Юный техник, 2015 № 07

ЗАОЧНАЯ ШКОЛА РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ Начинаем слушать небо!

Ионосфера, как вы, наверное, знаете, это слой атмосферы, расположенный на высоте от 90 до 400 и более километров. Разреженный газ в ней сильно ионизирован солнечным излучением, проводит электрический ток и отражает радиоволны. Именно там наблюдаются полярные сияния и магнитные бури, влияющие на состояние здоровья людей. Благодаря своей высокой чувствительности, ионосфера способна очень точно реагировать на события как на Солнце, так и на Земле.

Некоторые исследователи считают, что есть ионосферные предвестники больших землетрясений, что может быть использовано в их прогнозе. А поскольку ионосфера отражает сигналы далеких радиостанций, для ее изучения не обязательно запускать спутники и зонды, использовать радары и сложный математический аппарат. Достаточно научиться слушать и наблюдать радиоэфир.

Спектры сигналов и их наблюдение. Спектр показывает, из каких частотных составляющих состоит сигнал. Чистая музыкальная нота (звучание камертона) содержит лишь одну частоту, например, 440 Гц (используется для настройки музыкальных инструментов). Свист также содержит лишь одну частоту, но более высокую, где-то от 2 до 3 кГц. Речь или музыка содержат уже целый набор частот, и такой спектр удобно изображать графически.

Наверняка вы уже видели спектры на дисплеях аудиоаппаратуры, где интенсивность спектральных компонент отображается высотой светящихся столбиков. Если же надо записать спектр и его изменения во времени, то лучше отображать интенсивность яркостью, по одной координате отложить время, по другой — частоту.

Именно так сделано в программе «Спектран» (Spectran), отображающей графически в режиме реального времени спектр поступающего сигнала в виде «водопада» — непрерывной ленты с координатами время — частота, и способной автоматически, с определенной периодичностью сохранять изображения, формируя, таким образом, «историю» сигнала за период работы.

Программа создана двумя итальянскими радиолюбителями с позывными I2PHD и IK2CZL, предназначена для исследования спектров звуковых сигналов, наблюдения слабых сигналов в шуме и т. д. Она распространяется бесплатно и доступна на многих радиолюбительских сайтах в сети Интернет. Ее часто используют для визуального приема телеграфных сигналов. Вот пример записи сигнала авиационного маяка на средних волнах (СВ).

Скриншот с экрана программы «Спектран».

Спектр тонального сигнала маяка.

Сигнал маяка тональный, с частотой 1000 Гц. После длительной посылки маяк дважды передает букву W, и затем цикл повторяется. Для удобства чтения телеграфа «водопад» запускают по горизонтали и подбирают скорость «протяжки». Этот сигнал чистый, сильный и неискаженный, поскольку маяк находился близко и принимался земной волной.

Иное дело при приеме дальних станций на коротких волнах (КВ). Сигнал приходит после одного, а то и нескольких отражений от ионосферы, иногда даже двумя-тремя лучами. Ионосфера, как правило, состоит из нескольких отражающих слоев, концентрация электронов (которая, собственно, и определяет отражающую способность) в них сильно изменяется ото дня к ночи, зависит от времени года, солнечной активности и многих других факторов. Хотя газ в ионосфере очень разрежен, там дуют ветры со скоростями до многих сотен метров в секунду. Одним словом, «погода» в ионосфере еще изменчивее, чем на поверхности Земли.

Эффект Доплера состоит в изменении частоты сигнала, принимаемого от движущегося объекта. Всем знакомо повышение тона гудка приближающегося поезда, и понижение — удаляющегося. Частота ударов волн о днище моторной лодки повышается, если идти навстречу волне. Эффект этот проявляется с волнами любой природы, в том числе и электромагнитными. Первый радиолокатор, созданный в нашей стране под руководством П.К. Ощепкова еще в 1934 году, работал на эффекте Доплера.

Передатчик метровых волн (УКВ) был установлен на крыше здания, где размещалась лаборатория, на нынешней улице Радио в Москве. Он излучал в восточном направлении. Приемник был вынесен примерно на 10 км вперед, в Новогиреево, тогда ближнее Подмосковье (любопытно заметить, что в первом месте я сейчас работаю, а во втором — живу). С аэродрома в Монино поднимали самолет, летавший к Москве и обратно. На вход приемника поступали два сигнала: прямой от передатчика и отраженный от самолета. Поскольку частота отраженного сигнала была сдвинута из-за движения, в приемнике возникали биения низкого тона, слышимые в телефонах. Испытания прошли успешно, но до широкого использования этого радара в войсках дело тогда не дошло.

Формула для доплеровского сдвига частоты F при отражении от движущегося объекта проста:

F = 2Vf_o/c, где V — радиальная скорость объекта, f_o — частота передатчика, с — скорость распространения радиоволн, равная скорости света.

Ее удобно преобразовать для быстрых расчетов. Поскольку c/f_o = λ, F = 2V/λ. Итак, доплеровский сдвиг частоты равен числу полу

волн, проходимых объектом за секунду в радиальном направлении (к передатчику или от него). Когда объект находится на траверсе приемопередатчика и расстояние до него не изменяется (радиальная скорость нулевая), доплеровского сдвига частоты нет, то есть F = 0.

Сейчас доплеровские РЛС широко использует дорожная полиция для контроля скорости автомобилей. Луч ручного радара (спид-гана) направляют вдоль шоссе, следя за приближающимися или удаляющимися автомобилями. Несложно сосчитать, что при длине волны

3 см и скорости автомобиля 30 м/с (108 км/ч) доплеровский сдвиг составит 2 кГц. Схема радара крайне проста: он содержит генератор, смеситель, УНЧ, частотомер и, конечно, направленную антенну. На смеситель поступает часть сигнала передатчика и его отражение от автомобиля. На выходе смесителя выделяется низкочастотный сигнал биений, частота которого зависит от скорости автомобиля.

Схема изменения доплеровского сдвига частоты.

Именно этот эффект используют для исследования ионосферы. Подъем или опускание отражающего слоя должны приводить, соответственно, к понижению или повышению частоты принятого сигнала, по которым легко вычислить скорость движения слоя. Однако, поскольку двигаться слои могут очень медленно, доплеровский сдвиг может измеряться долями, в лучшем случае единицами герц.

Измерить такой сдвиг несложно ионозонду, когда передатчик и приемник рядом (как в спид-гане), но оказывается проблемой при приеме удаленных станций. Все дело в стабильности и точности установки частоты как радиостанции, так и гетеродинов приемника.

Однако ионосфера — это турбулентная среда, в которой возникают не только медленные изменения, но и вихри, и прочие крупно- и мелкомасштабные неоднородности.

Флуктуации электронной концентрации неизбежно приводят к изменению коэффициента отражения, и даже места, от которого отражается сигнал. Из-за этого быстро изменяется как амплитуда, так и фаза отраженного сигнала. В результате вместо чистого синусоидального сигнала, посылаемого к ионосфере, мы получаем сложный псевдошумовой сигнал с размытым спектром.

Решение проблемы стабильности частоты предложено автором и состоит в использовании несущих частот радиостанций. Они расположены в соответствии со строгой сеткой вещания х5 кГц, и их частота по ГОСТу должна устанавливаться с точностью не хуже 10 Гц. Стабильность частоты радиовещательных KB-станций лучше 10^-8, что означает уходы 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 движением ионосферы, даже на одном скачке может быть намного больше. Итак, эталоны частоты уже есть 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 или от 9900 до 10100 Гц.

Приемник должен иметь полосу пропускания не менее 5 кГц, а настраивать его надо примерно посередине между несущими частотами станций или с некоторым сдвигом настройки в сторону более слабой станции. Телеграфный гетеродин в приемнике вообще не нужен — для выделения биений включают режим AM. Теперь стабильность его гетеродина не имеет значения, ведь частота биений определяется исключительно частотами двух соседних радиостанций.

Словом, для ионосферных исследований годятся любые дешевые приемники, включая китайские «мыльницы» с веревочным верньером. А уж описанные в нашем журнале детекторные и простые транзисторные приемники, обладая невысокой избирательностью, подходят как нельзя лучше!

Конечно, желательно, чтобы одна из станций была местной, тогда ее сигнал будет чистым и не искаженным 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 ионосферные возмущения мы наверняка увидим.

Первые же опыты дали замечательный результат. Я выбрал короткие волны с хорошим на тот момент прохождением в 19-метровом диапазоне.

В. Поляков, профессор

_{(Продолжение следует.)}