Метод биений в доплеровских ионосферных наблюдениях

ВЕСТНИК 2014. ВЫПУСК 4

Широко известен1 метод2 доплеровского радиозондирования ионосферы. Его суть в том, что спектр принимаемого сигнала от удаленной радиостанции переносится приёмником в область низких частот, и затем анализируется компьютерной программой. Преимуществами метода являются высокая чувствительность к малым изменениям частоты, вызванных движением отражающих слоев и, как следствие этого, высокое разрешение, сравнительная простота и дешевизна аппаратурных решений, возможность организации непрерывных наблюдений. Выбор определённых вещательных станций или маяков с известным местоположением позволяет отслеживать состояние трассы между приёмником и передатчиком, выявляя различные процессы в ионосфере, такие, как турбулентность, многолучевое распространение, гравитационные волны, перемещения и возмущения слоев.

Доплеровский метод предполагает получение спектрограмм несущей частоты сигнала. Особенно подходят для этой цели несущие радио- вещательных станций. При использовании современной техники и специальных программ возможна частичная или полная автоматизация.

Получение спектрограмм возможно на экспериментальной установке, отвечающей минимальным требованиям, т.е. содержащей КВ-приёмник, работающий в диапазоне 0,7…30 МГц и имеющий функцию приёма одной боковой полосы (SSB) и персональный компьютер (ПК) со звуковой картой, работающей в диапазоне звуковых частот от 20 Гц до 20 кГц. В порядке эксперимента приёмник настраивался на сигнал удалённой (1500...2500 км) АМ радиостанции, при помощи функции SSB выделялся сигнал несущей частоты, регистрируемый с точностью не хуже единиц герц. Далее, поступая на ПК через звуковую карту, сигнал с помощью специального ПО (программа «Спектран») преобразовывался в «водопад», графически отображающий спектр сигнала и происходящие с ним процессы (размытие, смещение по частоте, и прочее). Графическое представление позволяет наглядно оценивать и анализировать состояние участка ионосферы между приёмником и передатчиком. Возможно архивирование спектрограмм.

Рассмотрим более подробно процесс обра- ботки и преобразования и фильтрации сигнала в типовом коротковолновом (КВ) приёмнике, предназначенном для демодуляции однополосных (SSB) сигналов, применяющихся почти исключительно в служебной и любительской КВ-радиосвязи.

Рис. 1. Типовая схема коротковолнового SSB приёмника

Типовая схема коротковолнового SSB приёмника показана на (рис. 1). Сигнал от антенны с частотой Fc поступает на вход первого смесителя (перемножителя) сигналов (смесители обозначены кружками с косым крестом). На другой его вход подается сигнал перестраиваемого гетеродина, или синтезатора частоты IF ₁. На выходе первого смесителя образуется сигнал первой ПЧ IF ₁. В современных приёмниках ее обычно выбирают выше максимальной частоты принимаемого диапазона, т.е. выше 30 МГц, что сужает диапазон перестройки первого гетеродина и позволяет обойтись минимальной фильтрацией на входе приёмника. Первое преобразование частоты происходит по закону IF ₁ = F ₁ – F _e. Обычно значение IF ₁ выбирают в диапазоне 50…90 МГц. Фильтры первой ПЧ IF ₁ позволяют лишь подавить зеркальную частоту второго преобразователя. Частотный план сигналов в приёмнике показан на (рис. 2).

A A вещательных станций, либо третий преобразователь частоты с кварцевым гетеродином F3 для переноса спектра сигнала в область звуковых частот F0 при приеме SSB или телеграфных (CW) сигналов. Именно этот режим и используют при наблюдении доплеровских спектров, поскольку программы для ПК и их звуковые карты рассчитаны для работы на низких частотах.

Главным препятствием для широкого использования стандартных супергетеродинных КВ-приёмников, подобных описанному выше, для наблюдения и регистрации доплеровских спектров явилась низкая стабильность их гетеродинов. Действительно, изменение частоты любого из гетеродинов (или всех) на dF немедленно приводит к такому же изменению выходной (регистрируемой) частоты F ₀. Вот, например, как выглядит спектрограмма сигнала (рис. 3) при приеме профессиональным аппаратом IC-706MKII. Изменения частоты на 3,5 Гц с периодом около 5 минут, совсем не воспринимаемые на слух, совершенно портят спектрограмму. Как оказалось, флуктуации частоты F ₀ = 1522 Гц вызваны работой вентилятора, охлаждающего микропроцессор синтезатора частоты!

Рис. 3. Спектрограмма сигнала станции TWR Europe (Науэн, Германия, 100 кВт, 1634 км от Москвы), приёмник ICOM IC-706MKII, антенна Vertical – 5,4 м, частота сигнала – 7215 кГц, 08:45 UTC, 12:45 LT

ВЕСТНИК 2014. ВЫПУСК 4

Поиск путей решения проблемы привел к идее вообще отказаться от использования стабильных опорных частот в приёмнике. Мысль, напросившаяся сама собой, состоит в использовании несущих радиостанций. Они расположены в соответствии со строгой сеткой вещания х5 кГц, и их частота по ГОСТ должна устанавливаться с точностью не хуже ±10 Гц. Стабильность частоты радиовещательных КВ-стан-ций лучше 10–8, что составляет менее 1 Гц на 100 МГц! Следовательно, дрейф частоты принимаемого сигнала на частотах 2...30 МГц может составлять от 0,02 до 0,3 Гц в худшем случае. Доплеровское смещение, вызываемое движени-

ВЕСТНИК 2014. ВЫПУСК 4

ем ионосферы, даже на одном скачке может быть намного больше. Итак, эталоны уже в эфире!

Спектран можно программно настроить на частоту биений между несущими радиостанций 5 или 10 кГц. Частота выборок должна быть, по крайней мере, вдвое выше частоты биений. В Спектране есть частоты выборок 11025 и 22050 Гц. Максимальное разрешение при этом – 0,042 и 0,084 Гц. Как показала практика, сетка частот радиовещательных станций на КВ с шагом 5 кГц соблюдается не слишком строго, и приходилось наблюдать частоты биений от 4950 до 5050 Гц. Чаще всего – в районе 4975 Гц, и это заставляет усомниться в точности установки частот в самом Спектране (должно бы быть 5000 Гц).

Приёмник должен иметь АМ детектор и полосу пропускания не менее 5 кГц. Настраивать его надо примерно посередине между несущими станций или с некоторым сдвигом настройки в сторону более слабой станции. Телеграфный гетеродин вообще не нужен – для выделения биений приёмник включают в режим АМ. Теперь стабильность его гетеродинов не имеет значения, ведь частота биений определяется исключительно частотами двух соседних радиостанций. Открылась потрясающая возможность использовать для ионосферных исследований любые дешевые приёмники, включая китайские с веревочным верньером и без цифровой шкалы!

Процесс образования биений двух сигналов в амплитудном (АМ) детекторе общеизвестен, тем не менее, проследим за происходящим процессом. Пусть на входе детектора действует сумма сигналов:

S ( t ) = u вх = a 1 cos( ro 1 t ) + a 2 cos( ro ₂ t ) .

Вольтамперную характеристику (ВАХ) дио- дов детектора представим степенным рядом для вычисления тока через диод I0:

I 0 = Su вх + Tu ² вх + …, где S – крутизна ВАХ;

Т – её кривизна.

Подставляя S(t), получаем, что за эффект детектирования, т.е. выделение постоянной составляющей сигнала, отвечает лишь кривизна ВАХ Т, в то время как крутизна S отвечает лишь за нагрузку детектором предыдущих каскадов, поскольку S соответствует сопротивлению дио- да в рабочей точке. Выписывая компоненты по- стоянного тока и низких частот, содержащиеся в токе детектора (высокочастотные компоненты отфильтровываются на выходе детектора), имеем:

1 0 = (1)T ( a? + a 2 + 2 a 12 a 2 cos( W j - м 2 ) t ).

Последний член как раз и является сигналом биений между несущими радиостанций с частотой 5, 10 или (реже) 15 кГц. Видим, что частота биений (ω1 – ω2) зависит только от собственных частот радиостанций и совершенно не зависит от частоты настройки гетеродинов приёмника.

Конечно, желательно, чтобы одна из станций была местной, тогда её сигнал будет чистым и не искажённым ионосферой. К сожалению, такое бывает редко. В случае же двух дальних станций Спектран зарегистрирует суммарный доплеровский сдвиг обоих сигналов, и суммарное уширение их спектров. Сигналы ведь приходят из разных мест разными путями, и их искажения в ионосфере не одинаковы, поэтому они суть независимые случайные величины. Частотный план сигналов показан на (рис. 4).

* A

полоса пропускания приемника

J----------- Zill---_>f

Fo           Fd Fc2

Рис. 4. Частотный план сигналов

Первые же опыты дали замечательный результат. В качестве примера на (рис. 5) показан спектр сигнала биений (спектрограмма) между несущими двух дальних радиостанций в диапазоне 41 м. Использовался тот же IC-706, но в режиме АМ, с шириной полосы пропускания более 10 кГц.

Рис. 5. Спектрограмма биения 7277 кГц 24.05.13. Начало 21:50, конец 22:20. Время заката в Москве. Метки минутные. 7275 – KBS World Radio, 250kW, 7280 – Voice of Vietnam, Hanoy, 100kW.

Расстояние до обеих станций около 6700 км

Видно значительное уширение спектра, вызванное турбулентностями в ионосфере, наличие нескольких треков, характерное для многолучевого распространения и «длинная ионосферная волна» с периодом больше длительности кадра (полчаса).