Dünya’daki Mars Projesi (Mars on Earth Project) kapsamında üzerinde çalıştığımız bir diğer konu da; “radyo astronomi”. Proje kapsamında; bir yandan radyo astronomi donanımları geliştirirken, bir yandan da bu donanımlarla birlikte kullanılacak olan bazı elektronik bileşenlerin geliştirilmesi üzerinde çalışıyoruz.
Bu makalenin konusu da ” GPS ile Disipline Edilmiş Osilatör”. Çalışma; ileride birden fazla radyo gözlem istasyonu ile çalışmaya başladığımızda, istasyonların kayıt zamanı senkronizesi ve veriler üzerinde zaman damgası konusunda bizlere ciddi fayda sağlayacaktır. 3D malzemeden üretilen ve sizlerle de dosyalarını paylaştığımız model roverlerimizin de birden fazla noktada (farklı ülke ve şehirlerde) kullanılması durumunda, onlar üzerinde de bu sistemi kullanmayı planlıyoruz.
Osilatörler
Osilatörler her yerde kullandığımız ve özellikle haberleşmenin bel kemiği olan sinyallerin temel üretim kaynağıdır. Her osilatör (kristal osilatörler de dahil olmak üzere) çevre koşullarından (sıcaklık, nem, vb.) az da olsa etkilenir. Bu etkilenme bazı durumlarda çok önemli değildir, ancak bazı durumlarda ise hayati önem taşır. Örneğin Frekans Modülasyonu (FM) ile haberleşen iki istasyondan birinin frekansının diğerinden bir kaç yüz Hertz (Hz) farklı olması çok büyük problem yaratmazken, bu durum SSB haberleşmesinde veya Mors (CW) haberleşmesinde hissedilir olmaya başlar. Özellikle sayısal haberleşme modlarına geçildiğinde bu durum iyice kritik bir hal almaya başlamaktadır
Frekans kararlılığı sadece radyo amatörlüğü haberleşmesinde değil, GSM, WI-FI ve benzeri haberleşmelerde de önemlidir. Özellikle çok yüksek frekanslarda (10, 24, 47GHz. vb.) çalışıldığında konu daha da karmaşıklaşır. Zira genelde bu frekansların direk üretilmesi yerine, daha düşük frekans üretilerek çarpıcılarla bu frekansın katlanması şeklinde elde edilirler.
Örneğin; 10GHz’lik bir sinyal, 100MHz’lik bir sinyali 100 ile çarparak elde ediliyor olabilir. Bu durumun avantajları (kolay yapılabilmesi, maliyeti düşük olması, vb.) olduğu gibi, dezavantajları da mevcuttur. Örneğin 100MHz’de 10Hz frekans kayıklığı 100 ile çarpılınca 10KHz gibi oldukça önemli bir kaymaya sebep olabilmektedir.
Başka Nerelerde Kullanılabilir?
Osilaskop, sinyal üreteci ve spektrumda ortak yapacağımız ölçümlerde bu cihazlar arasındaki referans frekans farklılıkları, başımızı ağrıtabilir ve ortak bir kararlı osilatör tam da burada imdadımıza yetişebilir.
Temel Teorisi
Frekans ürettiğimiz kaynak bir LC tank devresi, daha kararlı bir kristal devresi ya da bir Phase Locked Loop (PLL) olabilir. Kararlı şekilde frekans üretebilen bir PLL devresinde dahi devrenin kararlılığı referans olarak kullanılan osilatörün kararlılığına çokça bağlıdır.
Resim-1. Bazı sinyal üretim kaynakları.
Kararlılık
Bir frekans üretecini çok kararlı kılmak için, çok kararlı bir referans kaynağına ihtiyaç duyulmaktadır. Bu kaynaklar özetle şunlar olabilir;
- Sıcaklığı olabildiğince sabit tutulmuş bir kristal,
- Rubidyum gibi çok sabit salınım kaynakları,
- Kısa dalgada yayın yapan atomik saat sinyali,
- GPS sinyalleri,
- Atomik saat.
Proje kapsamında erişimi en kolay, boyut olarak en küçük, ekonomik ve kararlı bir referans kaynağı için Global Positioning System (GPS) alıcısı tercih edilmiştir. Sistem, GPS alıcısı üzerinde saniyede bir kararlı bir şekilde yanıp sönen LED’i kullanarak görevini yapmakta ve neredeyse GPS’in diğer geri kalan özelliklerinin hiçbiri kullanılmaktadır.
Sistemin İşleyişi
GPS alıcısı yeterli sayıda uydu ile iletişim kurmaya başladığında (FIX aldığında) üzerindeki bir LED saniyede bir yanıp sönmeye başlamaktadır. (* Bazı GPS alıcıları 8MHz ya da ayarlanabilir bir frekansta sinyal üretme özelliğine de sahip, ancak çalışmada hem ekonomik bir GPS’i kullanmak, hem de her GPS’i kullanabilmek amacıyla LED’in yanıp sönmesi bir referans olarak kullanılmıştır). LED’in yanıp sönme zamanı oldukça kararlıdır ve LED bize 1 saniye süreyi çok kararlı bir şekilde ifade etmektedir.
Devrede kullanılan Si5351 aslında 3 kanallı (3 ayrı frekans üretebilen) bir osilatör devresidir ve referans olarak üzerinde bulunan bir kristali kullanmaktadır. Bu haliyle ürettilen frekansın kararlılığı da bu kristalin kararlılığı ile orantılıdır. Bu kristalin frekansını değiştirecek ayrı bir modifikasyon yapmaya gerek kalmamaktadır çünkü Si5351 içerisinde bu referans sapmasını düzeltecek komutlar (register) mevcuttur.
Si5351’in 1’nci kanalında 2.5MHz bir sinyal ürettiğimizi ve bunun da devre üzerindeki referans kristalin kararlığı seviyesinde olduğunu varsayalım. 2.5MHz’i tercih ediyoruz çünkü 16MHz hızında çalışan bir Arduino Nano (ATMEGA328p) bu hızdaki bir sinyali “counter girişinde” sayabilir. Frekans yüksek olursa işlemci bunu saymakta zorlanabilir ve haricen bölme işlemleri yapmak gerekebilir. Amaç, yapıyı olabildiğince basit ve az sayıda bileşende tutmaktır.
İşlemcinin bir PIN’ine, GPS LED’inin PIN’ini bağladığımızda, bu bize her saniyede 1 kez sinyal verecektir. Böylece gerçekten 1 saniye geçtiğinden emin olunur. Burada “Arduino’da da kristal var hatta gerçek zaman sayıcısı (RTC) da var, neden GPS’deki 1 saniyelik sinyale ihtiyacımız var?” şeklinde bir soru akla gelebilir. Ancak bu dahili zamanlar hep kristallere bağlıdır. Örneğin; Arduino’nun saati 16MHz bir kristale bağlı, RTC’nin kararlılığı da 32KHz’lik bir kristale bağlıdır. Buradaki amaç da sıcaklıktan çokça etkilenen bu kristallerin kararsızlığı (kararlılıktan çevre etkileri ile uzaklaşmaları) durumudur.
Her saniye bilindiğine göre, bir diğer işlemci bacağına bağlanmış olan 2.5MHz’i saymak mümkündür. Yani her saniye geçtiğinde 2.5MHz girişinde 2.500.000 (iki buçuk milyon) sinyal saymamız gerekir. Eğer daha az ise bu 1 saniyede osilatörün ürettiği frekans az demektir. Bu durumda işlemci; Si5351 devresine frekansı biraz daha arttırmasını talep edecektir (bir takım hesaplamalarla tam olarak ne kadar arttıracağını ya da hata düzeltme registerine yazılacak değeri ifade edecektir). Eğer frekans yüksek ise de azaltmasını. Çünkü burada şüphe duyabileceğimiz üreteç bizim Si5351 osilatörümüz, GPS uydularından aldığımız 1 saniye değil. GPS uydularındaki saatler, yerdeki atomik saatlerden beslendiği için oldukça kararlıdırlar.
Her saniyede 2.500.000 ölçmek yerine, 40 saniye boyunca yapılması durumunda; yani 40×2.500.000=100.000.000’a kadar sayarak frekans ölçme hassasiyetimizi çok daha fazla artırabiliriz. Buradaki 40 kullanıcı tarafından seçilmiş bir değerdir. Zaman problemi yoksa ve işlemcinin sayıcılarında tutabilecek büyüklükte bir rakam (örnek 32 bit için 4 milyar civarında, ya da saklama metodunda küçük iyileştirmelerle daha fazlası) daha da hassas bir eşitleme yapabilir.
Bu aşamayla aslında 2.5MHz’de ne kadar kayma olduğunu sürekli ölçebilecek ve dengeye getirebilecek bir döngü kurumuş sayılabilir. Si5351 üzerinde 2 tane daha osilatör var ve bunlar da aynı kristali referans olarak kullanmaktadırlar. O zaman buradan üretilecek frekanslar da aynı düzeltmeye maruz kaldıklarında onlar da çok kararlı bir çıkış vereceklerdir. Böylece bir tanesi 2.5MHz olmak üzere toplamda 3 ayrı frekansa ayarlanabilecek frekans referans kaynakları üretmiş olacaktır.
Devrenin ana kısmı aşağıdaki resimde görüldüğü şekildedir.
Resim-2. GPSDO (GPS Disciplined Oscillator) Ana bileşenleri ve işleyiş
İşlemci tarafında 2.5MHz’i bir bir saymak aslında çok da kolay değildir ancak küçük bir trik yapılabilir. İşlemcinin hiçbir kesmesi (TIFR) bu hızda çalışmaz fakat 2.5MHz sinyali bir TIMER karşılaştırma bacağına (T0) girer ve kaynak olarak bu bacak gösterilirse ve 16 bitlik bir sayıcı ile her 65535 sinyalde taşma alınırsa (yani 2.500.000 / 65535 = yaklaşık 38) saniyede 38 adet kesme çok kolay yakalanabilir. Üstelik sayılamayan kısımda sayıcıda kalacak olan “0” ile “65535” arasında artık bir sayı olacaktır (TCNT).
Bu çalışmada; 2015 yılında QEX dergisinde yayınlanmış olan “G. Marcus W3PM,”An Arduino Controlled GPS Corrected VFO,” QEX, July/August 2015, pp. 3-7” yazısından çokça faydalandım.
Resim-3. İşlemci içerisindeki sayıcı yapısı.
Peki ama “Ne Kadar Kararlı?”
Devrenin ne kadar kararlı olduğunu ölçmek için aşağıda anlatacağım gibi bir deney düzeneği hazırladım ve ürettiğim 10MHz’lik sinyali atomik saatten gelen kısa dalga yayını ile kıyasladım ve sonucun oldukça tatmin edici olduğunu gördüm.
Resim-4. Ölçüm sonucu.
Resim-5. Atomik saat kıyaslaması.
Ürettiğim sinyali 10 MHz’in çok çok az üzerine ayarladım ki (Hz seviyesinde) kısa dalga yayınındaki 10MHz ile üst üste çakışmasını istemedim. Sonra da radyo alıcısınıtam 10 MHz’e (LSB Lower Side Band 9.997 Khz) ayarladım. Bu durumda radyodan hem kendi ürettiğim sabit 10MHz’i, hem de kısa dalga yayınından gelen atomik saatin 10MHz’deki tik-tak’larını duyuyordum. Üst üste binmesin diye aralarında bilerek biraz fark oluşturmuştum. Ancak bu fark; hem bildiğim kadar bir farktı, hem de bu sayede radyo alıcısında hem kendi sinyalimi, hem de atomik saatin sinyalini aynı anda duyabiliyordum.
Radyo alıcısının ses çıkışını bir bilgisayarın mikrofon girişine bağladım ve SpecVue yazılımı ile detaylı bir DSP ile ekranda hem spektrum hem de waterfall olarak iki sinyali yan yana gözlemeye başladım. Diyeceksiniz ki; “Bir de radyo alıcısı, bilgisayar ev ses kartı işin içine girdi. Onlardaki kristallerin kayması bu ölçümü etkilemeyecek mi?”. Haklısınız, ama bu kayma hem benim ürettiğim sinyali aynı miktarda kayık duyacak, hem de atomik saati. Yani benim sinyalim atomik saat ile birebir paralel hareket ediyor ise, benimle atomik saatin frekansı aynı demektir, ki bu deneyde de böyle olduğunu çok rahat gözlemleyebildim. Bu deneyi 48 saat sürdürerek üretilen sinyalin atomik saat ile birebir paralel olduğunu kaydettim.
İstasyonumdaki cihazlara 25/27MHz, laboratuvarımdaki cihazlara da 10MHz referansı böylece kararlı bir şekilde üretebilmiş oldum. Şanslıyım ki; Finlandiya’da evler ahşap, GPS sinyalini evin içerisinde de alabiliyorum, böylece anteni uzatma ya da GPS’i dışarıda tutma gibi bir ihtiyaç olmadan tüm sistemi küçük bir kutuya yerleştirebildim.
Resim-6. Malzemeler ve kutulama
Bundan sonrasında bu devreye neler eklenebilir;
- Si5351’in osilatörü fırınlanabilir ya da daha kararlı bir kristal kullanılarak “Jitter“ler azaltılabilir.
- Birden fazla Si5351 devresi ile çok daha fazla frekans aynı anda üretilebilir.
- Osilatörlerin çıkışı güçlendirilerek daha uzağa taşınabilir.
- Osilatörlerin çıkışları çoklanarak, pek çok cihaza aynı anda uygulanabilir.
- Sadece referans frekansı üretmek değil,1 PPS sinyali de dağıtılabilir.
- İşlemci olarak WI-FI ya da Ethernet desteği olan bir platform kullanılıp Network Time Protocol (NTP) ile ağ üzerinden zaman dağıtımı yapılabilir.
- STANAG 4246, STANAG 4372 ve STANAG 4430’a uygun dalga şekilleri üretilerek bu sinyaller ile Have Quick II ve benzeri frekans atlamalı sistemlere kararlı zaman bilgisi ve 1PPs sağlanabilir
