 3 - "земля"
(входы левого и правого каналов соединены между собой)

Я использую для оцифровки входного сигнала режим с частотой дискретизации 96 кГц разрядностью 16 бит.

Анализ сигналов

Наиболее удобным вариантов для анализа сигналов на сверхдлинных волнах является спектрограмма (spectrogram) - двумерная диаграмма: горизонтальная ось - время, вертикальная ось - частота, амплитуда определенной частоты в определенный момент указывается цветом (синий цвет на спектограмме означает отсутствие сигнала, красный/белый - наличие сигнала). Такое представление часто называется "спектрограмма-водопад" (waterfall display).

Spectrum Lab
Для мониторинга эфира в режиме реального времени я использую программу Spectrum Lab (скачать можно здесь) версии V2.90 b14 немецкого радиолюбителя Wolfgang Büscher с позывным DL4YHF:
Wolfgang Büscher

При первоначальной настройке необходимо задать частоту оцифровки 96 кГц:
SpectrumLab
и расширить отображаемое окно частот на весь диапазон от 0 до 48 = 96/2 кГц:
Spectrum Lab

В настройках быстрого преобразования Фурье я задал размер окна 8192 отсчета:
SpectrumLab

Ширина окна влияет на частотное или временное разрешение сигнала. При увеличении ширины окна повышается частотное разрешение (количество полос (bins) в анализируемом спектре сигнала), но уменьшается временное разрешение и увеличиваются вычислительные затраты на выполнение быстрого преобразования Фурье:

ширина окна спектрограмма
256 спектрограмма радиосигнала
1024 VLF-сигнал
8192 Spectrum Lab

На приведенном ниже рисунке приведен спектрограммы синхросигнала при ширине окна 1024 и 8192:
спектрограмма радиосигнала

Как видно, при ширине окна 1024 отчетливо различимы границы импульсов, но частота импульсов размыта. При ширине окна 8192 четко отслеживаются центральная частота и две крайние частоты (верхняя и нижняя), но границы импульсов совершенно не различимы.

Анализируемая ширина спектра равна половине частоты дискретизации, т.е. для частоты дискретизации 96 кГц можно исследовать частоты до 48 кГц.

Для удобства мониторинга эфира можно настроить периодический захват и запись в файл изображения с экрана:
SpectrumLab захват экрана

Audacity
Для записи сигналов я использую бесплатную программу Audacity.
Удобно записывать сигналы с помощью встроенного в эту программу таймера:
таймер записи в Audacity

В Audacity тоже можно строить спектрограммы (Spectrogram View) (посредством FFT - быстрого преобразования Фурье).

Сравнение спектра сигналов в Spectrum Lab и Audacity:
сравнение спектра сигналов в Spectrum Lab и Audacity

При этом важную роль, как и при использовании программы Spectrum Lab, играет оптимальный выбор размера окна:
спектральный анализ в Audacity
(размер окна меняется от 128 до 8192).

SAQrx
Также для мониторинга сигналов на сверхдлинных волнах применяется программа SAQrx шведского исследователя Johan Bodin с позывным SM6LKM:
Johan Bodin

nistime
Для синхронизации времени на компьютере с точным временем я использую программу nistime:
nistime

Способы модуляции

азбука Морзе

Алфавит Морзе (Morse) (точка . (dot), тире - (dash):
код Морзе

Длительность точки (1) равна длительности одного элемента (unit); длительность тире (2) равна длительности трех точек; пробел между частями одной буквы (3) равен по длительности одной точке; пробел между буквами одного слова длится как три точки (4):
код Морзе

Длительность пробела между словами равна длительности семи точек.

Скорость передачи информации азбукой Морзе измеряется в словах в минуту (wpm - words per minute), используя слово "PARIS" как стандартное слово (занимает 50 элементов):
P = . - - . = 1 1 3 1 3 1 1 (3) = 14 элементов
A = . - = 1 1 3 (3) = 8 элементов
R = . - . = 1 1 3 1 1 (3) = 10 элементов
I = . . = 1 1 1 (3) = 6 элементов
S = . . . = 1 1 1 1 1 [7] = 12 элементов
Всего = 50 элементов

При скорости 13 wpm один элемент длится 92,31 мс.

азбука Морзе

Для радиосвязи на сверхдлинных волнах с помощь азбуки Морзе используются два варианта модуляции сигнала:
OOK/CWK: Continuous Wave Keying - есть несущая - "1", нет несущей - "0",
используется для передачи сигналов азбуки Морзе в режиме A1A Morse.

FSK: Frequency-shift keying - одна частота - "1", другая частота - "0":
режим FSK Morse/Morse F1B, в котором символы азбуки Морзе кодируются двумя частотами FSK.

цифровые данные

FSK: Frequency-shift keying - одна частота - "1", другая частота - "0",
используется для цифровой передачи со скоростью 50 или 75 бит в секунду

MSK: Minimum-shift keying - наиболее широко применяющийся способ модуляции,
используется для цифровой передачи со скоростями до 300 бит в секунду.

При передаче применяются два набора символьных кодов:
пятибитный код ITA2 (MTK-2) - для переключения регистра (русский, латинский, цифры) используются управляющие символы: РУС (00000), ЛАТ (11111), ЦИФ (11111):

Код Лат. Рус. Циф. Код Лат. Рус. Циф.
11000 A А - 11101 Q Я 1
10011 B Б ? 01010 R Р 4
01110 C Ц : 10100 S С '
10010 D Д   00001 T Т 5
10000 E Е З 11100 U У 7
10110 F Ф Э 01111 V Ж =
01011 G Г Ш 11001 W В 2
00101 H Х Щ 10111 X Ь 1
01100 I И 8 10101 Y Ы 6
11010 J Й Ю 10001 Z З +
11110 K К ( 00010   CR  
01001 L Л ) 01000   LF  
00111 M М . 11111   ЛАТ  
00110 N Н , 11011   ЦИФ  
00011 O О 9 00100   SP  
01101 P П 0 00000   РУС  

восьмибитный код ASCII.

Принятые сигналы

Спектрограммы сигналов:

сигнал частотой 18,1 кГц:

VLF сигнал 18 кГц   VLF сигнал 18 кГц

Этот сигнал имеет FSK-модуляцию - одна частота на 50 Гц ниже, вторая - на 50 Гц выше, чем 18,1 кГц.
(ширина окна 8192):
VLF сигнал 18,1 кГц

Для облегчения анализа такого сигнала целесообразно уменьшить ширину FFT-окна до 1024, что увеличивает временное разрешение.

Начало вещания - на 8-й (?) минуте часа. Я принимал такие типы сигналов этой станции:
СДВ-сигналы
1 - немодулированная несущая
2 - синхросигнал (длительность периода около 60 мс)
3 - синхросигнал (длительность периода около 40 мс)
4 - цифровые данные
5 - азбука Морзе (длительность одного элемента составляет 1/15 с, т.е. скорость передачи равна 18 wpm)

Серии сигналов азбукой Морзе передаются на различных минутах часа. Вот пример такой серии:
сигнал азбукой Морзе
В начале серии три раза передается позывной "RDL":
азбука Морзе

Символ K (key) в конце серии означает "передавайте, перехожу на прием".

Цифровые данные передаются в режиме FSK со скоростью 50 бит в секунду.
Если совместить с цифровыми данными синхросигнал с периодом 40 мс, то можно декодировать данные:
передача цифровых данных на СДВ

Я определил пеленг на источник сигнала (по минимуму) - 160° / 340°.

Исследователь Jarod указывает об этой радиостанции (http://priyom.org/articles/lfvlf-research-by-jarod):
RDL ? - Russ. High Comm. Chaldovar, KGZ
RDL ? - Russ. High Comm. Vileyka, BLR
RDL ? - Russ. High Comm. Nizhniy Novgorod, RUS
RDL ? - Russ. High Comm. Imeritinskaya, RUS
RDL ? - Russ. High Comm. Krasnoarmeyskaya, RUS
VGK - General Staff Moscow, RUS

В списке VLF-радиостанций об этой станции пишется:
VLF радиостанция 18,1 кГц

сигнал частотой 25 кГц:

VLF сигнал 25 кГц

Я попытался определить расписание вещания:

07h02m UTC начало вещания, немодулированная несущая
07h06m UTC циклический повтор позывного (азбука Морзе CWK)
07h07m UTC немодулированная несущая
07h10m UTC синхросигнал
07h13m UTC сигналы времени
07h22m UTC синхросигнал
07h25m UTC окончание вещания

После окончания вещания на частоте 25 кГц (1) станция некоторое время (несколько минут) транслирует немодулированную несущую последовательно на частотах 25,1 кГц (2), 25,5 кГц (3), 23 кГц (4), 20,5 кГц (5):
сигналы службы времени Бета

Я принял сигналы радиостанции из Вилейки с позывным "RJH69":

ширина окна 1024
RJH69
ширина окна 8192
позывной RJH69
В позывном буква "R" означает Россия Россия.

Сигналы времени представляют из себя метки, помечающие 1/10 сек, 1 сек, 10 сек, 60 сек:
ширина окна 1024
служба точного времени Бета
ширина окна 8192
служба времени Бета

метка вид
1/10 сек 1
1 сек 2
10 сек 3
60 сек 4

Я определил пеленг на источник сигнала (по минимуму) - 110-115° / 290-295 °.

сигнал частотой 44,1/44,45 кГц:
сигнал сверхдлинных волн
СДВ сигнал

меандр с периодом 0,25 сек

сигнал частотой 21,75 кГц:
СДВ-сигнал 21,75 кГц
передаются цифровые данные

пеленг на источник - 80° / 260 °

сигнал частотой 23,4 кГц:
VLF-сигнал 23,4 кГц

передаются цифровые данные

сигнал частотой 18,6 кГц:
синхросигнал
VLF сигнал 18,6 кГц  VLF сигнал 18,6 кГц

сигнал частотой 22,125 кГц:

пеленг на источник - 105° / 185 ° .

Регистрация атмосфериков

Для регистрации атмосфериков необходимо настроить программу Spectrum Lab:
настройка Spectrum Lab

Наиболее часто регистрируются сферики - электромагнитные возмущения в диапазоне частот 5-20 кГц, вызванные молниевыми разрядами:
сферик

Сигналы помех, например, в электросети, в отличие от сфериков, наблюдаются во всем диапазоне частот:
помехи

Намного сложнее зафиксировать свисты, которые вызваны молниевыми разрядами в магнитосопряженной точке и наблюдаются в полосе частот 1,5-8 кГц, и имеют на спектрограмме вызванный дисперсией плавный изгиб вправо.

Фиксация внезапных ионосферных возмущений

22 декабря 2016 года во время умеренного геомагнитного шторма (G2) днем в 12.25 UTC я зарегистрировал прохождение сигнала частотой около 22,4 кГц:
ионосферные возмущения

На спектрограмме видны два случая прохождения, отличающиеся по интенсивности.

Также в тот же день я зафиксировал постепенное затухание сигнала частотой 23,4 кГц:
возмущения ионосферы

Помехи

Помеха от мобильного телефона:
VLF помеха от мобильного телефона
Помехи от компактных люминесцентных ламп:
КЛЛ
широкополосные, частота около 40 кГц - типичная рабочая частота балласта CFL-ламп в установившемся режиме:
помеха от КЛЛ  помеха от КЛЛ

Помеха при питании ноутбука от электросети:
помеха от ноутбука

1 - питание ноутбука от сети;
2 - питание ноутбука от батареи

Редко наблюдающаяся сильная помеха,  поступающая из электросети, частотой около 40 кГц:
VLF помеха         VLF помеха

Помеха исчезает при отключении сетевого питания ноутбука:
VLF сетевая помеха

Фон промышленной частоты 50 Гц:
VLF помеха 50 Гц

Помеха от работающего импульсного металлодетектора:
VLF помеха

VLF помеха

Помеха от работающего пылесоса:
помеха от пылесоса

помеха частотой 41,64 кГц:

VLF сигнал 41,5 кГц     VLF сигнал 41,5 кГц

наблюдается в течение суток (пропадал утром)
Также иногда меняется вид сигнала:
VLF сигнал 41,64 кГц
пеленг на источник (относительно направления на магнитный север) - 80° / 260 ° (?)

Помеха(?) в полосе частот 4...5 кГц, присутствующая на всех моих записях:

спектрограмма в Audacity

Продолжение следует

 

Яндекс.Метрика