Моя СДВ/VLF обсерватория (прием сверхдлинных радиоволн)

Информация предоставлена исключительно в образовательных целях!
Администратор сайта не несет ответственности за любые 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:

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

Электрическая антенна :

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

длинный провод (англ. long wire).

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

переменная индуктивность	переменная емкость

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

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:

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

Для приема сверхдлинных волн с частотой до единиц герц применяют горизонтальную магнитную антенну, охватывающую большую площадь (англ. horizontal loop) - рамку из нескольких витков провода (1) с отводами (3), закрепленную на изолирующих стойках (2):

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 кГц.

Усилитель

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

Для улучшения чувствительности можно использовать предварительный усилитель.

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 $a=0,1 \, мм$):

Длина провода составила $l=4 N W = 52 \, м$.
Площадь рамки $S = {W^2} = 0,068 \, {м^2}$.

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

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.

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

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):

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) (начальным азимутом) в точке наблюдения. Для определения начального азимута можно использовать удобный онлайн-калькулятор: www.movable-type.co.uk/scripts/latlong.html.

Для определения начального азимута из точки A на точку B необходимо задать широту и долготу точки A (1) и точки B (2) - выдаются расстояние между точками по дуге большого круга (3) и начальный азимут (4):

Применение рамочной антенны позволяет снизить влияние промышленных помех на приемник.

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:

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:

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) антенна подключается к входу предварительного усилителя (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:

Усилитель питается через интегральный стабилизатор 78L09, обеспечивающий выходное напряжение 9,13 В.

Сначала я применил в качестве источника питания восемь гальванических элементов формата AA, а затем подключил сетевой блок питания с выходным напряжением 12 В:

Но затем для исключения помех их электросети я перешел на питание усилителя от батарейки напряжением 9 В.

В качестве активных элементов я использовал транзисторы BC547B:

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:

Выход усилителя подключается к линейному аудиовходу ноутбука ("синий" разъем): либо к микрофонному входу.

Свой СДВ-приемник я собрал, просто закрепив некоторые детали цианоакрилатным клеем на куске картона:

Для соединения я использую штекер мини-джек (mini-jack):

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:

При первоначальной настройке необходимо задать частоту оцифровки 96 кГц:

и расширить отображаемое окно частот на весь диапазон от 0 до 48 = 96/2 кГц:

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

В настройках быстрого преобразования Фурье можно задавать размер FFT-окна:

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:

На приведенном ниже рисунке приведен спектрограммы синхросигнала при ширине окна 1024 (видны отдельные импульсы, но размыта частота) и 8192 (четко видны центральная частота и две крайние частоты (верхняя и нижняя), но границы импульсов совершенно не различимы):

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

Audacity
Для записи сигналов также можно использовать бесплатную программу Audacity.

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

Сравнение спектра сигналов в Spectrum Lab и Audacity:

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

nistime
Для синхронизации времени на компьютере с точным временем можно использовать программу nistime:

Способы модуляции

азбука Морзе

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

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):

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.

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 (11011):

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

Распределение частот в Европе и США в области сверхдлинных волн:

Диапазон частот	Назначение	Примечание
9 ...14 кГц	радионавигация	также используется в ISM, ближней индуктивной связи и маломощных активных медицинских имплантах
14 ... 19,95 кГц	морская передвижная связь	также используется в ближней индуктивной связи, для морских и военных целей и в маломощных активных медицинских имплантах
19,95 ... 20,05 кГц	стандартные сигналы частоты и времени (20 кГц)
20,05 ... 70 кГц	морская передвижная связь	также используется в ближней индуктивной связи, для морских и военных целей и в маломощных активных медицинских имплантах

>>> сигнал частотой 18,1 кГц <<<

  

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

Для облегчения анализа такого сигнала целесообразно уменьшить ширину FFT-окна до 1024 или 2048, что увеличивает временное разрешение.

Вот так выглядит сигнал этой станции в различных масштабах:

Я принимал такие типы сигналов этой станции:

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)

Сеанс связи может начинаться:

синхросигналом (1) с последующей передачей цифровых данных (2):

передачей цифровых данных:

передачи азбуки Морзе (1) c последующим синхросигналом и передачей цифровых данных (2):

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:

В течение сеанса связи возможна передача сообщения азбукой Морзе:

В начале сообщения три раза передается позывной "RDL".

Вот пример другой радиограммы, в которой позывной передается после "U U U U U":

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

Видеоиллюстрация с сигналами этой радиостанции доступна на моем Youtube-канале: https://youtu.be/cN-cLu3QIJk

Вот пример расписания вещания станции (указаны минуты) в течение одного часа:
08 ... 08 - цифровые данные
28 ... 28 - цифровые данные
39 ... 45 - синхросигнал + цифровые данные
48 ... 48 - цифровые данные

пеленг на источник - 50° / 230 °

>>> сигнал частотой 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):

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

ширина окна 1024

ширина окна 8192

В позывном буква "R" означает Россия .

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

ширина окна 8192

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 °.

Начальный азимут на 43-й узел связи ВМФ России, расположенный в Вилейке (координаты 54°27'54"N, 26°46'44"E), из Гомеля составляет 311 ° (расстояние 360 км):

С учетом магнитного склонения магнитный пеленг составляет 303 °, что весьма близко к определенному мной значению.

>>> сигнал частотой 18,6 кГц <<<

синхросигнал
 

>>> сигнал частотой около 18,9 кГц <<<

>>> сигнал частотой 20,9 кГц <<<

французская радиостанция, позывной FTA

координаты станции: N 48° 32' 41" (+48.5446°)  E 2° 34' 46" (+2.5794°)

пеленг на источник - 85° / 265 °

начальный азимут на станцию из Гомеля составляет 269° (расстояние до станции по большому кругу 2040 км), т.е. магнитный пеленг равен 261°, что практически совпадает со взятым мной пеленгом:

>>> сигнал частотой 21,1 кГц <<<
синхросигнал

цифровые данные (?)

пеленг на источник - 120° / 300 °

>>> французская радиостанция, позывной HWU <<<

сигнал частотой 21,75 кГц

передаются цифровые данные

сигнал частотой 18,3 кГц

координаты станции: N 46° 42' 47" (+46.7131°)  E 1° 14' 43" (+1.2452°)

пеленг на источник - 80° / 260 °

начальный азимут на станцию из Гомеля составляет 265° (расстояние до станции по большому кругу 2220 км), т.е. магнитный пеленг равен 257°, что практически совпадает со взятым мной пеленгом:

>>> сигнал частотой 22,1 кГц <<<

пеленг на источник - 95° / 275 °

>>> сигнал частотой 23,4 кГц <<<

немецкая радиостанция, позывной DHO38

координаты станции: N 53° 04' 44" (+53.0789°)  E 7° 36' 54" (+7.615°)

пеленг на источник - 100° / 280 °

начальный азимут на станцию из Гомеля составляет 282° (расстояние до станции по большому кругу 1570 км), т.е. магнитный пеленг равен 274°, что практически совпадает со взятым мной пеленгом:

сигнал частотой 45,9 кГц

Регистрация атмосфериков

Для регистрации атмосфериков необходимо настроить программу Spectrum Lab:

Наиболее часто регистрируются сферики (англ. spherics, сокращение от атмосферики (англ. atmospherics))- электромагнитные возмущения в диапазоне частот 5-20 кГц, вызванные молниевыми разрядами на удалении до нескольких тысяч километров. На спектрограмме они представлены как вертикальные прямые - сигналы всех частот приходят одновременно:

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

Твики (англ. tweeks) - сферики, прошедшие через волновод "земля-ионосфера" расстояние до 20 000 км, представлены на диаграмме вертикальными прямыми, изгибающимися на частоте около 2 кГц из-за дисперсии сигнала.

Намного сложнее зафиксировать свисты (англ. whistlers), которые вызваны молниевыми разрядами в магнитосопряженной точке, проходят огромные расстояния вдоль силовых линий магнитного поля Земли, и наблюдаются в полосе частот 1,5-8 кГц, и имеют на спектрограмме вызванный дисперсией плавный (длительностью до секунды и более) 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:

На спектрограмме видны два случая прохождения, отличающиеся по интенсивности.

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

Помехи

Помеха от мобильного телефона:

Помехи от компактных люминесцентных ламп:

широкополосные, частота около 40 кГц - типичная рабочая частота балласта CFL-ламп в установившемся режиме:
 

Помеха от импульсного блока питания ноутбука:

1 - питание ноутбука от батареи
2 - питание ноутбука от  батареи, но блок питания включен в сеть;
3 - питание ноутбука от сети

Фон промышленной частоты 50 Гц:

Помеха от работающего импульсного металлодетектора:

Помеха от работающего пылесоса:

Неидентифицированные сигналы (вероятно помехи)

сигнал частотой 41,64 кГц:

    

наблюдается в течение суток (пропадала утром)
Также иногда меняется вид сигнала:

Я описал свои исследования в области сверхдлинных волн в статье на Хабр: https://habr.com/post/408113/

Продолжение следует