Iisakka I. O. (2004) 25 MHz:n normaalitaajuusvastaanottimen suunnittelu. Oulun yliopisto, sähkö- ja tietotekniikan osasto. Diplomityö, 61 s.

Transkriptio

1

2 2 Iisakka I. O. (2004) 25 MHz:n normaalitaajuusvastaanottimen suunnittelu. Oulun yliopisto, sähkö- ja tietotekniikan osasto. Diplomityö, 61 s. TIIVISTELMÄ Tässä työssä on suunniteltu ja rakennettu laite, joka kykenee vastaanottamaan Mittatekniikan keskuksessa sijaitsevan normaalitaajuuslähettimen signaalia. Lähettimen 25 MHz:n kantoaalto tulee atomikellosta, joten taajuuden suhteellinen virhe on alle Kantoaaltoa moduloidaan standardin mukaisella aikakoodilla. Lähettimen toiminta-alue kattaa pääkaupunkiseudun. Vastaanottimen olennaisimmat osat ovat kaupallinen radiovastaanotin, jolla vastaanotetaan normaalitaajuus ja aikakoodi, itse rakennettu lisäelektroniikka, sekä digitaalinen aikanäyttö. Lisäelektroniikka sisältää mm. taajuusjakajia, vaihemodulaattorin, tulosignaalin tason mukaan säätyvän vaimentimen, signaalien suodatusta sekä vaihelukkopiirin. Vastaanottimen prototyypin paikallisoskillaattorina toimii 10 MHz:n uunikideoskillaattori, josta digitaalilogiikka muodostaa muut laitteen tarvitsemat sisäiset signaalit. Yksi näistä on 2,5 khz:n taajuudella vaihemoduloitu 25 MHz:n signaali. Tämä summataan antennista tulevaan tarkkaan 25 MHz:n signaaliin ja viedään radiovastaanottimen antenniliitäntään. Tällöin radiovastaanottimen pientaajuusosasta saadaan 2,5 khz:n signaali, jota verrataan alkuperäiseen 2,5 khz:n signaaliin. Vaiheilmaisimen sisältävä säätösilmukka ohjaa tällöin molemmat 2,5 khz:n signaalit samaan vaiheeseen ja saa siten kideoskillaattorin lukkiutumaan normaalitaajuuslähetteeseen. Samoin radiovastaanottimen pientaajuusosasta saatavan 1 khz:n aikakoodin ja laitteen sisältämän aikanäytön ansiosta käyttäjällä on em. tarkan taajuuden lisäksi käytettävissä myös tarkka aika. Valmis vastaanottimen prototyyppi on osoittautunut toimivaksi ja suorituskyvyltään hyväksi kyeten jopa alle suhteelliseen taajuusvirheeseen (Allan-deviaatioon) 100 sekunnin keskiarvoistusajalla. Avainsanat: aika- ja taajuusmetrologia, taajuuden välitys, vastaanotin, vaihelukko

3 3 Iisakka I. O. (2004) Design of a 25 MHz Normal Frequency Receiver. Department of Electrical and Information Engineering, University of Oulu, Finland. Master's Thesis, 61 p. ABSTRACT This thesis work includes the design and construct of a device that is able to receive the signal of the normal frequency transmitter located in the Finnish Centre for Metrology and Accreditation in Espoo. The 25 MHz carrier frequency of the transmitter is based on an atomic oscillator so the stability of the signal is better than The carrier is modulated by a standard time code. The operating range of the transmitter is at least 15 km. The main parts of the device are a common commercial radio receiver which is used to receive the normal frequency and the time code, self designed additional electronics and a time display. The additional electronics includes frequency dividers, a phase modulator, a phase lock loop, some filters and a variable attenuator which is controlled by the level of the received signal. The local oscillator of the receiver prototype is a 10 MHz oven controlled crystal oscillator which works as a reference to the digital logic circuit which creates the other internal signals for the device. One of them is a 25 MHz signal which is phase modulated by a 2.5 khz signal. This is added to the accurate 25 MHz signal from the antenna, and is taken to the antenna input of the radio receiver. Now the audio output of the radio receiver gives a 2.5 khz signal which is compared to the original 2.5 khz signal. The phase lock loop forces both 2.5 khz signals to a zero phase difference and hence makes also the crystal oscillator to lock with the normal frequency signal. The 1 khz time code is also availlable in the audio output of the radio receiver, and so the time code display included to the device shows the user also the correct time. The finished prototype of the receiver is working and its frequency has a short term stability (Allan-deviation) of even less than after a 100 seconds averaging. Key words: time and frequency metrology, frequency transfer, receiver, phase lock loop

4 4 SISÄLLYSLUETTELO TIIVISTELMÄ ABSTRACT SISÄLLYSLUETTELO ALKULAUSE LYHENTEIDEN JA MERKKIEN SELITYKSET 1. JOHDANTO AIKA JA TAAJUUS Ajan mittauksen perusajatus Oskillaattorin stabiilisuus Vaiheen ja taajuuden yhteys Taajuuden stabiilisuuden peruskäsitteitä Kohina Allan-varianssi Kideoskillaattorien erityispiirteitä Kellojen aikavertailu Kannettava kello Kaapeliyhteydet Radioyhteydet Televisioyhteydet Satelliittiyhteydet NORMAALITAAJUUSLÄHETYKSET Normaalitaajuuden määritelmä MIKESin normaalitaajuuslähetin IRIG-aikakoodit Lähettimen toiminta-alue Etenemistavat Kentänvoimakkuus vapaassa etenemisessä Kentänvoimakkuus arvioidulla toimintaetäisyydellä Arvioitu horisonttietäisyys Vaimennus horisonttietäisyyden ulkopuolella Paikallinen 25 MHz:n häiriö Ionosfäärin kautta heijastuva 25 MHz:n häiriö Etenemisviiveiden aiheuttamat virhelähteet Viive antennien välillä Viive antennikaapelissa Viive radiovastaanottimessa Viive elektroniikassa Yhteenveto etenemisviiveiden aiheuttamista vaihevirheistä NORMAALITAAJUUSVASTAANOTIN Toiminta-ajatus Taajuuden lukitus Vaihemodulaatio Lohkotason rakenne Lohkojen toteutus Jänniteohjattu kideoskillaattori Taajuusjakajat ja vaihemodulaattori Referenssisignaalin vaimennus...30

5 Antennivahvistin Radiovastaanotin Audiotaajuisten signaalien suodatus Jänniteohjatun vaimentimen säätöjännite Vaihelukkopiiri IRIG-vastaanotin Vastaanottimen mekaaninen rakenne Kotelo Osien sijoittelu ja kytkennät Maadoitukset MITTAUKSET Radiovastaanotin Audiokaista Signaalitason vaikutus Viive Kideoskillaattori Valmiin laitteen suorituskyky Kaapelia pitkin vastaanotettu ulkoinen signaali Radioteitse vastaanotettu ulkoinen signaali KÄYTTÖKOKEMUKSIA Käyttöohjeita ja suosituksia Antenni Laitteen käynnistäminen Lukkotilan varmistaminen Parannusehdotuksia Kustannusten pienentäminen YHTEENVETO LÄHTEET LIITTEET

6 6 ALKULAUSE Tämä diplomityö on tehty Oulun yliopiston Sähkö- ja tietotekniikan osastolle professori Kalevi Kalliomäen ohjauksessa. Työn tavoitteena oli suunnitella ja rakentaa normaalitaajuusvastaanottimen prototyyppi. Laite kykenee ottamaan vastaan Mittatekniikan keskuksen normaalitaajuuslähettimen signaalia ja siten mahdollistaa normaalitaajuuden välittämisen sitä hyödyntävälle käyttäjäkunnalle. Työn valvojana yliopiston puolesta on toiminut professori Erkki Salonen. Työn käytännöllisen toteutuksen ovat mahdollistaneet Mittatekniikan keskuksen tarjoamat puitteet. Suuret kiitokseni molemmille työni tarkastajille sekä kaikille MIKES:in sähköryhmän jäsenille jotka ovat minua työssäni neuvoneet ja auttaneet. Samoin kiitokset Oulun yliopiston tukisäätiölle heidän myöntämästään apurahasta. Espoossa Ilkka Iisakka

7 7 LYHENTEIDEN JA MERKKIEN SELITYKSIÄ Elektroniikan ja radiotekniikan alalla kaikkein tavallisimpien lyhenteiden, suureiden ja yksiköiden tunnuksia ei ole sisällytetty tähän luetteloon. AM EXT ANT AM SENS AM audio-out C a cont C p CPLD C v DCF e EFC ERP F2 FDEV FFA G(s) G 1 G 2 G 3 GPS G tot H(s) HP 10544A h RX h TX IEEE IRIG ISE 6 K f K n K p K v Loran LW M MC4044P MIKES MUF MUX MW N radiovastaanottimen liitin ulkoiselle antennille eräs radiovastaanottimen kytkin amplitudimodulaatio, eräs radiovastaanottimen kytkin radiovastaanottimen audioliittimen lähtösignaali vakio eksponentiaalisesti muuttuvan signaalin yhtälössä jänniteohjatun vahvistimen säätösignaali vakio askelmaisesti muuttuvan signaalin yhtälössä Complex Programmable Logic Device vakio ramppimaisesti muuttuvan signaalin yhtälössä saksalainen aikamerkkijärjestelmä vesihöyryn osapaine Electrical Frequency Control Effective Radiated Power eräs ionosfäärin kerros taajuuden Allan-deviaatio Fine Frequency Adjustment systeemin eteenpäin kytketyn osan siirtofunktio kiinteän vaimentimen vahvistus säädettävän vahvistimen vahvistus jännitejaon vahvistus Global Positioning System kokonaisvahvistus takaisinkytkennän siirtofunktio Hewlett Packardin kideoskillaattori vastaanottoantennin korkeus merenpinnasta lähetinantennin korkeus merenpinnasta The Institute of Electrical and Electronics Engineering Inter-Range Instrumentation Groupin alkujaan kehittämä aikakoodistandardi logiikkasuunnitteluohjelmisto silmukkasuodattimen siirtofunktio taajuusjakajan siirtofunktio vaihevertailijan siirtofunktio kideoskillaattorin siirtofunktio Long Range Navigation, paikannusjärjestelmä Long Wave näytejoukkojen lukumäärä Motorolan vaiheilmaisin Mittatekniikan keskus Maximum Useable Frequency multiplekseri Medium Wave näytteiden lukumäärä, oskillaattorin taajuuden ja lukitustaajuuden suhde tai suodattimen napaluku

8 8 NIST National Institute of Standards and Technology OCXO Oven Controlled Crystal Oscillator r 1 lähettimen horisonttietäisyys r 2 vastaanottimen horisonttietäisyys r a maan efektiivinen säde ref-in paikallinen referenssisignaali summaimen tulossa ref-out signaali 2,5 khz:n suodattimen lähdössä ref-out-dc tasasuunnattu ref-out RF Radio Frequency Sangean ATS-808 eräs radiovastaanotin sig-in antennista tuleva signaali summaimen tulossa sig-out signaali 1 khz:n suodattimen lähdössä sig-out-dc tasasuunnattu sig-out SW Short Wave T 1 näytteenottoaika TCD-100 aikakoodinäyttö TCXO Temperature Compensated Crystal Oscillator TDEV Allan-aikadeviaatio TONE eräs radiovastaanottimen kytkin TV-SYNC FC40 TV-taajuuskalibraattori VOL radiovastaanottimen äänenvoimakkuuden säädin VTT Valtion teknillinen tutkimuskeskus WWV NIST:in radioasema Fort-Collinsissa XCR3064XL Xilinxin CPLD-logiikkapiiri Z siirtofunktion tyyppi α β γ τ k ζ θ e (s) θ i (s) θ o (s) σ 2 τ τ 1 τ 2 τ 3 τ 4 τ BPF τ N τsys ϕ ω ω n pinnan johtavuudesta riippuva vakio pinta-aallon lausekkeessa pinnan johtavuudesta riippuva vakio pinta-aallon lausekkeessa pinnan johtavuudesta riippuva vakio pinta-aallon lausekkeessa pinnan johtavuuden aiheuttama viivetermi vaimennuskerroin vaihe-ero eli vaihevirhe tulosignaalin vaihe lähtösignaalin vaihe varianssi näyteväli viive lähetin- ja vastaanotinantennien välillä antennikaapelin viive radiovastaanottimen viive vastaanottimen elektroniikan viive kaistanpäästösuodattimen viive vaihe-ero mittaushetkellä N peräkkäisten mittausten systemaattinen vaihe-eron muutos värähtelyn vaihe värähtelyn kulmataajuus värähtelijän luonnollinen taajuus

9 9 1. JOHDANTO Ajan ylläpitäminen on mahdollista vain, jos käytettävissä on tarkka taajuus sekä keino verrata tätä taajuutta ulkopuolisiin taajuusnormaaleihin. Nykyisissä sovelluksissa mm. tähtitieteen, tietoliikenteen, ilmailun ja geofysiikan alalla vaatimukset ajan ja taajuuden tarkkuudelle ovat suuret. Yleisimmin käytettyjä lähes kaikkialla maailmassa toimivia tarkan ajan ja taajuuden lähteitä ovat GPS-järjestelmä sekä vanhempi Loran-C navigointijärjestelmä. Lisäksi kansallisella tasolla on ollut käytössä TV-lähetysten juovapoikkeutustaajuuden stabiilisuuteen perustuva taajuuskalibraattori TV-SYNC FC40, jolla on päästy jopa epätarkkuuteen tuhannen sekunnin vertailuajalla. Televisiojärjestelmien digitalisointi on kuitenkin huonontanut tarkkuutta kahdella dekadilla. Myöskään pelkän GPS-järjestelmän varaan ei haluta jättäytyä, vaan mm. kriisiaikojen varalta on hyvä olla olemassa kansallinen korvaava järjestelmä. Lisäksi huippulaatuiset GPS-vastaanottimet ovat kalliita. Näistä syistä on syntynyt tarve vaihtoehtoisen järjestelmän kehittämiselle. Mittatekniikan keskuksessa Espoon Otaniemessä ylläpidetään nykyään käytettävissä olevien cesiumatomikellojen ja vetymaserien ansiosta hyvin tarkkaa kansallista taajuusnormaalia. Sen välittämiseksi muille käyttäjille Mittatekniikan keskuksessa on rakennettu 25 MHz:n normaalitaajuuslähetin. Helmikuussa 2004 tämän työn tekijälle annettiin tehtäväksi suunnitella ja rakentaa laite, joka kykenee vastaanottamaan mainittua normaalitaajuuslähetettä. Etukäteen arvioitiin, että uuden laitteen pitäisi kyetä samaan suoritustasoon vanhan TV-taajuusnormaalin kanssa. Rakenteilla oleva systeemi tulee kattamaan alueen joka on parinkymmenen kilometrin säteellä Otaniemestä. On arvioitu, että tällä alueella voisi olla kysyntää ehkäpä vastaanottimelle. Olisi mahdollista ajatella, että muitakin alueita Suomessa katettaisiin sijoittamalla useampia lähettimiä ympäri maata. Muualla Suomessa ei kuitenkaan ole atomikelloja joihin lähetin voitaisiin lukita, ja lisäksi tarkasta taajuudesta kiinnostunut käyttäjäkunta on harvempaa, joten ajatus tuskin on toteuttamiskelpoinen. Vastaanotin haluttiin toteuttaa hyödyntäen mahdollisimman pitkälle valmista kaupallista HF-alueen radiovastaanotinta, jolla vastaanotettaisiin normaalitaajuus sekä siihen moduloitu aikakoodi. Näin ollen tämän työn tekijän osalle jäi vastaanottimen muiden osien suunnittelu ja rakentaminen.

10 10 2. AIKA JA TAAJUUS Käsitettä aika käytetään kahdessa merkityksessä. Sillä tarkoitetaan joko ajanhetkeä tai aikaväliä. Taajuus käsitteenä on läheisessä suhteessa aikaan. Sillä tarkoitetaan jaksollisen ilmiön jaksonajan käänteisarvoa. Tässä luvussa esitetyt tiedot ovat lähteistä [1, 2, 3] Ajan mittauksen perusajatus Ajan kulumiseen ja siten myös sen mittaamiseen liittyy aina jaksollisia tapahtumia. Siksi aikaa mitataan laitteella, jossa toistuu jokin ilmiö jaksollisesti ja riittävän tarkasti. Kyseessä on siis oskillaattori. Tämän ajatuksen pohjalta on myös selvää, miksi ajan ja taajuuden käsitteet liittyvät toisiinsa Oskillaattorin stabiilisuus Vaiheen ja taajuuden yhteys Vaihe ϕ on kulmataajuuden ω integraali kaavan ϕ = t dt (1) 0 mukaisesti, ja toisaalta taajuus f on vaiheen derivaatta kaavan dϕ 1 f = (2) dt 2 mukaisesti. Vaihetta ja taajuutta ei siis voi muuttaa toisistaan riippumatta Taajuuden stabiilisuuden peruskäsitteitä Taajuus on stabiili, jos jaksojen määrä aikayksikössä pysyy vakiona. Käytetystä mittausajasta riippuen puhutaan joko lyhytaikaisesta tai pitkäaikaisesta stabiilisuudesta. Oskillaattorin stabiilisuutta onkin tutkittava eri pituisilla ajanjaksoilla. Oskillaattorin hyvyyttä voidaan mitata vertaamalla sitä toiseen parempaan oskillaattoriin. Tarkkuutta kuvataan ilmoittamalla taajuuden tai ajan suhteellinen epätarkkuus f f t =, (3) t

11 11 jossa f on taajuuksien ero, f on oskillaattorin nimellistaajuus ja t on ajan muutos (ryömintä) aikana t. Kaikkien oskillaattorien taajuus muuttuu ajan mukana, eli ryömii. Ryömimisnopeus ilmoitetaan suhteellisen taajuuspoikkeaman muutoksena aikayksikössä Kohina Ideaalisen värähtelijän tehotiheysfunktio on yksittäinen piikki värähtelijän ominaistaajuudella. Epäideaalisella oskillaattorilla teho on aina jakautunut jollekin äärelliselle taajuusalueelle ja taajuuden muutokset näkyvät taajuustasossa tehotiheyshuipun siirtyilemisenä. Jos taajuusmuutokset aiheutuvat kohinasta eivätkä esimerkiksi ulkoisesta ohjauksesta, niistä käytetään tiettyjä ryhmänimityksiä riippuen siitä, miten vastaava tehotiheys käyttäytyy erotaajuuden mukaan. Tavallisesti tarkastellaan erotaajuuden vaimenemisen potensseja välillä Taulukko 1. Kohinatyyppejä kohinatyyppi ( f ) -2 ( f ) -1 ( f ) 0 ( f ) +1 ( f ) +2 nimitys random walk 1/f-kohina (flicker noise) valkoinen kohina (white noise) phase flicker noise phase white noise Taajuuden ryöminnän määräävät 1/f-kohina ja random walk -kohina. Hyvissä uunikideoskillaattoreissa random walk dominoi taajuusryömintää viikko- ja jopa kuukausitasolla. Random walkia vastaava taajuusvirhe on verrannollinen ajan neliöjuureen. Taajuuden systemaattinen ryömiminen (1/f -prosessi) näkyy yleensä vasta pitkillä seuranta-ajoilla [1 s. 2-6] Allan-varianssi Oskillaattorien taajuuskäyttäytymistä kuvataan yleensä Allan-varianssilla [1 s.2-7, 2 s. 23, 3], joka on oskillaattorin epästabiilisuutta kuvaava tilastollinen suure. Toisin sanoen mitä pienempi Allan-varianssin arvo, sitä stabiilimpi oskillaattori. Puhutaan myös Allan-deviaatiosta, joka on Allan-varianssin neliöjuuri. Allan-varianssi on mahdollista laskea vertaamalla tutkittavaa oskillaattoria toiseen tarkempaan oskillaattoriin. Merkitään oskillaattorien hetkellistä suhteellista taajuuspoikkeamaa y:llä: f f = y. (4)

12 12 Kun y mitataan ajan τ välein, saadaan mittaustulokset y 1, y 2,... y k. Kukin mittaus kestää ajan T 1 τ. Lasketaan N:stä peräkkäisestä mittaustuloksesta y 1, y 2,... y N keskiarvo < yk > N = 1 N yk N k = 1 (5) ja varianssi N y ( N,,T1 ) = ( yk < yk > N ). (6) ( N 1) k= 1 Jos mittaustuloksista on poistettu muut virheet paitsi satunnaisosa, keskiarvotermi yleensä häviää, mutta varianssiksi ei saada yksikäsitteistä lukua, vaan se riippuu parametreistä N, τ ja T 1. Käytännössä hajonta kasvaa mittausajan τ kasvaessa taajuuden ryöminnästä johtuen. Yksikäsitteisyyden saavuttamiseksi on otettu käyttöön Allan-varianssi, jota laskettaessa otetaan yhden suuren näytejoukon sijaan perättäin M kappaletta pienempiä näytejoukkoja, lasketaan niiden varianssit ja lopuksi varianssien keskiarvo 1 M 2 2 < y ( N,,T1 ) >= yi( N,,T1 ). (7) M i= 1 Koska näytejoukot ovat nyt lyhyemmältä ajalta, hitaan ryöminnän vaikutus varianssiin suurelta osin eliminoituu. Erikoistapauksessa jossa näytteenottoaika T 1 ja näyteväli τ ovat yhtä pitkät sekä N = 2, eli tarkastellaan aina kahta peräkkäistä näytettä, kaava (7) yksinkertaistuu muotoon M < y ( N,,T1 ) >= ( yk + 1 yk ). (8) 2( M 1) k = 1 Koska N = 2 ja T 1 = τ, jää ainoaksi varsinaiseksi muuttujaksi enää τ. Tulokset esitetään yleensä kuvan 1 tapaan, jossa pystyakselilla on Allan-deviaatio ja vaakaakselilla näyteväli τ. Kuva on lähteestä [3].

13 13 Kuva 1. Esimerkki Allan-deviaation kuvaajasta. Allan-deviaatiota käytetään myös analysoitaessa oskillaattorien kohinatyyppejä kuvan 2 mukaisesti. Kuvaajan derivaatan perusteella voidaan arvioida tiettyjen kohinatyyppien poistamiseksi tarvittavaa keskiarvoistusta. Kuten nähdään, kuvaajasta ei voida erottaa white phase noisea ja flicker phase noisea toisistaan. Luvussa 5. selostetut mittaukset soveltavat Allan-deviaatiota tässä luvussa kuvatulla tavalla. Kuva 2 on lähteestä [3]. Kuva 2. Dominoivan kohinatyypin määrittäminen Allan-deviaation kuvaajasta.

14 Kideoskillaattorien erityispiirteitä Koska tässä työssä käytetään kideoskillaattoria, tarkastellaan seuraavaksi joitain kideoskillaattorien ominaisuuksia. Kideoskillaattorien taajuuden epästabiilisuuden merkittävimmät lähteet ovat kiteen lämpötilariippuvuus ja ikääntyminen. Ympäristön lämpötilan vaihdellessa välillä 0 C...50 C, voi kiteen perustaajuus muuttua verran. Tätä ongelmaa pyritään korjaamaan lämpötilakompensoinnilla (Temperature Compensated Crystal Oscillator TCXO), jolloin päästään lähelle tarkkuutta Vielä parempaan tulokseen päästään asettamalla kide lämpötilakontrolloituun ja -eristettyyn koteloon eli uuniin (Oven Controlled Crystal Oscillator OCXO). Tällainen uuni sisältää kuumentimen jota ohjaa lämpötila-anturilla varustettu elektroniikka. Lisäksi uunissa on automaattinen vahvistuksen säätö stabiloimassa oskillaattorin amplitudia. Tällöin tarkkuus on ympäristön lämpötilan vaihdellessa välillä 0 C...50 C Kellojen aikavertailu Ajan ja taajuuden maailmanlaajuisen synkronisuuden säilyttämiseksi kelloja on vertailtava jatkuvasti. Seuraavassa käsitellään tarkkaan vertailuun soveltuvia keinoja Kannettava kello Vanha tapa vertailla kaukana toisistaan olevia kelloja on välittää aika laboratoriosta toiseen kannettavan atomikellon avulla. Mahdollinen tarkkuus on pienempi kuin 100 ns. Tämä ei enää nykyisin ole tarkin mahdollinen tapa. Matkustuksen aikana kello altistuu monille tarkkuutta heikentäville ympäristötekijöille. Menetelmä ei myöskään mahdollista jatkuvaa aikavertailua ja on työläs sekä aikaa vievä Kaapeliyhteydet Lyhyillä matkoilla, kuten laboratorion sisäisissä aika- ja taajuusvertailuissa on luontevaa käyttää koaksiaalikaapeleita tai valokuituja. Pitkilläkin etäisyyksillä sopiva valmis kaapeliverkko mahdollistaa stabiilin aikavertailun. Esimerkiksi 700 km:n pituisella Helsinki-Muhos välillä vaihemuutokset ovat satoja ns/päivä ja muutamia µs/vuosi. Kaapeliyhteyden avulla tapahtuvassa kellojen vertailussa suositaan edestakaista mittausta (round trip), jonka avulla saadaan mitattua etenemisviive kerrottuna kahdella. Pitkien kaapeliyhteyksien rakentaminen pelkästään aika- ja taajuusvertailuun on kuitenkin kustannussyistä kannattamatonta Radioyhteydet Radiotaajuuksilla toimii useita ajan ja taajuuden ylläpitoon tarkoitettuja järjestelmiä. Eräitä tunnetuimpia nykyään toiminnassa olevia ovat saksalainen DCF ja kansainvälinen Loran-C navigointijärjestelmä [4]. Loran-C:n rooli on nykyään toimia GPS:n vara- ja rinnakkaisjärjestelmänä. Tähän työhön liittyvää MIKESin

15 15 normaalitaajuuslähetintä sekä radioyhteyksien teoriaa yleisemmin käsitellään luvussa Televisioyhteydet Laajakaistaisuutensa ansiosta televisioyhteydet tarjoavat hyvän välineen terävien pulssien vertailuun. Suomessakin on kehitetty TV-lähetysten juovapoikkeutustaajuuden stabiilisuuteen perustuva taajuuskalibraattori TV-SYNC FC40, jolla on päästy jopa epätarkkuuteen. Televisiojärjestelmien digitalisointi on kuitenkin huonontanut tarkkuutta kahdella dekadilla Satelliittiyhteydet Satelliitit ovat nykyään tärkein ja tarkin ajan siirron väline. Signaali etenee suurimman osan matkaa tyhjiössä, joten sen viive on tarkasti laskettavissa. Nykyään käytetään yleisimmin GPS-järjestelmää (Global Positioning System). Tyypillisen laadukkaan GPS-vastaanottimen avulla voidaan saavuttaa suuruusluokaltaan oleva taajuuden epätarkkuus 0,1-100 sekunnin keskiarvoistusajoilla [5].

16 16 3. NORMAALITAAJUUSLÄHETYKSET 3.1. Normaalitaajuuden määritelmä Tarkka aika ylläpidetään tarkan taajuuden avulla. Maailmanlaajuisesti taajuus on määritelty aika- ja taajuuslaboratorioiden noin 230:n cesiumatomikellon keskimääräiseksi taajuudeksi. Suomen virallinen aika ja taajuus määräytyvät Mittatekniikan keskuksen (MIKES) cesiumatomikellojen mukaan MIKESin normaalitaajuuslähetin MIKESillä on Espoon Otaniemessä normaalitaajuuslähetin, jonka antenni tätä kirjoitettaessa sijaitsee VTT:n Sähkötalon katolla. Myöhemmin lähetin siirtyy MIKESin uusiin toimitiloihin. Antennina on 27 MHz:n 3/4-aaltoantenni. Lähettimen teho on noin 500 W ERP. Lähettimen kantamaksi on kaavailtu km. Arvioita kantamasta esitetään luvussa 3.3. Lähettimen 25 MHz:n kantoaalto tulee atomikellosta, joten taajuuden suhteellinen virhe on alle Kantoaaltoa moduloidaan IRIG-B120 AM -koodilla IRIG-aikakoodit IRIG-koodit ovat standardin [6, 7] mukaisia sarjamuotoisia aikakoodeja, joita on useita päätyyppejä. Taulukko 2. IRIG-koodit Koodi Alikantoaalto Informaatio IRIG-A 10 khz päivät, tunnit, minuutit, sekunnit, sekuntien kymmenykset IRIG-B 1 khz päivät, tunnit, minuutit, sekunnit IRIG-D 1 khz päivät, tunnit IRIG-E 100 Hz päivät, tunnit, minuutit, sekunnit IRIG-G 100 khz päivät, tunnit, minuutit, sekunnit, sekuntien sadasosat IRIG-H 1 khz päivät, tunnit, minuutit Laitteeseen valittiin IRIG-B, koska sen kantoaallon taajuus ja koodin sisältämä informaatio ovat sopivia, ja sille on saatavissa kohtuuhintaisia vastaanottimia Lähettimen toiminta-alue Tässä luvussa on teoreettisesti arvioitu aluetta jolla signaalia voidaan ottaa vastaan.

17 Etenemistavat 25 MHz:n radioaalto etenee horisonttietäisyyteen asti likimäärin vapaan tilan etenemisen teoriaa noudattaen ja horisontin taakse pääasiassa maanpinta-aaltona Kentänvoimakkuus vapaassa etenemisessä Ympärisäteilevän lähettimen tehotiheys on P W S = 2, (9) 2 4r m jossa P on lähetysteho ja r on etäisyys lähettimestä. Suuntaavalle antennille jossa G on antennin vahvistus. Toisaalta PG S =, (10) 2 4r 2 E S =, (11) η jossa E on sähkökentän voimakkuus, ja η on tyhjiön aaltoimpedanssi. Sijoittamalla η = 120 π Ω ja ratkaisemalla E saadaan sähkökentän voimakkuudeksi E 30PG = (12) r Kentänvoimakkuus arvioidulla toimintaetäisyydellä Oletetaan että lähetysteho P = 100 W, vahvistus G = 5 (eli P = 500 W ERP) ja vastaanottoetäisyys r = 10 km. Käyttäen edellä johdettua oletusta vapaasta etenemisestä, saadaan kaavasta (12) kentänvoimakkuudeksi E = 12 mv/m, mikä on paljon yli tarpeen. Herkälle ja hyvällä antennilla varustetulle vastaanottimelle riittää hyvin 10 µv/m Arvioitu horisonttietäisyys Edellä kuvattu vapaan tilan eteneminen on likimäärin voimassa, kun vastaanotin- ja lähetinantennien välillä on suora näköyhteys. Antennien on oltava riittävän lähellä toisiaan ja riittävän korkeita, jotta maan kaareutuminen ei olisi este suoralle yhteydelle. Troposfäärin epähomogeenisen taitekertoimen vuoksi aalto ei etene suoraan, vaan taipuu kohti maata. Tämä otetaan laskuissa huomioon käyttämällä maan säteen 6370 km sijasta efektiivistä maan sädettä 8500 km. Tässä on siis

18 18 käytetty kerrointa 1,33. Taajuusalueesta riippuen kerroin on välillä 1-1,374. Efektiivistä sädettä käytetään laskuissa kun f > 10 MHz, ja sekä lähetin että vastaanotin ovat lähellä maan pintaa [8 s. 363]. Kuva 3. Horisonttietäisyys. Kuvan 3 ja Pythagoraan teoreeman perusteella on voimassa ( r h ) = r + r a +, (13) TX missä r a on maan efektiivinen säde, h TH on lähettimen korkeus maan pinnasta ja r 1 on kuvan 3 mukainen horisonttietäisyys. 1 a 2 2 = ( + 2 ) 2 = 2 h r 1+ TX 1 ra htx ra ra 1 ra 2 2 h = TX h + TX 2 h r TX a 2 ra 2, (14) ra ra ra josta edelleen (olkoon h TX = 40 m) sijoitusten jälkeen saadaan horisonttietäisyydeksi r 1 = 26,1 km. Tämä on kyseisessä tapauksessa riittävä etäisyys, ja suoran näköyhteyden etäisyyttä voidaan edelleen kasvattaa korottamalla vastaanottoantennia. Jos sen korkeus olisi esimerkiksi h RX = 20 m, saataisiin kaavasta (14) r 2 = 18,4 km, joten suoran näköyhteyden pituudeksi tulisi 26,1 km + 18,4 km = 44,5 km. Arvio on kuitenkin optimistinen. Se ei ota huomioon väliin osuvia esteitä kuten mäkiä, korkeita rakennuksia tai sankkaa metsää Vaimennus horisonttietäisyyden ulkopuolella Horisonttietäisyyden ulkopuolella aalto etenee pinta-aaltona ja sen vaimennus kasvaa nopeammin kuin vapaan tilan etenemisessä. Lähteen [9 s. 149] mukaan keskimääräisissä Suomen olosuhteissa 25 MHz:n pinta-aalto on 10 km etäisyydellä noin 50 db heikompi kuin vastaava vapaan tilan aalto. Koska aiemmin arvioitiin

19 19 kentänvoimakkuudeksi tällä etäisyydellä E = 12 mv/m, olisi sitä 50 db heikompi kenttä E = 38 µv/m, jonka pitäisi edelleen olla riittävä. Horisontin rajan lähellä voimakkuus on jossain tällä välillä. Merta pitkin pinta-aalto vaimenee huomattavasti hitaammin paremman johtavuuden ansiosta. Sama kentänvoimakkuus joka maalla saadaan 10 km päässä, voidaan saada merellä noin 110 km päässä, joten signaalin vastaanottaminen saattaa onnistua Suomen pääkaupunkiseudun lisäksi myös esimerkiksi Tallinnassa (etäisyys n. 80 km) Paikallinen 25 MHz:n häiriö Paikallisten kiteiden harmoniset taajuudet voivat joissain tapauksissa osua 25 MHz kaistalle. Koska häiriöt ovat hyvin paikallisia, luonnollisin tapa niiden torjumiseksi on sijoittaa vastaanotinantenni paikkaan, jossa häiriöitä ei esiinny, mikäli se on mahdollista Ionosfäärin kautta heijastuva 25 MHz:n häiriö HF-alueen signaali voi edetä ionosfäärin kautta heijastuen F2-kerroksesta maksimissaan noin 4000 kilometrin matkan yhdellä heijastumisella. Koska heijastuminen voi toistua useita kertoja, voi 25 MHz:n taajuinen signaali ionosfäärin tilasta riippuen saapua mistä tahansa maapallolta [10]. Jos ionosfäärin tila muuttuu parhaillaan siten että heijastuskorkeus muuttuu, voidaan sitä kautta vastaanottaa häiriötä joka Doppler-ilmiön vaikutuksesta on hiukan sivussa häiriölähteen alkuperäisestä taajuudesta. Tällaisessa tapauksessa siis voi olla odotettavissa häiriöitä joiden taajuus vaihtelee hiukan 25 MHz:n molemmin puolin. Kyseinen häiriö on kuitenkin epätodennäköinen kahdesta syystä. Ensiksikin 25 MHz:n taajuus on varattu normaalitaajuus- ja aikalähetyksille, joten siellä ei pitäisi olla odotettavissa vilkasta lähetystoimintaa. Tiedossa ei myöskään ole asemaa, joka käyttäisi 25 MHz:n taajuutta normaalitaajuus- ja aikalähetyksissään. Yleensä suosiossa ovat alemmat taajuudet. Lähteen [11] mukaan asema WWV (Fort-Collins, USA) lähetti aiemmin 25 MHz:n taajuudella, mutta tuore tieto kyseisen aseman verkkosivuilta [12] ei viittaa siihen, että tällainen lähetys olisi nykyään toiminnassa. Toinen syy ionosfäärihäiriön epätodennäköisyyteen on se, että ionosfäärin tila ei useinkaan mahdollista 25 MHz:n taajuisen signaalin etenemistä. Päivällä HF-alueen lähetysten MUF (Maximum Useable Frequency) on yleensä 15 MHz - 40 MHz ja yöllä vain 3 MHz - 14 MHz. Ionosfäärin lähes reaaliaikaista tilaa voi tarkastella verkossa [13] Etenemisviiveiden aiheuttamat virhelähteet Signaalin kulku lähettimestä vastaanottimeen kestää tietyn ajan ja aiheuttaa siten signaalin vaiheessa vastaavan viiveen. Jos viiveen pituudessa on vaihtelua, se näkyy vaiheen ja sitä kautta taajuuden epästabiilisuutena vastaanotetussa signaalissa. Eli viive sinänsä ei ole ongelma, vaan viiveen vaihtelu.

20 20 Signaalitien viiveitä on havainnollistettu kuvassa 4. τ 1 on viive lähetin- ja vastaanotinantennien välillä, τ 2 on antennikaapelin viive, τ 3 on radiovastaanottimen viive ja τ 4 on vastaanottimen elektroniikan viive. Kuva 4. Signaalitien viiveet Viive antennien välillä Tämän luvun teorian lähteenä on [14]. Radioaallon etenemisnopeus tyhjiössä on valon nopeus c. Ilmassa etenemisnopeus on jossa n on ilman optinen taitekerroin, joka saadaan kaavasta c v =, (15) n 77, 6 T 4810e T 6 ( n 1) 10 = p +, (16) jossa T on absoluuttinen lämpötila, p on ilmanpaine millibaareina ja e on vesihöyryn osapaine millibaareina. Standardiolosuhteissa T = 273,16 K, p = 1013,2 mbar ja suhteellinen kosteus on 80%, mikä vastaa arvoa e = 4,88 mbar. Kun ratkaistaan kaavasta (16) n, saadaan kaava (17), jonka mukaan 77, e n = p (17) 6 10 T T Yllämainituilla arvoilla kaava (17) antaa tuloksen n = 1,000312, jolloin kaavasta (15) saadaan v = 0, km/µs. Koska etenemisviive on saadaan esimerkiksi 10 km:n matkalla τ 1 = 33,37 µs. s τ 1 1 =, (18) v1

21 21 Seuraavaksi pohditaan tämän viiveen mahdollista muutosnopeutta. 273 K lämpötilassa kylläisen vesihöyryn osapaine on 6,1 mbar. Jos suhteellinen kosteus laskisi 20% tunnissa, sitä voitaisiin pitää tavallista suurempana muutoksena. Suhteellisen kosteuden lasku 80 prosentista 60 prosenttiin vastaisi 1,22 mbar laskua vesihöyryn osapaineessa. Vastaavat keskimääräistä äkillisemmät muutokset voisivat olla lämpötilan nousu 3 asteella tunnissa ja ilmanpaineen lasku 5 mbar tunnissa. Nämä meteorologiset oletukset ovat suhteellisen mielivaltaisia ja perustuvat lähinnä arkipäivän kokemuksiin tavanomaisesta sään vaihtelusta. Seuraavien laskelmien perusteella kuitenkin havaitaan, että kyseiset vaihtelut ovat lopputuloksen kannalta melko merkityksettömiä, joten kokonaisuuden kannalta tarkempi arviointi ei liene tarpeen. Jos nämä kaikki tapahtuisivat yhtä aikaa, taitekerroin olisi kaavan (17) avulla laskettuna ennen muutosta n a = 1, , ja muutoksen jälkeen n b = 1, , joiden suhde on sama kuin vastaavien kulkuaikojen suhde, eli 1a 1b na =. (19) nb Sijoittamalla saadaan kaavasta (19) kulkuaikojen suhteeksi 1, Siten tällaisessa tilanteessa kulkuaika 10 km:n matkalla muuttuisi kaavan (20) mukaisesti 1 1 = 2 1 = 1. (20) 1a 1b Sijoittamalla tähän edellä lasketut arvot, saadaan τ 1 = -367 ps. Luku kuvaa siis kulkuajan muutosta tunnissa tavallista nopeammin muuttuvissa sääolosuhteissa. Näillä oletuksilla saadaan siis τ 1 / t = -367 ps / 3600 s = -1, Edellä mainittujen lämpötilan, kosteuden ja ilmanpaineen lisäksi ilmakehän turbulensseilla on pientä vaikutusta kulkuaikaan. Erään vanhemman julkaisematta jääneen tutkimusten mukaan tämän vaikutuksen voidaan olettaa olevan muutamia nanosekunteja. Tämä ei siis ole merkityksetön tekijä, mutta sen vaikutuksen tarkempi arvioiminen on vaikeaa. Lisäksi on olemassa muita mahdollisesti vaikuttavia ympäristötekijöitä, kuten puiden huojunta tuulessa, mutta niiden vaikutuksen arviointi on myös vaikeaa. Jos aalto etenee pinta-aaltona eikä vapaassa tilassa, kuten edellä on oletettu, etenemisviive on: k, (21) 1 = v s jossa τ k on pinnan johtavuuden aiheuttama termi. Sen arvo saadaan kaavasta s + k = 1 +, (22) s1

22 22 jossa α = 0, µs/km, β = -0,41 µs ja γ = 39 s km. Nämä ovat merivedelle tyypillisiä arvoja. Maalla τ k voi olla moninkertainen maalajista ja maan kosteudesta riippuen. Kaavan perusteella etenemisviive 80 km:n päähän merta pitkin on s1 s 1 1 = + k = + s1 + + v v 1 1 s, (23) 1 josta sijoitusten jälkeen saadaan τ 1 = 267,18 µs. Korjaustermin τ k osuus tästä on vain 250 ns. Lähteessä [14] ei mainita millä etäisyyden arvoilla kaava on voimassa. Lähteessä kaavalla on laskettu etenemisviiveitä etäisyyksillä jotka ovat 500 km:n ja 2000 km:n välillä, joten kaavan antamiin tuloksiin 80 km:n etäisyydellä on syytä suhtautua varauksella. Todellinen viive 80 km:n etäisyydellä on luultavasti pienempi, mutta tulos lienee kuitenkin suuntaa antava. 500 km:n etäisyydellä kaava (22) antaisi tuloksen τ k = 746 ns. Myöskään pinta-aallon etenemisviive ei ole ajan suhteen muuttumaton. Maan johtavuus vaihtelee vuodenaikojen mukana. Tätä nopeampia muutoksia aiheuttavat sateet, jotka lisäävät maan kosteutta ja sitä kautta johtavuutta, jolloin kulkuaika lyhenee. Nämäkin muutokset maan johtavuudessa ovat kuitenkin luonteeltaan riittävän pieniä ja hitaita ettei niistä johtuvia suuria τ 1 / t -muutoksia ei ole odotettavissa. Väliaineen ominaisuuksien vaihtelun lisäksi viiveeseen antennien välillä voi vaikuttaa antennien välisen etäisyyden vaihtelu. Periaatteessa lähetin- ja vastaanotinantennit eivät liiku toisiinsa nähden. Käytännössä antenni voi esimerkiksi huojua tuulessa. Oletetaan antennin huojuvan siten, että sen etäisyys toiseen antenniin muuttuu 10 cm sekunnissa. Vastaava kulkuajan muutos on jälleen kaavaa (18) soveltaen τ 1 = s 1 / v 1 = 0,1 m / 0, km / µs = 334 ps. Tästä saadaan edelleen τ 1 / t = 334 ps / 1 s = 3, eli tuhansia kertoja suurempi kuin väliaineen mahdollisten muutosten vaikutukset. Edes suuntaa antavaa arviota on kuitenkin vaikea laskea, koska antennin realistista huojuntanopeutta on vaikea arvioida, ja se riippuu paljon myös käytetyn antennin tyypistä. Laskelmasta voidaan ainakin vetää se johtopäätös, että on syytä suosia rakenteeltaan jäykkää antennia, jotta se huojuisi tuulen mukana mahdollisimman vähän. On huomattava että keskiarvoistus onneksi poistaa nopean huojunnan vaikutukset Viive antennikaapelissa Koaksiaalikaapelissa signaali kulkee nopeudella, joka on tyypillisesti 0,7 kertaa valon nopeus. Nopeus on jonkin verran riippuvainen lämpötilasta. Tavanomaisen kaapelin lämpötilakerroin on noin / C joka vastaa 5 metrin kaapelissa -43 ps muutosta jokaista 10 astetta kohti. Tavanomaisen pituisilla antennikaapeleilla vaihevirhe on siis selvästi pienempi kuin edellisessä kappaleessa käsitelty antennien välillä syntyvä virhe.

23 Viive radiovastaanottimessa Radiovastaanottimen aiheuttamaa signaalin viivästymistä on mitattu luvussa kuvatulla tavalla. Viiveen todettiin olevan suuruusluokaltaan 300 µs, joten se on dominoiva lyhyillä (<30 km) etäisyyksillä. Viiveen havaittiin riippuvan sekä kantoaallon että moduloivan signaalin taajuuksista ja lisäksi radiovastaanottimen virityksen tarkkuudesta. Näiden kaikkien voi kuitenkin olettaa pysyvän vakiona lyhyellä aikavälillä. Lisäksi radiovastaanottimen viiveen oletetaan riippuvan lämpötilasta. Lämpötilan muutosten aiheuttamat muutokset radiovastaanottimen viiveessä saattavatkin olla kaikkein merkittävin virhelähde signaalitiellä. Lämmön tuotto laitekotelon sisällä on suunnilleen vakio normaaleissa käyttöolosuhteissa. Kuitenkin laitetta tulisi käyttää tiloissa, joissa huoneen lämpötila on mahdollisimman muuttumaton. On myös syytä huomata, että sekä paikallinen että ulkoinen 25 MHz kulkevat vastaanottimessa radiovastaanottimen läpi, joten vaikka viive vaihtelisikin, se on kuitenkin molemmille sama Viive elektroniikassa Signaalin viivästymistä laitteen piirikortilla aiheuttavat ennen kaikkea suodattimet. Myös niiden viiveiden stabiilisuuden kannalta ympäristön lämpötila on oleellinen. Vaativimmissa suodattimissa, joiden aikavakiot on haluttu asettaa tarkasti, on käytetty hyvälaatuisia kondensaattoreita, joilla on myös pieni lämpötilakerroin, -110 ± 60 ppm/ C, ja vastuksia, joiden lämpötilakerroin on +15 ppm/ C. Lisäksi kortilta löytyy yksinkertaisia RC-suodattimia, joiden aikavakioita ei ole ollut tarpeen saada tarkoiksi. Niissä on käytetty tavanomaisia komponentteja, esimerkiksi muovikondensaattoreita, joiden lämpötilakerroin on luokkaa 1000 ppm/ C, ja vastuksia, joiden lämpötilakerroin 250 ppm/ C. Radiovastaanottimen audiolähdön jälkeen 2,5 khz:n signaali kulkee kaistanpäästösuodattimen läpi vaiheilmaisimen tuloon. Kaistanpäästösuodattimen viivettä voidaan arvioida kaavalla N BPF =, (24) B jossa N on suodattimen napaluku ja B on kaistanleveys. Kyseisen suodattimen napaluku N = 2 ja simulaation perusteella B = 231 Hz ja sijoittamalla nämä kaavaan (24) saadaan τ BPF = 2,76 ms. Simulaation perusteella 1 asteen lämpötilan muutos muuttaa kaistanleveyttä vain 2 mhz olettaen että molempien kondensaattorien lämpötilakerroin on -110 ppm/ C ja vastuksilla tyypistä riippuen +15 ppm/ C tai +250 ppm/ C. Kaistanleveyden muutosta pienentää osaltaan se, että vastusten ja kondensaattorien positiiviset ja negatiiviset lämpötilakertoimet kompensoivat toisiaan. Laskussa ei ole otettu huomioon kondensaattorien lämpötilakertoimelle ilmoitettua 60 ppm/ C hajontaa eikä myöskään sitä, että kaistanleveyden lisäksi myös keskitaajuus muuttuu 7 mhz. Yhtä astetta vastaavaksi viiveen muutokseksi saadaan edellisen perusteella

24 24 N B N =, (25) 1 B2 jossa B 1 on kaistanleveys ennen lämpötilan muutosta, ja B 2 on yhden asteen lämpötilamuutoksen jälkeinen 2 mhz muuttunut kaistanleveys. Sijoituksen jälkeen saadaan tulokseksi τ = 2 ns. Olettaen että asteen lämpötilanmuutos tapahtuisi minuutissa, virhe olisi τ / t = 23 ns / 60 s = 6, eli pieni muihin virhelähteisiin verrattuna Yhteenveto etenemisviiveiden aiheuttamista vaihevirheistä Edellisten arvioiden perusteella lähetystaajuuden pahimmat virhelähteet ovat radiovastaanottimen herkkyys lämpötilan vaihteluille, mutta varsinkin lähettimen ja vastaanottimen etäisyyden muutokset. Etäisyyden muutoksia voivat aiheuttaa esimerkiksi antennien huojuminen tai itse laitteiden siirtely, joita siis pitää ehdottomasti välttää.

25 25 4. NORMAALITAAJUUSVASTAANOTIN 4.1. Toiminta-ajatus Vastaanottimen lohkokaavio on kuvassa 5. Vastaanottimen olennaisimmat osat ovat kaupallinen radiovastaanotin (kuvassa RX), jolla vastaanotetaan normaalitaajuus ja IRIG-aikakoodi, vaihelukkopiiri jolla paikallinen kideoskillaattori lukitaan normaalitaajuuteen, sekä digitaalinen aikanäyttö. Lisäksi kuvasta näkyy referenssisignaalin amplitudin automaattisen säädön toteutusidea. Kuvaa 5 selitetään tarkemmin luvussa 4.3. Kuva 5. Vastaanottimen lohkokaavio Taajuuden lukitus Paikallisen kiteen 10 MHz:n taajuus jaetaan kahdella, ja muutetaan kanttiaalloksi. Tähän 5 MHz:n kanttiaaltoon sisältyvä 5. harmoninen eli 25 MHz:n sinisignaali halutaan lukita antennista saatavaan tarkkaan 25 MHz:n signaaliin. Periaatteeltaan yksinkertaisin tapa olisi lukita nämä 25 MHz:n signaalit sellaisenaan. Käytetyn radiovastaanottimen audiolähdön kaistarajoitusten vuoksi se ei kuitenkaan ole mahdollista. 25 MHz:n signaalien erotaajuus olisi paljon pienempi kuin kaistan alaraja, esimerkiksi suuruusluokaltaan tyypillisestä epätarkkuudesta f / f = seuraa f = 0,25 mhz, kun f = 25 MHz. Ongelman kiertämiseksi tarvitaan

26 26 radiovastaanottimen audiokaistalle (ks. kuva 20) osuva vertailusignaali, jonka taajuudeksi on tässä valittu 2,5 khz. Seuraavassa on kuvattu sen toteutusta. Tarkastellaan kuvan 6 mukaista kahta RF-taajuista tulosignaalia. Jos signaalien taajuudet ja vaiheet ovat samat, niiden summa on samanlainen, ainoastaan amplitudiltaan suurempi signaali. Jos signaalien vaiheessa on eroja, niiden interferenssi sisältää myös muita pienitaajuisempia komponentteja. Radiovastaanotin demoduloi tulosignaalin, joten sen audiolähdössä näkyvät vain nämä pienitaajuiset komponentit. Tässä laitteessa kiteen signaalia moduloidaan 2,5 khz:n vaihemodulaatiolla. Niinpä jos 25 MHz:n tulosignaalien taajuudet ovat lukittuneet, lähdöstä saadaan 2,5 khz:n signaali. Jos signaalit eivät ole tarkasti lukossa, lähdön vaihe poikkeaa referenssin vaiheesta. Siten lukitsemalla radiovastaanottimen audiolähdöstä tuleva 2,5 khz ja suoraan kiteestä otettu 2,5 khz, myös 25 MHz:n signaalit lukittuvat. 2,5 khz:n signaalien lukitsemiseen käytetään tavanmukaista vaihelukkopiiriä. Kuva 6. Signaalien summaus ja demodulointi Vaihemodulaatio Tässä luvussa käsitellään laitteessa käytetyn vaihemodulaation teoreettista taustaa. Käytännön toteutusta käsitellään luvussa 4.2. Vaihemodulaattoriin tuodaan 5 MHz:n kanttiaalto, jota moduloidaan 2,5 khz:n signaalilla. Käytetty modulaatio on tyypiltään sellainen, että lähtösignaalina saadaan 5 MHz:n kanttiaalto jonka vaihe-ero edellä mainittuun tulosignaaliin on 0, 18, 36 tai 54 astetta. Kanttiaallon spektri voidaan esittää Fourier-sarjana seuraavalla tavalla: f(t) = sin(t + sin(3t) + sin(5t) (26) Se koostuu siis siniaalloista jonka taajuus on sama kuin kanttiaallon, sekä kyseisen taajuuden parittomista harmonisista. Edellä kuvattu kanttiaalto vaihesiirroksella ϕ: f ( t ) = sin( ωt + ϕ) + sin(3( ωt + ϕ)) + sin(5( ωt + ϕ)) = sin( ωt + ϕ) + sin(3ωt + 3ϕ)) + sin(5ωt + 5ϕ)) (27)

27 27 Tämän seurauksena perustaajuuden vaihemodulaatio näkyy 5. harmonisessa viisinkertaisena vaiheen muutoksena. Siten edellä mainitut 5 MHz:n 0, 18, 36 ja 54 asteen modulaatiot näkyvät siis 25 MHz:llä viisinkertaisina eli 0, 90, 180 ja 270 asteen vaihesiirroksina Lohkotason rakenne Laitteen paikallisoskillaattorina on jänniteohjattu lämpötilakontrolloitu kide, joka antaa 10 MHz:n signaalia. 10 MHz:n taajuus jaetaan halutuiksi taajuuksiksi, jotka ovat 5 MHz, 1 MHz, 2,5 khz ja 1 khz. 5 MHz:n signaalia käytetään vaihemodulaatiossa kantoaaltona, jota moduloi 2,5 khz:n signaali. 2,5 khz:n signaalia käytetään lisäksi vaiheilmaisimen toisena tulosignaalina. 5 MHz, 1 MHz ja 1 khz taajuudet viedään laitteen takaseinän liittimiin. Vaihemodulaatio on toteutettu kuvan 7 mukaisella periaatteella. 5 MHz:n signaalin kokema viive vaihtuu 100 µs välein 10 ns askelin. Signaalin 5. harmonisen (25 MHz) taajuudella 10 ns vastaa 90 astetta. 25 MHz:n signaali kokee siis vaihemodulaation jossa jaksonaika on 400 µs eli taajuus on 2,5 khz. Kuva 7. Vaihemodulaation toteutus. Moduloitu signaali, josta käytetään nimeä referenssisignaali, vaimennetaan siten että sen 25 MHz:n taajuuskomponentti on saman tasoinen kuin antennista tuleva signaali. Ensimmäisenä on kiinteä vaimennin joka on samalla kaistanpäästösuodatin. Sen jälkeen on jänniteohjattu vaimennin, jonka tarkoitus on säätää referenssisignaalia kulloisenkin antennisignaalin tason vaihtelun mukaan. Antennista tuleva signaali tuodaan ensin antennivahvistimeen. Sen jälkeen antennivahvistimen lähdöstä saatava signaali ja vaimennettu paikallinen signaali summataan keskenään ja viedään radiovastaanottimen antennituloon. Radiovastaanottimen tarkoitus on ilmaista audiotaajuiset signaalit kantoaallosta. Radiovastaanotin on viritetty 25 MHz:n taajuudelle, ja kuulokeliitännästä saadaan ulos 1 khz:n IRIG-aikakoodi ja 2,5 khz sinisignaali. Radiovastaanottimesta saatava signaali viedään kahteen haaraan 1 khz:n IRIGaikakoodin ja 2,5 khz:n signaalien toisistaan erottamiseksi. Ensimmäisessä haarassa on suodatin, joka koostuu 2,5 khz:n kaistanpäästöasteesta ja 1 khz:n kaistanestoasteesta. Toisessa haarassa on 1 khz:n kaistanpäästösuodatin. Vaimenninta ohjataan jännitteellä, joka on muodostettu vertailemalla 1 khz:n ja 2,5 khz:n signaalien tasoa. Edellä kuvatuista suodattimista tulevat signaalit

28 28 tasasuunnataan, ja niiden tasoa vertaillaan integraattorikytkennän avulla. Integraattorin ulostulosta saadaan haluttu vaimentimen säätöjännite. Aihetta on käsitelty tarkemmin luvussa Vaiheilmaisimen lähtöjännitteen avulla lukitaan uunikiteen taajuus antennisignaalin taajuuteen. Tämä tapahtuu syöttämällä vaiheilmaisimen tuloihin suoraan kiteestä tuotu 2,5 khz ja radiovastaanottimesta saatu 2,5 khz. Varauspumpputyyppinen vaiheilmaisin antaa vaihe-eroon verrannollisia virtapulsseja silmukkasuodattimelle. Silmukkasuodatin integroi vaiheilmaisimen antamia virtapulsseja, ja muodostaa niistä kideoskillaattorin säätöjännitteen. Kaupallinen IRIG-vastaanotin ottaa vastaan 1 khz:n IRIG-B aikakoodia ja näyttää koodin mukaisen kellonajan Lohkojen toteutus Laitetta varten itse rakennettu elektroniikka on suunniteltu PowerLogic ja PowerPCB ohjelmistoilla, ja piirilevyn johdotus on valmistettu LPKF ProtoMat C100/HF piirilevyjyrsimellä Jänniteohjattu kideoskillaattori Laitteen paikallisoskillaattorina käytetään jänniteohjattua lämpötilakontrolloitua kidettä HP 10544A. Käytettävissä ei ollut komponentin datalehtiä, mutta tietoa on saatu lähteestä [15]. Samasta lähteestä on myös kuva 8, josta käy ilmi oskillaattorin pinnijärjestys, käyttöjännitteet sekä tulo- ja lähtösignaalit. Laitteessa käytetään suoraan vanhemmasta laitteesta irrotettua kidettä ja piirikorttia, johon se on kiinnitetty. Kiteen piirikortin tarvitsemat käyttöjännitteet tuodaan itse rakennetulta piirikortilta, jossa sijaitsee laitteen kaikki muu elektroniikka. Kideoskillaattorissa on säätöruuvi, jolla taajuus säädetään mahdollisimman lähelle 10 MHz:iä. Tämä karkea mekaaninen säätö tarvitsee tehdä vain kerran, jonka jälkeen säätö pysyy riittävän tarkasti kohdallaan todennäköisesti vuosia tai vuosikymmeniä. Taajuuden hienosäätö tapahtuu jännitteellä, jonka vaihteluväli on noin 10 V. Tämän suuruinen säätöjännitteen vaihtelu vastaa noin 1 Hz värähtelytaajuuden vaihtelua 10 MHz:n ympäristössä. Kytkennän operaatiovahvistimien käyttöjännite on kuitenkin vain 5 V, ja tämä aiheuttaa sen, että säätöalueesta on käytössä alle puolet. Toisin sanoen kide pystyy lukkiutumaan tarkkaan taajuusreferenssiin kunhan se on aluksi säädetty ruuvilla korkeintaan noin 0,2 Hz päähän tarkasta 10 MHz:n taajuudesta, sillä tällöin jännitteen sähköinen hienosäätö pystyy korjaamaan jäljelle jäävän virheen.

29 29 Kuva 8. Kideoskillaattorin pinnijärjestys. Laitteen elektroniikka on suunniteltu siten, että oskillaattoria voidaan käyttää kahdella tavalla. Joko niin, että säätösilmukka on käytössä, jolloin kiteen säätöjännite vaihtelee vaihevertailijan lähdön ohjaamana, tai ilman säätöä vakiona pidettävällä säätöjännitteellä. Laitteen piirikortilla on kytkin, jolla tämä toimintamoodi valitaan. Kytkennän periaate näkyy kuvassa 5. Kun säätösilmukka on käytössä, oskillaattori pysyy lukossa antennista tulevaan signaaliin, joten sen pitkäaikainen stabiilisuus on hyvä. Toisaalta vaihevertailijan antamat ohjauspulssit aiheuttavat lyhyen aikavälin heiluntaa säätöjännitteessä ja sitä kautta oskillaattorin taajuudessa. Kun valintakytkin avataan, jää sen hetkinen säätöjännite muistiin kondensaattoriin, jonka vuodot on minimoitu luvussa kuvatulla tavalla. Tällöin säätöjännite ja oskillaattorin taajuus ovat hyvin vakaita, mutta lukossa pysymisestä ei enää ole takuuta. Näin saadaan hyvä lyhytaikainen stabiilisuus Taajuusjakajat ja vaihemodulaattori 10 MHz:n kidetaajuuden jako sekä vaihemodulaatio on toteutettu Xilinxin ohjelmoitavalla XCR3064XL CPLD-logiikkapiirillä. Piirikorttiin on juotettu liitin ohjelmointikaapelia varten, joten ohjelmointia voidaan tarvittaessa helposti muuttaa kytkemällä kortti ohjelmointikaapelin avulla tietokoneeseen. Käytännössä voitaisiin ilman mitään hardware-muutoksia esimerkiksi ohjelmoida laitteeseen eri lähtötaajuuksia, jos jostain syystä haluttaisiin muita kuin nykyiset 5 MHz, 1 MHz ja 1 khz. Logiikka on suunniteltu Xilinx ISE 6 ohjelmistolla, joka on vapaasti ladattavissa Xilinxin verkkosivuilta [16]. Taulukossa 3 on määritelty logiikkapiirin tulosignaalit ja taulukossa 4 lähtösignaalit. Lisäksi piirillä on käyttöjännite, maa, ohjelmointitulot ja enable-tulo. Piirin sisäisen rakenteen porttitason esitys on liitteessä 1.

30 30 Taulukko 3. Logiikkapiirin tulosignaalit Signaali Pinni Kuvaus In 10 MHz 37 Kideoskillaattorin tarkka sinisignaali Delay 0 6 Viiveetön 5 MHz:n kanttiaalto Delay ns viivästetty 5 MHz:n kanttiaalto Delay ns viivästetty 5 MHz:n kanttiaalto Delay ns viivästetty 5 MHz:n kanttiaalto Taulukko 4. Logiikkapiirin lähtösignaalit Signaali Pinni Kuvaus Out 5 MHz 29 Tarkka 5 MHz:n kanttiaalto (sama kuin Delay 0) Out 1 MHz 31 Tarkka 1 MHz:n kanttiaalto Out 1 khz 33 Tarkka 1 khz:n kanttiaalto Out 5000 Hz 20 Tarkka 5 khz:n kanttiaalto Out 2500 Hz 17 Tarkka 2,5 khz:n kanttiaalto Out 5 MHz Mod 11 Vaihemoduloitu 5 MHz:n kanttiaalto Up 1 s Down 100 s 8 Kytkimen ohjaussignaali joka on ylhäällä sekunnin kerrallaan. Ei ole käytössä laitteen nykyisessä versiossa. Out 1 Hz 9 1 Hz:n kanttiaalto. Vain testisignaali. Test Tick 10 Hz 16 Lyhyt pulssi 10 Hz taajuudella. Vain testisignaali. Vaihemodulaatiossa tarvittavat erivaiheiset 5 MHz:n signaalit on muodostettu Newport Componentsin 11ACB10112E viivepiirillä, joka on sisäiseltä rakenteeltaan LC-tikapuuverkko. Verkko on päätetty 100 ohmin vastuksella Referenssisignaalin vaimennus Kuvassa 9 on esitetty referenssisignaalin vaimentimen rakenne. Vaihemodulaattorin lähdössä on ensin kiinteä vaimennin, sen jälkeen jännitteellä säädettävä vahvistin, ja lopuksi vielä sarjavastus. Seuraavassa kuvataan yksityiskohtaisemmin vaimentimen rakennetta.