Príjem QO-100 Multimedia Beacon so softvérovou stabilizáciou frekvencie
Použité zariadenia
Prijímacia zostava použitá pri tomto experimente je zámerne pomerne jednoduchá:
- SDR: ADALM-Pluto s pôvodným TCXO vymeneným za TCXO s presnosťou 0,5 ppm, pripojené k počítaču cez USB
- Parabola: offsetová parabola Gibertini 125 cm
- LNB: starší neupravený spotrebiteľský LNB určený pôvodne na satelitný TV príjem, presný typ nie je známy
- Napájanie LNB: 12,5 V z laboratórneho zdroja Siglent cez bias-T
- Softvér: SDR Console, Spectrum Lab a AMSAT-DL HighSpeed Modem
Samotný LNB nie je nijako upravený ani nepoužíva externú frekvenčnú referenciu.
Počas experimentov s QO-100 Multimedia Beacon som sa začal podrobnejšie zaoberať problémom frekvenčnej stability.
Beacon, ktorý sa v súčasnosti vysiela na frekvencii 10 489,9935 MHz s moduláciou 8APSK a prenosovou rýchlosťou 7200 bit/s, sa ukázal ako výborný reálny signál na experimentovanie so softvérovou stabilizáciou frekvencie.
To, čo sa pôvodne začalo ako pokus o príjem a dekódovanie multimediálneho beaconu, sa postupne zmenilo na experiment s kompenzáciou frekvenčného driftu bežného LNB výlučne pomocou softvéru.
QO-100 Multimedia Beacon sa na tento účel ukázal ako mimoriadne vhodný, pretože vplyv frekvenčnej nestability možno priamo pozorovať na synchronizácii HS Modemu, príjme jednotlivých blokov a na 8APSK konštelácii.
Cieľ experimentu sa teda postupne sformoval do otázky:
Do akej miery dokážem kompenzovať frekvenčný drift bežného, neupraveného LNB iba pomocou softvérového DSP?
Hlavný problém: frekvenčný drift LNB
Moja prijímacia zostava pre QO-100 používa bežný LNB bez externého GPSDO referenčného zdroja.
Rovnako ako pri väčšine podobných LNB sa frekvencia jeho lokálneho oscilátora mení v závislosti od teploty. Pri bežnom SSB príjme sa to dá pomerne jednoducho kompenzovať, ale digitálny signál, akým je Multimedia Beacon s moduláciou 8APSK a rýchlosťou 7200 bit/s, predstavuje oveľa náročnejší test.
Počas dlhších testov som pozoroval posun prijímaného signálu až o niekoľko kHz.
Samotný drift bol väčšinou pomerne plynulý, ale bol dostatočne veľký na to, aby sa referencia potrebná pre HS Modem časom dostala mimo použiteľného rozsahu ladenia.
Cieľom teda nebolo iba jednorazovo správne naladiť prijímač. Chcel som vytvoriť systém schopný neustále sledovať driftujúci signál a súčasne poskytovať HS Modemu takmer stacionárny signál.
Prvý prístup: Geostationary Beacon stabilizácia v SDR Console
Ako prvé riešenie som použil funkciu Geostationary Beacon stabilization v SDR Console.
Ide o veľmi užitočnú funkciu pri prevádzke cez QO-100, pretože kompenzuje frekvenčný drift LNB pomocou jedného zo satelitných beaconov ako frekvenčnej referencie.
Pri bežnej prevádzke funguje veľmi dobre.
Počas experimentov s Multimedia Beacon som však stále pozoroval malé pohyby referencie privádzanej do HS Modemu. Začalo ma preto zaujímať, či by bolo možné priamo sledovať samotný multimediálny signál po demodulácii.
Počas experimentálnej fázy som preto Geostationary Beacon stabilizáciu v SDR Console vypol a nechal LNB prirodzene driftovať.
Na prvý pohľad to môže vyzerať ako krok späť.
V praxi mi to však poskytlo niečo veľmi užitočné: nekompenzovaný LNB mohol driftovať o niekoľko kHz, pričom jeho pohyb bol väčšinou plynulý. Vznikol tak výborný signál na experimentovanie s nezávislým systémom sledovania frekvencie.
Vytvorenie AFC v Spectrum Lab
Medzi SDR Console a AMSAT-DL HighSpeed Modem som zaradil Spectrum Lab od DL4YHF.
Experimentálna signálová cesta teda vyzerala takto:
QO-100 → LNB → SDR Console → Virtual Audio Line 1 → Spectrum Lab AFC/mixer → Virtual Audio Line 2 → AMSAT-DL HS Modem
SDR Console dodáva do Spectrum Lab pomerne široké audio spektrum, aby bolo možné zachytiť pohyb LNB v rozsahu niekoľkých kHz.
Spectrum Lab analyzuje vstupný signál a priebežne sleduje referenčnú hranu Multimedia Beacon.
Namiesto neustáleho prelaďovania SDR Console používam interný mixer Spectrum Lab ako softvérový frekvenčný konvertor.
Mixer sleduje nameraný drift LNB a posúva celý prijatý signál vo zvukovej oblasti ešte pred jeho odoslaním do HS Modemu.
To znamená, že samotné SDR Console nemusí byť AFC neustále prelaďované.
Sledovanie referencie
Vyskúšal som niekoľko spôsobov sledovania.
Jednoduché vyhľadávanie najsilnejšej spektrálnej zložky v širokom frekvenčnom rozsahu nebolo spoľahlivé. Ak sa iná spektrálna zložka alebo šum stali silnejšími, tracker mohol opustiť požadovanú referenciu.
Oveľa spoľahlivejším riešením bolo zapamätať si predchádzajúcu polohu referencie a následne vyhľadávať iba v malom okolí tejto frekvencie.
Po viacerých experimentoch som v Spectrum Lab skončil pri nasledujúcom výraze:
RefTrack=RefTrack+(peak_f(#1,RefTrack-10,RefTrack+10)-RefTrack)*0.7
Spectrum Lab teda vyhľadáva maximum iba približne v rozsahu ±10 Hz okolo predchádzajúcej sledovanej polohy.
Rozdiel medzi novo nameranou polohou a predchádzajúcou polohou trackera sa pred aplikovaním korekcie násobí koeficientom 0,7.
USB down-converter mixer je následne riadený výrazom:
circuit.osc[0].freq=RefTrack-100
Výsledkom je, že driftujúca referencia prijatá zo SDR Console je pred odoslaním cez druhú virtuálnu audio linku do HS Modemu presunutá približne na 100 Hz.
Spectrum Lab poskytuje funkciu peak_f() na detekciu frekvencie spektrálneho maxima aj možnosť riadenia oscilátora mixera cez interpreter. Vďaka tomu bolo možné zostaviť tento tracking bez zásahu do samotného SDR Console.
FFT a rýchlosť aktualizácie trackera
Pre tracking analyzer som sa nakoniec rozhodol pre:
FFT: 8192 bodov
Vzorkovacia frekvencia: 48 kHz
Overlap: 75 %
Rozostup FFT binov je teda približne:
48 000 / 8192 = 5,86 Hz
Pri 75 % overlape sa nový výpočet trackingu vykonáva približne 23-krát za sekundu.
Experimentoval som aj s menšími FFT a väčším overlapom.
Takéto nastavenia síce poskytovali rýchlejšie aktualizácie, ale nameraná poloha referencie bola viditeľne menej stabilná.
Pre tento konkrétny signál sa FFT s 8192 bodmi a 75 % overlapom ukázala ako vhodný kompromis medzi frekvenčným rozlíšením, rýchlosťou sledovania a stabilitou.
Od driftu niekoľkých kHz k tracking error približne ±1 Hz
Toto bol najzaujímavejší výsledok experimentu.
Bez kompenzácie sa signál prijímaný bežným LNB mohol posunúť o niekoľko kHz.
Po spustení tracking slučky v Spectrum Lab sa zostávajúca chyba indikovaná tracking systémom typicky pohybovala okolo ±1 Hz.
Túto hodnotu nemožno interpretovať ako laboratórne meranie absolútnej frekvenčnej presnosti.
Rozostup FFT binov je pri tomto nastavení približne 5,86 Hz, pričom funkcia peak_f() v Spectrum Lab odhaduje frekvenciu spektrálneho maxima pomocou detekcie/interpolácie maxima.
Presnejšie je preto hovoriť o pozorovanej hodnote ±1 Hz ako o zostávajúcej chybe sledovania indikovanej Spectrum Lab.
Prakticky oveľa dôležitejšie bolo, že referencia privádzaná do HS Modemu sa stala vizuálne takmer nehybnou.
Výrazne stabilnejšia bola aj indikácia RX Sync.
Prečo som na tento experiment použil Multimedia Beacon?
QO-100 Multimedia Beacon sa ukázal ako mimoriadne zaujímavý testovací signál pre experimenty s frekvenčnou stabilitou.
Pri bežnej SSB prevádzke môže operátor malý frekvenčný drift jednoducho korigovať a z praktického hľadiska nemusí predstavovať vážnejší problém.
8APSK signál s rýchlosťou 7200 bit/s predstavuje podstatne náročnejší test.
Frekvenčnú nestabilitu možno priamo pozorovať prostredníctvom:
- pohybu referencie,
- RX synchronizácie HS Modemu,
- úspešne a neúspešne dekódovaných blokov,
- a zmien 8APSK konštelácie.
Beacon sa tak stal veľmi užitočným reálnym testovacím zdrojom na experimentovanie s FFT odhadom frekvencie, AFC, DSP frekvenčným posunom a dlhodobou stabilitou prijímača.
Úspešný live príjem Multimedia Beacon
Po zlepšení frekvenčného trackingu sa synchronizácia HS Modemu stala veľmi stabilnou a dáta Multimedia Beacon bolo možné prijímať kontinuálne.
Lokálne rozhranie QO-100 Experimental HTML Beacon je teraz funkčné a komunikuje priamo so spusteným HS Modemom.
Webové rozhranie zobrazuje živé informácie prijaté prostredníctvom QO-100, vrátane:
- aktivity Narrow Band transpondéra,
- aktivity Wide Band transpondéra,
- spektra a waterfallu,
- správ DX Cluster,
- informácií CW Skimmer,
- a obsahu bulletinov.
Samotné rozhranie zobrazuje:
„CONNECTED to local HSmodem“
a zobrazované informácie sa priebežne aktualizujú.
Tým sa potvrdzuje funkčnosť celej live signálovej cesty:
QO-100 → prijímač → SDR Console → Spectrum Lab → HS Modem → lokálne HTML rozhranie
Prehliadač teda nezobrazuje iba statickú webovú stránku. Funguje ako lokálne používateľské rozhranie pre informácie priebežne prijímané a dekódované HS Modemom.
Príjem súborov a chybné bloky
Je však potrebné rozlišovať medzi úspešným live príjmom a úplne bezchybným prijatím každého jednotlivého prenášaného súboru.
HS Modem môže udržať RX synchronizáciu aj vtedy, keď niektoré bloky zlyhajú.
Počas testov som preto videl, že sa v RX adresári objavili .blt súbory aj v prípadoch, keď konkrétny prenos nebol úplne úspešný.
Samotná existencia .blt súboru by preto nemala byť automaticky považovaná za dôkaz, že všetky bloky daného prenosu boli prijaté správne.
Spoľahlivosť prenosu jednotlivých súborov je stále predmetom ďalšieho testovania.
Aj preto teraz vykonávam oveľa dlhšie testy namiesto hodnotenia systému iba na základe niekoľkých minút príjmu.
Pozorovanie 8APSK konštelácie
Ďalšie zaujímavé pozorovanie prinieslo zobrazenie konštelácie v HS Modeme.
Počas dobrého príjmu sú v 8APSK konštelácii jasne rozpoznateľné skupiny symbolov.
V iných okamihoch sa tieto skupiny výrazne rozptýlia a takéto obdobia môžu súvisieť s neúspešne prijatými blokmi.
Presná príčina zatiaľ nebola určená.
Medzi možné faktory patrí pomer signál/šum, fázový šum LNB, krátkodobé zmeny v iných častiach prijímacieho reťazca, timing recovery alebo ďalšie vlastnosti 8APSK demodulácie.
Experimentoval som aj s monitorovaním fázy v Spectrum Lab.
Získať použiteľnú chybu fázy nosnej priamo z dátového 8APSK signálu však nie je jednoduché, pretože samotná modulácia zámerne mení fázu.
Predtým, než by bolo možné takéto meranie interpretovať ako fázovú chybu vhodnú na korekciu, bol by potrebný skutočný systém obnovy nosnej.
Preto som sa rozhodol nepridávať ďalšiu experimentálnu slučku na korekciu fázy.
Samotný experiment s frekvenčným trackingom už priniesol výrazné zlepšenie a možno ho vyhodnocovať nezávisle.
Krátkodobé experimenty verzus dlhodobý príjem
V tomto experimente sa v skutočnosti používajú dva mierne odlišné prevádzkové režimy.
Počas pôvodných AFC experimentov som zámerne vypol Geostationary Beacon stabilizáciu v SDR Console.
LNB tak mohol voľne driftovať a bolo možné pozorovať, ako dobre dokáže Spectrum Lab tracker sledovať pohyb v rozsahu niekoľkých kHz.
Pri dlhodobom príjme však vzniká praktické obmedzenie.
Nahromadený drift LNB môže časom narásť natoľko, že Multimedia Beacon opustí audio pásmo, ktoré SDR Console poskytuje Spectrum Lab.
Spectrum Lab nedokáže sledovať signál, ktorý sa už na jeho vstupe nenachádza.
Pre dlhodobý príjem preto používam kombinované riešenie:
SDR Console Geostationary Beacon stabilization → Spectrum Lab fine AFC → HS Modem
Oba systémy tu majú rozdielnu úlohu.
SDR Console zabezpečuje hrubú dlhodobú stabilizáciu a udržiava prijímaný signál v potrebnom pásme.
Spectrum Lab následne vykonáva jemný tracking priamo podľa referencie Multimedia Beacon ešte predtým, než signál vstúpi do HS Modemu.
Túto kombinovanú konfiguráciu momentálne testujem počas dlhších časových intervalov.
Bez úpravy LNB
Jedným z aspektov experimentu, ktorý považujem za mimoriadne zaujímavý, je to, že samotný LNB zostáva úplne neupravený.
LNB s externou referenciou alebo GPSDO by samozrejme poskytoval podstatne lepšiu vlastnú frekvenčnú stabilitu a pre QO-100 predstavuje veľmi dobré technické riešenie.
To však nebolo cieľom tohto experimentu.
Otázka znela:
Akú veľkú časť frekvenčnej nestability bežného LNB možno kompenzovať softvérovo?
Namiesto zvýšenia stability samotného LNB experimentálny systém meria jeho pohyb a následne ho kompenzuje v ďalšej časti DSP reťazca.
Krátkodobá experimentálna prijímacia cesta teda vyzerá takto:
QO-100 Multimedia Beacon → štandardný LNB → SDR Console → Virtual Audio Line 1 → Spectrum Lab AFC/mixer → Virtual Audio Line 2 → AMSAT-DL HighSpeed Modem
Pri dlhodobom príjme navyše zapínam Geostationary Beacon stabilizáciu v SDR Console, aby nahromadený drift LNB neposunul signál mimo dostupného audio pásma.
Aktuálne výsledky
V súčasnej fáze experimentu:
QO-100 Multimedia Beacon je prijímaný a dekódovaný.
Lokálne HTML rozhranie pracuje kontinuálne a zobrazuje živé dáta prijaté prostredníctvom HS Modemu.
AFC v Spectrum Lab dokáže sledovať prirodzený drift LNB v rozsahu niekoľkých kHz, pričom zostávajúca chyba sledovania indikovaná Spectrum Lab sa typicky pohybuje okolo ±1 Hz.
RX synchronizácia je teraz veľmi stabilná.
Jednotlivé bloky však môžu príležitostne zlyhať, takže spoľahlivosť kompletného prenosu súborov a správanie 8APSK konštelácie zostávajú predmetom ďalšieho skúmania.
Najdôležitejším výsledkom však je, že experiment so stabilizáciou frekvencie funguje dostatočne dobre na to, aby bolo možné oddeliť problém veľkého frekvenčného driftu LNB od zostávajúcich problémov demodulácie.
Záver
To, čo sa začalo ako pokus o príjem QO-100 Multimedia Beacon, sa postupne zmenilo na užitočný experiment so softvérovou stabilizáciou frekvencie.
Multimedia Beacon sa ukázal ako výborný reálny testovací signál, pretože veľmi rýchlo odhalí problémy, ktoré sú pri bežnom SSB príjme oveľa menej výrazné.
Sledovaním referencie beaconu v Spectrum Lab a dynamickým riadením jeho interného frekvenčného konvertora je možné kompenzovať prirodzený drift LNB v rozsahu niekoľkých kHz bez akejkoľvek úpravy samotného LNB.
Počas pôvodného experimentu som LNB zámerne nechal voľne driftovať, čím bolo možné overiť schopnosti tracking slučky vytvorenej v Spectrum Lab.
Pri dlhodobom príjme možno ako hrubú korekciu pridať Geostationary Beacon stabilizáciu v SDR Console, zatiaľ čo Spectrum Lab vykonáva jemný tracking pred vstupom signálu do HS Modemu.
Experiment ešte nie je ukončený.
Naďalej budem skúmať dlhodobú stabilitu príjmu, spoľahlivosť kompletného prenosu súborov a správanie 8APSK konštelácie.
Hlavný cieľ sa však už podarilo demonštrovať:
Bežný LNB s výrazným frekvenčným driftom možno použiť ako praktickú platformu na experimentovanie so softvérovou stabilizáciou QO-100 Multimedia Beacon.
Ďalšie výsledky a screenshoty budem pridávať priebežne podľa pokračovania experimentu.
73!
Softvér a zdroje
AMSAT-DL QO-100 NB Transponder Bandplan — aktuálny bandplan úzkopásmového transpondéra QO-100 a prevádzkové informácie. Aktuálny bandplan uvádza Multimedia Beacon na frekvencii 10 489,9935 MHz s moduláciou 8APSK a rýchlosťou 7200 bit/s.
AMSAT-DL QO-100 NB Transponder Bandplan
AMSAT-DL / DJ0ABR HighSpeed Multimedia Modem (HS Modem) — modem použitý na príjem a dekódovanie QO-100 Multimedia Beacon.
DJ0ABR SSB HighSpeed Modem – zdrojový repozitár
AMSAT-DL Satellite Wiki – QO-100 Multimedia Beacon — dokumentácia Multimedia Beacon, príjmu pomocou HS Modemu, streaming režimu a lokálneho HTML rozhrania. Staršia dokumentácia môže obsahovať historické experimentálne frekvencie, preto je pre aktuálnu frekvenciu beaconu smerodajný aktuálny AMSAT-DL bandplan.
QO-100 Multimedia Beacon – dokumentácia
AMSAT-DL HS Modem Technical Specification — technické informácie o HighSpeed Modeme, podporovaných moduláciách, dátových rýchlostiach a prenosovom systéme.
HS Modem Technical Specification
Spectrum Lab by DL4YHF — použitý ako DSP stupeň medzi SDR Console a HS Modem.
Spectrum Lab Circuit Components and Mixer Documentation — dokumentácia interného frekvenčného konvertora a oscilátora. Spectrum Lab umožňuje cez interpreter ovládať oscilátor pomocou circuit.osc[0].freq.
Spectrum Lab Circuit Components documentation
Spectrum Lab Interpreter — dokumentácia interpretera a funkcie peak_f(), ktorá bola použitá na detekciu frekvencie referencie.
Spectrum Lab Interpreter documentation
SDR Console — použitý ako SDR prijímač a zdroj audio signálu. Jeho Geostationary Beacon stabilizáciu používam aj na hrubú dlhodobú stabilizáciu počas dlhších testov.