ЛЮБИТЕЛЬСКИЙ РАДИОТЕЛЕСКОП - РУКОВОДСТВО ПО СОЗДАНИЮ

[Alex Plaha]

Уважаемые коллеги и все, кому не безразлична Радиоастрономия! Цель этого проекта -  детальное описание процесса постройки любительского радиотелескопа - интерферометра, далее РИ.
Опыт и история постройки РИ описана в статье http://www.astroclub.kiev.ua/forum/index.php?page=100 поэтому повторяться не буду, а перейду сразу к делу.
Основной опыт по созданию данной системы, как я уже писал,  был получен при изучении сайтов наших зарубежных коллег -  радиоастрономов-любителей далее РЛ.
Схемотехника и программное обеспечение дорабатывалось  мною на основе уже готовых проектов, таких как:
http://www.umich.edu/~lowbrows/reflections/2007/jabshier.1.html
http://lea.hamradio.si/~s57uuu/astro/sidi1_1/index.htm
http://www.ukaranet.org.uk/projects/index.htm
http://wavelab.homestead.com/1400MHz_old.html
http://wavelab.homestead.com/
 
Основная часть зарубежных проектов объединилась под крышей  "The European Radio Astronomy Club" http://www.eracnet.org/. Ежегодно РЛ этого клуба проводят конгрессы, возможно и у нас что-то подобное может получиться.
На стадии реализации у них находится проект по созданию РСДБ (радиоинтерферометр со сверхдлинной базой) A.L.L.B.I.N. Так  что есть у кого перенимать опыт. Аналогичный проект можно считать нашей будущей целью.
Ну, в общем, наш проект является открытым, поэтому буду рад предложениям по усовершенствованию аппаратной и программной части.

Руководство по созданию нашего РИ планирую выкладывать в следующем порядке:

1. Перечень всех деталей,  что нам понадобятся для аппаратной части  и где я их брал.
2.Dtatasheets и другие описания элементов из аппаратной части.
3.Принципиальные схемы и чертежи.
4.Схемы по модификации под наш проект уже готовых изделий.
5.Описание процесса сборки и проверки аппаратной части.
6.Программное обеспечение и прошивки, с описанием.
7.Описание проверки аппаратной части совместно с программной.
8.ПЕРВЫЙ СВЕТ.

Все будем описывать и реализовывать без напряга, по мере свободного времени.

[mnn72]

Дождались таки

[Alex Plaha]

По блок-схеме,  приведенной ниже во вложении, будем двигаться слева направо.

1.Антенна.  Любая параболическая прямофокусная тарелка от спутникового телевидения. Диаметр чем больше,  тем лучше, но не менее 1м.   Т.к. на смену прямофокусным тарелкам большого диаметра пришли небольшие офсетные тарелки, то первые остались  гнить на крышах. Ищите…                                     
К облучателям  антенн вернемся, когда появятся антенны.

2.Антенный усилитель.  Любой линейный усилитель как на фото, для цифрового спутникового телевидения, который используется для компенсации потерь в длинных коаксиальных кабелях.  От аналогового телевидения не подойдет  из-за более высокого уровня шумов. Усиление должно быть не менее 20 дб. Усилители покупать в магазинах спутникового телевидения или на радиорынке. Я покупал на радиорынке по 50грн.

3.Тюнер. На рынке присутствует очень большой выбор тюнеров от цифровых спутниковых приемников, см. фото. В основном все эти тюнеры выполнены по схеме прямого преобразования сигнала, что сильно упрощает схемотехнику и делает их намного дешевле супергетеродинов. Современная схемотехника позволяет достичь очень высокого качества приемников прямого преобразования, не хуже супергетеродинных,  а ведь большинство профессиональных радиотелескопов оборудованы приемниками со сложными схемами супергетеродинов. Выход этих приемников является квадратурным,  т.е. после преобразования на выходе приемника мы имеем два сигнала, один синфазный «I», другой сдвинутый по фазе на 90 градусов, квадратурный «Q».  Это как раз и дает возможность решать многие задачи приема,  именно фазовым методом. На базе именно таких приемников радиолюбители начали создавать простые SDR (Software Defined Radio) трансиверы. В нашем случае был выбран тюнер TBMU24112IMB1 фирмы Samsung. Этот тюнер использовался  не только в бытовых приемниках спутникового телевидения, но и в PCI DVB картах SkyStar2 для персональных компьютеров. По сравнению с другими тюнерами на фото он имеет меньший фазовый шум и меньшую ошибку квадратуры +/- 2 градуса.
На фото необходимые нам тюнеры под номерами 2 и 5. Под номером 2 тюнер продавался отдельно для замены в спутниковом приемнике. Под номером  5 тюнер в составе DVB карты SkyStar2,  т.е. его необходимо аккуратно выпаять. Процесс правильного удаления тюнера из платы приведен на http://lea.hamradio.si/~s57uuu/astro/sidi1_1/tuner.htm
Тюнеры можно купить  отдельно и в составе DVB карт SkyStar2 на радиорынке, в магазине компьютеров Second hand  или как залежалый товар в магазинах спутникового телевидения. DVB карты SkyStar2 могут иметь и другие тюнеры, так что обращайте внимание  на внешний вид внешней крышки экрана. Она должна иметь только такой внешний вид как на фото. DVB карту я  покупал на радиорынке , в ларьке компьютерного Second hand за 100грн.

[shicl]

Идея техническая и вопросы комплектации понятны. На первый взгляд доступно в изготовлении. Продолжение публикаций будет?

[Alex Plaha]

Вот описание нашего тюнера : http://www.gs.ru/soft/ss2/doc/TBMU24112IMB1.pdf
Т.к. мы делаем  радиотелескоп-интерферометр,  опорные генераторы каждого из 2-х тюнеров должны работать когерентно (синхронно, в фазе), иначе мы не получим необходимой информации о фазе приходящего из космоса сигнала. А это для нас самое главное. Самый простой вариант в нашем случае запитать оба тюнера от одного генератора. Это потребует небольшой переделки .  Процесс переделки мы детально опишем когда у кого-нибудь появятся нужные тюнеры в количестве 2-х штук.
Идем по блок-схеме дальше.  Полоса частот на квадратурном (I,Q) выходе тюнера порядка  40 Мгц.  В нашем случае в составе АЦП используется  USB микросхема CY7C68013A. Она преобразует  поток параллельных данных в поток  USB,  для ввода в компьютер. Максимальная скорость передачи, которую я смог из нее вытянуть составляет  6 – 7 Мбайт/сек.  Это позволяет нам  оцифровывать сигнал с частотой  3Мгц. Поэтому квадратурный выход с полосой 40Мгц мы должны сузить до 3Мгц. Это мы сделаем с помощью фильтра нижних частот (ФНЧ Чебышева 5-го порядка). На фото видно что, схема фильтра собрана на панельке 28 ног, от микросхем. Это сделано для быстрой смены фильтров, в случае необходимости расширить или сузить  полосы частот сигналов на выходе тюнера. От этой полосы зависит чувствительность нашего радиотелескопа. У нас два тюнера, у каждого тюнера два выхода I и Q, всего нам понадобиться четыре таких фильтра. На фото видно, что на одной панельке собраны два фильтра для одного тюнера. Синим проводом показаны места куда подпаивается земля. Обозначения на схеме uH  - это мкГн (микрогенри), pF – пФ (пикофарады).

Если радиотелескоп будет находиться в зоне больших помех, то необходимо будет применять  узкополосные резонаторные фильтры на нашу рабочую частоту наблюдений. Это тип фильтров устанавливается прямо на облучатель  антенны. Фильтры делать самому или брать у меня.

[Pluto]

ИМХО, надо бы описать виды наблюдений доступных с любительским радиотелескопом, их специфику. Я, например, с трудом представляю, что любитель может наблюдать с радиотелескопом и как происходит сам процесс.

[Alex Plaha]

Как видно из графиков статьи  http://www.astroclub.kiev.ua/forum/index.php?page=100 , наблюдения проходят по времени на горизонтальной оси.  Вертикальная ось показывает уровень корреляции сигналов от двух антенн.  Способ наблюдений радиоисточников заключается в накоплении и усреднении радиосигналов от двух антенн по времени. Т.е. мы накапливаем сигнал примерно так, как в астрофотографии копят фотоны при больших экспозициях. Время накопления сигнала не ограничено, но чем больше,  тем лучше, также как в астрофото. Но из этот следует что, мы не можем наблюдать периодические радиоисточники, например пульсары. Радиотелескоп - интерферометр может наблюдать радиоисточники с сплошным и непрерывным во времени спектром, или если спектр очень медленно меняется. Кроме того  используя вращение земли во время радионаблюдений и увеличивая базу между антеннами, можно получать радиоизображения объектов дальнего космоса, также как при помощи астрофото.

[Alex Plaha]

Далее  у нас  по блок-схеме усилитель и компаратор.

Принципиальная схема представлена во вложении, ниже.  Квадратурный  сигнал тюнера имеет уровень всего несколько микровольт. Этого не достаточно для нормальной работы компаратора.  Для усиления этого сигналы служит  микросхема TBA120S (усилитель ПЧ с ЧМ детектором). Как усилитель эта микросхема очень симметричная, смещение нуля на выходе составляет менее 1%. Купить эту микросхему опять же можно на радиорынке как отдельно, так и на платах старых импортных телевизоров, у торговцев старым радиохламом. Отдельно новые TBA120S я покупал по 10 грн. Если эту микросхему не сможете найти, то пишите и мы ее заменим на хороший операционный усилитель фирмы Analog Devices, но это будет подороже.

В  РТИ для ввода данных в компьютер применяется однобитовая дискретизация (квантование) сигналов  тюнеров.  В большем количестве бит нет смысла т.к. мы имеем дело с космическими сигналами, которые по уровню находятся намного ниже общего радиошума, а большим количеством бит будет квантоваться в основном этот шум. Шум имеет случайный характер и путем многократного усреднения уровень шума можно свести к минимуму, так что полезный сигнал окажется над  уровнем остаточного шума. Далее для получения корреляции сигнала между антеннами нам необходимо посчитать совпадение максимумов и минимумов сигнала. Для этого нам  достаточно однобитового квантования. Кроме того однобитовое квантование значительно увеличивает быстродействие системы т.к. мы ведем обработку меньшего объема информации. В конечном итоге быстродействие влияет на частоту дискретизации и как следствие на полосу частот исследуемого сигнала. А чем шире полоса, тем выше чувствительность.
И еще, профессиональные радиоинтерферометры в основном используют аппаратные корреляторы с одно и двух битовой дискретизацией.

Для однобитовой дискретизации мы применяем компаратор LM319.
Компаратор LM319 продается практически везде, где продают радиодетали.

Резисторы  МЛТ 0.125 или 0.25 , конденсаторы самые обыкновенные, если у обозначения конденсатора стоит «+»,  значит он электролитический .  На схеме усилителя обозначения uF –означает микрофарфды (мкФ), nF – нанофарфды (нФ), 6u8 – 6.8 микрофарад (мкФ).
78L05 – стабилизатор напряжения на 5В.

На фото,  МОНТАЖ.jpg  видно, что ФНЧ, усилитель и компаратор собраны на одной монтажной плате со стандартным расстоянием 2.5мм между отверстиями. Взаимное расположение деталей видно  на фото. Плата находится в экране из жести, и припаяна выводами земли к экрану. Экран служит для защиты от помех.

[shicl]

Вопрос по фильтрам. Нужная АЧХ сразу получается? Настройка, т.е. подбор элементов  требовался?

[Alex Plaha]

Расчетная неравномерность АЧХ была заложена 0.1dB. Номиналы индуктивностей и емкостей для всех четырех фильтров необходимо подбирать максимально близкими по значению. Чтобы все четыре фильтра были близки по параметрам. Реальное АЧХ фильтров я не проверял т.к. все заработало сразу.

[shicl]

За ответ благодарю!

[Alex Plaha]

Последним элементом блок-схемы является устройство ввода информации в ПК.
Устройство выполнено на  базе высокоскоростного USB 2.0 контроллера фирмы Cypress CY7C68013A.
http://www.efo.ru/doc/Cypress/Cypress.pl?2524
ftp://ftp.efo.ru/pub/cypress/cy7c68013a.pdf 

В нашем случае микросхема CY7C68013A запрограммирована в режиме HIGH-SPEED,  что обеспечивает максимальную скорость передачи,  480Мбит/сек по USB2.0.  Из трех вариантов корпусов нам подходит корпус с минимальным количеством выводов  56 pin. Распаивать отдельно взятую микросхему в SMD корпусе мне не захотелось. Поэтому я попытался найти готовые устройства, в которых уже имеются платы с распаянной  CY7C68013A. Среди таких устройств мне попадались веб-камеры, flesh – накопители, и даже всеми известная камера QHY 5. Но в конечном итоге выбор остановился на великолепной разработке любителя из Германии  http://www-user.tu-chemnitz.de/~heha/bastelecke/Rund%20um%20den%20PC/USB2LPT/ul-12.en.htm . Это полноценный переходник USB to LPT, у которого все необходимые нам контакты выведены снаружи в виде мини USB, и DB25 разъемов.  Кстати сколько не искал нормальных переходников  для получения полноценного LPT порта на ноутбуке,  найти удалось толко PCMCI LPT порт.  Нам понадобятся  два таких переходника. Если в нашей системе будет использоваться  ПК у которого имеется LPT порт,  одного переходника будет достаточно.  LPT  порт  мы будем использовать для программирования частоты тюнеров по интерфейсу I2C. Если LPT порт отсутствует, то один переходник  оставим в режиме USB то LPT, а другой будет перепрошит для работы в режиме HIGH-SPEED в составе АЦП нашего РТИ.
Данный переходник можно конечно изготовить и самому  http://www.ufoserver.org/sdr/  это будет наверно дешевле.
Приобрести по 25-30$ можно на 
http://ur4qbp.ucoz.ua/shop/45/desc/adapter-usb-lpt
http://us5ean.at.ua/news/perekhodnik_usb_lpt_na_cy7c68013_56/2010-06-23-39

[Alex Plaha]

ЖДУ ВОПРОСОВ И ПРЕДЛОЖЕНИЙ.

[Владимир Николаевич]

Ну наконец то!

[Timur Maksutov]

Полоса частот на квадратурном (I,Q) выходе тюнера порядка  40 Мгц.  В нашем случае в составе АЦП используется  USB микросхема CY7C68013A. Она преобразует  поток параллельных данных в поток  USB,  для ввода в компьютер. Максимальная скорость передачи, которую я смог из нее вытянуть составляет  6 – 7 Мбайт/сек.

В нашем случае микросхема CY7C68013A запрограммирована в режиме HIGH-SPEED,  что обеспечивает максимальную скорость передачи,  480Мбит/сек по USB2.0.

480Мбит/сек это же 60Мбайт/сек, как я понял 6-7мб это на один канал из 4?
Теперь вопрос - можно ли использовать фильтры Чебышева более высоких порядков? А Баттерворта?
И можно ли отказаться фильтров LPF чтобы оцифровывать всю полосу в 40мгц, естественно использую более высокопередающие интерфейсы пк например PCI?

[Alex Plaha]

Через CY7C68013A данные передаются 16 разрядными словами  побайтно (сначала 8 разр. младших, за тем 8 старших). Нужная нам информация содержится в первом байте. Второй байт для нас бесполезный, но у меня пока не получается перейти из 16 на 8 разрядов. Т.е. приходиться читать в два раза больше байтов и скорость для нас будет еще в 2 раза меньше.   Реально,  как я уже писал скорость получается 6-7Мбайт/сек. Я думаю это связано с программной реализацией процедуры чтения и с быстродействием самого компьютера, а также с быстродействием USB чипов на материнке.
 
Я думаю, что использование фильтров Чебышева более высоких порядков или Баттерворта возможно. Использовать шину PCI для расширения полосы до 40Мгц тоже хорошая идея,  ведь с увеличением полосы возрастет чувствительность системы. Так как наш проект открытый, то Вы можете реализовать программно и схемотехнически свою идею, а я в свою очередь обеспечу Вас любой информацией какая понадобиться.

[kryptonik]

Не очень-то этот любительский радиотелескоп и любительский. Не так уж и многие способны его повторить, а среди этих немногих не так уж и много тех, кто настолько увлечен радиоастрономией, чтобы захотеть это сделать. Вот если бы целью проекта была разработка комплекта оборудования, который можно было бы приобрести по приемлемой цене, а весь труд свелся бы к размещению и подключению антенн и компьютера, желающие возможно и нашлись бы. Лично я бы крепко бы задумался, когда в оптический телескоп по полгода вообще не удается заглянуть, радиоастрономия кажется довольно привлекательной.
Если проект будет развиваться в этом направлении, то техническая сторона «любителей» вроде меня мало волнует, более интересно, что реально можно наблюдать, «романтика» процесса наблюдения, а не изготовления.

[Астролюбитель]

Не очень-то этот любительский радиотелескоп и любительский. Не так уж и многие способны его повторить, а среди этих немногих не так уж и много тех, кто настолько увлечен радиоастрономией, чтобы захотеть это сделать. Вот если бы целью проекта была разработка комплекта оборудования, который можно было бы приобрести по приемлемой цене, а весь труд свелся бы к размещению и подключению антенн и компьютера, желающие возможно и нашлись бы. Лично я бы крепко бы задумался, когда в оптический телескоп по полгода вообще не удается заглянуть, радиоастрономия кажется довольно привлекательной.

+100

[andreichk]

оптические телескопы тоже не каждый может делать, однако их называют иногда любительскими, так что в данном случае название правильное и определяется не тем, что его мог бы сделать любой, а тем, что он сделан любителем....

[Астролюбитель]

оптические телескопы тоже не каждый может делать, однако их называют иногда любительскими, так что в данном случае название правильное и определяется не тем, что его мог бы сделать любой, а тем, что он сделан любителем....

Но для оптических телескопов можно все купить готовое и собрать самому на коленке в коридоре перед ужином,  если руки хотя бы растут не из Ж..Ы  а немного повыше пятой точки. С радиотелескопом все куда сложнее, тут одних рук уже мало будет.