Electrónica receptora SDR KX4O

Balizas WSPR escuchadas por KX4O en Virginia

Entré en el juego de detección después de jugar con algunos receptores KiwiSDR y WSPRDaemon en una Raspberry Pi 4. No tomó mucho tiempo reforzar el sistema a tres unidades KiwiSDR. Dos me dediqué a la tarea de monitorear el mundo de las transmisiones WSPR. Conectado a mi antena vertical de 43 pies, obtuve resultados respetables a juzgar por el rango visto en los diversos visores de la base de datos. Haga clic en lo siguiente para obtener datos en vivo.

Ranking KX4O de anuncios WSPR en wspr.rocks
Figura 1: Clasificación KX4O de anuncios WSPR en wspr.rocks
Ranking KX4O de anuncios WSPR norteamericanos en WA2ZKD
Figura 2: clasificación KX4O de anuncios WSPR de América del Norte en WA2ZKD

La clave de este éxito fue estar preparado para la actividad solar aumentando la actividad en las bandas superiores. Afortunadamente, mi elección de antena y los subsistemas de demodulación demostraron ser funcionales en este sentido.

Antena de localización SDR

La antena vertical de 43 pies, aunque no es la antena con mejor rendimiento en todas las bandas, ha demostrado ser admirable para fines de recepción. Tengo una buena cobertura de LF a HF con un poco de ruido por debajo de 250 kHz haciendo un alcance de 2200 metros, pero 630 no hay problema.

Eficiencia de 43 pies frente a frecuencia

La frecuencia eficiente más baja de 43 pies (monopolo de 1/4 de onda) es de alrededor de 6 MHz. Por debajo de esto, la eficiencia cae rápidamente. Esto es claramente evidente en el siguiente espectro de uno de los receptores KiwiSDR conectados. Ignorando las diversas transmisiones en vivo, nos quedamos examinando el ruido de fondo que es inversamente proporcional a la frecuencia, como se ve entre 7 y 22 MHz. Por debajo de 6 MHz hasta la parte superior de la banda de transmisión AM de EE. UU., vemos un piso de ruido recibido más bajo debido a la ineficiencia de la antena. El ruido de fondo por encima de 22 MHz sigue siendo esquivo cuando la propagación no coopera.

Recepción de espectro del sistema de localización KX4O SDR
Figura 3: Recepción de espectro del sistema de localización KX4O SDR

Un requisito de todo este sistema para la recepción de señales débiles es obtener al menos cierto acceso al piso de ruido de HF superior sin sobrecargar el extremo inferior.

Cuando intenta cubrir tanto espectro con un sistema de antena, debe hacer algunas concesiones. Las frecuencias medias a bajas tienen más ruido de fondo que el extremo superior es relativamente débil. Sería más desequilibrado sin un dispositivo de pre-énfasis del que hablaré más adelante en este artículo. Tenga en cuenta también que algunas señales son muy fuertes, como los ejemplos cerca de 10 y 12 MHz, lo que destaca la preocupación por saturar los componentes del sistema.

Resultados de la antena de 43 pies

Dicho esto, las redes de detección confirman la recepción de WSPR en todas las bandas.

Recepción de banda del sistema de spotting KX4O SDR
Figura 4 – Recepción de banda del sistema de spotting KX4O SDR

La antena de 43 pies es un tema propio con muchos artículos anteriores para explorar en este sitio. Esta antena tiene 13 años, pero DX Engineering hace cosas buenas. A pesar de la falla de un perno, el sistema ha estado bien. Esta versión en particular es la que tiene el transformador 4:1 en la base. Se alimenta a mi casa con aproximadamente 240 pies de cable coaxial de entierro directo LMR-400.

Antena reutilizada

Es importante decir que esta antena nunca fue pensada para ser parte de algún tipo de sistema de detección WSPR. Originalmente lo usé para las comunicaciones habituales de aficionados. Mientras probaba bucles de tierra y otras técnicas de antena para un amigo, simplemente conecté este al sistema SDR. Funcionó. Esta es una historia un poco aburrida, pero a veces las cosas que suceden en la vida simplemente funcionan.

Receptores de localización SDR

Dos de los tres KiwiSDR están configurados en modo de ocho canales. Estos están conectados a una copia de WSPRDaemon ejecutándose en una sola computadora Raspberry Pi 4. Si bien los KiwiSDR tienen la capacidad de decodificar transmisiones WSPR, la demodulación real ocurre en Raspberry Pi. WSPRDaemon está configurado para demodular 12 bandas: 630 a 10 metros. Estos doce se dividen en seis cada uno de los KiwiSDR. El tráfico de Ethernet entre estos tres dispositivos es sólido; Tengo líneas Ethernet dedicadas y un conmutador que da servicio solo a este sistema.

Para resumir, esta colección funciona perfectamente con WSPRDaemon demodulando los fragmentos de audio derivados constantemente de los Kiwis.

El sitio recibe electrónica

Los subsistemas de antena y SDR/WSPRDaemon son prácticamente elementos plug and play que están listos para el usuario. Es hora de centrarse en la electrónica necesaria para tomar la señal de una antena, ajustarla y dividirla en múltiples receptores. Comencemos con este diagrama (haga clic para ampliar)…

Diagrama de bloques de la electrónica del prerreceptor de localización KX4O
Figura 5: Diagrama de bloques de la electrónica del prerreceptor de localización KX4O

El color denota tres grupos de circuitos lógicos:

  • Preénfasis pasivo entre la antena y el primer preamplificador (Azul),
  • Preamplificación de bajo ruido de banda ancha (rojo),
  • Sistema de distribución de señal sin pérdidas (ámbar).

Especificaciones del componente

Las características clave de izquierda a derecha incluyen…

Ayuda a evitar el modo común

Uno de los mantras más repetidos de los puristas de la detección de WSPR es la necesidad de evitar la captación de ruido en modo común. Bueno, haz lo que puedas cuando sea conveniente. Esto condujo a la selección de las fuentes de alimentación lineales TRIAD, con su transformador de aislamiento, para alimentar los dos amplificadores. Por supuesto que existe el acoplamiento de capacitancia, pero nuevamente… haces lo que es conveniente y sigues adelante… en mi opinión.

Costo… e inflación

A la fecha de este artículo, el equipo anterior cuesta alrededor de $ 520… aproximadamente un 14% más de lo que pagué hace aproximadamente un año cuando armé todo esto. Si estás interesado en algo como esto, no demores en comprar las piezas… solo dilo.

El circuito de pre-énfasis

Una característica clave de este sistema, el prefiltro FL1 ayuda a equilibrar la respuesta de ganancia al ruido LF, MF y HF. Clint, KA7OEI, hace estos puntos importantes

“La potencia del ruido HF y el nivel de la señal son (en general) inversamente proporcional a la frecuencia. En frecuencias más bajas, digamos, 2-8 MHz, la potencia del ruido es mucho más alta de lo que suele ser, alrededor de 20-30 MHz».

“Un SDR de muestreo directo, o alguna el receptor, para el caso, solo puede tolerar cierta potencia de RF en su extremo frontal. Tradicionalmente, esto se mitiga con el uso de filtros de paso de banda de RF de banda estrecha, pero esto no se puede hacer si se pretende cubrir las bandas de radioaficionados de 160 a 10 metros. (1,8-30 MHz).”

Clint probó varias configuraciones de circuito para reducir la ganancia en las frecuencias más bajas y se decidió por esta topología que reutiliza los conceptos familiares de preénfasis de antaño…

Circuito de pre-énfasis KA7OEI realizado en PCB KX4O
Figura 6: circuito de preénfasis KA7OEI realizado en la placa de circuito impreso KX4O

Hace algo como esto…

Respuesta espectral del filtro de pre-énfasis
Figura 7 – Respuesta espectral del filtro de pre-énfasis

Aplicación del circuito de pre-énfasis

Aquí hay una foto del PCB KX4O que alberga el circuito…

Diseño KX4O parcialmente poblado que implementa el diseño de filtro de pre-énfasis de KA7OEI
Figura 8: diseño de KX4O parcialmente poblado que implementa el diseño de filtro de preénfasis de KA7OEI

Sí, esto está literalmente colgando del costado del resto del circuito con ese pequeño cable coaxial azul que pasa por alto la parte del limitador no utilizada de la PCB. Lo que sea… funciona por ahora. Puede ver las dos etapas de filtrado en la parte inferior. No se ve la conexión a la antena coaxial.

La Figura 3 todavía muestra mucha energía en las frecuencias más bajas, pero al menos el ruido de fondo por encima de 22 MHz es a menudo mensurable. Tal vez tres etapas de filtrado tengan sentido, pero dado el éxito del enfoque de dos etapas anterior, realmente no tengo la urgencia perfeccionista de tocar esto nunca más. Lo mejor es enemigo de lo bueno.

Si fuera un súper purista, diseñaría el filtrado para considerar la banda de paso de la antena de 43 pies, así como el ruido dependiente de la frecuencia que escucha. Estoy lo suficientemente feliz con mi ranking de detección de WSPR, así que… no.

Distribución de señal

Se podría argumentar fácilmente que la necesidad del segundo nivel de amplificación es cuestionable. Tal vez… e hice esto en la primera ejecución con un divisor de 1:4. Simplemente podría haber conectado el preamplificador directamente al divisor 1: 8 y vivir con menos del regalo de ganancia de los preamplificadores. Sin embargo, atenuar la ganancia del primer amplificador de bajo ruido parecía contraproducente y un desperdicio.

Cuando estaba formulando la topología del circuito, dividí la tarea en dos partes: preamplificación y distribución de la señal. Este último cobró vida propia con el uso de un amplificador de mini circuitos que requería cierta protección contra señales de alto nivel… de ahí la necesidad del limitador Z1. El propósito del segundo amplificador es compensar la pérdida a través del divisor 1:8… eso es todo. La ganancia de 25 dB fue mucho más de lo necesario para compensar la pérdida del divisor de 9 dB. La adición del atenuador AT2 deja una ganancia global en toda la sección de distribución de 4 dB. Originalmente se planeó un divisor 1:16 y lideró el diseño, pero el 1:8 estuvo disponible antes. Por lo tanto, lo que iba a estar cerca de 0 dB de ganancia neta se convirtió en 4.

Más fotos

Ese diagrama de bloques hace que todo esto se vea bien, pero las fotos cuentan la historia real. Con eso en mente y, con suerte, paciencia por parte del lector, disfrute de estas fotos.

Preamplificador SV1AFN Dual J310 LF, MF, HF alimentado con regulador de 12 voltios.
Figura 9 – Preamplificador SV1AFN Dual J310 LF, MF, HF alimentado con regulador de 12 voltios.
Preamplificador SV1AFN J310 en limitador de mini circuitos
Figura 10 – Preamplificador SV1AFN J310 en limitador de mini circuitos
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Figura 11: fuentes de alimentación lineales para montaje en pared… incluye todo, menos la regulación.
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Figura 12 – Vista de todo el sistema terminando con el divisor ZFSC-8-1-S+.

Observaciones

  • Funciona lo suficientemente bien como para convertir un servicio de antena en un banco de receptores de LF a HF.
  • Ocasionalmente veo problemas de mezcla obvios cuando una estación potente de onda corta sale al aire con más de -20 dBm alcanzando el SDR.
  • La idea del circuito de preénfasis ciertamente es importante para un enfoque de antena de banda ancha.
  • Quizás tres etapas de pre-énfasis ayudarían a domesticar las estaciones de onda corta. No creo que ayude con la intensidad de la señal en el HF superior, pero, de nuevo, no parece que tenga problemas allí una vez que se abrieron las bandas.
  • Es probable que sea un mejor plan tener antenas específicas de banda dedicadas para porciones más pequeñas del rango de frecuencia.
  • Los resultados al contado de WSPR hablan por sí solos.

Con ocho salidas de LF-HF desde una antena, alimento tres KiwiSDR, un reloj Heath WWV, un AirSpy HF+ que alimenta un servidor OpenWebRX (mi máquina de escucha diaria), un puerto experimental WWV. Esto deja algunos puertos. Tengo algunos KiwiSDR más que puedo dedicar pronto a la red de detección FT4/8.

Conclusión

Probablemente podría sacarle más provecho a una antena, pero estoy bastante satisfecho con el resultado. Este sistema se encuentra en una zona rural de Virginia y eso probablemente ayude mucho con la recepción de calidad. Uno no siempre puede detenerse en las razones del éxito, ya que a veces simplemente encaja en el buen sentido. Viva la suerte.

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