QO-100 (Phase4-A) jeostasyoner uydusu üzerinden işletilecek bir karasal radyo kanalının temel teknik gereksinimlerinden biri, gönderme-alma yolunun frekans kararlılığıdır.
CW ve sesli haberleşme (SSB) sırasında radyo kanal frekansının yeterli kararlılığa sahip olmaması, operatör tarafından sürekli manuel frekans ayarlaması yapılmasını gerektirebilir ve dijital haberleşme sırasında değişim protokolünün çözülmesinin ve sonuç olarak bir haberleşme oturumunun gerçekleştirilememesine yol açabilir.
1. Frekans dengesizliğinin kaynaklarının belirlenmesi
Bilindiği üzere, QO-100 radyo kanalı, 10489 MHz’de aşağı bağlantı alımı ve 2400 MHz’de aşağı bağlantı iletimi için tam çift yönlü çalışma varsayar. Bu nedenle, frekans kararlılığı gereklilikleri, daha yüksek frekanslı kanal, yani 10489 MHz alım kanalı için en katı olacaktır.
Radyo kanalı, klasik (klasik çift yönlü VHF/UHF alıcı-verici ile) veya SDR tasarımı kullanılarak uygulanabilir, ancak her iki seçeneğin de çözüm prensipleri benzerdir.
Yapısal diyagramdan da görülebileceği gibi, alıcı kanalda yalnızca iki frekans belirleyici eleman bulunur: LNB alıcı dönüştürücü ve SDR alıcı-verici. LNB’deki frekans belirleyici eleman, genellikle 25 MHz’lik bir kristal osilatördür ve faz kilitli döngü (PLL) ile 390 kez çarpılarak 9750 MHz’lik LNB yerel osilatör frekansı elde edilir.
Alıcı kanaldaki ikinci frekans belirleyici eleman, 739 MHz frekansında alım için çalışan SDR alıcı-vericisinin 40 MHz kuvars kristal osilatörüdür.
Verici kanalında yalnızca bir frekans belirleyici eleman bulunur; bu eleman, 2400 MHz iletim frekansında çalışan SDR alıcı-vericisinin 40 MHz kuvars kristal osilatörüdür.
Dolayısıyla QO-100 radyo kanalının frekans kararlılığı nihayetinde iki unsur tarafından belirlenir:
- LNB’de – 25 MHz frekanslı bir referans kristal osilatör
- SDR alıcı-vericinin 40 MHz kuvars kristal osilatörü vardır
LNB ve SDR alıcı-vericisindeki bu iki frekans belirleyici elemanın dar bant uydu transponderi üzerinden çalışma gereksinimlerini karşılamadığı ve frekans kararlılığı parametrelerinde önemli iyileştirme gerektirdiği bir sır değildir.
Sorunun boyutunu belirlemek için bu iki unsurun gerçek kısa vadeli frekans kararlılığının ölçümlerini yapacağız ve teknik parametreleri iyileştirmek için olası seçenekleri belirleyeceğiz.
Bir jeneratörün kısa dönem frekans kararlılığını belirlemek için, Allan sapması (ADEV)* değerinin ölçülmesi gelenekseldir.
SDR alıcı-vericiler konusunda ise iki seçeneği değerlendireceğiz: Analog Devices (ABD) firmasının orijinal ADALM PLUTO’su ve onun klonu PLUTO PLUS (Çin).
2. Ölçüm standı
Allan sapmasını ölçmek için aşağıdaki ekipmanlara sahip bir ölçüm standı kullanılır:
- Seçenek 19 ile Pendulum CNT-91 (Gelişmiş Frekans ve Zaman Aralığı Analizörü)
(tau = 1 sn için kısa vadeli kararlılık < 1E(-10)) - GPIB/USB arayüzü
- John Miles’ın Windows 10 için KE5FX adlı TimeLab yazılımı
- Rohde&Schwarz NGE100 güç kaynağı
3. LNB için Allan sapmasının ölçülmesi
ADEV ölçümlerini alalım:
- 25 MHz LNB kristal osilatörü
- 10 MHz PQ-101 Anakart Referansı OCXO
- PQ-101 kartının 25 MHz referans sinyali
- GPSDO LeoBodnar Mini çıkışından 10 MHz sinyali
Yukarıdaki grafikte ölçülen Allan sapması (ADEV) değerleri gösterilmektedir:
- yeşil – 25 MHz LNB kristal osilatörü
- mavi – PQ-101 ana kartının 10 MHz referans OCXO’su
- Raspberry – PQ-101 kartının 25 MHz referans sinyali
- kırmızı – GPSDO LeoBodnar Mini çıkışından 10 MHz sinyali
| Sinyal | Tau 100’ler için ADEV | ADEV’in GPSDO ile ilişkisi |
| 25 MHz LNB kristal osilatörü | 1.48E-8 | 299 |
| 10 MHz PQ-101 Anakart Referansı OCXO | 6.71E-11 | 1.35 |
| PQ-101 kartının 25 MHz referans sinyali | 7.58E-11 | 1.53 |
| GPSDO LeoBodnar Mini çıkışından 10 MHz sinyali | 4.95E-11 | 1.00 |
Bu, LNB referans osilatörünün GPSDO’dan yaklaşık 299 kat daha az kararlı, ayrıca PQ-101 anakartından gelen 25 MHz referans sinyalinden 195 kat daha az kararlı olduğu anlamına geliyor.
25 MHz’lik bir sinyalin 9750 MHz’lik bir yerel osilatör sinyali üretmek için kullanıldığı düşünüldüğünde, alım sırasındaki frekans sapmasının mutlak standart sapması hesaplanabilir:
- standart (değiştirilmemiş) LNB için = 9750 * 1E6 * 1.48E-8 = 144 Hz
- Ana karttan harici 25 MHz sinyalli modifiye edilmiş bir LNB için PQ-101 = 9750 * 1E6 * 7.58E-11 = 0.73 Hz
Hesaplama yapılırken, Allan sapmasının tepe değerinin, karekök ortalamasından onlarca kat (ortalama olarak yaklaşık 30 ila 100 kat) farklı olabileceği, yani LNB’nin değiştirilmemiş bir versiyonunda tepe frekans sapmasının 10 kHz’i aşabileceği dikkate alınmalıdır.
4. SDR Alıcı-Vericiler için Allan Sapmasının Ölçülmesi
ADEV ölçümlerini alalım:
- 40 MHz SDR kristal osilatör ADALM PLUTO (Analog Cihazlar)
- 40 MHz SDR kristal osilatör PLUTO-PLUS (Çin)
- PQ-101 ana kartının 25 MHz referans sinyali
- GPSDO LeoBodnar Mini çıkışından 10 MHz sinyali
Yukarıdaki grafikte ölçülen Allan sapması (ADEV) değerleri gösterilmektedir:
- yeşil – 40 MHz referans kristal osilatör SDR ADALM PLUTO (Analog Cihazlar)
- kırmızı – 40 MHz referans kristal osilatör SDR PLUTO-PLUS (Çin)
- mavi – PQ-101 ana kartının 25 MHz referans sinyali
- Crimson – LeoBodnar Mini GPSDO çıkışından 10 MHz sinyali
| Sinyal | Tau 100’ler için ADEV | ADEV’in GPSDO ile ilişkisi |
| ADALM PLUTO SDR referans kristal osilatörü | 4.55E-8 | 919 |
| SDR PLUTO-PLUS referans kristal osilatörü | 7.09E-10 | 14.3 |
| PQ-101 kartının 25 MHz referans sinyali | 7.58E-11 | 1.53 |
| GPSDO LeoBodnar Mini çıkışından 10 MHz sinyali | 4.95E-11 | 1.00 |
Bu, ADALM PLUTO SDR alıcı-vericisindeki referans osilatörünün GPSDO’dan yaklaşık 919 kat daha az kararlı, ayrıca PQ-101 anakartından gelen 25 MHz referans sinyalinden de 600 kat daha az kararlı olduğu anlamına geliyor.
Değiştirilmiş bir SDR alıcı-vericide 2400 MHz iletim sinyali üretmek için 25 MHz sinyal kullanıldığı düşünüldüğünde, iletim sırasında frekans sapmasının mutlak standart sapması hesaplanabilir:
- standart (değiştirilmemiş) bir SDR alıcı-verici için = 2400 * 1E6 * 4.55E-8 = 109 Hz
- PQ-101 ana kartından harici 25 MHz sinyal alan değiştirilmiş bir SDR alıcı-verici için = 2400 * 1E6 * 7.58E-11 = 0.18 Hz
Hesaplama yapılırken, Allan sapmasının tepe değerinin, kök ortalama kare değerinden onlarca kat (ortalama olarak yaklaşık 30 ila 100 kat) kadar farklı olabileceği, yani SDR alıcı-vericinin değiştirilmemiş bir versiyonunda tepe frekans sapmasının 10 kHz’i aşabileceği dikkate alınmalıdır.
5. SDR kiti PQ -101’deki frekans sabitleme sorununun çözümü
PQ-101 SDR kitinde, frekans stabilizasyonu sorunu, 10 MHz’de oldukça kararlı bir OCXO’dan üretilen 25 MHz frekanslı bir referans sinyalinin sentezlenmesiyle çözülüyor.
25 MHz’lik bir referans sinyali sentezlenirken, yüksek frekans kararlılığına ek olarak düşük faz gürültüsü elde etmek önemlidir. 25 MHz’lik bir referans sinyalinin 9750 MHz ile (390 kez) çarpılması, faz gürültüsünü 52 dB azaltır. Yüksek faz gürültüsü, alınan sinyalin sinyal-gürültü oranını düşürecek ve düşük enerjili sinyalleri maskeleyecektir.
İki farklı referans frekansı (SDR Pluto için 40 MHz ve LNB için 25 MHz) üretme ihtiyacını ortadan kaldırmak için PQ-101 SDR kiti, 25 MHz’lik tek bir referans sinyali üretir. Bu referans sinyali, donanımla değiştirilmiş LNB’ye ve 25 MHz referansıyla çalışacak şekilde yeniden programlanmış donanım ve yazılımla değiştirilmiş SDR PLUTO’ya iletilir.
Bu çözüm, ADALM PLUTO’nun frekans kararlılığını 600 kat, LNB’nin frekans kararlılığını ise 195 kat artırmamızı sağladı; yani sadece SSB ve CW’de değil, dar bantlı dijital modlarda da çalışma için frekans kararlılığı sorununu net bir şekilde çözdük.
6. Sonuçlar:
- LNB ve SDR alıcı-verici için yüksek kaliteli bir OCXO’dan harici bir referans osilatör kullanmak, hem alım hem de iletim için frekans kararlılığı sorununa net bir çözüm sağlamak açısından oldukça mantıklıdır
- Aslında, iyi bir OCXO referans osilatörü, harici bir GPSDO ile aynı düzeyde frekans kararlılığına izin verir
- PQ-101 ana kartı ayrıca harici bir GPSDO’dan (isteğe bağlı olarak) çalışma yeteneğine de sahiptir
- LNB’deki kuvars rezonatörünün TCXO ile değiştirilmesi, özellikle LNB açık havada çalıştırılıyorsa, frekans kararlılığı sorununu tam olarak çözemez.
- Çin PLUTO-PLUS’taki 40 MHz referans osilatörü, yerli ADALM PLUTO’ya göre önemli ölçüde daha iyi (şaşırtıcı!!!)
- Referans sinyalinin frekans kararlılığı konusu ele alındığında, alıcı sinyalin sinyal-gürültü oranının bozulmasını önlemek ve iletim sırasında temiz bir spektrum elde etmek için üretilen referans sinyalinin faz gürültüsünün kontrol edilmesi gerekir.
- GPSDO ve OCXO Karşılaştırması: OCXO yerine, GPSDO oldukça kararlı bir referans osilatörü olarak kullanılabilir. Bu çözümlerin her birinin kendine özgü avantajları ve dezavantajları vardır. Bunları belirli bir göreve göre ele alalım.
- OCXO’nun Artıları / GPSDO’nun Eksileri
- Açık gökyüzünün olmadığı yerlerde çalışmak
- Pencere açıklıklarına bağlantı yoktur, pencere açıklıklarından mesafe kısıtlaması yoktur
- QO-100 uygulamaları için GPSDO ile yaklaşık olarak karşılaştırılabilir frekans kararlılığı
- PQ-101 iletimi üzerinde çalışırken GPS kanalının “tıkanması” sorunu yaşanmaz
- GPSDO’ya kıyasla daha düşük faz gürültüsü (GPSDO türüne bağlı olarak)
- GPSDO’nun Artıları / OCXO’nun Eksileri
- Daha düşük güç tüketimi (GPSDO için yaklaşık 1 W ve OCXO için 1,5 W)
- Yüksek frekans doğruluğu ve kararlılığı
- OCXO’nun Artıları / GPSDO’nun Eksileri
7. Mazeretler
- Ölçümler küçük bir örneklemle gerçekleştirildi – yalnızca bir ADALM PLUTO, bir PLUTO-PLUS ve bir LNB SR-3602ACE
- Seçenek 19 kısa vadeli frekans kararlılığı CNT-91 için sınırlamalar (ölçüm eşikleri):
- 1E-10 tau’da = 1 sn
- 1E-11 tau’da = 10 saniye
- 1E-12 tau’da = 100 saniye
- vesaire.
- Ölçümlerden önce, tüm ölçüm ekipmanları en az 6 saat ısıtıldı. Ölçülen cihazlar (LNB’ler ve SDR alıcı-vericiler) ise, çalışma modunda 1 saatlik bir ısınma süresinin ardından ölçüldü.
- Tüm ölçümler +23 C oda sıcaklığında gerçekleştirildi. -30…+50 C sıcaklık aralığındaki iklimlendirme odasında ölçüm yapılmadı.
- GPSDO’nun ölçülen Allan sapması, GPS anteninin açık alanda değil, gökyüzünün ikinci yarım küresi evin duvarı ile kapalı olan bir klima üzerinde konumlandırılmasından dolayı yüksek olabilir.