Rev Author Line No. Line
4699 kaklik 1 \documentclass[12pt,a4paper,oneside]{article}
2 \usepackage[colorlinks=true]{hyperref}
3 \usepackage[utf8]{inputenc}
4 \usepackage[czech]{babel}
5 \usepackage{graphicx}
6 \usepackage{pdfpages}
7 \textwidth 16cm \textheight 25cm
8 \topmargin -1.3cm
9 \oddsidemargin 0cm
10 \pagestyle{empty}
11 \begin{document}
12 \title{Radiová meteorická detekční stanice RMDS02D}
13 \author{Jakub Kákona, kaklik@mlab.cz }
14 \maketitle
15  
16 \begin{abstract}
17 Servisní manuál k rádiové detekční stanici RMDS02D sítě Bolidozor.
18 \end{abstract}
19  
20 \begin{figure} [htbp]
21 \begin{center}
22 \includegraphics [width=120mm] {./img/RMDS02D_showcase1.JPG}
23 \end{center}
24 \end{figure}
25  
26 \begin{figure} [b]
27 \includegraphics [width=25mm] {./img/Bolidozor_web_QR.png}
28 \end{figure}
29  
30 \newpage
31 \tableofcontents
32  
33 \section{Základní technické parametry}
34 \begin{table}[htbp]
35 \begin{center}
36 \begin{tabular}{|c|c|p{5cm}|}
37 \hline
38 \multicolumn{1}{|c|}{Parametr} & \multicolumn{1}{|c|}{Hodnota} & \multicolumn{1}{|c|}{Poznámka} \\ \hline
39 Napájení analogových obvodů & $\pm$12V & cca 35mA \\ \hline
40 Napájení digitálních obvodů & 2x +5V & 2A \\ \hline
41 Napájení předzesilovače & 9-12V & 500 mA \footnote{Chráněno vratnou PTC pojistkou 750mA na desce přijímače} \\ \hline
42 Pracovní Frekvenční rozsah & 0,5 - 200 MHz & Obvykle 143.05 MHz $\pm$ 192 kHz \\ \hline
43 Vzorkování I/Q signálu & 16bit@96kHz & \\ \hline
44 Celkový zisk & 60-90 dB & Volitelně podle konfigurace LNA \footnote{Lze ovlivnit jumperem na desce přijímače}\\ \hline
45 Celkové šumové číslo & $<$ 10 dB & \\ \hline
46 Minimální detekovatelný signál & -135dBm & Při konfiguraci v síti Bolidozor.\\ \hline
47 Přesnost časové synchronizace & 65ns (1$\sigma$) & Používán signál GPS L1.\\ \hline
48 Rozlišení kontrolního měření frekvence LO & 0.1 Hz & Přesnost je závislá na kvalitě signálu GPS.\\ \hline
49 \end{tabular}
50 \end{center}
51 \end{table}
52  
53 \newpage
54  
55 \section{Konstrukce detekční stanice}
56  
57 \begin{figure}[htbp]
58 \begin{center}
59 \includegraphics [width=120mm] {../../SCH/RMDS02D_system.png}
60 \end{center}
61 \caption{Konstrukce antény používané na detekční stanici.}
62 \end{figure}
63  
64  
65 \subsection{Přijímací obvody}
66  
67 Rádiový
68  
69  
70 \subsection{SDR přijímač}
71  
72 V přijímací stanici je využíván přijímač MLAB SDRX01B \cite{SDRX01B_pdf}. Jde o SDR přijímač zkonstruovaný původně pro účely amatérské radioastronomie a je proto optimalizovaný pro realizaci škálovatelných rádiových systémů. Přijímač vyžaduje externí lokální oscilátor, který je v případě této konstrukce realizovaný zapojením modulu CLKGEN01B s obvodem Si570, který je řízen přes sběrnici I2C. Frekvence tohoto lokálního oscilátoru je měřena 3x za minutu a logována do souboru. Po změření se navíc frekvence automaticky koriguje na nastavenou hodnotu. Fázový šum lokálního oscilátoru je maximálně –105~dBc/Hz (Při offsetu 100~Hz)
73  
74 \begin{figure}[htbp]
75 \begin{center}
76 \includegraphics [width=120mm] {./img/SDRX01B_Top_Big.JPG}
77 \end{center}
78 \caption{Hlavní modul přijímače SDRX01B}
79 \end{figure}
80  
81 Díky měření frekvence lokálního oscilátoru je ve stanici v podstatě obsažena GPSDO kmitočtová reference, která napájí přijímač. Výstupem přijímače je tak komplexní I/Q signál, který je v této verzi stanice digitalizován externí USB zvukovou kartou Behringer UCA 202 U-CONTROL. Tento audio kodek vzorkuje 48kHz s rozlišením 16bit ve dvou kanálech. Zvuková karta bude v následující verzi stanice nahrazena digitalizační jednotkou SDR-Widget. Která už může mít vzorkovací hodinový signál též odvozen od hlavního lokálního oscilátoru.
82  
83 \subsection{Časová synchronizace}
84  
85 Časová synchronizace je velmi dúležitá ve vědeckých měřeních. Konstrukce využívá dvě metody časové synchronizace NTP a signál z GPS. NTP je využíváno pro časovou synchronizaci systémových hodin staničního počítače a používá se i pro generování názvů výstupních datových souborů. Přesnost tohoto synchronizačního kanálu závisí na kvalitě internetového připojení, resp době pingu k NTP serveru. Proto je na stanici zaveden ještě zdroj časových značek z GPS, který umožňuje značkovat výstupní data s rozlišením až na vzorkovací frekvenci digitalizační jednotky.
86 Jako GPS přijímač je ve stanici využíván MLAB modul GPS01A s čipsetem uBlox-LEA6. Použitá GPS anténa je keramická patch s integrovaným předzesilovačem.
87  
88 \subsubsection{Měření frekvence lokálního oscilátoru}
89  
90 Stanice je vybavena automatizovaným systémem kontroly lokálního oscilátoru. Zařízení umožňuje měření frekvence lokálního oscilátoru oproti dlouhodobému časovému normálu z GPS. Měření se provádí tak, že signál z lokálního oscilátoru generovaného modulem CLKGEN01B se vydělí modulem CLKDIV01A a vydělený výstupní signál je veden do čítače v PIC16F887. Kde jsou na hrubo počítány tako vydělené hodinové pulzy.
91 Modul GPS01A je pak nastaven tak, aby generoval 100us dlouhý impuls každých celých 10s UT. Tento impuls je pak využit ke zahradlování děličky CLKDIV01A. Zároveň impuls vede na vstup přerušení PIC16F887 a ten pak provede vyčtení čítače a interních stavů děličky tím, že projde všechny možné dělící poměry a přečte výstupní stav děličky. Výsledkem je absolutně změřený počet pulzů za 10s. Toto číslo je následně uloženo v registrech mikrokontroleru PIC16F887. Vyčtení těchto registrů proběhne ze staničního počítače přes sběrnici I2C každou 5. 25. a 45. sekundu UT času. \footnote{Měření je takto rozloženo díky tomu, že obsluha I2C probíhá také pod přerušením a při vyčítání může dojít k poškození měřené hodnoty vynecháním přerušení obsluhy čítače.}
92 Protože při zahradlování děličky dojde k odpojení lokálního oscilátoru od směšovače v SDRX01B, tak na výstupním signálu se objeví impuls s širokým frekvenčním spektrem, který slouží jako časová značka ve výstupních datech. Časová synchronizace tak zároveň přesně značkuje výstupní data hodinami odvozenými z GPS signálu. Tvar těchto časových značek je navíc odvozen od impulzní odezvy přijímacího řetězce, takže na něm lze pozorovat případné nežádoucí změny parametrů.
93  
94 \subsection{Staniční počítač}
95  
96 Jako staniční počítač je využíván Hardkernel ODROID-U3, což je čtyřjádrový počítač postavený na architektuře ARM. K tomuto počítači je ještě obvykle připojen USB flash disk, který slouží jako krátkodobé uložiště pro zaznamenaná data. Technické parametry použitého ARM počítače jsou následující:
97  
98 \begin{itemize}
99 \item 1.7GHz Quad-Core processor and 2GByte RAM
100 \item 10/100Mbps Ethernet with RJ-45 LAN Jack
101 \item 3 x High speed USB2.0 Host ports
102 \item Audio codec with headphone jack on board
103 \item GPIO/UART/I2C ports
104 \end{itemize}
105  
106 Komponenty stanice jsou k počítači připojeny přes rozhraní USB: (Zvuková karta, GPS přijímač) a přes rozhraní I2C: (Lokální oscilátor, měření frekvence)
107  
108 \begin{figure}[htbp]
109 \begin{center}
110 \includegraphics [width=140mm] {./img/u3rev05boarddetail.jpg}
111 \end{center}
112 \caption{Deska počítače Hardkernel ODROID-U3}
113 \end{figure}
114  
115 \section{Software stanice}
116  
117 Na staničním počítači je nainstalovaný operační systém linux Lubuntu 14.04 LTS včetně grafického rozhraní xfce. Grafické rozhraní je na stanici využíváno pro zobrazování stavových informací. (živý waterfall, stav GPS, stav uploadu dat). S datovým tokem z přijímače je zacházeno jako s širokopásmým audio signálem. Proto je pro rozvod datového toku použit audiosystém JACK. Příklad rozvodu signálu je na obrázku \ref{qjackctl}.
118  
119 \begin{figure}[htbp]
120 \centering
121 \includegraphics [width=120mm] {./img/JACK_audio.png}
122 \caption{Rozvod audio signálu v systému JACK.}
123 \label{qjackctl}
124 \end{figure}
125  
126 Jack audio server navíc umožňuje přenášet stream přes lokální síť ethernet a aktuální tok spektra z přijímače je tak možné sledovat i na jiných počítačích viz obr. \ref{Pysdr}.
127  
128 \begin{figure}[htbp]
129 \centering
130 \includegraphics [width=120mm] {./img/meteor_pysdr.jpg}
131 \caption{Vzdálené zobrazení toku spektra v programu PySDR. S meteorem označeným MIDI packetem.}
132 \label{Pysdr}
133 \end{figure}
134  
135 \subsection{Záznam dat}
136  
137 Data jsou na stanici zaznamenávána programem radio-observer, který běží jako klient systému jack, počítá FFT spektra a detekuje meteory podle intenzity signálu v oblasti, kde je předpokládán signál od vysílače. Pokud v této oblasti dojde ke zvýšení intenzity signálu o prahovou hodnotu nad šumem tak je detekován meteor. Při detekci meteoru vznikne několik záznamů, jednak náhled na frekvenční oblast spektra, kde meteor byl detekován. Potom záznam surových vzorků z přijímače a také záznam do metadatového souboru s parametry signálu detekovaného meteoru (délka odrazu, intenzita signálu, atd.). Datové výstupy jsou ve formátu FITS s kompresí RICE, buď jako navzorkované signály a nebo předpočítané spektrogramy. Všechna naměřená data jsou veřejně dostupná na datovém serveru.
138  
139 \subsection{Odesílání záznamů}
140  
141 Naměřená data jsou ještě na stanici setříděna do stromové adresářové struktury podle času. A následně uploadována přes rsync na hlavní datový server space.astro.cz.
142  
143 \subsection{Správa stanice}
144  
145 Na stanici běží ještě další pomocné aplikace, jako sshd server, pro vzdálený přístup a skripty pro ladění a kontrolu lokálního oscilátoru.
146  
147  
148 \begin{thebibliography}{99}
149 \bibitem{GRAVES_book}{GRAVEs source book}
150 \href{http://www.fas.org/spp/military/program/track/graves.pdf}{http://www.fas.org/spp/military/program/track/graves.pdf}
151  
152 \bibitem{LNA01A_wiki}{Nízkošumový zesilovač LNA01A}
153 \href{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:lna}{http://wiki.mlab.cz/doku.php?id=cs:lna}
154  
155 \bibitem{SDRX01B_pdf}{Softwarově definovaný přijímač SDRX01B}
156 \href{http://www.mlab.cz/Designs/HAM\%20Constructions/SDRX01B/DOC/SDRX01B.cs.pdf}{http://www.mlab.cz/Designs/HAM\%20Constructions/SDRX01B/DOC/SDRX01B.cs.pdf}
157  
158 \bibitem{LNA01A_wiki}{Síť Bolidozor}
159 \href{http://wiki.bolidozor.cz/}{http://wiki.bolidozor.cz/}
160  
161 \bibitem{meteor_distance}{Meteor distance parameters}
162 \href{http://www.amsmeteors.org/richardson/distance.html}{http://www.amsmeteors.org/richardson/distance.html}
163  
164  
165 \end{thebibliography}
166 \end{document}