Радіоприймач для отримання зображень з супутників серії NOAA. Частина 1

Наука

За допомогою доступних оптичних інструментів ми можемо заглянути в безкраї простори Всесвіту і побачити безліч об’єктів, що знаходяться на великій відстані від Землі. А чи можна побачити Землю з космосу?

Побачити, на жаль, можна лише з борту космічного апарату. А сфотографувати? Зрозуміло, в мережі без особливих зусиль можна знайти свіжі знімки Землі з космосу. Але хіба вільний доступ до знімків колись зупиняв тих, хто займається астрономічними спостереженнями чи фотографією?

Наприкінці 2006 року я відкрив існування супутників серії NOAA, призначених для спостереження за поверхнею планети з орбіти. Інтерес до цих супутників викликаний тим, що вони передають дані про Землю в режимі реального часу за допомогою системи  Atomatic Picture Transmission (APT) в діапазоні 137 МГц, які можуть бути прийняті на аматорську радіостанцію або недорогий приймач, у тому числі саморобний. Під час руху орбітою супутник безперервно сканує поверхню Землі і одразу передає дані у вигляді частотно-модульованого звукового сигналу. Тоді ж я дізнався, що супутники дуже просто відстежити за допомогою низки програм, таких як Orbitron або gpredict.

Одразу в хід пішла стара магнітола, у якої була розтягнута котушка генератора, щоб підняти верхню межу прийому зі стандартного 108 МГц, але відсутність будь-якого орієнтиру у вигляді станцій мовлення не дозволила реалізувати ідею. Крім того, за інформацією в інтернеті стало зрозуміло, що звичайний приймач використовувати неефективно через широку смугу пропускання. Потрібен вузькосмуговий (Narrowband FM, NFM) приймач.

На той момент з електронікою я був зовсім на «ви», і моїм єдиним результативним досвідом був інфрачервоний приймач для комп’ютера з декількох деталей, спаяних прямо одна з одною.

Тоді мене надихнула стаття, де крім схеми було надано окремо друковану плату, тому вирішено було збирати приймач вручну. Приймач був спроектований австрійськими радіоаматорами до дати польоту їхнього співвітчизника на станцію «Мир» і був розрахований на діапазон 144 МГц, який близький до потрібного. Оригінальна стаття була опублікована в журналі «Радіо» (лютий 2002, с. 66). Приймач є супергетеродинним приймачем з подвійним перетворенням частоти, що має дві ПЧ (проміжна частота, IF – intermediate frequency): перша – 10,7 МГц і друга – 455 кГц.

На початку 2007 року було куплено мікросхеми, виготовлено плату, зібрано та змонтовано всі інші компоненти, крім керамічного фільтра на 455 кГц, який тоді не вдалося знайти у нас у місті.

У середині 2010 року я повернувся до приймача і знайшов фільтр у місцевому радіомагазині, але його смуга пропускання виявилася навпаки занадто вузька – 15 кГц замість рекомендованих 30 – 40 кГц. Але це краще ніж нічого. Після завершення збирання приймача стало зрозуміло, що дуже погана якість виготовлення плати і паяння роблять дуже важким знаходження несправностей. Після низки спроб вдалося почути шум, але відсутність знань, розуміння та інструментів не дало просунутися далі. Так приймач пролежав до жовтня 2013 року, періодично нагадуючи про себе під час перебирання речей.

Десь читав, що життя схоже на спіраль, і людина періодично повертається до деяких пройдених етапів із новим досвідом. Так вийшло і із приймачем. В черговий раз побачивши плату, що лежить в коробці, я раптом вирішив для себе довести проект до логічного завершення.

Виготовлення плати вирішив освоїти на малопотужному УКХ маячку на кварці, знайденому в журналі «Радіосвіт КХ та УКХ» (лютий – березень 2011 р., с. 32 та 31 відповідно, перша схема). У ньому можна застосувати будь-які кварци до 10 МГц, при цьому він випромінює на парних та непарних гармоніках аж до двадцятої. Гармоніками вважають частоти, кратні основній частоті кварцового резонатора. Тобто якщо використовувати кварц 8 МГц, можна почути маячок на частотах 136 і 144 МГц, тому я розумів, що він може стати мені в нагоді для перевірки роботи приймача. Плату розвів у SprintLayout, переклав на текстоліт за допомогою аматорської лазерно-праскової технології, витравив розчином перекису водню, солі та лимонної кислоти, просвердлив малопотужним дрилем. VT2 замінено на КТ368. Маячок запрацював одразу: на його частотах поблизу приймача був відсутній шум і сигнал.

Мал. 1. Схема маячка

Плату приймача довелося намалювати в SprintLayout на зразок з журналу, щоб забезпечити рівні доріжки, скоригувати під себе, трохи відхиляючись від оригіналу. З приймача було прибрано фіксовану частоту. Також довелося перемалювати розведення підсилювача радіочастоти (або підсилювача високих частот, RF amplifier – radio frequency amplifier), оскільки виявилося, що виводи транзистора BF961 не збігалися зі схемою, і він міг стати на плату тільки догори ногами.

Виявилося, що знайти сучасні каркаси котушок із екранами в Сумах неможливо, а ставити старі високі не хотілося, тож довелося замовити їх у Харкові. На щастя, другий фільтр на 455 кГц, який, по суті, є коливальним контуром, вдалося дістати просто – зі старої магнітоли, де він служить фільтром проміжної частоти (ПЧ) амплітудної модуляції (АМ) приймача (позначкою є жовта мітка).

Після того, як було виготовлено плату, приймач був зібраний за пару вечорів, і запрацював одразу після виправлення явних помилок монтажу. Але постала інша проблема – я не знав, на яку частоту я налаштовуюсь. Маячок почути вдалося, але сітка його частот і плутанина з грубим і точним настроюванням не дозволяли вирішити проблему. Через кілька днів мені вдалося почути переговори радіоаматорів через місцевий ехолінк-репітер, який, судячи з знайденої інформації, працює на частоті 144,775 МГц. Але цього було замало, оскільки без шкали було незрозуміло, як налаштуватися на частоти супутників, хоча б приблизно.

Рис. 2. Схема приемника
Мал. 2. Схема радіоприймача
Рис. 3. Плата приемника
Мал. 3. Плата радіоприймача

 

Рис. 4. Расположение деталей приемника
Мал. 4. Розташування деталей радіоприймача

Вирішено було збирати пристрій індикації частоти. Вибираючи між частотоміром та синтезатором частоти з PLL (Phase-locked loop, ФАПЧ – фазове автопідлаштування частоти), я зупинився на останньому, коли на форумі мені порекомендували просту схему на доступних мікросхемах LM7001 та PIC16F628A. Синтезатор частоти виявився ідеальним варіантом, оскільки: дає крок перебудови 12,5 кГц, що майже вписується у частотну сітку супутників; запобігає упливанню частоти, яке було помічено при прослуховуванні переговорів радіоаматорів. Синтезатор також дозволяє вручну швидко пробігатися частотами за допомогою енкодера, є принципово простим і дає мені шанс хоча б трохи наблизитися до розуміння роботи мікроконтролерів, що мені завжди було цікаво.

Мал. 5. Схема синтезатора частоти
Мал. 6. Плата синтезатора частоти

Дисплей 2х8 символів та енкодер довелося замовити у київському інтернет-магазині. Друковану плату з форуму також узяв за основу та скоригував. Програма для мікроконтролера взята з тієї ж теми форуму. Серед програмування mikroBasic встановлена ​​початкова частота 137 МГц. Потім код був скомпільований в .hex файл і записаний в мікроконтролер за допомогою і WinPic17 і програматора.

Рис. 7. Схема и печатная плата программатора для PIC16F628A
Мал. 7. Схема та друкована плата програматора для PIC16F628A

Синтезатор частоти був з’єднаний із приймачем за схемою, знайденою в мережі. Потенціометри грубого (R23) і точного (R21) налаштування частоти, а також потенціометри налаштування діапазону (R22) були прибрані. Вивід 20 мікросхеми MC3362 був з’єднаний із входом Fin синтезатора частоти, напруга VCO (VCO – Voltage-controlled oscillator, генератор, керований напругою) було подано на резистор R16. Однак цього виявилося недостатньо: незалежно від параметрів контуру L3 – C8 приймача та частоти, заданої контролером, синтезатор частоти подавав постійну максимальну напругу VCO. На форумі я отримав рекомендації встановити резистор 3 – 4,7 кОм між 20 ногою і землею, а також резистор 20 кОм між виводами 22 і 18, що допомогло вирішити проблему.

Перше, що я почув на оновлений приймач із цифровим керуванням, була радіостанція, прийнята точно на частоті дзеркального каналу, тобто на частоті, зсунутій відносно реальної частоти сигналу на величину, що дорівнює подвоєній ПЧ (у даному випадку ПЧ дорівнює 10,7 МГц). Далі я спробував прийняти маячок із кварцем 8 МГц і почув його на частотах 135,962 та 143,962 МГц, що близько до розрахункових.

Доповнивши маячок варикапом та найпростішим генератором звукової частоти, я отримав можливість оцінювати якість прийому та підібрав параметри котушок підсилювача радіочастоти, при яких сигнал був чутний із порівняно віддаленої точки.

В якості антени спочатку використовувався вертикальний диполь, підключений до приймача кабелем 75 Ом.

Перший прийом супутника NOAA відбувся 9 лютого 2014 року. Це був ледь чутний писк, помітний крізь шум при певному налаштуванні котушок підсилювача радіочастоти. У тому, що це був саме супутник, я сумнівався, доки не почув його знову за кілька днів. Настав новий етап у роботі над проектом.

Друковані плати в форматі Sprint Layout

Радіоприймач для отримання зображень з супутників NOAA. Частина 2.