Приемник для получения изображений со спутников NOAA. Часть 1

Без категорії
NOAA 18 at 20 Jul 2014 13:00:55 GMT

С помощью доступных оптических инструментов мы можем заглянуть в бескрайние просторы Вселенной и увидеть множество объектов, находящихся на огромном расстоянии от Земли. А есть ли возможность увидеть Землю из космоса?

Увидеть, к сожалению, можно только с борта космического аппарата. А сфотографировать? Разумеется, в сети без особого труда можно найти свежие снимки Земли из космоса. Но разве свободный доступ к снимкам когда-нибудь останавливал тех, кто занимается астрономическими наблюдениями или фотографией?

В конце 2006 года я открыл для себя существование спутников серии NOAA, предназначенных для наблюдения за поверхностью планеты с орбиты. Интерес к этим спутникам вызван тем, что они передают данные о поверхности Земли в режиме реального времени по свободному протоколу APT в диапазоне 137 МГц, которые могут быть приняты на любительскую радиостанцию или недорогой приемник, в том числе самодельный. По мере движения по орбите спутник непрерывно сканирует поверхность Земли и сразу же передает данные в виде частотно модулированного звукового сигнала. Тогда же я узнал, что спутники очень просто отследить с помощью ряда программ, таких, как например Orbitron.

Сразу же в ход пошла старая магнитола, у которой была растянута катушка генератора, чтобы поднять верхний предел приема со стандартного 108 МГц, но отсутствие какого-либо ориентира в виде вещательных станций свело затею «на нет». Кроме того по информации в интернете стало ясно, что обычный приемник использовать неэффективно из-за широкой полосы пропускания, нужен узкополосный (Narrowband FM, NFM).

На тот момент с электроникой я был совсем на «вы» и моим единственным результативным опытом был ИК-приемник для компьютера из нескольких деталей, спаянных прямо друг с другом.

Но тогда меня воодушевила статья, где кроме схемы была дана отдельно печатная плата, потому решено было собирать приемник вручную. Приемник был спроектирован австрийскими радиолюбителями к полету их соотечественника на станцию «Мир», и был рассчитан на диапазон 144 МГц, который близок к нужному. Оригинальная статья была опубликована в журнале «Радио» (февраль 2002 г., с. 66). Приемник представляет собой супергетеродинный приемник с двойным преобразованием частоты, имеющим две ПЧ (промежуточная частота, IF – intermediate frequency): первая – 10,7 МГц и вторая – 455 кГц.

В начале 2007 года были куплены микросхемы, изготовлена плата, собраны и смонтированы все остальные компоненты, кроме керамического фильтра на 455 кГц, который тогда не удалось найти у нас в городе.

В середине 2010 года я вернулся к приемнику и нашел-таки фильтр в местном радиомагазине, правда его полоса пропускания оказалась наоборот слишком узка – 15 кГц вместо рекомендуемых 30 – 40 кГц. Но это лучше, чем ничего. По завершении сборки стало ясно, что очень плохое качество изготовления платы и пайки делают очень затруднительным нахождение неизбежных неисправностей. После ряда попыток удалось услышать шум, но отсутствие знаний, понимания и инструментов не дало продвинуться дальше. Так приемник пролежал до октября 2013 года, периодически напоминая о себе при перекладывании коробок с места на место.

Где-то читал, что жизнь похожа на спираль, и человек периодически возвращается к некоторым пройденным этапам с приобретенным некоторым опытом. Так получилось и с приемником. В очередной раз увидев лежащую в коробке плату, я вдруг решил для себя довести проект до логического завершения.

Изготовление платы решил освоить на маломощном УКВ маячке на кварце, найденном в журнале «Радиомир КВ и УКВ» (февраль – март 2011 г., с. 32 и 31 соответственно, первая схема). В нем можно применить любые кварцы до 10 МГц, при этом он излучает на четных и нечетных гармониках вплоть до 20й. Гармониками считают частоты, кратные основной частоте кварцевого резонатора. Т.е. если использовать кварц 8 МГц, можно услышать маячок на частотах 136 и 144 МГц, потому я понимал, что он может пригодиться мне в дальнейшем для проверки работы приемника. Плату развел в SprintLayout, перевел на текстолит с помощью ЛУТ, вытравил раствором перекиси водорода, соли и лимонной кислоты, просверлил гравером. VT2 заменен на КТ368. Маячок заработал сразу: на его частотах вблизи приемника отсутствовал какой-либо шум и сигнал.

Рис. 1. Схема маячка

Плату приемника пришлось нарисовать в SprintLayout по образцу из журнала, чтобы обеспечить ровные дорожки, скорректировать под себя, незначительно отклоняясь от оригинала. Из приемника была убрана фиксированная частота. Также пришлось перерисовать разводку УРЧ (усилитель радиочастоты, или УВЧ – усилитель высоких частот, RF amplifier – radio frequency amplifier), т.к. оказалось, что выводы транзистора BF961 не совпали с разведенными цепями, и он мог стать на плату только вверх ногами.

Оказалось, что найти современные каркасы катушек с экранами в Сумах невозможно, а ставить высокие из советского приемника не хотелось, поэтому пришлось заказать их в Харькове. К счастью, второй фильтр на 455 кГц, который, по сути, является колебательным контуром, удалось достать просто – из старой магнитолы, где он служит фильтром ПЧ АМ приемника (меткой является желтый ферритовый стакан).

После того, как была изготовлена плата, приемник был собран за пару вечеров, и заработал сразу после исправления явных ошибок монтажа. Но появилась другая проблема – я не знал, на какой частоте я нахожусь. Маячок услышать удалось, но сетка его частот и путаница с грубой и точной настройкой не позволяли решить проблему. Спустя несколько дней мне удалось услышать переговоры радиолюбителей через местный эхолинк-репитер, который, судя по найденной информации, работает на частоте 144,775 МГц. Но этого было мало, т.к. без шкалы было неясно, как настроиться на частоты спутников, хотя бы примерно.

Рис. 2. Схема приемника
Рис. 2. Схема приемника

 

Рис. 3. Плата приемника
Рис. 3. Плата приемника

 

Рис. 4. Расположение деталей приемника
Рис. 4. Расположение деталей приемника

Решено было собирать устройство индикации частоты. Выбирая между частотомером и синтезатором частоты c PLL (Phase-locked loop, ФАПЧ – фазовая автоподстройка частоты), я остановился на последнем, когда на форуме мне порекомендовали простую схему на доступных микросхемах LM7001 и PIC16F628A. Синтезатор частоты оказался идеальным вариантом, поскольку: дает шаг перестройки 12,5 кГц, что почти вписывается в частотную сетку спутников; предотвращает уплывание частоты, которое было замечено при прослушивании переговоров. Он также позволяет вручную быстро пробегаться по частотам с помощью энкодера, принципиально прост и дает мне шанс хотя бы немного приблизиться к пониманию работы микроконтроллеров, что мне всегда было интересно.

Рис. 5. Схема синтезатора частоты

Рис. 6. Плата синтезатора частоты

Дисплей 2х8 символов и энкодер пришлось заказать в Киевском интернет-магазине. Разводку платы с форума так же взял за основу и скорректировал. Программа для микроконтроллера взята с той же темы форума. В среде программирования mikroBasic установлена начальная частота 137 МГц. Затем код была скомпилирован в .hex файл и записан в микроконтроллер с помощью и WinPic17 и программатора.

Рис. 7. Схема и печатная плата программатора для PIC16F628A
Рис. 7. Схема и печатная плата программатора для PIC16F628A

Синтезатор частоты был соединен с приемником по схеме, данной в работе. Потенциометры грубой (R23) и точной (R21) настройки частоты, а также потенциометр настройки диапазона (R22) были убраны. Нога 20 микросхемы MC3362 была соединена со входом Fin синтезатора частоты, напряжение VCO (VCO – Voltage-controlled oscillator, ГУН – генератор, управляемый напряжением) было подано на резистор R16. Однако этого оказалось недостаточно: независимо от параметров контура L3 – C8 приемника и частоты, заданной контроллером, синтезатор частоты подавал постоянное максимальное напряжение на VCO. На форуме я получил рекомендации установить резистор 3 – 4,7 кОм между 20 ногой и землей, а также резистор 20 кОм между ногами 22 и 18, что помогло решить проблему.

Первое, что я услышал на обновленный приемник с цифровым управлением, была радиостанция, принятая точно на частоте зеркального канала, т.е. на частоте, сдвинутой относительно реальной частоты сигнала на величину, равную удвоенной ПЧ (в данном случае ПЧ равна 10,7 МГц). Далее я попытался принять маячок с кварцем 8 МГц и услышал его на частотах 135,962 и 143,962 МГц, что близко к расчетным.

Дополнив маячок варикапом и простейшим генератором звуковой частоты, я получил возможность оценивать качество приема и подобрал параметры катушек УРЧ, при которых сигнал был слышен из сравнительно отдаленной точки.

В качестве антенны первое время использовался вертикальный диполь, подключенный к приемнику кабелем 75 Ом.

Первый прием спутника NOAA состоялся 9 февраля 2014 года. Это был еле слышный писк, проявлявшийся сквозь шум при определенном положении сердечников катушек УРЧ. В том, что это был именно спутник, я сомневался до тех пор, пока не услышал его снова через несколько дней. Наступил новый этап в работе над проектом.

Печатные платы в формате Sprint Layout

Приемник для получения изображений со спутников NOAA. Часть 2