Avtor: Boštjan Tovšak
Po naključju sem že kar nekaj časa nazaj naletel na spletu na članek o SDR (Software Defined Radio). Zaradi širokega frekvenčnega razpona sprejema od nekaj Hz do nekaj Ghz in povezave z računalnikom ter možnosti spektralne analize, je vzbudil moje zanimanje.
Ko sem našel na spletu še možnost uporabe takšnega radia za sprejem vremenskih NOAA (National Oceanic and Atmospheric Administration) satelitov, je odločitev za uporabo padla.
Potrebujemo že omenjeni SDR. To je lahko cenovno ugodni RTL-SDR USB ključek med 20€ in 30€ ali pa dražji sprejemnik z večjim frekvenčnim razponom, RSP1A oz. RSP1B. Ta stane cca. 150€. Za boljši sprejem bomo potrebovali še ojačevalnik. Cenejši širokopasovni nizkošumni ojačevalnik LNA (Low Noise Amplifier) z Bias-Tee napajanjem stane okoli 20€. Opcija Bias-Tee ni nuja, je pa zaželena, saj lahko napajamo ojačevalnik, v kolikor seveda to omogoča sprejemnik, kar preko koaksialnega kabla. Če bomo uporabili RTL-SDR ključek, bomo potrebovali še pasovno zaporni filter za področje FM signalov med 88 in 108 MHz, da »utišamo« signale bližnjih radijskih postaj. Za to dobro služi tudi RTL-SDR filter, ki stane okoli 20€. V kolikor pa posedujemo RSP1A oz. RSP1B, pa ima radio že pred nastavljene programske filtre oz. »notche« za FM zaporo signalov, ki jih lahko vklapljamo in izklapljamo. Imamo pa tudi možnost nastavitve lastnih zapornih filtrov.
Ta vsebina je samo za naročnike
Izdelava antene
Sateliti imajo krožno t.i. desnosučno polarizacijo (RHCP). V ta namen pridejo v poštev naslednje antene:
V-dipol antena (preprosta za izdelavo, že ima s konstrukcijskimi lastnostmi pogojeno impendanco za antenski vod, ima pa slabši sprejem nizko nad horizontom)
QFH antena (sprejem signala od horizonta do horizonta, navodila in izračun v QR kodi)
Turnstile antena (lahko deluje kot horizontalno polarizirana ali pa kot krožno polarizirana, sestavljena iz dveh za 90° premaknjenih dipolov, dolžine četrtine valovne dolžine, navodilo v QR kodi)
Odločil sem se za izdelavo preproste V-dipol antene. Kasneje sem izdelal še Turnstile anteno in QFH anteno. Turnstile antena se je solidno obnesla, čeprav je bil njen sprejem slabši. Z QFH anteno pa je bilo kar nekaj sitnosti, žal še vedno ne deluje tako, kot bi morala. Vzrok je tudi v njeni malo bolj zapleteni izdelavi in seveda natančnosti izdelave.
Za izdelavo V-dipol antene potrebujemo dve palici aluminija ali bakra dolžine 53.4 cm (uporabimo lahko tudi bakreni vodnik), ki ju postavimo tako, da je med njima kot 120°. Pri tem je pomembno, da sta oba pola v točki vpetja čim bližje (vpliva na skupno dolžino dipola). Zaradi kota, ki ga oklepata oba pola, se impedanca dipol antene iz standardnih 72 Ω približa 50 Ω in jo lahko praviloma priključimo na 50 ohmski antenski vod brez dodatnih t.i. »balunov« oz. prilagoditev impedance s koaksialnim kablom četrtine valovne dolžine.
Pri ostalih dveh tipih anten potrebujemo prilagoditev impedance na antenski vod. Pri QFH z »balun-om« (tj. štiri ali pet ovojev kabla). Pri turnstile pa lahko uporabimo tudi t.i. Smithove karte, kjer lahko iz poznane impedance antene (spektralni analizator) izračunamo in z odčitki iz karte definiramo dolžino prilagoditvenega koaksialnega kabla (t.i. stub, kapacitivno ali induktivno pasivno breme) na določeni razdalji od antene. S tem zmanjšamo imaginarno komponento impedance in izboljšamo SWR faktor. Več o tem v QR kodi. Enak pristop lahko uporabimo tudi pri V-dipol anteni. Lahko pa SWR v praksi izboljšamo tudi s krajšanjem ali daljšanjem krakov dipola. Seveda v milimetrskih korakih.
Uporabil sem debelejšo plastično vodovodno cev. Na vrh cevi sem fiksiral plastično elektro razdelilno dozo. Navrtal sem luknji, ki objemata kot 120°. V luknji sem vstavil aluminijasti cevi in ju povezal z antenskim vodom. Dodal sem še dva reflektorja na razdalji četrt valovne dolžine oz. 53.4 cm, kot med njima 120°, ki izboljšata sprejem in zmanjšata šum. Cev z anteno sem nataknil na odslužen podstavek od senčnika.
Kar se tiče izdelave antene je to vse. Anteno s krakoma postavimo v smeri sever-jug. Če imamo doma spektralni analizator, pa lahko še preverimo SWR antene, ki je indikator impedančne prilagoditve antene na antenski vod za želeno frekvenco. Nižji je bolje je. Idealno bi bil SWR 1 oz. se mu vsaj približati. V mojem primeru sem dosegel SWR 1.87 pri 137 MHz, če se lahko zanesem na moj analizator. Če bi dosegel SWR vsaj 1.5 pa bi bilo izgub v še manj. Vidimo tudi, da je impedanca antene 55 Ω pri 137 MHz. (slika 5 ).
Programska oprema za sprejem in prikaz slik vremenskih satelitov
Ko smo izdelali anteno in jo priklopili na povezana sprejemnik in LNA ojačevalnik, sledi namestitev ustreznih programov za obdelavo slik. Sprejemnik je povezan z računalnikom preko USB vhoda in z ustrezno programsko opremo lahko sprejemamo in obdelujemo signal. Seveda lahko postavimo tudi strežnik v Linux okolju na npr. mini računalniku Raspberry Pi ali podobnem. Tako lahko dostopamo s TCP/IP protokolom do sprejemnika, ki ga z anteno lahko postavimo npr. na podstrešje. To sem uporabil tudi sam in bom opisal v nadaljevanju. Če uporabimo direktno povezavo z USB pa vse našteto v nadaljevanju velja, razen da nimamo opravka s TCP/IP protokolom.
Na koncu članka so našteti v QR kodi preostali programi. Odločil sem se za uporabo programa HDSDR, ki je preprost za uporabo in minimalističen.
Namestitev strežnika RSP TCP/IP na Raspberry Pi
Če bomo priklopili sprejemnik direktno na USB, lahko to poglavje preskočimo.
Detajli namestitve sistema Linux na Raspberry Pi niso tema tega članka. Navodila najdemo na spletu. Potrebujemo SD kartico, na katero preliminarno namestimo sliko distribucije Linuxa Raspberry Pi. Za prenos slike sistema na Raspberry Pi si pomagamo s programsko opremo BalenaEtcher. Ko sliko sistema Linux s spleta prenesemo na svoj računalnik, program BalenaEtcher na SD kartici kreira sistem. Kartico SD preprosto vstavimo v Raspberry Pi, priklopimo na omrežje oz. usmerjevalnik ali hub. S programom Bitvise SSH v terminalskem načinu dostopamo do strežnika Raspberry Pi. Seveda moramo vedeti njegov lokalni IP naslov. Namestimo še strežniški program rsp_tcp, ki služi prenosu podatkov od sprejemnika do klienta, v našem primeru je to programa HDSDR.
Definicijo vseh opcij ukaza rsp_tcl lahko izpišemo z ukazom rsp_tcp -?
Po vrstnem redu najprej poženemo SSH klienta s prijavo na strežnik, virtualna vrata COM1, program za sprejem HDSDR ali SDRuno za RSP1a in na koncu še WXtoIMG.
V programu WxtoIMG nastavimo sprejem signala in dekodiranje po sliki 10.
S tipko »Manual Test« lahko preverimo, če zajemanje signala preko gonilnika Virtual Line deluje (slika 11). S tipko »Auto Record« pričnemo avtomatski zajem signala v časovnih intervalih prehoda satelitov, definiranih v listi, ki jo je potrebno posodabljati.
Če je barva zelena, je jakost signala odlična in primerna (vsaj 45%). Če je barva rumena ali rdeča, je potrebno v nastavitvah za Avdio vtičnik nastaviti ustrezno jakost zvoka.
Namestitev programa VSPE (Virtual Serial Port Emulator)
Virtualna serijska vrata potrebujemo za aktiviranje programa za sprejem in avtomatske nastavitve ustrezne frekvence satelita v programu HDSDR iz programa WxToIMG. Program WxToImg ima listo vseh NOAA satelitov s točnimi urami in pozicijami ter višino preleta (slika 12)
Namestitev gonilnika Virtual Audio Cable
Ta gonilnik ustvari virtualno povezavo med zvočno kartico in program sprejemnika. Služi kot most med sprejemnikom, avdio kartico in programom za obdelavo in dekodiranje. Ko je program nameščen, imamo v Windows nadzorni avdio plošči novo avdio napravo Virtual line (slika 14), ki jo kasneje uporabimo pri izbiri v programih.
Nastavitve programa HDSDR
Ob zagonu nas program vpraša, katero konfiguracijo oz. knjižnico sprejemnika naj naloži. Izberemo ExtIO_RSP_TCP.dll. V kolikor bi imeli na USB priklopljen RSP1A, bi izbrali knjižnico le-tega.
Sledijo preostale nastavitve. Nastavimo frekvenco vzorčenja, ojačanje in IP naslov našega strežnika TCP/IP, Bias-T (za napajanje LNA) in obvezno filtra BC in DAB.
Sledijo nastavitve vzorčenja na izhodu. Izberemo 96000 Hz (slika 17). Nastavimo FM modulacijo in pasovno širino med 35000 in 40000 Hz (tipka Bandwith).
V meniju »Options« kliknemo na »CAT to HDSR« in »Port«. Izberemo predhodno nastavljena vrata COM1. Prav tako v istem podmeniju izberemo opcijo »activated«.
Na ta način smo povezali WxToIMG s HDSR, da ob času prehoda satelita nastavi ustrezno frekvenco HDSDR.
Med preletom se frekvenca zaradi Dopplerjevega efekta spreminja, zato se frekvenca tudi sproti avtomatsko ponastavlja.
V programu HDSDR imamo možnost različnih nastavitev in prikaza spektra. Od povečave spektra, hitrosti vzorčenja, barv signala t.i. vodnega grafa itd.
Namestitev in nastavitve programa WxToIMG
Program prenesemo iz spletne strani (povezava v QR kodi na koncu članka). Po namestitvi sledi konfiguracija programa.
V orodni vrstici v meniju »Options« -> »Recording options« nastavimo zvočno kartico, frekvenco vzorčenja, vrsto sprejemnika in vrata sprejemnika (po sliki 21). Tako program ob točno določenih časih preleta satelita nastavi ustrezno frekvenco satelita na sprejemniku in začne dekodirati in prikazovati vremensko satelitsko vremensko sliko. Za vsak dan se sproti posodablja seznam satelitov in čas ter koordinate njihovih prehodov.
Prav tako moramo nastaviti našo lokacijo na zemlji, ki je potrebna za izračune preleta satelitov nad nami (slika 20).
WxToIMG ima na voljo veliko opcij prikaza vremenskih slik. Seveda je odvisno tudi od vrste senzorjev, ki jih premore satelit. Od infrardečih, temperaturnih, višine oblačnosti, opcijo »false color«, ki obarva površine voda in zemlje, radarsko sliko padavin in njihove intenzitete… Sateliti imajo nazive NOAA 15, NOAA 18 in NOAA 19 in oddajajo na svojih frekvencah. Ker je njihova življenjska doba omejena, vsake toliko časa kakšen tudi odpove.
Ugotovil sem, da V-dipol najbolje sprejema signal od 20 kotnih stopinj nad obzorjem navzgor. Seveda je signal najmočnejši, ko je v zenitu nad anteno, nato pa postopno slabi. V večini primerov zajamemo sliko površja celotne Evrope in del Balkana, ter vse tja do severa Afrike.
Seveda se postavi vprašanje smiselnosti zajema teh slik, če imamo danes dostopne satelitske vremenske karte na spletu in celo sprejemnike za NOAA. Če spremljamo naše satelitske slike, lahko iz množice podatkov natančneje analiziramo gibanje ciklonov, gibanje temperatur oceanov in kopnega, temperature zračnih plasti itd. Na tak način se bolje spoznavamo z vremenom in njegovimi posebnostmi. Prav tako lahko izbiramo med različnimi predstavitvami vremenskih kart oz. slik, ki drugje niso prikazane.
Lahko se zgodi, da bo naša slika po posameznih vrsticah »zamaknjena« oz. razmazana. V ta namen uporabimo orodja »Image« -> »Slant Correction«, kjer težavo popravimo.
Če npr. spremljamo neko fronto oz. ciklon, lahko iz premika take fronte med dvema časovnima intervaloma ocenimo čas, ko lahko fronta prispe na naše območje. Če se z miško zapeljemo po karti, se nam izpisuje razdalja od naše lokacije do izbrane točke na karti v kilometrih (slika 30). Na slikah 24 in 25 je nekaj primerov dekodiranega signala in pripadajočih informacij. Več o posameznih vrstah slik najdemo v navodilih programa WxToIMG. Nabor želenih prikazov lahko nastavimo v programu pod »Recording settings« (slika 31).
Tako smo prispeli do končnega zajema in obdelave signala in slik vremenskih satelitov. Na to temo je na spletu še veliko napisanega. Kdor želi, se lahko v to še poglobi. Izboljšave vidim v smeri popolne avtomatizacije na nivoju mini strežnika Linux (na Raspberry Pi), ki signal sprejme in obdela, ter končne slike pošilja na spletno stran. Rešitev opisana v tem članku se osredotoča na avtomatsko obdelavo signalov na klientu (torej na prenosniku ali PC). Raspberry Pi je samo posrednik pri zajemu in prenosu signala oz. podatkov.
Program WxToIMG ima tudi možnost pošiljanja slik na spletno stran (to je vidno tudi na primerih slik v zgornjem levem kotu). Možnosti uporabe SDR je veliko. Tudi na področju hobi radio astronomije za npr. sprejem signala, spektralne črte vodika na frekvenci 1420,4 MHz pri detekciji objektov globokega vesolja na nebu. Seveda pa je za to potrebna tudi natančno izdelana vijačna (helix) antena, »can antena« ali parabolična antena. O tem pa kdaj drugič.
