Esperimenti a 478 THz / 627nm - 1° parte - 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) per 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 solo prove ed esperimenti. Inizierò con poca potenza, quella fornita da semplici LED rossi e modi facili come il CW molto lento cioè QRSS, detto anche "visual CW" in quanto la decodifica si fa visualmente su uno spettrogramma. Forse in seguito proseguirò al LASER e a qualche modo più "esotico" come il JT9 o il WSPR ma questo dipenderà se riuscirò a contagiare qualche altro operatore.

I LED non vengono alimentati con una tensione continua ma con un onda quadra ad una determinata frequenza. Con frequenze nel campo audio potremo ascoltare e decodificare il segnale, ricevuto dal fotodiodo e opportunamente amplificato, direttamente in cuffia oppure visualizzarlo su uno spettrogramma sfruttando la scheda sonora di un PC. Se la frequenza sarà nel campo ultrasonico, per esempio in onde lunghe, si potrà usare un ricevitore in modalità CW.
 
 
Schema a blocchi del trasmettitore e del ricevitore. Nel caso di frequenze portanti nel campo delle LF il PC dovrà essere sostituito da un ricevitore.
 
 
  
12/2015 - 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, non proprio adatti al nostro scopo)
 
12/2015 - 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 spettrogramma 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 del prototipo 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), misurati circa 36dB di gain su 43,4dB teorici.
 
12/2015 - 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).
 
  
  
01/2016 - 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) 
 
  
  
01/2016 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.
 
  
  
07/2017 - 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.
 
  
  
07/2017 - Test con lente di Fresnel
Anche se 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 voluto fare ugualmente qualche prova. La spesa per una lente di Fresnel in plastica è sicuramente inferiore ad un piccolo telescopio ma bisogna tener conto della costruzione del supporto. I prezzi attuali dei  rifrattori economici oscillano tra i 100€ per un 60-70mm e i ~200€ per un 80-90mm (montature altazimulali) le lenti di Fresnel tra i 30 e i 50€ (20-30cm di lato con spessori di 2mm).
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). La lente misura 26x26 cm e ha una lunghezza focale di circa 20cm.
Con la sua superficie di di 67600mmq, oltre 9500 volte quella di un BPW34 (~7mmq) la lente dovrebbe avere un gain teorico di quasi 80dB.
Questo tipo di lente va usato solo con fotodiodi con grande apertura, infatti con una diagonale di circa 36cm e con una lunghezza focale di circa 20cm focalizza la luce con un angolo di oltre 80°.
 

Il test è stato eseguito al buio con qualche difficoltà per raggiungere il massimo del segnale.
 
 
Vista frontale.
 
 
Vista lato RX.
 
  
Data Sheet e link utili
  
Pagine radioamatoriali, documenti e video
IK1WVQ Mauro Dai GHz ai THz
SP 50km QSO
K3PGP Experimenter's.Corner
KA7OEI Optical (through-the-air) communications
VK7MJ MODULATED LIGHT DX
Laser and optical communications (gruppo facebooK)
AD7OI Adventures at 300-750THz (400-1000nm) - pdf document
DL6NAA - DKMN - pdf document
DH5YM 48km QSO - video
One way 635nm FM subcarrier modulated laser QSO S51VA - S57RW @ 10,4km - youtube video

Data sheet componenti

Amplificatore operazionale TEXAS LFx5x
Amplificatore operazionale TEXAS TL081
Amplificatore operazionale TEXAS OP07

Fotodiodo OSRAM BPW34
LED rosso 627nm alta efficenza KINGBRIGHT L7113ID
Transistor FAIRCHILD 2N3904
 
Telescopi e binocoli
BRESSER

CELESTRON
OMEGON
SKY-WATCHER
 
Software
Spectran

Altro
IW3SGT PIC board v4
Mikrobasic PRO for PIC
EasyPIC v7
VISHAY EYE SAFETY RISK ASSESSMENT OF IR EMITTING DIODES
  
  
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