Kalibracja TCXO Yaesu FT-891 do sygnału GPSDO

Podczas pracy ze sprzętem radiowym ważne jest, aby częstotliwość pracy urządzenia wskazywana na jego wyświetlaczu, lub podawana w inny czytelny sposób, odzwierciedlała rzeczywistość. Brak utrzymania synchronizacji pomiędzy tym co jest nastawione, a tym co jest fizycznie realizowane prowadzi do zniekształceń informacji lub utraty danych, a w skrajnych przypadkach może doprowadzić do złamania prawa przez prowadzenie emisji poza dozwolonym pasmem.

Aby uzyskać zgodność nastawy ze wskazaniem należy wykonać kalibrację wewnętrznego źródła sygnału zegarowego. Należy zapewnić możliwie wysoką precyzję częstotliwości jego drgań ponieważ wszelkie inne sygnały generowane i przetwarzane w urządzeniu odniesione są do wartości nominalnej jego zegara.

Operacja kalibracji przeprowadzana jest zazwyczaj przez producenta na linii produkcyjnej, jednak starzenie się komponentów i naturalny dryf częstotliwości oscylatorów powodują, że po pewnym czasie zaagregowany błąd częstotliwości może dać o sobie znać na tyle, że potrzebne będzie ponowienie kalibracji. Kalibrację przeprowadza się przez porównanie częstotliwości sygnału generowanego z referencyjnym sygnałem odniesienia. Dzięki temu możliwe jest wyznaczenie wartości odstrojenia kalibrowanego oscylatora i wprowadzenie poprawki w kalibrowanym urządzeniu (sprzętowo lub programowo).

Najprostszym sposobem na wyznaczenie odchyłki jest bezpośrednie porównanie elektryczne sygnałów oscylatora i referencji o tej samej częstotliwości nominalnej. Z różnych względów nie zawsze jest to jednak możliwe lub łatwo osiągalne. Bezpośredni dostęp do sygnału zegara może być utrudniony lub fizycznie nie możliwy (ze względu na konstrukcję urządzenia).

Innym sposobem jest wykorzystanie źródła precyzyjnego sygnału odniesienia o nastawianej częstotliwości. Sygnał taki podawany na wejście antenowe radia, po przejściu przez całą wewnętrzną ścieżkę przetwarzania, pojawi się na wyjściu audio. Sprytna konfiguracja transceivera umożliwi wykorzystanie takiego sygnału do przeprowadzenia kalibracji pośrednio.

Metoda kalibracji

Transceiver Yaesu FT-891 posiada opcję menu umożliwiającą korektę częstotliwości oscylatora w pewnym zakresie. Kalibracja polega na ustawieniu parametru REF FREQ ADJ (pozycja w menu 05-17) na wartość z przedziału -25 do +25 z krokiem 1.

Każdorazowa zmiana nastawy powoduje zmianę napięcia przestrajającego wewnętrzny oscylator TCXO o pewną wartość umożliwiając zbliżenie częstotliwości jego oscylacji do wartości nominalnej (na bazie której syntezowane są wszystkie inne sygnały używane w torach nadawczym i odbiorczym). Istotą doboru odpowiedniej nastawy jest spowodowanie, by częstotliwość pracy radia nastawiana pokretłem VFO i pokazywana na wyświetlaczu była jak najbardziej poprawna.

Dostępne są dwie metody analizy błędu nastawienia częstotliwości roboczej nie wymagające otwierania transceivera:

• przełączenie radia w tryb emisji CW i zmierzenie zewnętrznym miernikiem częstotliwości nadawanego sygnału RF,
• podanie sygnału referencyjnego o znanej częstotliwości RF na wejście antenowe radia i zmierzenie w torze audio częstotliwości tonu powstałego przy wstrojeniu radia poniżej częstotliwości referencyjnej o 1[kHz] w trybie SSB USB (górna wstęga SSB).

Pierwsza z metod jest trudniejsza i zakłada pracę z sygnałem mocy RF co wymaga ostrożności i zastosowania odpowiednio dużego tłumika by nie dopuścić do uszkodzenia toru wejściowego drogiego miernika częstotliwości. Wymaga tez korzystania ze sprzętu pomiarowego pracującego z częstotliwością pomiarową przynajmniej taką jak ustalona częstotliwość, przy której odbywa się kalibracja, zaś sam miernik musi mieć dobrze skalibrowaną własną podstawę czasu.

Metoda druga jest łatwiejsza i wymaga podania niskomocowego referencyjnego sygnału RF na wejście antenowe oraz sposobu na pomiar sygnałów w paśmie audio. W tym przypadku nie jest nawet wymagane fizyczne połączenie sygnału referencyjnego do gniazda antenowego, gdyż dla tak niskich poziomów mocy, jak sygnał antenowy, wystarczy sprzężenie pojemnościowe pomiędzy złączem antenowym radia i rezystorem terminującym wyjście oscylatora referencyjnego. Biorąc pod uwagę łatwość połączenia radia z komputerem (choćby na potrzeby emisji cyfrowych) część pomiarowa audio także nie stanowi problemu ze względu na dostępność oprogramowania pozwalającego analizować sygnały przechwytywane z wirtualnych (wbudowanych w radio) lub fizycznych kart dźwiękowych.

Z tego powodu wybrałem metodę drugą, która jest powszechnie stosowana do kalibrowania w oparciu o sygnały z radiolatarni z tym, że sygnał referencyjny będzie wytwarzany lokalnie.

Zgodnie z założeniami pośrednia metoda kalibracji polega zatem na analizie odstrojenia sygnału audio od częstotliwości 1[kHz] przy ustawieniu VFO radia o 1[kHz] niżej od, wstrzykiwanej w tor antenowy, częstotliwości referencyjnej w trybie SSB USB (równie dobrze można wstrajać się o 1[kHz] wyżej w trybie SSB LSB). W przypadku odstrojenia korekcie będzie podlegać nastawa REF FREQ ADJ do momentu uzyskania sygnału najbardziej zbliżonego do 1[kHz].

Pozostało zatem wybrać częstotliwość sygnału referencyjnego. Jako, że często pracuję w pasmach amatorskich 20[m] i 40[m], czyli przy częstotliwościach w zakresach 14[MHz] i 7[MHz], zdecydowałem, że częstotliwością sygnału referencyjnego będzie 10[MHz].

Warto też wspomnieć, że wszelkie prace związane z oscylatorami należy przeprowadzać po ich uprzednim odpowiednio długim wygrzaniu. Tyczy się to wszystkich urządzeń biorących udział w sesji kalibracji i ma na celu wprowadzenie ich w stan możliwie najlepszej stabilizacji pracy zegarów.

Zestaw kalibracyjny

Do przeprowadzenia kalibracji wykorzystałem syntezer częstotliwości synchronizowany do sygnałów GNSS firmy Leo Bodnar (Mini Precision GPS Reference Clock). Sygnał z wyjścia (zaterminowanego sztucznym obciążeniem 50[Ohm]) „przeciekał” do wejścia antenowego transceivera przez sprzężenie pojemnościowe.

Sprzężenie pojemnościowe to dość popularny sposób na podanie obcego sygnału na tor antenowy bez wykonywania bezpośredniego połączenia elektrycznego. W przypadku FT-891 i częstotliwości 10[MHz] ten sposób okazał się zaskakująco skuteczny zważywszy na to, że moc sygnału generowanego przez „Bodnara” ustawiona była na najniższą wartość (wyrażoną prądem 8[mA]).

Wybrany syntezer zapewnia precyzję nastawy częstotliwości swojego sygnału wyjściowego na poziomie dużo wyższym niż rozdzielczość wyświetlacza FT-891 i skok kalibracyjny jego oscylatora. Z tych powodów syntezer nie był czynnikiem limitującym dokładność kalibracji.

Sygnał audio z radia dostarczany był przewodowo do wejścia średniej klasy zewnętrznego interfejsu audio (Behringer UMC202HD), który na komputerze widoczny jest jako wybieralna stereofoniczna karta dźwiękowa. Wykorzystanie zewnętrznego interfejsu podyktowane było tym, że miałem takowy włączony już w tor przechwytywania audio z radia zaś jego parametry przetwarzania są lepsze od przeciętnych zintegrowanych komputerowych kart dźwiękowych. Mimo to, nie widzę problemu w wykorzystaniu właśnie zintegrowanej karty zwłaszcza, że możliwa jest kalibracja także i jej.

W celu analizy sygnału audio dostarczanego przez radio wykorzystałem bezpłatne oprogramowanie Spectrum Lab autorstwa kolegi DL4YHF.

Spectrum Lab

Przygotowanie do kalibracji rozpocząłem od konfiguracji źródła sygnału. W moim przypadku był nim wspominanay zewnętrzny interfejs UMC202HD.

Częstotliwośc samplowania interfejsu ustawiłem na 8[kHz] umożliwiając analizę sygnałów do częstotliwości 4[kHz], co w przypadku pracy z sygnałem około 1[kHz] jest ze sporym zapasem. Wybór większej częstotliwości samplowania nie miał sensu z punktu widzenia zadania kalibracji.

Konfiguracja objęła także ustawienie jednoczesnego wyświetlania chwilowego grafu spektrum oraz wodospadu.

Następnie w oknie ustawień analizy częstotliwościowej FFT skonfigurowałem program do pracy z wyświetlaniem zgrubnym widma sygnału (ilość punktów transformaty 2048) podawanym w czasie prawie rzeczywistym (czas zbierania danych 256[ms]).

Następnym elementem konfiguracji było ustawienie VFO transceivera na częstotliwość 9.999[MHz] czyli o 1[kHz] poniżej wybranej częstotliwości referencyjnej. Włączyłem tryb SSB USB co z założenia miało spowodować generowanie tonu audio 1[kHz] w przypadku detekcji na wejściu antenowym sygnału nośnego o częstotliwości 10[MHz].

W celu poprawy parametrów detekcji skorzystałem z wąskopasmowego filtrowania DSP poprzez włączenie opcji NAR i ustawienie WDH na minimum dla trybu SSB – czyli 200[Hz]. Zawężenie pasma pozwala na odfiltrowanie nadmiarowego szumu pojawiającego się na wyjściu audio pozwalając na poprawę stosunku sygnał/szum detekowanego sygnału.

Samo przetwarzanie DSP wprowadza opóźnienia w odbieranym sygnale, jednak dla pomiarów częstotliwości nie ma to znaczenia. Znajomość takiego opóźnienia liczy się przy pomiarach fazowych.

Przy okazji wyłączyłem AGC ponieważ wstrzykiwany sygnał i tak ma stałą moc, a poza tym nie potrzebowałem dodatkowego komponentu DSP pracującego z sygnałem.

Po uruchomieniu akwizycji danych w programie Spectrum Lab (z menu Start/Stop -> Start Sound Thread) skonfigurowałem syntezer częstotliwości by generował sygnał 10[MHz] nie właczając go jednak jeszcze. Chodziło o to, by zaobserwować tło odbieranego sygnału audio.

Przy okazji zakładając, że powinienem zgrubnie mieścić się z pomiarami w przedziale pomiędzy 980, a 1020[Hz] skonfigurowałem sobie automatyczny detektor szczytu w tym właśnie przedziale (dostępne po kliknięciu prawym przyciskiem myszy w guzik z napisem peak z lewej strony ekranu).

W widmie sygnału w okolicach 1[kHz] nie było widać żadnych szczególnych artefaktów. Sygnał pomiędzy 1020 i 1030[Hz] na pewno nie był sygnałem, którego poszukiwałem.

Po chwilowej obserwacji uruchomiłem generowanie tonu referencyjnego 10[MHz], który od razu pojawił się w widmie sygnału z interfejsu audio.

Mimo, iż zgrubna konfiguracja FFT nie była zbyt rozdzielcza od razu dało zauważyć się, że generowany ton odbiega znacznie od zakładanego 1[kHz]. Ton o częstotliwości około 1007,5[Hz] wprowadza duży błąd przy pracy z tak skalibrowanym urządzeniem i na pewno nie można uznać mojego transceivera za sprzęt jakkolwiek skalibrowany.

Postanwiłem sprawdzić w jakim zakresie mogę przestrajać TCXO zmieniając początkowo wartość w menu kalibracyjnym radia z dotychczasowej 0 na -25.

Po dokonaniu korekty nastawy obserwowana częstotliwość tonu audio zmieniła się w kierunku częstotliwości wyższej osiągając zgrubnie szacując wartość 1015,5[Hz].

Następnie wykonałem zmianę wartości kalibracyjnej TCXO z -25 na +25 by ocenić czy jestem w stanie uzyskać wartość częstotliwości tonu audio w okolicach lub poniżej 1[kHz].

Zgrubna informacja dostarczana przez nieprecyzyjną analizę FFT pokazała, że przy wartości kalibracyjnej +25 jestem w stanie uzyskać ton 1[kHz] co jest wartością oczekiwaną przy sygnale wejściowym 10[MHz] i konfiguracji radia do odbioru w trybie SSB USB przy częstotliwości 9,999[MHz].

Ze wstępnej analizy wysnułem 2 wnioski:

• TCXO w moim radiu można przestrajać w zakresie około 15,5[Hz] co przy 50 krokach zmian wartości menu kalibracyjnego daje skok około 310[mHz] (zakładając liniowość sterowania TCXO),
• uzyskanie tonu audio 1[kHz] w tej konfiguracji pomiarowej możliwe jest na skraju możliwości kalibracji co oznacza, że jeśli procesy starzenia się oscylatora będą wpływały na zmianę jego częstotliwości w niezmiennym kierunku za jakis czas stracę możliwość skalibrowania mojego radia.

Wiedząc w jakim zakresie tonu audio pracuję przyszedł czas na precyzyjniejsze przyglądnięcie się obszarowi w okolicy nastawy kalibracyjnej o wartości +25. W tym celu wyłączyłem akwizycję danych z interfejsu audio (Start/Stop -> Stop Sound Thread; konieczne) i ponownie skonfigurowałem parametry analizy FFT w taki sposób, że w sensownym czasie akwizycji (około 8[s]) uzyskam rozdzielczość pomiarową na poziomie 120[mHz] – czyli lepszą niż rozdzielczość kalibracji z poziomu menu radia.

Po ponownym uruchomieniu akwizycji danych po około 8[s] zaczęły pojawiac się wyniki precyzyjniejszej analizy widmowej.

Okazało się, że maksimum energii w obserwowanym sygnale przypada na sygnał o częstotliwości 999,9[Hz]. Czyli od oczekiwanego 1[kHz] dzieliło mnie zaledwie 100[mHz].

Zakładając, że zmiana nastawy menu kalibracyjnego o 1 przynieśie skok częstotliwości o około 300[mHz] wiedziałem, że inna nastawa będzie rozwiązaniem gorszym. Mimo to postanowiłem owe przypuszczenie zweryfikować.

Zgodnie z przewidywaniami okazało się, że dla nastawy +24 maksimum energii w sygnale audio przypada na częstotliwość 1000,22[Hz] co jest wynikiem gorszym (większe odstępstwo od tonu 1[kHz]).

Powrót na pozycję +25 w menu kalibracyjnym radia zakończył proces kalibracji.

Podsumowanie

W przypadku mojego radia ustawienie korekty częstotliwości pracy oscylatora tak, by wprowadzał najmniejszy błąd odstrojenia podczas odbioru sygnału referencyjnego uzyskałem na skraju możliwości parametru regulującego częstotliwość pracy TCXO. Mimo to, wynik kalibracji jest zadowalający ponieważ zlikwidowałem duży błąd odstrojenia, zaś pozostały błąd detekcji sygnału 10[MHz] na poziomie 100[mHz] w wielu amatorskich zatosowaniach jest do pominięcia.

Przy okazji miałem okazję przetestować pojemnościowe sprzęganie zewnętrznego sygnału referencyjnego do obwodu antenowego radia i zaznajomiłem się z podstawową obsługą programu Spectrum Lab.

Miłego strojenia!