joi, 10 septembrie 2020

Satelitul geostationar Es’hail2 (QO-100)


Satelitul geostationar Es’hail2 a fost lansat de la Kennedy Space Center in data de 15 noiembrie 2018 si dat in folosinta pe data de 14 februarie 2019. Scopul principal este de a furniza servicii de comunicatii guvernamentale si servicii de televiziune pentru Africa si Orientul Mijlociu. Pe langa serviciile comerciale, satelitul are doua transpondere pentru radioamatori, avand uplink-ul in banda de 13cm (S-band 2.4 GHz), respectiv downlink-ul in banda de 3cm (X-band 10 Ghz).

Es’hail2 este un proiect comun al Qatar Satellite Company (Es'hailSat), Qatar Amateur Radio Society (QARS) si AMSAT Germania (AMSAT-DL).

Acesta este primul satelit cu transponder pentru radioamatori plasat pe o orbita geostationara care acopera aproximativ o traime din glob. Satelitul este plasat la 26 grade Est si se afla la o distanta de aproximativ 36000 Km de Pamant. Durata de viata estimata a satelitului este de cel putin 15 ani.



Transponder NB (narrow-band)

Frecventa uplink: 2400.000 -  2400.500 MHz
Frecventa downlink:  10489.500 - 10490.000 MHz
Largime de banda: 500 KHz
Moduri de lucru: CW, SSB, moduri digitale de banda ingusta (PSK, RTTY, SSTV, etc.)
Polarizare: verticala (downlink), circulara RHCP (uplink)



Transponder WB (wide-band)

Frecventa uplink: 2401.500 -  2409.500 MHz
Frecventa downlink: 10491.000 - 10499.000 MHz
Largime de banda: 8 MHz
Moduri de lucru: DATV, alte moduri digitale de banda larga
Polarizare: orizontala (downlink), circulara RHCP (uplink)


Exista mai multe solutii tehnice pentru a accesa transponderul NB al satelitului, cum ar fi utilizarea unui transceiver all mode + transverter pentru banda de 2.4 GHz pentru emisie, iar pentru receptie un RTL-SDR. De asemenea se poate utiliza cate o antena separata pentru emisie-receptie sau o singura antena prevazuta cu feed dualband. Transponderul NB poate fi receptionat si online cu ajutorul WebSDR-ului: https://eshail.batc.org.uk/

Din motive de instalare (alinierea antenei) si usurinta in utilizare, personal am optat pentru o solutie full-duplex cu transceiver SDR si antena dualband.


Antena

Receptia se poate face cu o antena parabolica clasica pentru televiziune prin satelit, de preferinta offset, cu diametru de cel putin 60 cm. Cu cat diametrul antenei va fi mai mare, cu atat raportul semnal-zgomot (SNR) va fi mai bun. Dupa ce am testat initial o antena portabila de 38 cm diametru, intr-un final am achizitionat o antena offset Amiko S80 Steel de 80 cm diametru.

Alinierea antenei se poate face utilizand o busola sau orice site / soft pentru tracking de sateliti. Pentru Bucuresti antena trebuie pozitionata la 180 grade azimut si 39 grade elevatie.  Reglajul fin se face urmarind semnalul maxim al uneia dintre cele 3 balize ale satelitului.


Pentru a avea o stabilitate mai buna in modurile de lucru de banda ingusta, este recomandata utilizarea unui LNB cu PLL. LNB-urile cu DRO trebuie evitate deoarece sunt foarte instabile si practic inutilizabile pentru acest scop.

Pentru polarizarea verticala, LNB-ul trebuie alimentat prin intermediul unui injector de tensiune (Bias-T) cu o tensiune intre 11 si 14V, iar pentru a comuta pe polarizarea orizontala, tensiunea de alimentare trebuie sa fie intre 16 si 20V.


Majoritatea LNB-urilor cu PLL au un cristal de 25 MHz, al carui frecventa este multiplicata de 390 de ori, rezultand frecventa oscilatorului local de 9750 MHz. Astfel, putem calcula frecventa de iesire a LNB-ului sau frecventa intermediara (IF), care va fi si frecventa receptorului SDR.

Mai jos puteti vedea un exemplu de calcul pentru capetele transponderului NB:
10489.500 - 9750 = 739.500 MHz
10490.000 - 9750 = 740.000 MHz

Evident orice abatere de frecventa a cristalului va fi multiplicata de 390 de ori.

In lantul de receptie am adaugat si un filtru trece-banda cu frecventa centrala de 750 MHz pentru a mai imbunatatii SNR-ul cu aproximativ 4dB.




Pentru a putea face atat emisia, cat si receptia cu aceeasi antena, este necesar un feed dual band. Cel mai popular este patch feed-ul, cunoscut sub denumirea POTY (Patch Of The Year) si este disponibil sub forma de kit pe site-ul lui Hans PE1CKK.


Partea de emisie este formata dintr-o antena de tip „patch” cu polarizare circulara in banda de 13 cm, iar partea de receptie dintr-o teava de cupru, avand rolul de ghid de unda, in spatele careia se poate atasa LNB-ul preferat. Cea mai usoara modalitate de a monta LNB-ul pe POTY este sa faceti o gaura de 22 mm diametru in capacul de plastic din partea frontala a LNB-ului si sa introduceti teava de cupru in interiorul LNB-ului pana la capat. In aceasta configuratie eu am utilizat un LNB Amiko L-107.






Desi kit-ul POTY a fost calculat in banda de uplink a satelitului Es’hail2, acordul poate sa nu fie exact in frecventa de lucru din cauza abaterilor de fabricatie sau a procesului de asamblare. Acordul patch-ului se face cu ajutorul unui analizor in banda de 2400 Mhz, dupa lipire, prin apropierea sau distantarea colturilor celor doua placi.




Pentru a minimiza pe cat posibil pierderile la receptie, am taiat hornul original al unui LNB Octagon OTLG Green HQ, am ajustat carcasa pana cand s-a potrivit cu teava de cupru, iar pentru etansare am folosit silicon.





Erno YO5VEB mi-a recomandat sa folosesc Amiko L-108, un LNB ieftin, care se ridica la performantele Octagonului, dar este mult mai usor de ajustat si montat pe feed-ul POTY.











Daca asamblarea unui kit POTY este prea dificila, se poate achizitiona un feed dual band cu LNB inclus, de exemplu cel comercializat de Peter DJ7GP. Antena patch este deja acordata in 2400 Mhz, LNB-ul montat este identic cu Amiko L-107 si tot ansamblul este etansat impotriva umezelii. Din cate am testat, performantele sunt identice cu POTY.





Transceiverul SDR

Pana in acest moment, am testat doua SDR-uri: LimeSDR Mini si Adalm Pluto. Ambele au ADC/DAC pe 12 biti, sunt full-duplex si in aceeasi categorie de pret.

Ambele SDR-uri sunt suportate de o gama larga de softuri, precum SDR# sau SDRangel, dar eu prefer SDR Console V3. Softul se poate descarca gratuit de pe site-ul lui Simon G4ELI si este optimizat pentru Es’hail2. Cred ca cea mai utila functie este stabilizarea frecventei cu ajutorul  balizei BPSK (10489.750 Mhz). Practic putem utiliza orice LNB cu PLL, iar softul poate compensa fuga in frecventa a cristalului intern cauzata de schimbarille de temperatura.



In tabelul de mai jos am notat cateva diferente intre cele doua SDR-uri.


LimeSDR Mini
Adalm Pluto
Banda de frecventa
10 – 3500 MHz
325 – 3800 MHz (default)
70 – 6000 MHz (modificat)
Putere TX (2400 MHz)
8.7 dBm
5.7 dBm
SNR RX masurat pe baliza CW (739.5 MHz)
30 dB
29 dB
Stabilitate TCXO
2.5 ppm
25 ppm (default)
0.5 ppm (modificat)
Interfata
USB 3.0 (Type A)
USB 2.0 (Micro B OTG) / ETH
Curent RX
490 mA
360 mA
Curent TX
575 mA
410 mA
Utilizare CPU la RX*
15 %
10 %
Utilizare CPU la TX*
35 %
20 %
Timp relativ de raspuns SDR Console V3
lent
rapid
Temperatura de functionare
~ 55 °C
~ 33 °C

*PC Microsoft Surface Go, Intel Pentium CPU 4415Y (1.6 GHz), 8GB RAM, Windows 10 (64bit)



In urma testelor comparative pe care le-am efectuat, am decis sa raman la Adalm Pluto, care desi are cateva deficiente de proiectare, mi s-a parut mult mai interesant fata de LimeSDR Mini.

Nucleul PlutoSDR-ului este un SoC Xilinx Zynq-7000 (CPU ARM Cortex-A9 667 MHz si FPGA) care ruleaza un sistem de operare Linux, iar transceiverul este un Analog Devices AD9363 destinat aplicatiilor UMTS/LTE.

Instalarea driverului nu ridica nici un fel de probleme si se poate descarca de pe link-ul urmator:
https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/drivers/windows



Din fericire toate limitarile pot fi rezolvate si se pot aduce imbunatatiri prin niste simple modificari hardware sau software.


Problema #1 – TCXO

Oscilatorul intern de 40 MHz cu care Pluto vine echipat din fabrica are o stabilitate de aproximativ 25 ppm, insuficienta pentru modulatiile de banda ingusta (CW, SSB). Prin urmare, am inlocuit oscilatorul original cu un TCXO de 0.5 ppm.



Problema #2 – GND mod

Din cauza separarii circuitelor GND (ground) si PGND (power ground) la revizia B a PCB-ului, SDR-ul este posibil sa se blocheze din cauza unor diferente de potential sau impulsuri electrice. Diferentele de potential pot sa apara la conectarea/deconectarea unei mufe (de exemplu conectarea antenei la SDR), iar impulsurile electrice pot sa apara la pornirea unui motor (cu condensator) sau chiar la aprinderea unei lampi cu descarcare in gaz din apropiere. Pentru a rezolva aceasta problema, GND si PGND trebuie aduse la acelasi potential. Mai exact am facut un singur strap intre masa diodei D3 si masa rezistentei R58 de pe schema SDR-ului.

Atat problema, cat si modificarea au fost descrise in amanunt in linkul de mai jos: https://www.eevblog.com/forum/rf-microwave/adalm-pluto-sdr/msg1616398/?PHPSESSID=ed6k84e445fqhpoe1nupgic3r3#msg1616398




Modificarea #1 – banda de frecventa

PlutoSDR functioneaza implicit in intervalul de frecvente 325-3800 MHz. Cu niste comenzi de CLI poate fi modificat sa functioneaze intre 70 si 6000 Mhz.

Comenzile CLI se pot da prin intermediul unui client SSH (de exemplu Putty) pe IP-ul default 192.168.2.1, cu username-ul „root” si parola „analog”.

fw_setenv attr_name compatible
fw_setenv attr_val ad9364
reboot


Modificarea #2 – 2nd core

Implicit, procesorul din PlutoSDR are un singur core activ. Cu comenzile de mai jos se poate activa si cel de-al doilea.

cat /proc/cpuinfo (se poate vedea un singur CPU)
fw_setenv maxcpus
pluto_reboot reset
cat /proc/cpuinfo (dupa modificare se pot vedea doua CPU-uri)


Modificarea #3 – PTT out

Cu ajutorul unui firmware modificat de F5OEO, putem utiliza pinii GPO0 si GPO1 de pe PCB pentru a putea controla amplificatoare externe cu semnal PTT.


Firmware-ul lui F5OEO se poate descarca de pe link-ul de mai jos: https://wiki.batc.org.uk/Custom_DATV_Firmware_for_the_Pluto

Upgrade-ul de firmware este descris in detaliu pe pagina wiki: https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/users/firmware


Modificarea #4 – conexiunea ETH

Adalm Pluto are doua porturi Micro USB, primul fiind numai pentru alimentare, iar cel de-al doilea atat pentru alimentare, cat si pentru date. Acesta din urma suporta functia HOST. Astfel putem conecta diverse echipamente periferice, precum o placa de retea externa (cablu sau WiFi), prin intermediul unui adaptor OTG. Multumita acestei functii, SDR-ul poate fi amplasat la distanta mai mare de PC si utilizat remote prin ethernet.

Mai multe informatii despre configurarea IP-ului poti fi gasite in cele doua linkuri de mai jos:

https://wiki.analog.com/university/tools/pluto/usb_otg_host_function_support

http://www.dd1us.de/Downloads/Connecting%20the%20ADALM%20Pluto%20to%20the%20Local%20Area%20Network%20v2.pdf


Mai multe detalii tehnice despre Adalm Pluto pot fi gasite pe pagina wiki: https://wiki.analog.com/university/tools/pluto


Pentru a realiza confortabil o legatura in SSB, este suficienta o putere de aproximativ 4 sau 5 W.

Puterea maxima la iesirea SDR-ului am masurat-o cu ajutorul unui powermetru de laborator Agilent E4418B si este de aproximativ 5.7 dBm (3.7 mW) in banda de 13 cm.


Semnalul este preamplificat cu un modul Analog Devices CN0417 (19 dB castig) cu filtru trece-banda inclus.



Cel mai utilizat amplificator de putere in randul radioamatorilor este cel de productie chinezeasca pentru WiFi, model EDUP EP-AB003. In specificatii este dat cu o putere nerealista de 8 W.


Prima modificare pe care am facut-o a fost sa inlocuiesc conectorul RP-SMA de la iesire cu SMA.

Avand in vedere ca amplificatorul este bidirectional, urmatoarea modificare a fost cea de blocare permanenta in emisie. Pentru asta am facut un strap intre pinii 4(VS) si 5(+IN2) ai amplificatorului operational ADA4851-4.



In aceasta configuratie, puterea maxima masurata la emisie este de aproximativ 36.5 dBm, sau 4.4 W.


Deoarece pierderile sunt destul de mari pe cablu coaxial in 2400 MHz, trebuie utilizat un cablu de calitate si cat mai scurt posibil. Eventual amplificatorul final, sau chiar tot lantul RF, poate fi amplasat in apropierea antenei.

In acest moment, antena mea este amplasata in a doua locatie din Bucuresti (KN34AM) unde am utilizat 5.5 m de cablu coaxial LMR200, atenuarea fiind de aproximativ 3.3 dB. Chiar si asa, cu numai 2 W la borna antenei, am primit controale destul de bune.







Prima legatura am reusit sa o fac pe data de 1 iulie 2019, cu Alojz OM3WAN din Slovacia. Dupa cateva luni de activitate, am facut peste 250 de QSO-uri in SSB si am strans peste 150 de eQSL-uri.





Dupa aproximativ un an de teste si experimente am reusit sa montez toate modulele intr-o cutie.

Intre timp, Hristiyan LZ5HP a lansat versiunea 3 a amplificatorului de putere pentru banda de 2.4 GHz. Pentru un semnal de 40 mW la intrare, amplificatorul SG Lab v3 scoate o putere de 20 W. Singurul dezavantaj ar fi alimentarea de 28 V, dar se poate rezolva cu o sursa in comutatie DC-DC.











Statii mai indepartate sau indicative speciale cu care am luat legatura prin intermediul satelitului QO-100: 3B8FA, 3B9FA, 3DA0RU, 3X1A, 3X2021, 4S7AB, 4X0SAT, 4X20HNY, 4X3XMAS, 4Z0GAON, 4Z75V, 5R8PA, 5T5PA, 5V7RU, 5Z4/DG4MIC/P, 6W7/ON4AVT, 7P8RU, 7Q7RU, 7X7X, 8D97WARD, 8Q7AO, 8Q7NC, 9G5FI, 9G5GS, 9J2LA, 9M2CQC, 9V1HY, 9X2AW, A25RU, A2DQ319, A43QAT, A71QND, AP2AUM, AP2MKS, AP2SM, AT9SS, AU2DX, AU20ARD, BA4TB, BG0AUB, BG0CAB, C37AC, C5C, C96JLH, CR2STAYHOME, CX/PR8KW, D60AE, DP0GVN, DP0POL/MM, E70T, EP4HR, EX8MLT, FR1GV, FR4OO, HS0AC, HV0A, J28PJ, JW0X, OD5TB, OJ0D, OX3LX, OY1R, PY1EME, S01WS, S0S, S21VU, ST2NH, ST2YL, T7/IK4CIE, TF1A, TF3YOTA, TR8CA, TT8SN, TY5AB, V51DM, V51GB, V51JP, V51RS, V55QO, VU2KGB, XT2AW, XW4KV, YC5YC, YI1SAL, YI0YOTA, YI3WHR, Z21A, Z63DNI, ZD7GB, ZD7GWM, ZS95QO, ZS95SARL, ZY0FUN

De multe ori cand apar entitati DXCC rare, se lucreaza in split si se formeaza un pile-up care se poate intinde pana la 30 KHz.


Cateva reguli de baza privind traficul pe satelitul Es’hail2:
  • Semnalul propriu nu trebuie sa depaseasca nivelul balizelor;
  • Modulatiile AM, FM sau alte tipuri de modulatie digitala precum C4FM, D-STAR nu sunt permise pe transponderul NB;
  • Largimea de banda maxima permisa pe transponderul NB este de 2700 Hz;
  • Nu transmiteti in afara benzii alocate;
  • Nu transmiteti in frecventa balizelor;
  • Este recomandat modul de lucru full-duplex, pentru a va putea monitoriza propriul semnal si pentru a evita interferentele.


Lansarea satelitului Es’hail2 este o oportunitate excelenta pentru radioamatori, atat pentru constructii si experimente la frecvente din domeniul microundelor, cat si o posibilitate de a face legaturi la distanta intr-o perioada de nivel minim de propagare in unde scurte. In unde scurte propagarea este destul de imprevizibila si influentata de multi factori. In schimb, pe satelit este influentata doar de atenuarea in spatiu.

In comparatie cu satelitii LEO, legaturile pot fi facute la orice ora pe QO-100, nefiind conditionate de timpul scurt de trecere al satelitului. Datorita distantei fata de Pamant, acoperirea satelitului este de aproximativ o traime din glob.

Tranceiverul poate fi construit cu module accesibile oricui, nu ridica probleme tehnice deosebite, iar pretul final ajunge in jurul sumei de 2500 lei. Antena fiind destul de comuna si cu dimensiuni mult mai reduse fata de o antena de scurte, nu trezeste suspiciunile vecinilor curiosi.

De asemenea, Es’hail2 poate fi un foarte bun mijloc de comunicatii in situatii de urgenta cand alte metode de comunicatie la distanta mare nu mai sunt disponibile.

Sper ca v-am trezit interesul cu acest articol si sper sa aud cat mai multe statii YO active pe QO-100.