Wie entwirft jemand einen FM-Radiosender mit niedriger Frequenz?

Ich bin relativ neu in dem Thema, aber ich habe vor, einige Daten von einem Messsystem in einer Höhle an einen Empfänger an der Oberfläche zu übertragen. Ich verstehe, dass ich ein SDR (Software Defined Radio) verwenden kann, um Funksignale an der Oberfläche zu empfangen, aber in all den Tutorials und Materialien, auf die ich online gestoßen bin, kann ich anscheinend keinen Weg zum Senden findenDaten bei Frequenzen um 80 kHz an die Oberfläche. Ich habe 80 kHz gewählt, weil Frequenzen wie 88 - 108 MHz beim Versuch, in den Boden einzudringen, viel zu stark gedämpft würden und Frequenzen um 80 kHz von kommerziellen Höhlenfunkgeräten verwendet werden, die Sprachverbindungen verwenden. Allerdings geht es mir nicht um die Übermittlung von Sprachverbindungen, sondern um einfache Dateien. Mir wurde gesagt, dass die Verwendung von VCO-Schaltungen, um einfach ein Niederfrequenzsignal zu erzeugen und es mit einem Eingangssignal zu modulieren, instabil und unzuverlässig wäre, sodass sich mein Verständnis von UKW-Radio an dieser Stelle als nutzlos erwiesen hat.

Ich nehme an, meine Frage ist, was die beste Methode ist, um Signale mit diesen niedrigen Frequenzen an die Oberfläche zu übertragen. Wie fange ich überhaupt an, über das Design eines Systems nachzudenken, das dies tut? Ich bin immer noch ein Anfänger in der HF-Technik, daher wäre jede Hilfe wertvoll.

Bearbeiten: Ich möchte klarstellen, dass ich nicht auf eine "Sichtverbindung" -Übertragung durch die Luft abziele, sondern auf eine "durch die Erde" (TTE) -Übertragung durch ein leitfähiges Bodenmedium. Kalkstein, um genau zu sein.

Ich hoffe, Sie erkennen, dass die verfügbare Bandbreite bei 80 kHz sehr gering ist , sodass Ihre Dateiübertragungsgeschwindigkeit begrenzt ist. Erwarten Sie Geschwindigkeiten, wie wir sie in den sehr frühen Tagen der DFÜ-Modemverbindungen hatten. Wie auch immer, meiner bescheidenen Meinung nach ist dieses Projekt WAAAAAY zu komplex für einen Anfänger.
Mir wurde gesagt, dass die Verwendung von VCO-Schaltungen ... instabil und unzuverlässig wäre. Der einfache Weg, ein FM-Signal zu erzeugen, ist die Verwendung eines VCO, also liegen Sie nicht falsch. Fragen Sie das nächste Mal, WARUM dies instabil und unzuverlässig wäre! Weil es möglich ist, hängt es nur davon ab, was Sie in Bezug auf Stabilität benötigen. Leute, die dir sagen „das geht nicht“, sagen dir also mehr über ihre Fähigkeiten aus als alles andere. Tatsächlich gibt es stabilere Möglichkeiten, ein FM-moduliertes Signal zu erzeugen, diese sind auch komplexer. Was Sie als Anfänger nicht brauchen, ist Komplexität.
Zeigen Sie die Spezifikationen eines kommerziellen Beispiels, das funktioniert
Denken Sie daran, dass zumindest in den USA das 80-kHz-Frequenzband reguliert ist und Sie die entsprechenden Vorschriften verstehen und einhalten MÜSSEN, bevor Sie etwas übertragen. Bußgelder können ziemlich hoch sein, und wenn Sie den lizenzierten Verkehr stören, können Sie auch für Schäden haftbar gemacht werden.
Werfen Sie zunächst einen Blick hier, um zu sehen, welche Frequenzbereiche Sie möglicherweise überhaupt legal nutzen können: en.wikipedia.org/wiki/Low_frequency#Experimental_and_amateur Nur als Beispiel, wenn Sie in Europa wären, würde es am besten sein, nur um die 80 kHz herum zu sprengen wahrscheinlich die DCF77-Zeitsynchronisationssendung stören. Das macht die Leute garantiert unglücklich, auch die zuständige Ordnungsbehörde.
Was ist die ideale Sichtweite, die Sie erreichen möchten?
@Bimpelrekkie Siehe meine Antwort, ich denke, es gibt eine Fehlinterpretation meiner Kommentare zu Ks vorheriger Frage :) Was ich gerne löse, in der Tat!
Die Anwendung von @TooTea jwh20 OP ist eine reine Übertragung durch leitfähigen Boden bei relativ geringen Leistungen, sodass die Funkemissionen so gut wie Null sein sollten.
@WedaPashi K. Millar geht durch leitfähigen Boden. Hier geht es nicht um die Abstrahlung von HF-Energie.
@MarcusMüller: Ok, ich dachte, als OP sich auf die Übertragung einer Datei über FM bezog, dachte ich, OP könnte ihm / ihr immer noch eine Menge Ärger ersparen, indem es Sub-1-GHz-FSK-Chipsätze / -Module (434 MHz) mit angemessener Reichweite und Datenraten verwendet .
@MarcusMüller Oh, danke für die Klarstellung. Vielleicht könnten Sie das in die Frage einfügen. Irgendwie ließen mich die Wörter (und Tags) „Radio“ und „Antenne“ automatisch davon ausgehen, dass dies im Freien übertragen werden würde.
Jetzt frage ich mich, wie man so ein Setup testet, ohne jedes Mal in eine Höhle hinabsteigen zu müssen. Verdrahten Sie einfach den Sender mit dem Empfänger auf Ihrer Bank? Oder wie vermeidet man sonst, versehentlich auf 80 kHz zu senden und damit die Uhren im ganzen Viertel oder der ganzen Stadt zu stören?
@TooTea Darüber würde ich mir nie Gedanken machen: Zum Senden benötigen Sie eine Antenne mit minimaler Effizienz. Effiziente 80-kHz-Antennen sind groß (wie in Türmen). Sie können nicht versehentlich einen bauen.

Antworten (3)

Mir wurde gesagt, dass die Verwendung von VCO-Schaltungen, um einfach ein Niederfrequenzsignal zu erzeugen und es mit einem Eingangssignal zu modulieren, instabil und unzuverlässig wäre

Es gibt keine Beweise dafür, dass das, was Sie sagen, wahr ist.

Ich würde dies als eine gute Basis für einen anständigen VCO bei 80 kHz betrachten: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Bild von dieser Seite . Oder betrachten Sie den LM567 von derselben Seite: -

Geben Sie hier die Bildbeschreibung ein

Dann benötigen Sie einen abgestimmten Spulentreiber, um die Magnetfeldkommunikation so zu implementieren, wie Sie es implizieren.

Ich bin immer noch ein Anfänger in der HF-Technik, daher wäre jede Hilfe wertvoll

Es ist ein Magnetfeldsender, also machen Sie Ihre Spule so groß wie Sie können und verwenden Sie anständige Kondensatoren, um sie parallel abzustimmen. Das Q Ihres abgestimmten Schaltkreises kann höher sein, wenn Ihre Datenrate niedriger ist, aber wenn ich es entwerfen würde, würde ich nicht zögern, alles in einem Simulator-Tool zu modellieren.

Es geht mir nicht um die Übermittlung von Sprachverbindungen, sondern um einfache Dateien.

Nennen Sie es nicht FM, sondern FSK - es steht für Frequency Shift Keying und kann genau die gleichen Schaltungen verwenden, die oben gezeigt wurden.

Außerdem muss man bedenken, dass diese Art des Sendens und Empfangens den magnetischen Anteil einer elektromagnetischen Welle nutzt. Dies liegt zum einen daran, dass der Teil des elektrischen Felds aufgrund des mineralisierten Wassers nicht sehr weit durch die Schichten eindringen wird. Da die Frequenz niedrig ist, ist die "Antenne" außerdem sehr kurz für die verwendete Wellenlänge und wäre ohnehin nutzlos, um ein ernsthaftes E-Feld zu übertragen.

Es verwendet also ein Magnetfeld, und wenn Sie sich von der "Antenne" (im Grunde eine Drahtspule mit großem Durchmesser) entfernen, fällt das Magnetfeld mit der Kubik des Abstands. Vergleichen Sie dies mit einem normalen HF-System, das sowohl E- als auch H-Felder nutzen kann; diese Felder fallen linear mit der Entfernung. Das ist das Magische an richtigem Funk - in offenen Feldern (zum Beispiel) geht richtige HF bei gleicher Leistung an der "Antenne" viel weiter als E- oder H-Felder allein. Denk daran.

Gute Antwort! Ich bin ziemlich fasziniert von K. Millers Projekt (auch wenn ich denke, dass sie meinen Kommentar zu seiner vorherigen Frage missverstanden haben könnten): Kommunikation durch leitfähigen Boden ist definitiv interessant! Ich sagte dort, dass ein analoger VCO eine schlechtere Frequenzgenauigkeit hat (als eine Schwingung, die von dem Himbeer-Pi / MCU erzeugt wird, die sie sowieso haben) und sie würden höhere Fehlerraten bekommen – ich ging davon aus, dass wir uns im SNR-Bereich von unter 0 dB befinden würden. und das Erkennen von Tönen, deren Frequenz Sie nicht genau kennen, dauert umso länger, je ungenauer Ihr Wissen ist, oder umgekehrt, bei gleicher Symbolrate, Ihr
Fehlerquote steigt.
@MarcusMüller Ich habe meine Antwort so einfach wie möglich gemacht. Wenn ich keine MCU verwenden würde, würde ich eine PLL wie die CD4046 verwenden, um den FSK zu erzeugen. Es ist jedoch alles Radio, bis auf die feinen Details, und es ist die Empfängerspezifikation, die vorschreibt, was übertragen wird. Am Ende wäre also mit ziemlicher Sicherheit eine MCU erforderlich, um eine Lock-In-Präambel für den Empfänger und eine angehängte kräftige Prüfsumme zu generieren jedes Datenpaket. Außerdem müsste das Gerät höchstwahrscheinlich ein Transceiver sein, damit Pakete bestätigt werden können usw.
@K. Hinweis von Millar: Die Verwendung des Magnetfelds erfordert eine Antenne, die zum Senden/Empfangen in der Magnetfeldebene ausgelegt ist. Sie können nicht einfach eine einfache gerade Drahtantenne verwenden. Suchen Sie nach Schlitzantennen und B-Feld-Antennen.

Aber aus all den Tutorials und Materialien, auf die ich online gestoßen bin, kann ich anscheinend keinen Weg finden, Daten mit Frequenzen um 80 kHz an die Oberfläche zu übertragen.

Wie gesagt, Sie würden Ihren Strom oder Ihre Spannung von einem Controller aus modulieren.

Mir wurde gesagt, dass VCO-Schaltungen verwendet werden, um einfach ein Niederfrequenzsignal zu erzeugen

Nun, ein VCO ist ein spannungsgesteuerter Oszillator . Es erzeugt eine Schwingung, die Sie mit einer Spannung steuern können. Das tut es :)

und es mit einem Eingangssignal zu modulieren, wäre instabil und unzuverlässig, sodass sich mein Verständnis von UKW-Radio an dieser Stelle als nutzlos erwiesen hat.

Da Ihr Eingangssignal diskret wäre, nennen wir das Frequenzumtastung, dh Ihre Daten werden in diskrete Frequenzen gebracht, die Sie erzeugen.

Ich habe nicht gesagt, dass es instabil oder unzuverlässig wäre. Ich sagte, es wäre weniger genau, als wenn Sie die Schwingung digital erzeugen würden, wozu ich stehe: Alle VCO-Schaltungen, die Sie finden werden, sind in der Frequenz weitaus ungenauer als eine von Quarz abgeleitete, numerisch erzeugte (dh mit einem Computer berechnete, z ein Himbeer-Pi) Oszillation. Weniger Genauigkeit bedeutet "schwerer zu erkennen" beim Empfänger, und das bedeutet, dass mehr Bitfehler auftreten.

In dem Kommentar, auf den Sie sich anscheinend beziehen , habe ich gesagt, dass Ihr VCO Ihr Problem der Datenübertragung nicht löst (Sie sind weit, weit, weit davon entfernt, "Dateien" zu übertragen).

Ein VCO ist ein Verfahren zur Erzeugung einer spannungsgesteuerten Schwingung. Das ist es.

Sie können die Oszillationsfrequenz modulieren, indem Sie die Eingangsspannung zum VCO ändern; Das ist der Zweck eines VCO.

Damit können Sie direkt einen Frequenzumtastungssender (FSK) bauen, den Sie mit Spannungen speisen, die von einem Mikrocontroller / Ihrem Himbeer-Pi erzeugt werden. Ich habe ausdrücklich bestätigt, dass Sie dies mit einem VCO tun können.

Mit einem VCO alleine kann man keine andere Modulation als FSK / FM erzeugen. Es gibt viele andere Modulationen.

ABER: Sie haben bereits einen Raspberry Pi in Ihrem System. Das kann direkt verwendet werden, um einen 80-kHz-Träger zu erzeugen. Ihr VCO ist einfach etwas, das Sie nicht brauchen , um diesen Träger zu erzeugen. Es ist wirklich keine Komponente, die Ihr System voranbringt – Ihr Himbeer-Pi muss eine zeitvariable Spannung ausgeben, um den VCO zu steuern. Wenn Sie Ihren Himbeer-Pi dazu bringen, eine zeitvariable Spannung auszugeben, kann diese Spannung genauso gut direkt bei 80 kHz variieren, wodurch Ihr VCO überflüssig wird.

Das meinte ich, als ich schrieb:

Praktisch gesehen braucht man den VCO nicht, es ist nur ein unnötiges Stück analoger Hardware, wenn Sie mich fragen: Es beschränkt sich auf die Verwendung von Frequenzumtastung mit ziemlich ungenauen Frequenzen und damit hohen Fehlerraten, und Sie brauchen immer noch so etwas wie einen Mikrocontroller um die Spannung für Ihren VCO zu modulieren. Dieser Mikrocontroller kann jedoch ziemlich trivialerweise auch die Arbeit Ihres VCOs erledigen, nur besser. Lassen Sie also den VCO fallen.

Sie können Ihrem Himbeer-Pi sagen, dass er einen Digital-Analog-Wandler (DAC) anweisen soll, Ihren 80-kHz-Träger mit der gewünschten Modulation zu erzeugen. Das ist so ziemlich SDR für Ihren Anwendungsfall.

Stellen Sie sich Ihren VCO wie eine Geigensaite vor: Sie können die Frequenz des von dieser Saite abgegebenen Tons steuern, indem Sie die Saite in der richtigen Position zusammendrücken. Sie können die von einem VCO emittierte Frequenz steuern, indem Sie eine Spannung einstellen.

Jetzt können Sie verschiedene Töne verwenden, um Daten zu kommunizieren. Angenommen, Frequenz 79 kHz für das 0-Bit, Frequenz 81 kHz für das 1-Bit. Macht Sinn, stimmt.

Jetzt hat Ihr Raspberry Pi viel CPU-Leistung, um die Töne zu synthetisieren : Genau wie ein digitaler Musiksynthesizer keine Probleme hat, verschiedene Töne digital zu erzeugen, ohne jemals einen VCO (oder eine Violine) zu enthalten, kann Ihr Pi einfach die gewünschte Wellenform berechnen, und geben Sie es an den DAC, der es in eine analoge Spannung umwandelt, die der berechneten Wellenform folgt.

Aber wenn es die gewünschte Wellenform berechnen kann, sind Sie plötzlich nicht mehr auf abrupte Übergänge zwischen Tönen beschränkt; Sie könnten genauso gut viel schönere "Alphabete" verwenden, um zu kommunizieren. In Ihrem Erdszenario könnte das realistischerweise bedeuten, dass Sie mehrere Töne gleichzeitig senden möchten (z. B. 77, 79, 81 und 83 kHz gleichzeitig für das 0-Bit und 78, 80, 82 und 84 kHz gleichzeitig für das 1 Bit). Ihr Empfänger lauscht auf diese mehreren Töne, und selbst wenn ein einzelner Ton von den elektrischen Eigenschaften Ihres Bodens gut absorbiert wird, können die anderen durchkommen.

Sie werden feststellen, dass andere unterirdische Kommunikationssysteme möglicherweise keine Töne als Signalisierung verwenden, sondern andere Eigenschaften (Amplitude, Phase) des Trägers modulieren. Mit einem VCO geht das gar nicht, aber trivialerweise mit deinem Pi ohne VCO!

Vielen Dank für die Klarstellung und zusätzliche Details, wirklich. Ich verstehe, warum ein VCO in meinem Fall jetzt nicht notwendig ist. Nur zur Verdeutlichung und ohne die Besonderheiten der Antenne, die ich verwenden möchte: Kann ich einen 80-kHz-Träger synthetisieren und ihn mit dem Pi modulieren? Wäre eine Prüfsumme auch eine Alternative zu der von Ihnen vorgeschlagenen Mehrtontechnik?
kannst du mit dem pi gleichzeitig träger + modulation machen: ja, du kannst! Ist eine Prüfsumme eine Alternative zu einer vernünftigen physikalischen Schicht: Nein, eine Prüfsumme wäre keine Alternative zu einem physikalischen Aspekt Ihrer Modulation, sie wäre eine Notwendigkeit weiter oben im Protokollstapel: Ohne eine ist es schwer zu wissen, ob die Daten, die Sie erhalten haben, korrekt sind, egal wie Sie sie übermittelt haben.
@K.Millar Als ich vor vielen Jahren anfing, hätte ich nicht verstanden, was der "Stapel" bedeutet, wie Marcus ihn benutzte. "Die Dinge reden einfach, richtig?" Etwas später verstand ich die Notwendigkeit von 3 Schichten – physisch (befördert eine grundlegende physikalische Größe wie Spannung oder Magnetismus von einem Ort zum anderen), Signalisierung (übersetzt diese physikalische Größe oder eine Folge davon in ein grundlegendes Computerkonzept wie ein Byte ) und logisch (eigentliche Bedeutung aus einer Folge von Bytes) - aber nichts darüber hinaus. Diese 3 Schichten waren alles, was ich damals für meine Projekte brauchte.
Zum Beispiel verwendet DMX512 ( logisch , als direkter Ersatz für 0-10VDC auf einem dedizierten Kabel pro Kanal von Theaterleuchten) RS485 ( Signalisierung , basierend auf UART, unterscheidet sich von RS232 (serieller PC-Port) nur in den verwendeten Spannungen). kann auf Cat-5 ( physisch ) sein. Ich war damals davon überzeugt, dass die Leute, die kompliziertere Dinge wie TCP/IP und WiFi entworfen haben, nur nach einer Ausrede suchten, um sich zu rechtfertigen. Sie sind nicht. Alle Teile müssen wirklich aus bestimmten Gründen vorhanden sein, und jede Schicht hat ihre eigene Fehlerprüfung, damit die Teile, die von ihnen abhängen, nicht verrückt werden.
Wow, schön, aber ziemlich komplex! Ich bin ehrlich, ich bin ein Computermensch, ich würde das Sampling direkt auf dem Durchlassbandsignal durchführen (da das sowieso eine sehr niedrige Frequenz hat) und dann das Filtern, die digitale Abwärtskonvertierung in IQ und was Ich nehme an, es handelt sich um eine QPSK-Demod in der Software :)
Selbst ein Übersetzungen hätte ohne Radio-Design-Expertise Schwierigkeiten.
Wie entwirft jemand einen FM-Radiosender mit niedriger Frequenz?
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