¿Cómo alguien diseña un transmisor de radio FM de baja frecuencia?

Soy relativamente nuevo en el tema, pero tengo la intención de transmitir algunos datos de un sistema de medición en una cueva a un receptor en la superficie. Entiendo que puedo usar un SDR (radio definido por software) para recibir señales de radio en la superficie, pero de todos los tutoriales y el material que he encontrado en línea, parece que no puedo encontrar una manera de transmitir .datos a frecuencias alrededor de 80 kHz a la superficie. Elegí 80 kHz porque las frecuencias como 88 - 108 MHz encontrarían demasiada atenuación al intentar penetrar el suelo y las frecuencias alrededor de 80 kHz son utilizadas por radios de cuevas comerciales que utilizan enlaces de voz. Sin embargo, no me interesa transmitir enlaces de voz sino archivos simples. Me dijeron que el uso de circuitos VCO para simplemente generar una señal de baja frecuencia y modularla con una señal de entrada sería inestable y poco confiable, por lo que mi comprensión de la radio FM ha resultado inútil en este momento.

Supongo que mi pregunta es ¿cuál es el mejor método para transmitir señales a estas bajas frecuencias a la superficie? ¿Cómo empiezo a considerar el diseño de un sistema que haga esto? Todavía soy un principiante con la ingeniería de RF, por lo que cualquier ayuda sería valiosa.

Editar: me gustaría dejar en claro que no estoy apuntando a la transmisión de "línea de visión" a través del aire, sino a la transmisión "a través de la tierra" (TTE) a través de un medio conductor de tierra. Piedra caliza, para ser exactos.

Espero que se dé cuenta de que a 80 kHz el ancho de banda disponible es muy bajo , por lo que su velocidad de transferencia de archivos será limitada. Espere velocidades como las que teníamos en los primeros días de las conexiones de módem de acceso telefónico. De todos modos, en mi humilde opinión, este proyecto es demasiado complejo para un principiante.
Me han dicho que usar circuitos VCO... sería inestable y poco confiable. La manera fácil de hacer una señal de FM es usando un VCO, así que no te equivocas. La próxima vez, pregunte POR QUÉ esto sería inestable y poco confiable. Debido a que se puede hacer, solo depende de lo que necesite en términos de estabilidad. Entonces, la gente que te dice "eso no se puede hacer" te dice más sobre sus habilidades que cualquier otra cosa. De hecho, hay formas más estables de hacer una señal modulada en FM, estas también son más complejas. Lo que no necesitas como principiante es complejidad.
Mostrar las especificaciones de un ejemplo comercial que funciona
Tenga en cuenta que, al menos en los EE. UU., la banda de frecuencia de 80 kHz está regulada y DEBE comprender y cumplir las normas pertinentes antes de transmitir cualquier cosa. Las multas pueden ser bastante considerables y si interfiere con el tráfico autorizado, también puede ser responsable de los daños.
Primero, eche un vistazo aquí para ver qué rangos de frecuencia puede usar legalmente en primer lugar: en.wikipedia.org/wiki/Low_frequency#Experimental_and_amateur Solo como ejemplo, si estuviera en Europa, la mayoría probablemente interfiera con la transmisión de sincronización de tiempo DCF77. Eso garantiza que la gente se sienta infeliz, incluida la agencia reguladora correspondiente.
¿Cuál es el rango ideal de 'línea de visión' que desea lograr?
@Bimpelrekkie Vea mi respuesta, creo que hay una mala interpretación de mis comentarios a la pregunta anterior de K :) ¡Lo cual estoy feliz de resolver, de hecho!
La aplicación de @ TooTea jwh20 OP es puramente de transmisión a través de tierra conductora, con potencias relativamente bajas, por lo que las emisiones de radio deberían ser prácticamente cero.
@WedaPashi K. Millar atraviesa suelo conductivo. no se trata de irradiar energía de radiofrecuencia.
@MarcusMüller: Ok, pensé que cuando OP se refería a transmitir un archivo a través de FM, pensé que OP aún podría ahorrarle muchos problemas al usar conjuntos de chips/módulos FSK Sub-1GHz (434 MHz) que tienen un rango y velocidades de datos decentes .
@MarcusMüller Oh, gracias por la aclaración. Tal vez podría editar eso en la pregunta. De alguna manera, las palabras (y etiquetas) "radio" y "antena" me hicieron asumir automáticamente que esto se iba a transmitir al aire libre.
Ahora me pregunto cómo se prueba una configuración de este tipo sin tener que descender a una cueva cada vez. ¿Simplemente conectas el transmisor al receptor en tu banco? ¿O de qué otra manera se evita transmitir accidentalmente a 80 kHz e interferir con los relojes de todo el vecindario o la ciudad?
@TooTea Nunca me preocuparía por eso: para transmitir necesitarás una antena con una eficiencia mínima. Las antenas eficientes de 80 kHz son grandes (como en torres). No puedes construir uno accidentalmente.

Respuestas (3)

Me han dicho que usar circuitos VCO para simplemente generar una señal de baja frecuencia y modularla con una señal de entrada sería inestable y poco confiable.

No hay evidencia que sugiera que lo que dices sea cierto.

Consideraría esto como una buena base para un VCO decente a 80 kHz: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Imagen de este sitio . O considere el LM567 del mismo sitio: -

ingrese la descripción de la imagen aquí

Entonces necesitará un controlador de bobina sintonizado para implementar comunicaciones de campo magnético como lo insinúa.

Todavía soy un principiante con la ingeniería de RF, por lo que cualquier ayuda sería valiosa.

Es un transmisor de campo magnético, así que haga su bobina lo más grande que pueda y use condensadores decentes para sintonizarla en paralelo. La Q de tu circuito sintonizado puede ser mayor si tu tasa de datos es menor pero, si yo estuviera diseñándolo, no dudaría en modelarlo todo en una herramienta de simulación.

No me interesa transmitir enlaces de voz sino archivos simples.

En lugar de llamarlo FM, llámelo FSK: significa modulación por cambio de frecuencia y puede usar exactamente los mismos circuitos que se muestran arriba.

También hay que tener en cuenta que este tipo de transmisión y recepción utiliza la parte magnética de una onda electromagnética. Esto se debe a que la parte del campo eléctrico no penetrará muy lejos a través de los estratos debido al agua mineralizada, por un lado. Además, debido a que la frecuencia es baja, la "antena" es muy corta para la longitud de onda utilizada y, de todos modos, sería inútil para transmitir cualquier campo E serio.

Entonces, usa un campo magnético y, a medida que te alejas de la "antena" (básicamente una bobina de alambre de gran diámetro), el campo magnético cae con la distancia al cubo. Compare esto con un sistema de RF regular que puede utilizar campos E y H; esos campos caen linealmente con la distancia. Esto es lo mágico de la radio adecuada: en campos abiertos (por ejemplo), para la misma potencia en la "antena", la RF adecuada va mucho más lejos que los campos E o H por sí solos. Tener esto en cuenta.

¡Buena respuesta! Estoy bastante fascinado con el proyecto de K. Miller (incluso si creo que podrían haber malinterpretado mi comentario a su pregunta anterior): ¡Hacer comunicaciones a través de suelo conductor es definitivamente interesante! Dije allí que un VCO analógico tiene una precisión de frecuencia peor (que una oscilación generada por la frambuesa pi / MCU que tienen de todos modos) y obtendrían tasas de error más altas. Supuse que estaríamos en el rango de SNR sub-0dB, y detectar tonos cuya frecuencia no conoce exactamente lleva más tiempo cuanto menos conocimiento tenga, o viceversa, a la misma velocidad de símbolo, su
aumenta la tasa de error.
@MarcusMüller Estaba haciendo mi respuesta lo más simple posible. Si no estuviera usando un MCU, usaría un PLL como el CD4046 para generar el FSK. Sin embargo, es radio en todo menos en los detalles finos y es la especificación del receptor lo que dicta lo que se transmite, por lo que, al final, es casi seguro que necesitaría una MCU para generar un preámbulo de bloqueo para el receptor y alguna suma de verificación considerable adjunta a cada paquete de datos. Además, lo más probable es que necesite que el dispositivo sea un transceptor para que los paquetes puedan ser reconocidos, etc.
@K. Nota de Millar: El uso del campo magnético requiere una antena que esté diseñada para transmitir/recibir en el plano del campo magnético. No puede simplemente usar una simple antena de cable recto. Busque antenas de ranura y antenas de campo B.

pero de todos los tutoriales y material que he encontrado en línea, parece que no puedo encontrar una manera de transmitir datos a frecuencias de alrededor de 80 kHz a la superficie.

Como se dijo, modularía su corriente o su voltaje, desde un controlador.

Me han dicho que usar circuitos VCO para simplemente generar una señal de baja frecuencia

Bueno, un VCO es un oscilador controlado por voltaje . Genera una oscilación y puedes controlarla con un voltaje. Eso es lo que hace :)

y modularlo con una señal de entrada sería inestable y poco confiable, por lo que mi comprensión de la radio FM ha resultado inútil en este momento.

Dado que su señal de entrada sería discreta, lo llamamos modulación por desplazamiento de frecuencia, es decir, sus datos se colocan en frecuencias discretas que usted genera.

No dije que sería inestable o poco fiable. Dije que sería menos preciso que si generara la oscilación digitalmente, lo cual mantengo: todos los circuitos VCO que encontrará son mucho menos precisos en frecuencia que un derivado de cuarzo generado numéricamente (eso significa calculado con una computadora, por ejemplo una frambuesa pi) oscilación. Menos precisión significa "más difícil de detectar" en el receptor, y eso significa que ocurren más errores de bits.

En el comentario al que parece referirse , dije que su VCO no resuelve su problema de transmisión de datos (está muy, muy lejos de transmitir "archivos").

Un VCO es un método para generar una oscilación controlada por voltaje. Eso es todo.

Puede modular la frecuencia de oscilación cambiando el voltaje de entrada al VCO; ese es el propósito de un VCO.

Con eso, puede construir directamente un transmisor de modulación por cambio de frecuencia (FSK) que alimenta con voltajes generados por un microcontrolador / su raspberry pi. Confirmé específicamente que puedes hacer eso con un VCO.

No puede generar ninguna otra modulación que FSK / FM solo con un VCO. Hay muchas otras modulaciones.

PERO: Ya tienes una raspberry pi en tu sistema. Que se puede usar directamente para generar una portadora de 80 kHz. Su VCO es simplemente algo que no necesita para generar ese portador. Realmente no es un componente que haga avanzar su sistema: necesita que su raspberry pi emita un voltaje variable en el tiempo para controlar el VCO. Si hace que su raspberry pi emita un voltaje variable en el tiempo, ese voltaje también podría variar directamente a 80 kHz, lo que hace que su VCO sea redundante.

Eso es lo que quise decir cuando escribí:

Hablando en términos prácticos, no necesita el VCO, es solo una pieza innecesaria de hardware analógico si me pregunta: se restringe a usar la modulación por cambio de frecuencia con frecuencias bastante inexactas y, por lo tanto, altas tasas de error, y aún necesita algo como un microcontrolador para modular el voltaje de su VCO. Sin embargo, ese microcontrolador también puede hacer el trabajo de su VCO de manera bastante trivial, solo que mejor. Entonces, suelta el VCO.

Puede decirle a su raspberry pi que instruya a un convertidor de digital a analógico (DAC) para generar su portadora de 80 kHz con la modulación que desea. Eso es bastante SDR para su caso de uso.

Piense en su VCO como la cuerda de un violín: puede controlar la frecuencia del sonido emitido por dicha cuerda apretando la cuerda en la posición correcta. Puede controlar la frecuencia emitida por un VCO configurando un voltaje.

Ahora, puedes usar diferentes tonos para comunicar datos. Digamos, frecuencia de 79 kHz para el bit 0, frecuencia de 81 kHz para el bit 1. Tiene sentido, cierto.

Ahora, su Raspberry pi tiene mucha potencia de CPU para sintetizar los tonos: al igual que un sintetizador de música digital no tiene problemas para generar diferentes tonos digitalmente sin contener un VCO (o un violín), su Pi puede calcular la forma de onda que desea, y dárselo al DAC, que lo convierte en un voltaje analógico que sigue la forma de onda calculada.

Pero si puede calcular la forma de onda que desea, de repente ya no está limitado a transiciones abruptas entre tonos; también podría usar "alfabetos" mucho más agradables para comunicarse. En su escenario terrestre, eso podría significar de manera realista que desea enviar varios tonos a la vez (por ejemplo, 77, 79, 81 y 83 kHz a la vez para el bit 0, y 78, 80, 82 y 84 kHz a la vez para el bit 0). 1 bit). Su receptor escucha estos tonos múltiples, e incluso si un solo tono es bien absorbido por las propiedades eléctricas de su suelo, los demás pueden pasar.

Descubrirá que otros sistemas de comunicación subterráneos pueden no usar tonos como señalización, sino que modulan otras propiedades (amplitud, fase) de la portadora. ¡No se puede hacer eso con un VCO en absoluto, pero trivialmente con su Pi sin un VCO!

Muchas gracias por la aclaración y el detalle extra, de verdad. Entiendo por qué un VCO no es necesario en mi caso ahora. Solo para aclarar, e ignorando los detalles de la antena que pretendo usar: ¿puedo sintetizar una portadora de 80 kHz y modularla usando el Pi? Además, ¿sería una suma de verificación una alternativa a la técnica de múltiples tonos que ha sugerido?
¿Puedes hacer portadora + modulación a la vez con el pi? ¡Sí, puedes! ¿Es una suma de verificación una alternativa a una capa física sensible ? los datos que ha recibido son correctos, independientemente de cómo los haya transmitido.
@ K.Millar Cuando comencé hace muchos años, no habría entendido lo que significaba la "pila" cuando Marcus la usó. "Las cosas solo hablan, ¿verdad?" Un poco más tarde, entendí la necesidad de 3 capas: física (obtiene una cantidad física fundamental como voltaje o magnetismo de un lugar a otro), señalización (traduce esa cantidad física o una secuencia de ellos a un concepto informático fundamental como un byte ), y lógico (significado real de una secuencia de bytes), pero nada más allá de eso. Esas 3 capas eran todo lo que necesitaba para mis proyectos en ese momento.
Por ejemplo, DMX512 ( lógico , como reemplazo directo de 0-10 V CC en un cable dedicado por canal de luces de teatro) utiliza RS485 ( señalización , basada en UART, que se diferencia de RS232 (puerto serie de PC) solo en los voltajes utilizados), que puede estar en Cat-5 ( físico ). Entonces estaba convencido de que las personas que diseñaron las cosas más complicadas como TCP/IP y WiFi solo buscaban una excusa para justificarse. Ellos no están. Todas las partes realmente necesitan estar allí por razones específicas, y cada capa tiene su propia verificación de errores para que las partes que dependen de ellas no se vuelvan locas.
wow, bonito, pero bastante complejo! Seré honesto, soy una persona de computadoras, haría el muestreo directamente en la señal de banda de paso (ya que es de muy baja frecuencia, de todos modos), y luego haría el filtrado, la conversión descendente digital a IQ y qué Supongo que equivale a una demostración de QPSK en el software :)
Incluso un Übersetzungen tendría dificultades sin experiencia en diseño de radio.
¿Cómo alguien diseña un transmisor de radio FM de baja frecuencia?
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