ODXC

Сергей RW3XA, 21.02.2015 ( Обновлено 15.05.2020)

Предистория.
В связи с активным использованием светодиодных фонарей низкого качества и разных электронных гаджетов, даже на загородной (садовое общество) позиции R3XX &Co. уровень шумовых QRM на НЧ диапазонах за последний год вырос до катастрофических значений.  Например, на антенну двойной флаг уровень шума на 160м до включения фонарей составляет около 0-1 балла по S-метру, а после включения фонарей шум возрастает как минимум до S9+20db! Шум светодиодных фонарей имеет специфический оттенок - характерный «хруст». И это даже при нескольких фонарях на расстоянии около 80-100м до антенны, а освещение планируют расширять на все улицы. Очевидно, что фонари используются низкого качества, т.к. на фильтрах преобразователей питания светодиодов производитель явно сэкономил. Соответственно, вся электрическая сеть садового общества является излучателем «светодиодного» шума... «Горе от ума» и прогресса в чистом виде. Ну, какой тут DX-инг?..
Благо, позиция находится сравнительно на краю садового общества – на западной стороне, до края глубокого леса около 100м через огороды. С помощью компактного FT-817 и импровизированной антенны сравнили относительные шумы в «паутине» электросетей, на краю и в глубине леса – все логично, чем дальше, тем шумы явно меньше. Соответственно, чтобы все разместить и уменьшить шумы, ядро (центр коммутации) приемных антенн (например, бевереджей) нужно унести в лес на максимальную длину бухты кабеля (например 500м, RG59Cu, 75Ω - для экономии), т.е. еще примерно на 400м от кромки леса.Эксперимент с размещением пары 300/500-метровых бевереджей у края леса, с направлениями «не на фонари» и вне "паутины" электрической сети дали положительный результат – шумы на уровне S0-1-2 и в худшем случае только с присутствием светодиодного «хруста», да и те, похоже, идут уже из соседней деревни. Тенденция однозначно положительная! По концепции и теории все хорошо, а как будет на практике? Понятно, что столько коаксиального кабеля, да еще и кабель управления открытым пролежат совсем недолго. Да и трудоемко прокладывать два кабеля по 500м. Практика показала, что в лесу немало животных как на 4-х лапах, так и на 2-х ногах - бывало и грызли кабель и вырезали кусками по "дцать" метров. Если бы все происходило в пустыне, то нет проблем – лежали бы себе спокойно хоть десять кабелей, правда и шумовых QRM тогда тоже не было бы... :) В общем, необходим поиск и оптимизация технических и технологических решений для выноса ядра коммутации на сотни метров от QRM, но с одним приемным коаксиальным кабелем, с питанием и управлением по нему же, т.к. для такой длины один кабель безусловно технологичнее. Естественно, между радиочастотными (RF) и управляющими функциями должна быть серьезная развязка, чтобы управление никак не ухудшало или не влияло на шумы и на комплексное согласование всего тракта приема.

Экстендер, пробная реализация.
Для проверки концепции дистанционного антенного переключателя приемных антенн был сделан опытный образец (макет) переключателя состоящий из двух блоков: в шеке – локальный селектор антенн с блоком питания и передатчиком команд управления, на удаленной стороне – приемник команд и собственно переключатель антенн.

Блок-схема работы дистанционного переключателя приемных антенн (v.1)

Управление и логика передатчика/приемника реализуется микроконтроллерами (МК), соответственно, приняты все меры для минимизации излучений от «цифры» - минимизирована тактовая частота МК, минимизировано мультиплексирование портов, максимально развязаны по ВЧ все функциональные блоки (синфазные и дифференциальные дроссели). МК выбраны исходя из количества необходимых портов, чтобы порты были статические для минимизации коммутационных помех. А типы МК, те что были «под руками» - AVR я уважаю уже лет 15. Количество и распределение портов выбрано исходя их принципа разумной достаточности для отработки технологии и при необходимости может быть изменено и по количеству и по функциям в соответствии с конкретной потребностью и функциями переключателя.

Локальный селектор-передатчик.
Порты - матрица клавиатуры 4х3 (7 портов), статическая индикация – 12 портов и порт для передачи команд управления на удаленную сторону. Подошел распространенный МК Atmel ATmega8-16PU DIP28. Для клавиатуры выбран низкочастотный мультиплекс матрицы, т.к. при этом генерируется потенциально меньше шума, чем клавиатура с ADC на одном пине. Скорость передачи последовательного кода выбрана компромиссной с точки зрения увеличения потенциальной длины линии и эргономики управления – 300бод, т.е. время передачи кода составляет около 35mS.
Сначала для МК планировалась тактовая частота 32кHz для уменьшения интенсивности гармоник на 160/80м, но оказалось, в ATtiny2313 и ATmega8  никак не удалось запустить кварц на 32кГц и пришлось использовать внутренние RC-генераторы с делением, с итоговой тактовой 1MHz. Но плюс в том, что не используются пины Xtal и уменьшается длина излучающих шум проводников МК к кварцу. Тем более, что понижение температурной стабильности может сказаться только на передачу команд управления от передатчика к приемнику, по расчету, при разнице температур окружающей среды между RX и TX даже градусов в 60 (-40 улица и +20 шэк), ошибка при скорости управления в 300бод составляет менее 0.3%, при допустимой до 4-6%. В общем, в концепции технических решений пока всего с запасом... Т.е. пока МК работают на тактовой частоте внутреннего RC-генератора 1MHz и помех от МК не обнаружено, хотя специально внимательно пытались найти (при этом нашлись другие источники небольшого шума, которые ранее не замечались...). В дальнейшем, при необходимости еще большего снижения потенциальных шумов, можно будет перейти на меньшие тактовые частоты выбрав другие МК. Но практика показывает, что наличие генераторов потенциального шума (а это практически любое электронное устройство) само по себе не так страшно, как корректность их схемотехники, конструктивной реализации и выбора правильной точки заземления.
На одну  из кнопок клавиатуры (R = Reset) выведена функция сброса/отключения всех портов/реле на удаленной стороне. Это может быть полезно для диагностики источников наводок или просачивания паразитных сигналов при приеме. Также предусмотрена потенциальная возможность управления селектором от компьютера, через USB интерфейс, в расчете на удаленное управление селектором, например, через Интернет.

Схема 1 - передатчик (ВЧ развязка. МК, передатчик кода, стабилизаторы питания)

Удаленный приемник-переключатель.
Порты - 8 портов (реле) на переключение антенн (включен только один из 8-ми), 3 порта (реле) на триггерное переключение с независимой фиксацией, например для включения предусилителя и его дополнительного усиления (для экспериментов с компенсацией RF потерь в кабеле) + резерв и порт для приема команд управления от селектора. Соответственно, выбран простой МК Atmel ATtiny2313-20PI DIP20. Оптрон выбран из имеющихся, но схемотехника предусматривает использование практически любых транзисторных. Для коммутации спользованы имеющиеся реле РЭС-79 с паспортом 01, желательно использовать реле на 20-24В для исключения ограничительных резисторов и уменьшения потребляемого тока удаленным приемником. Вариант использования поляризованых реле пока не рассматривался из-за их малой доступности и специфики управления. Функционал, логику и комбинации портов (реле) и переключателя в целом можно заложить любые, например для 8 портов: 8 шт. однонаправленных бевериджей, 4 однонаправленных и 2 двунаправленных, 4 двунаправленных, или несколько бевериджей и какие нибудь тихие рамки )... Все зависит только от антенн и потребностей в рамках технических ограничений по потреблению... Пока программы и схемотехника расчитаны на 8 шт. бевериджей, но по потребности, можно сделать модификации под другие конфигурации. Т.е. пока все полотна антенн подключаются прямо к боксу в котором и находится согласующий трансформатор. С точки зрения качества приема это не корректный вариант, т.к.  подключение полотен желательно разнести между собой и ввод в переключатель сделать по низкоомной стороне, т.е. чтобы в бокс переключателя входили именно кабели, а не сами высокоомные антенны. Это улучшит взаимную развязку антенн, позволит сделать  и оптимизировать индивидуальное согласование, защиту от перегрузок и т.д. Что касается параметров или тонкостей по ВЧ компонентам, например, по параметрам трансформаторов сопротивлений, то здесь, конечно же, работает традиционная физика и вся необходимая инфо есть на схеме.

Схема 2 - приемник (коммутация антенных и триггерных реле, ВЧ развязка)

Схема 3 - приемник (ВЧ развязка. МК, приемник кода, стабилизатор питания)

Учитывая большую длину кабеля RG59Cu: из-за его DC потерь (шлейф около 35Ω на 500м длины) – напряжение питания выбрано 30VDC чтобы обеспечить в нагрузке ток до 100мА при 20-25VDC; из-за RF потерь (около 5-9db на 500м, зависит от типа кабеля и частоты) – в переключателе предусмотрена возможность включения/отключения и выбора уровня усиления предусилителя. Количество каналов управления (реле, например) ограничено только потребляемой мощностью на удаленной стороне, а по возможностям цифровой части явно превышает любые реальные потребности (например, сейчас количество команд ограничено одним байтом – 255 команд). Учитывая существенные RF потери из-за длины кабеля (около 4-9db на диапазонах 160-80м), в удаленном блоке предусмотрена возможность установки и экспериментов с предусилителем. Из-за отличных datasheet-характеристик и малого потребления был выбран предусилитель на специализированной микросхеме Analog Devices AD8129 на основе конструкции предусилителя DL2KQ. С помощью подстроечных резисторов R (см. схему)  усиление предусилителя установлено +15db (режим L=low, включается с помощью SW1) или +25db (H=high, включается по SW2). Конечно, уровни усиления условны, устанавливаются какие необходимы, да и сам предусилитель используется по необходимости. После подачи питания на приемник переключателя, в течение примерно 1с последовательно переключаются все реле, чтобы исключить неконтакт реле для слабых сигналов. Все схемы приведены в эскизном (макетном) варианте. Схемы доступны для скачивания одним файлом.

Схема 4 - предусилитель (ВЧ развязка и предусилитель на AD8129)

Конструкция.
В основном, все собрано из компонентов исходя из того, что было под руками и подходило под требования задачи. В качестве фидера НЕ рекомендуется использовать белый телевизионный кабель для спутникового приема (с "волосинками" и полиэтиленовой пленкой в качестве экрана, с омедненой сталистой жилой). Есть печальный опыт: 200м такого "кабеля" имеет значительно большее затухание на 1.8МГц чем 500м более тонкого RG59Cu - черный, Hyperline COAX-RG59-CU-500, 75Ом, жила - 0.8мм медная, экран луженная медь 48% + фольга, изоляция PVC, сопротивление шлейфа около 35 Ом. После сборки обязательно нужно проверить КСВ всей системы, т.е. вместо трансивера подключть КСВ-метр, а вместо выбранной антенны металлооксидный резистор сопротивлением 470 Ом. КСВ должен быть не хуже 1.1-1.2. Если не так, проверить монтаж, дроссели и трансформаторы. В блоке приемника, земли цепи уаправления и ВЧ части гальванической землей соединяются только через дроссели платы МК приемника, т.е. именно как на схеме. В противном случае возможны паразитные перетекания шумовых токов МК в антенные цепи и, соответственно, повышение шумов при приеме и это будет видно по ухудшению КСВ системы. Приемник собран в герметичном корпусе похожем на Sanhe FA20 с размерами около 175х80х55мм. Для селектора-передатчика был выбран корпус Gainta G1502 (228х216х76/50мм, пластик, светло-серый, алюминиевая панель), чертеж на рисунке.

Вид на внутренний монтаж макета приемника-переключателя.

Чертеж корпуса селектора-передатчика.		Внешний вид макетных образцов передатчика и приемника дистанционного переключателя в сборе.

Предварительные результаты.
Конструкция получилась сравнительно непростая, но стоящая того. Практически, все задуманное принципиально получилось, выявленные нюансы частично уже нивелированы или будут учтены в следующей версии проекта. Предусилитель на AD8129 очень понравился (малые шумы, дифференциальный вход, легкая реализация усиления...). Но в комбинации с бевериджами показал себя не лучшим образом, т.е с антенной имеющей сравнительно малые потери (порядка минус несколько db для антенн Бевериджа) и, соответственно, высокие уровни сигналов, усилитель грешит интермодуляционными искажениями, т.е. перегружается. Например, при выборе направления на Европу или хорошем прохождении на радиовещательном СВ (MW) диапазоне, диапазон 160/80м забивается продуктами интермодуляции до S8-9. И это с учетом того, что на входе предусилителя понижающий трансформатор сопротивления и нет никаких защитных диодов! Если бы (теоретически) для лучшего использования энергетики входного сигнала на входе предусилителя был трансформатор 1:1 или диоды (типа для "защиты"), то ситуация была бы еще заметно хуже. Но, в то же время, актуальность предусилителя однозначна: на 160м его эффект спорный или на слух еле заметен (по теории, величина потерь в кабеле напрямую ухудшит соотношение сигнал/шум), а выше по диапазонам эффект безусловен. Соответственно, становятся актуальны отключаемые диапазонные полосовые фильтры - это главная надежда против перегрузки от радиовещания. Кроме того, шаги изменения уровня усиления надо будет сделать ниже и более плавными, например +5, +10, +15 и +20db, это даст возможность точнее подобрать оптимальное соотношения сигнал/шум для приема слабого сигнала. Т.е. при таком длинном кабеле, тема о предусилителе останется актуальной. А вообще, учитывая положительный результат, при наступлении теплого сезона уже заланирован вынос коммутационного ядра на новое место и существенное увеличение количества антенн...

Предполагаемое развитие.
Для технологичности повторения, возможно, целесообразно было бы использовать готовые модули МК, а может и реле, например, от Arduino, тем более, что модуль на МК ATmega328 потенциально может работать на тактовой частоте от 128(32)kHz - можно еще снизить потенциальную вероятность возникновения шума от тактовой частоты МК. Если будет интерес к проекту и продолжение, то эти варианты будут опробованы и описаны позже... С учетом имеющихся технических ограничений (ограниченная длина кабеля – DC сопротивление кабеля и мощность в нагрузке) и наличия потенциальной потребности в распределенной структуре переключателя (на позиции R3XX&Co. сектор шириной градусов в 180-200 полностью закрыт садовым сектором со светодиодными фонарями), есть мысль сделать второй вариант с «ретрансляцией», т.е. с возможностью последовательного подключения к первому удаленному коммутатору еще одного или нескольких еще более удаленных приемников-переключателей, т.е. разнести узлы секторов, чтобы обойти этот "сгусток" помех. Ввести возможность подключения одиночных, двунаправленных беверов, стеков или просто других антенн по коаксиалу. Соответственно, можно будет сделать более оптимальную конфигурацию антенн с предполагаемым удалением второго/третьего ядра антенн на расстояние до 1000м или более, как на рисунке ниже. Кроме того, для проверки/настройки антенн предполагается сделать автономный, портативный передатчик-пульт для возможности переключения антенн при нахождении непосредственно у удаленного приемника-переключателя, а не только из шека. Однако, скорее всего, новая версия (предполагаемая v2) не будет совместима с первой версией удаленного переключателя.

Предполагаемое развитие проекта - Дистанционный переключатель приемных антенн v.2

Программное обеспечение.
МК передатчика и приемника работают под управлением специальных программ, прошитых (записаных) в МК, а сами прошивки (коды программ) приведены в конце этой страницы. При прошивке МК, в них также необходимо записать и конфигурацию специальных опций (фьюзов) в соответствии со значениями, которые приведены на скриншотах ниже. Если этого не сделать, то программы МК просто не поймут друг друга. При необходимости изменения конфигурации фьюзов, можно воспользоваться удобным он-лайн калькулятором.

Комбинация фьюзов для прошивки передатчика МК Atmel ATmega8-16PU		Комбинация фьюзов для прошивки приемника Atmel ATtiny2313-20PI

Прошивка передатчика для МК Atmel ATmega8-16PU v001
Прошивка приемника для МК Atmel ATtiny2313-20PI v001a (06 Apr 2020)

Обновление от 15.05.2020

В результате изготовления данной конструкции Дмитрием UR4LRG, мною были внесены некоторые дополнения и коррекции в описание экстендера на данной странице. Благодаря Дмитрию, страница пополнилась демонстрационным видео материалом по экстендеру, а также файлами для изготовления печатных плат.

Демонстрация работы пульта управления		Измерение параметров
Плата удаленного приемника		Плата локального пульта управления