Das L-Band Radioteleskop

1 Überblick

Abbildung 1: Blockdiagramm des L- Band Radioteleskops und Link unter “Computer” auf Live Daten

2 Die Antenne

Die Antenne wurde für die Bewegung der Deklinationsachse mit einem Schubstangenmotor bestückt. Das größte Problem bei der manuellen Positionierung einer solcher Antenne ist die Schwierigkeit, sie millimetergenau zu bewegen. Bei dem Gewicht ist immer eine zweite Person notwendig, die die Schüssel festhält, während man an der Gewindestange für die Festlegung der Höhe die gewünschte Deklination einstellt. Am besten braucht man auch eine dritte Person, die sich nebenbei die Daten vor dem Computer anschaut und ein Feedback zur neuen Position der Antenne geben kann. Natürlich ist das alles mit oder ohne Motor möglich, wenn man die entsprechenden Geräte besitzt.

Der ausgewähle Motor ist der Schubstangenmotor 36" Superjack QARL 3636+. Dieser kann an verschiedenen Stellen befestigt werden, man sollte aber darauf achten, dass man die gesamte Länge des Motors sinnvollerweise für die 90° ausnutzt, womit man eine langsame und automatisch eine justierungsfreundlichere Positionierung erreichen kann.

Für die Motorsteuerung wurde hier ein Arduino  10-Degrees-Of-Freedom IMU System mit dem GY-80 aufgebaut.

Ein kompensierter elektronischer Kompass zusammen mit einem Motor Drive Shield ersetzt jetzt das alte Motorsteuerungsgerät (siehe alte Seite Motorsteuerung ). Mit Arduino ist nun endlich mal die Verbindung zwischen Motorsteuerung und Receiver möglich.

Abbildung 3: Antenne mit eingebautem Schubstangenmotor. Abbildung 4 und 5: Der Schubstangenmotor wurde mittels eines angefertigten Teils an der Montierung befestigt. Damit ist das Drehen der Antenne möglich. Mit dieser Konstruktion ist die Polar- in eine Azimutalmontierung umgewandelt worden

3 Der Receiver für das L-Band

Das gesamte System besteht aus zwei klar getrennten Gruppen, die sich dementsprechend in zwei von 8m entfernten Stellen befinden:

3.1- Am Fokus der Antenne

Am Fokus der Antenne sitzen die LNA und Down-Converter. Die Übertragung des L-Band Signals auf einer Frequenz von 1420MHz unter Berücksichtigung des extrem schwachen Leistung-Rausch-Verhältnisses macht durch eine lange Leitung wenig Sinn. Der Down-Converter verschiebt das Signal auf eine untere Frequenz von 28MHz, womit der Verlust der Signalleistung wesentlich verringert wird. Der LN35 Temperatursensor IC ist ebenso am Fokus platziert.

1. Feedhorn und Dipolantenne findet man bei RAS unter folgende Adresse http://www.radioastronomysupplies.com/show_detail.php?item_id=18
2. Der RAS 1420MHzr LNA findet man unter folgende Adresse http://www.radioastronomysupplies.com/show_detail.php?item_id=74
3. Down Converter von der Firma SSB Elektronik Deutschland. Dort ist dieser Artikel unter folgende Adresse zu finden  http://www.ssb.de/product_info.php?info=p1142_UEK-21--Konverter-f--Radio-Astronomi--1420-28-MHz.html

Um die lästige (später erwähnte) Baseline Verschiebung bei Veränderungen in der Außentemperatur zu minimieren, haben wir ein einfaches Temperatur-Regelungssystem eingebaut. Dieses soll bei Temperaturen über dem 0°C Punkt eine konstante Temperatur im Gehäuse von +5°C einhalten. Das Gehäuse ist nicht perfekt isoliert, womit sich der Effekt in Grenzen hält. Immerhin ist der Einfluss von Außentemperaturveränderungen minimiert worden. Für die frostigen Tage mit extrem niedrigen Temperaturen wurde gleichzeitig eine Heizung eingebaut. Die Umschaltung zwischen Kühlung und Heizung wird momentan manuell gemacht.

3.2- Im Observatorium

An einer gut 5m entfernten wettergeschützten Stelle befindet sich der Zwischenfrequenzverstärker,  der logarithmische Detektor (am unveränderten DC-Board - für Verstärkung und Integration - angeschlossen) und zum Schluss Arduino als Schnittstelle zwischen dem System und dem Rechner.

Nach der Umstellung auf Arduino Radioteleskop sind alle Möglichkeiten offen. Die Entwicklung der eigenen Software ist mit Arduino und Processing für Datenbeschaffung sowie Darstellung sehr einfach, vorausgesetzt man kennt die C++ Programmiersprache. Jedes Arduino Board bietet einen AD Wandler, der im Grunde genommen für die Digitalisierung der Daten aus dem Detektor, Temperatursensor, usw. in gewissen Maßen ausreicht. Arduin Mega2560 besitzt einige analoge Inputs mit 8 Bit Auflösung. Die Frage ist immer, reicht die Auflösung oder will man mehr. Das System ist einfach erweiterbar mit einem externen AD Wandler, wie zum Beispiel MCP3428.

Der MCP3428 hat 4 Kanäle und eine Auflösung von 16 Bit. MCP3424 hat aber eine Auflösung von 18 Bit, nur leider kam diese Erkenntnis zu spät, denn die ICs waren schon bestellt. Was aus meiner Sicht diesen Chip so interessant macht, ist, mit welcher Leichtigkeit man ihn einbauen kann. Mit dieser Erweiterung können Signale mit extrem kleinen Veränderungen an den externen ADC angeschlossen werden und der Rest an den Arduino analogen Eingängen.

In unserem System sind 4 unterschiedliche Datenquellen vorhanden:

• Logarithmischer Detektor
• Ausgang vom DC Board für die DC Verstärkung und Integration des Ausgangs des logarithmischen Detektors
• Spannungswert aus dem Temperatursensor
• Platine für die Verstärkung der Temperatur

Die ganze Arbeit, um das vorherige System durch Arduino zu ersetzen, hatte als Hauptgrund das Ziel, eine softwaregesteuerte Anpassung/Modifikation vom Signal des Detektors zu machen, um eine temperaturabhängige Kompensation zu realisieren. Die natürliche Veränderung der Signal Baseline ist klar, je kälter desto höher, da die Kälte für eine stärkere LNA Verstärkung sorgt. Einen entsprechender Offset kann per Software berechnet und mittel der analogen Ausgänge und einem Operationsverstärker-Addierer zu dem Detektor Signal  addiert werden. Die Auflösung der analogen Ausgänge ist leider auch etwas niedrig (8 Bit) und in der gleichen Art wie mit dem ADC ist das System hier mit einem externen DA Wandler erweiterbar. Ausgesucht haben wir den MCP4922 mit zwei Ausgängen, denn wer weiß, ob man einen zweiten gebrauchen kann. Arduino und Processing Code kann unten heruntergeladen werden.

Das gesplittete Antennensignal wird mit der günstigen Software Defined Radio (SDR) DVBT Stick analysiert. Damit ist es möglich, den Frequenzbereich zwischen 1420 und 1422 MHz zu untersuchen. Da das ursprüngliches Signal von 1420-1422 MHz durch den Downconverter auf 28 bis 30 MHz runterkonvertiert wird und der Stick erst ab 62 MHz empfindlich wird, müssen wir dieses Signal einmal hochkonvertieren mit einem UpConverter. Nach der UpConversion findet man die gesuchten Frequenzen bei Freq+100 MHz, das heisst, was vorher bei 28-30 MHz war, ist jetzt bei 128-130 MHz. Beides, Stick und UpConverter, sind bei Amazon oder direkt auf der Seite von NooElec zu finden. 

Ham It Up v1.2 - RF Upconverter For Software Defined Radio                     Nooelec  http://www.nooelec.com

Für eine detaillierte Beschreibung der entwickelten Schaltungen klicken Sie auf die folgenden Seiten

        Elektronik fürs L-Band Radioteleskop   und   Radioastronomie mit Arduino

Als Testumgebung für die Entwicklung von neuen Schaltungen sowie für den Test der gesamten Elektronik haben wir einen Sender und einen Frequenz Mischer gebaut. Auf der nächsten Seite kann man sich die Einzelheiten anschauen:

         Testumgebung 

4- Am Computer

4.1  Logging Data aus dem logarithmischen Detektor

Processing dient uns als Mittel für die Datenaufzeichnung für alle mit Arduino digitalisierten und verarbeiteten Daten. Anbei ist der Code für beide Seiten.

Die Daten werden in Zeitabständen von 5 Minuten gespeichert und mit gnuplot einzeln und zusammen dargestellt.

Abbildung 10: Beispiel einer mit gnuplot realisierten Grafik

Eine neue Version ermöglicht die Aufzeichnung und Bedienung der Antenne gleichzeitig.

Abbildung 11: Processing Sketch für die Aufzeichnung der Daten vom LogDetektor und Steuerung der Antenne

4.2  Logging Data aus dem SDR Stick

Das 1420-1422 MHz Signal wird gleichzeitig mit “RTLSDR Scanner” (http://eartoearoak.com/software/rtlsdr-scanner ) mit einem RTLSDR DVBT Stick analysiert. Dieser ist nicht sehr empfindlich, verglichen mit einem üblichen SDR Receiver, aber der Preisunterschied ist riesig. Der RTLSDR Stick zeigt einige Schwächen, wie zum Beispiel häufige Ausfälle oder kontinuierliche Veränderung der AGC, was zu einer treppenförmigen Baseline führt. Die Verarbeitung der Daten aus dem Stick wird dementsprechend unvermeidlich.

“RTLSDR Scanner” macht ununterbrochen Scans vom Frequenzbereich zwischen 1420 und 1422 MHz mit einer dwell von 3 Sekunden. Die   Bereitstellung der Scan Daten für eine sinnvolle Darstellung wird mit einem kleinen Programm mit Visual C++ (SortCSVFiles) durchgeführt. “RTLSDR Scanner” schreibt für jede Frequenz im gescannten Bereich einen Wert als Leistung (in dB) des Signals in ein CSV File. Falls der Stick sein AGC unerklärlicherweise  ausgeschaltet hat, sind alle Leistungswerte unter -40dB (in unserem Radioteleskop). In dem Fall erzeugt ”RTLSDR Scanner” ein “Error File”. Wenn der Stick hängen bleibt, erzeugt er gar kein File.

4.2.1 Stick- oder AGC-Ausfall mit Relais und Arduino vermeiden

Der RTLSDR Stick wird am PC per USB angeschlossen. Die Stromversorgungsleitung vom USB Kabel ist getrennt und mittels eines “Relais Arduino Shields” gesteuert. Der Relais ist standardmäßig  durchgeschaltet. Der gleiche Arduino Sketch, der die Daten des LogDetektors digitalisiert, übernimmt diese Steuerung. Er wartet darauf, eine Nachricht per serieller Schnittstelle zu bekommen (gesendet aus dem Processing Sketch), um für 1 Sekunde lang diesen Relais zu öffnen und wieder durchzuschalten. Das hat den gleichen Effekt, als hätte man den Stick aus dem USB Slot entfernt und wieder angeschlossen.

Der Processing Sketch wiederum, der auch die Detektor Daten grafisch loggt, wartet nur darauf, ein “Error File” zu entdecken, um dieses Signal zu senden. Er beobachtet ebenso die Häufigkeit der Datenerzeugung, um festzustellen, ob der Stick eventuell hängen geblieben ist. In dem Fall wird die gleiche Nachricht zum Arduino Sketch versendet.

4.2.2 SortCSVFiles

Alle Frequenz-dB Paare aus dem “RTLSDR Scanner” werden dann sortiert. Das Programm SortCSVFiles greift beim Sortieren auf zwei andere Dateien zu, um mehr Information in jede Zeile einzuführen:

12. 1.   Das File AZ-ALT.txt beinhaltet die letzte Daten, empfangen mit dem Ciseco XRF Übertragungsmodul. Die letzte Zeile zeigt die aktuelle Position der Antenne in ALT und AZ Richtungen. Diese Information wird verwendet, um eine Umrechnung in RA-DEC zu machen, womit dem Paar  “Frequenz, Leistung” eine Himmelskoordinate zugewiesen  wird. Auf dem farbigen Projektion Bild (2D) sieht man an der rechten Seite die Veränderung der Himmelskoordinaten. 12. 2.   Das letzte File, erzeugt mit den Detektor- und Temperatursensor-daten wird gelesen, um den aktuellen Temperaturwert zu diesem “Frequenz,Leistung” Paar zu zuweisen. Auf dem farbigen Projektionsbild (2D) sieht man an der linken Seite die Veränderung der Temperatur   SortCSVFiles.cpp

Das Programm SortCSVFiles versucht parallel die Sprünge vom AGC zu eliminieren, in dem der Offset der Baseline zwischen dem aktuellen und vorherigen Scan berechnet wird. Dieser Offset wird immer wieder addiert oder substrahiert. Die Scans sind damit durchgängig und zeigen kein Zickzackförmiges Muster.

Die damit generierte Datei beinhaltet genug Information, um sich mit gnuplot ein genaues Bild der Lage zu machen. Durch die Speicherung von mehreren Scans, kann man eine 3D Darstellung generieren, was sehr sinnvoll ist bei der Erkennung von einem Objekttransit über der Zeit.

Abbildung 13: Mit gnuplot dargestellter Einzelnscan.

 

gnuplot File

Abbildung 14: Mit gnuplot dargestellte 3D-Grafik mit allen Scans.

Abbildung 15: Mit gnuplot generierte Animation.

  

Batch script gnuplot File

Abbildung 16: Mit gnuplot generierte 3D-Animation.

4.3 Live Daten in Internet

Während das System läuft und die Daten aufgezeichnet werden, werden diese Daten direkt ins Internet hochgeladen. Auf der Seite  Live Daten  kann man die mit dem L-Band Radioteleskop gewonnenen Live Daten seit dem letzten Start sehen.

5 Beobachtungen

Einige Aufgezeichnete Daten kann man unter der Seite Beobachtungen sehen.