Esperimenti a 478 THz / 627nm - IW3SGT
  
Usare la luce per fare dei QSO non è una novità, già negli anni '90 c'era chi si cimentava a modulare tubi LASER He-Ne (Elio-Neon) e coprire distanze di decine di km con pochi mW, poi arrivarono i diodi LASER e perfino dei kit (Nuova Elettronica).
Il mio approccio è differente, più sperimentale e meno ludico. Per il momento niente QSO chilometrici ma prove ed esperimenti, poi si vedrà. Si inizia con poca potenza, quella fornita da banali LED rossi, perciò bisogna puntare a qualche modo efficiente e facile da decodificare e da "misurare", il CW molto lento cioè QRSS, anche detto "visual CW". In futuro forse si passerà a qualcosa di più esotico come il JT9 o il WSPR ma questo si vedrà se riuscirò a contagiare qualche altro operatore.
In realtà non si tratta di un vero CW ma di un AM al 100%, in pratica invece di alimentare i LED con una tensione continua si applica un'onda quadra con una frequenza determinata. In questo modo il segnale sarà facilmente visibile analizzando l'audio ricevuto dal fotodiodo. Userò un PC portatile che con un apposito software disegnerà sullo schermo uno spettrogramma.
 
 
Schema a blocchi del trasmettitore e del ricevitore.
 
 
  
Cenni su grandezze radiometriche e fotometriche
 
  
  
Hardware - La parte trasmittente
Anche se per iniziare bastava qualcosa di semplice ho deciso di preparare un setup versatile che possa tornarmi utile anche ad eventuali futuri QSO. Ho usato una scheda di sviluppo per PIC e qualche componente aggiuntivo per generare una serie di messaggi a varie velocità e varie frequenze.
 

Scheda di sviluppo per PIC 16F887 e simili usata per il trasmettitore, in questo caso si è usato un 18F45K22
 
Messaggi:
1: IW3SGT/B JN65VP (SLCW 0.2s dot) + AK (QRSS3)
2: IW3SGT/B
3: IW3SGT/B JN65VP
4: IW3SGT
5: IW3SGT JN65VP
6: SGT
7: AK
8: K
9: SGT + linea lunga
10: AK + linea lunga
11: K + linea lunga
 
Velocità (il messaggio n.1 è a velocità fissa):
1: CW (0.1s dot)
2: SLCW (0.2s dot)
3: QRSS1 (1s dot)
4: QRSS3 (3s dot)
5: QRSS10 (10s dot)
6: QRSS30 (30s dot) solo per OOK (on off key)
 
Frequenze (indicative):
1: DC (per usarlo come un semplice modulatore)
2: 720 Hz
3: 1520 Hz
4: 3020 Hz
5: 6020 Hz
6: 12,020 kHz
7: 24,020 kHz
8: 32,020 kHz
 

Scheda per l'alimentazione, 5V per la scheda PIC e variabile per l'alimentazione LED/LASER in TX.

 

Scheda di sviluppo (per 16F887 ma va bene anche per il più performante 18F45K22, per ulteriori dettagli vedere nella pagina dei progetti). In alto la modifica per l'illuminazione LCD temporizzata e a destra per i tasti.
 

Trasmettitore completato
 

L'uscita in onda quadra del trasmettitore assieme all'alimentazione va al driver per i LED (in questo caso dei 2N3904)
 

Test di trasmissione (messaggio IW3SGT, velocità QRSS1 e frequenza 720Hz) in test con 20 LED rossi (Kingbright alta efficienza).
 

Setup di trasmissione finale per i primi test indoor.
 

IW3SGT on air sui 627nm / 478 THz (la parte frontale a forma di tubo è un tentativo per contenere i riflessi e fare misure più precise)
 

Specifiche dei LED della Kingbright usati per queste prove (sono ad alta efficienza e forse poco adatti allo scopo)
 
Hardware - La parte ricevente
La parte ricevente si divide in due parti: il detector formato da un diodo PIN tipo BPW34 seguito da un amplificatore operazionale come convertitore corrente-tensione e il PC portatile che ci permetterà di vedere il segnale su uno spetrogramma collegato al detector tramite l'entrata MIC.
Volendo si potrebbe far meno del PC visto che le frequenze sono udibili ma in caso di disturbi o segnali molto bassi la decodifica a orecchio diventa meno affidabile rispetto al PC. Inoltre grazie alla qualità abbastanza elevata delle schede sonore è possibile fare delle misure approssimative sulle variazioni del segnale nelle diverse configurazioni.
 

Modalità fotovoltaica e fotoconduttiva. E' stata scelta la configurazione fotovoltaica principalmente per il rumore più basso e per la risposta del sistema lineare.
 

Schema definitivo del detector. Per l'alimentazione duale ho usato due batterie Pb-gel da 12V con due resistenze da 100Ohm in serie e due condensatori da 100nF in prossimità  dell'amplificatore operazionale.
 

Risposta del BPW34 allo stimolo della luce, il rapporto Irradianza e fotocorrente è lineare. Un raddoppio di Irradianza comporterà un raddoppio della corrente quindi aumento di 6dB.
 

Sensibilità angolare relativa del BPW34.

Sensibilità spettrale del BPW34.
 

Lunghezze d'onda dello spettro visibile
 
 

Primo prototipo del detector. Possibilità di scegliere due gain e tre capacità diversi per limitare la banda passante.
  

Setup di ricezione con l'antenna (binocolo Hoya 12x56) da 36dB di gain misurati su 43,4dB teorici.
 
Prime prove e risultati
 
 

Prima prova in SLCW, amplificatore con resistenza da 1MOhm. Accensione di 4 lampadine a fluorescenza da 13W visibile a metà schermata.
 

Prova ripetuta con resistenza da 4,7MOhm, il segnale aumenta di circa 13dB (come previsto da 20 log 4,7 = 13,4).
 

La terza armonica è molto alta (-9.5dB) a causa della modulazione ad onda quadra, è tutta energia sprecata.
 

Con l'amplificatore al massimo guadagno la terza armonica è leggermente più bassa (-11.2dB).
 

Verifica del guadagno con il binocolo Hoya 12x56, 36dB invece dei 43,4dB teorici, ben 7dB in meno.
 

Verifica della potenza ricevuta variando il numero dei LED in trasmissione (path 13m).
Raddoppiando il numero dei LED la potenza che giunge al fotodiodo raddoppia  (+6dB). Le misure confermano quanto previsto con un errore massimo di 0.7dB.
 

Prova su diverse frequenze (20 LED e path di 13m).
 

Disturbi nella parte bassa dello spettro. Una schermatura approssimativa con un foglio di alluminio per alimenti migliora sensibilmente la situazione. Il disturbo a 3kHz circa è causato dal dispositivo di puntamento del PC (Netbook Samsung).
 
  
  
Antenne per ricezione: binocoli e telescopi
Per aumentare le performance del nostro sistema ricevente dovremo trovare il modo di raccogliere quanta più energia possibile per concentrarla sulla superficie sensibile del fotodiodo. Per questo compito si possono usare telescopi rifrattori (a lenti) o riflettori (a specchi), binocoli, cannocchiali e lenti di fresnel (quelle delle lavagne luminose).
In linea di massima si può affermare che maggiore è l'apertura, cioè la superficie della lente frontale o dello specchio primario, maggiore sarà il guadagno ottenibile.
 

Telescopio rifrattore (sopra) e cannocchiale/binocolo (sotto)
 
Si ma quanto si guadagna ? Come si calcola ?

Partiamo da un esempio semplice, una lente frontale da 100mm (che è molto grande) e un fotodiodo tipo BPW34 con 7mmq di area sensibile. Trascurando l'attenuazione della lente, possiamo calcolare il guadagno come il rapporto tra le due superfici. La superfici della lente da 100mm di diametro è pari a (raggio x raggio x Pi, 50 x 50 x 3.14) a 7850mmq e il rapporto è di 7850 / 7 = 1121 pari a circa 60dB. Se per ogni 12dB possiamo raddoppiare la distanza (ammettendo un'attenuazione atmosferica trascurabile) allora con 60dB potremo aumentarla di 32 volte (60 / 12 = 5 perciò la distanza può aumentare di 2^5).

Con un binocolo dovremo tener conto delle dimensioni della pupilla d'uscita e nel caso sia maggiore dell'area sensibile del fotodiodo ci troveremo nella situazione di disperdere energia. Il mio binocolo Hoya 12x56 ha una pupilla d'uscita pari a 56 / 12 = 4,7 mm, una superficie di oltre 17,1mmq. La superficie della lente frontale è 2462mmq e il guadagno massimo ottenibile (trascurando l'attenuazione della lente frontale e dell'oculare) è di 144 volte cioè 43dB. Visto che il fotodiodo BPW34 ha una superficie sensibile di 7mmq e che la pupilla di uscita è di 17,1mmq ci saranno ben 10,1mmq "sprecati" che ridurranno il gain a circa 59 volte cioè 35,4dB (36dB misurati), un aumento del path teorico di 8 volte.
 
  
 
Modifiche e miglioramenti sulla parte ricevente
Il primo step è stato quello di trovare un amplificatore operazionale meno rumoroso tra quelli trovati nei miei cassetti: TL081, OP07 e LF357. Come metodo di test ho usato il primo prototipo avvolto nell'alluminio per alimenti collegato a massa e la scheda sonora come analizzatore di spettro. Nonostante il test un po' "rustico" è emerso che l'opamp LF357 è meno rumoroso. Il secondo step è stato quello di preparare un secondo prototipo più compatto in un contenitore metallico e ripetere le misure di rumore per conferma.
 

Il secondo prototipo con opamp definitivo LF357, alimentazione singola e selettore del gain (R 1M o 4.9M Ohm).
 
 
Apertura frontale per il fotodiodo BPW34.
 
 
La verifica del rumore sugli amplificatori operazionali (fotodiodo al buio) e della scheda sonora (con ingresso a massa).
 
 
 
 
 

Parte dei datasheet sulle caratteristiche di rumore (click sulle immagini per ingrandire) 
 
  
  
Stima della massima distanza raggiungibile
Per stimare la massima distanza raggiungibile in condizioni ideali (attenuazione atmosferica e disturbi trascurabili) mi baserò sulla misura del regnale ricevuto a 10m usando una modulazione QRSS1 (punto di 1s). Con un livello misurato di -66.3db potremo avere ancora un margine di circa 40dB che significa aumentare di 10 volte la distanza arrivando a 100m.
Se aggiungiamo il binocolo con i suoi 36dB di gain allora potremo passare dai 100m a 800m, tutto questo con 20 LED economici.
Passando a LED ad alta luminosità, incrementando la potenza oltre 100 volte (4180-6600mcd dei CREE contro 8-45mcd dei Kingbright, ma si deve tener conto che le caratteristiche di potenza sono molto disperse) si dovrebbe aumentare di oltre 10 volte la distanza.
 

Segnale in QRSS1 (punto di 1s) a 10m di distanza, a occhio ci sono più di 40db di margine dal rumore di fondo.
 

Misure a varie distanze con sorgente attenuata di circa 25dB (sottile strato di polistirene antiurto bianco).
Le differenze tra il livello teorico e quello misurato potrebbero esser dovute a problemi di linearità dei convertitori AD della scheda sonora (compressione nelle distanze più brevi con i segnali molto forti) e dal contributo delle riflessioni nelle distanze intermedie.
 
  
  
Test con lente di Fresnel
La strada della lente di Fresnel mi è stata sconsigliata da un collega esperto in ottica, secondo lui le performance di queste lenti sono troppo scarse.
Avendone ricevuta una in regalo ho fatto qualche prova per vedere come va così ho potuto rimandare l'acquisto del telescopio (prezzi rifrattori economici: ~100€ per un 60-70mm, ~200€ per un 80-90mm su montature altazimulali economiche).
La lente di Fresnel (nome del Fisico che la inventò nel 1827) è stata ideata per fari per la navigazione e ha il vantaggio di avere una struttura molto leggera, dimensioni molto grandi con lunghezze focali  ridotte.


La lente di Fresnel si ottiene frazionando una lente tradizionale in sezioni anulari concentriche (chiamate anelli di Fresnel).
 

Prova con (in alto) e senza (in basso) lente, 66,6dB di gain (circa 30db più del binocolo 12x56).
 

Il test è stato eseguito al buio con qualche difficoltà per raggiungere il massimo del segnale.
 
 
Vista frontale.
 
 
Vista lato RX.
 

Con la sua superficie di 67600mmq (26x26cm), 9500 volte quella del fotodiodo BPW34, ha un gain teorico di quasi 80dB.
 
  
 
Nuovo TX con i LED della CREE: QUBO
Mi serviva qualcosa di compatto e facile da usare dunque mi sono limitato a soli 36 LED. Il contenitore ospita un regolatore di tensione a 8V (il classico 7808) e uno stadio pilota formato da un driver (TC1428) e un MOS (IRF510), così basta fornirgli una tensione da circa 12V e un segnale TTL.
La potenza luminosa di questi LED è talmente elevata da saturare i miei RX alla distanza di 10m, non è il caso di puntarli negli occhi a distanza ravvicinata.
 
 
TX sul supporto inclinabile e LED in TX.
 

 

Progetto e parti stampate con stampante 3D Tevo Tornado. 
 
 

Specifiche dei LED ad alta luminosità della CREE.
 
  
 
 
Prossimi step ... ma prima dovrò trovare un secondo operatore :-)
- passare ai LED ad alta luminosità eseguendo test all'esterno su distanze tra i 50-100m per stimare la massima distanza raggiungibile;
- usare dei LASER di pochi mW con un sistema di puntamento adeguato su distanze tra i 50 e i 100m e stimare la massima distanza raggiungibile;
- prove di QSO su distanze oltre al km.