Pomiary częstotliwości sygnału RF w ramach testu ARRL FMT

Amerykański związek krótkofalowców ARRL organizuje cykliczne wydarzenie (dwa razy do roku) mające na celu propagowanie świadomości technik i procesu wykonywania precyzyjnych pomiarów częstotliwości w pasmach radiowych z uwzględnieniem czynników mających wpływ na otrzymane wyniki. W kwietniu 2022 roku postanowiłem wziąć udział w testach, jako jedna z nielicznych stacji DX’owych, celem sprawdzenia o co chodzi.

Wstęp

Zabawa, w ramach testów pomiaru częstotliwości, polega na tym, że o umówionej godzinie na umówionym paśmie (tylko amatorskie) w okolicach umówionej częstotliwości telegrafią podawane jest trzyminutowe wywołanie w pomiarach FMT (Frequency Measurement Test), po czym następuje jednominutowa emisja sygnału nośnej z nadajnika o częstotliwości synchronizowanej do dostępnego lokalnie wzorca (najpewniej GPSDO lub wzorce rubidowe czy cezowe). Częstotliwość nośnej znajduje się “w okolicach” częstotliwości wywoławczej. Sesje nadawania poukładane są według harmonogramu i nie następują jednocześnie – chodzi o to, by każdy z uczestników miał szansę przeprowadzić pomiary na wszystkich zaplanowanych pasmach.

Zadaniem uczestnika testu jest odnalezienie emitowanego sygnału testowego i estymację jego częstotliwości (poprzez dokonanie pomiarów i analizę otrzymanych wyników) z dokładnością lepszą niż 10[Hz]. Najlepsi, którzy dokonają pomiarów na wszystkich pasmach z dokładnością nie gorszą niż 1[Hz] są uznawani za wygranych, a ich znaki wywoławcze są wyróżnione na stronie wyników. Wszystkie zgłoszone wyniki, oraz częstotliwości nadawania, są dostępne do wglądu na stronie ARRL.

Każda ze stacji logująca wyniki ma możliwość, poza swoimi estymatami, dodania informacji odnośnie wykorzystanego zestawu pomiarowego i dowolnych danych uzupełniających dotyczących przeprowadzonych testów.

Zabawa ma na celu propagowanie technik pomiarowych w domenie radiowej, oraz zgłębiania wiedzy w tym zakresie poprzez studiowanie opracowań, zabawę ze sprzętem i oprogramowaniem. Jest też wstępem w świat precyzyjnych pomiarów będących za razem kolejną spośród ogromu możliwości technicznego rozwoju w ramach szerokiego spektrum tematów jakie oferuje HAM Radio.

Pomiary można wykonywać w sposób bardzo podstawowy – kiedy nie uwzględnia się zjawisk dodatkowych mających wpływ na otrzymane wyniki – lub też z wykorzystaniem zaawansowanych technik korekcji parametrów sprzętu pomiarowego jak i otrzymanych wyników. Z tego właśnie powodu zabawa ta jest zagadnieniem rozwojowym i pozwala budować wiedzę, oraz umiejętności, bazując na wnioskach tak własnych jak i innych uczestników. Pozwala także stawać się bardziej świadomym i skuteczniejszym zawodnikiem w kolejnych próbach, by w końcu zająć wyróżnione miejsce.

Minimum pomiarowe

Elementy niezbędne aby wziąć udział w zabawie:

• antena umożliwiająca odbiór sygnałów na pasmach amatorskich, w ramach których prowadzone są testy (w 2022 roku: 30[m], 40[m] i 80[m]),
• odbiornik radiowy umożliwiający odbiór na powyższych pasmach (konwencjonalny lub SDR).

W ramach elementów niezbędnych i zapewniających podstawę pomiarową znajduje się zwyczajny nasłuchowy tor odbiorczy. Z jego pomocą jesteśmy w stanie dostroić się do emitowanej nośnej i odczytać/oszacować jej częstotliwość.

Dostrojenie klasycznego odbiornika do częstotliwości testowej można wykonać dwojako:

• poprzez wstrajanie radia w trybie odbioru modulacji CW do momentu kiedy zdudnianie odbieranego sygnału nośnej z lokalnym generatorem BFO daje na wyjściu brak sygnału (tzw. “zero beat“),
• lub też przez ustawienie odbiornika w tryb pracy SSB z górną wstęgą USB i dostrojenie odbiornika lekko poniżej szacowanej częstotliwości, by pojawiający się wynikowy sygnał audio leżał w paśmie częstotliwości, które możemy mierzyć (komputerowo, na słuch, zdudniając z kamertonem) i uwzględniając tą właśnie częstotliwość dodać ją do nastawy VFO odczytanej z wyświetlacza.

W przypadku pracy z prostym sprzętem SDR na przebiegu wodospadowym i/lub widmowym poszukujemy miejsca, gdzie uwidoczniony jest wyraźnie sygnał poszukiwanej, niemodulowanej, nośnej.

Rozwiązania powyższe – jako najbardziej podstawowe i zalecane przeze mnie do przetestowania na początek – obarczone są największą niepewnością pomiaru, na którą składa się z kilka czynników:

• możliwie niska precyzja odczytu częstotliwości strojenia VFO (nie dająca możliwości odczytu na poziomie 1[Hz] i lepiej),
• niedokładność częstotliwości podstawy czasu odbiornika radiowego, powodująca błędny odczyt wartości VFO odbiornika,
• nieznany chwilowy wpływ (zmieniającej się wysokości) podstawy jonosfery, od której odbił się docierający do anteny sygnał, przejawiający się przesunięciem odbieranej częstotliwości (najczęściej w zakresie poniżej 1[Hz]) za sprawą efektu Dopplera.

Na precyzję wskazań VFO za bardzo nie można nic poradzić, poza tym, że uzyskanie dokładniejszego wyniku możliwe jest dzięki uśrednianiu pomiarów (co w przypadku testu trwającego 1[min] jest pewnie do zaakceptowania, gdyż w tak stosunkowo nie długim czasie można założyć, że krótkoterminowa niestabilność częstotliwości mierzonej, przy tak prostym torze odbiorczym, nie gra większej roli i nie ma największego wkładu w ogólny błąd metody).

Z niedokładnością podstawy czasu walczy się natomiast na kilka sposobów:

• poprzez zapewnienie, aby radio było włączone przynajmniej pół godziny wcześniej (wielkość inżynierska), by częstotliwość rezonansowa oscylatora mogła się ustabilizować (miedzy innymi dzięki stabilizacji temperaturowej działającego obwodu generatora), gdyż bez tego w czasie pomiarów dryf częstotliwości generatora może w znaczny sposób pogorszyć otrzymane wyniki,
• poprzez wyznaczenie i korektę (po okresie wygrzewania) niedokładności podstawy czasu odbiornika wykorzystując do tego lokalne źródło częstotliwości wzorcowej, którego dokładność i stabilność przewyższa korygowany obwód (źródłem takiego sygnału może także być jedna ze słyszanych stacji pracujących w paśmie fal długich/krótkich emitujących wzorcowe sygnały częstotliwości),

Warto wspomnieć, że korektę chodu zegara odbiornika można przeprowadzić sprzętowo (jeśli radio umożliwia wprowadzanie takich poprawek), lub programowo na etapie analizy uzyskanych wyników poprzez ich korektę na przykład w arkuszu kalkulacyjnym.

Elementy dodatkowe

Elementy dodatkowe podnoszące precyzję i jakość otrzymywanych wyników:

• lokalne źródło sygnału referencyjnego (np. GPSDO, synchronizowany wzorzec rubidowy/cezowy) umożliwiające wyznaczenie poprawki dla podstawy czasu odbiornika,
• oprogramowanie do logowania i przetwarzania pomiarów (np. FLDIGI w trybie FMT) umożliwiające zebranie serii pomiarowej w czasie trwania testu, by móc dokonać przetwarzania, korekty i uśredniania wyników,
• oprogramowanie do analizy otrzymanych danych (np. Spectrum Lab) by móc analizować i wizualizować uzyskane dane w oparciu o algorytmy matematyczne.

Elementy dodatkowe umożliwiają zapanowanie nad sprzętem i uzyskanymi pomiarami, oraz pozwalają podejść w profesjonalny sposób do opracowania wyników. Warto tu wspomnieć, że ostatecznie liczy się tylko jedna liczba: wartość częstotliwości sygnału nadajnika oszacowana z jak najmniejszym błędem.

Wpływ jonosfery

Ciekawym aspektem pomiarów w ramach FMT jest nauczenie się szacowania i uwzględniania wpływu jonosfery na wartość ewentualnego przesunięcia częstotliwości odbieranego sygnału. Zgrubne oszacowanie możliwe jest poprzez pomiar sygnału o znanej częstotliwości, emitowanego “w okolicach” sygnału FMT. Odstrojenie od oczekiwanej wartości (po wcześniejszym wyeliminowaniu lub minimalizacji wpływu innych źródeł błędów omawianych powyżej) wskazuje na wpływ zmian w jonosferze za sprawą efektu Dopplera.

W przypadku testów w 2022 roku pierwsza z trzech emisji odbywała się w paśmie 30[m] czyli w okolicy 10[MHz]. Sytuacja taka była sprowokowana celowo umożliwiając wykorzystanie “pobliskiej” częstotliwości 10[MHz] (nadawanej przez stację WWV obsługiwaną przez NIST) w celu sprawdzenia toru odbiorczego i dokonania niezbędnych korekt sprzętu, oraz pomiarów tuż przed rozpoczęciem testu.

Jako ciekawostkę dodam, że badanie wpływu jonosfery jest zadaniem dość powszechnym na przykład w radioastronomii. W ramach HAM Radio powstała grupa naukowa pod nazwą HamSCI zajmująca się badaniem pogody kosmicznej. Jednym z zagadnień pomiarowych jest właśnie badanie zmian w jonosferze przy pomocy efektu Dopplera – zachęcam do zapoznania się z materiałami dostępnymi na stronie projektu.

Podsumowanie

Pomiary częstotliwości sygnałów radiowych sprzętem radiokomunikacyjnym to bardzo ciekawe zagadnienie. Może być przeprowadzone zgrubnie z “dobrymi” wynikami, ale może też być doposażone w wiedzę, sprzęt i umiejętności radiooperatora zmieniając się w pomiary precyzyjne – porównywalne z możliwościami drogiego sprzętu profesjonalnego.

Największą wartością opisanych prób pozostaje jednak budowanie świadomości rachunku i eliminacji źródeł błędów pomiarowych i nauczenie się obsługi sprzętu by wszystkie elementy jednocześnie pracowały na uzyskanie doskonałych wyników.

Zachęcam każdego do prób nasłuchu i szacowania częstotliwości sygnałów wzorcowych – to przednia zabawa!

Udanych pomiarów!