2 CQ DL 3-2011

Endlich eine genaueFrequenzquelle

I m ersten Versuch wurde ein han-delsüblicher DCF77-Empfänger fürden Anschluss an einen Computer

mit einer externen PLL und einem Fre-quenzverdoppler versehen. Ergebnis:eine Genauigkeit von etwa 10–5 je nachEmpfangsbedingung und Störträger.Dann versuchte ich es mit dem SenderDonebach auf 153 kHz nach der Schal-

tung von Herrmann Schreiber in derZeitschrift Funkamateur 6/97. Hiermitbetrug die Genauigkeit etwa 10–6 jenach Empfangssituation. Das reichtemir noch nicht; ein neunstelliger Fre-quenzzähler liefert ein wildes Auf undAb bei den letzten Stellen.Dann suchte ich nach Rubidium- undCäsiumoszillatoren. Beim Internet-Auktionshaus ebay gehts bei etwa 80 €los, open end. Aber wer sagt mir, wiealt die Dinger sind und wie lange sienoch halten? Bei den früheren Rubi -diumgeneratoren konnte man wenigs -tens die Rubidiumlampe tauschen,wenn sie verbraucht war.Im Internet fand ich einige Hinweisebei den Time Nuts, eine Mailinglistevon Funkamateuren, die förmlich ver-rückt nach genauer Zeit sind [1]. Man-che von ihnen haben mehrere Zimmermit Atomuhren vollgestellt, aber pünkt-licher sind sie dadurch auch nicht ...

Das GPS wird angezapftDa kam ich auf folgenden Gedanken:Über unseren Köpfen schweben etwa30 GPS-Satelliten mit Rubidium- undCäsiumuhren, die zudem dauernd über-wacht und ggf. ausgetauscht werden,Stückpreis etwa 50 Mio. Dollar. Alsosollte es über GPS gehen.Und tatsächlich: Es gibt GPS-Empfän-ger mit synchronisiertem (disciplined)Oszillatorausgang (GPSDO). So ein Kitkostet z.B. neu 1600 € – so viel Geldwollte ich nicht ausgeben.Man kann so etwas selber bauen (z.B.nach VE2ZAZ: A Simplified GPS-Deri-ved Frequency Standard). Aber dannfanden sich Hinweise, dass Trimble-

Thunderbolt-Module mit 10-MHz-Aus-gang (und 1-s-Ausgang) vom Baujahr2003 vor einigen Jahren auf dem Sur -plus-Markt in den USA aufgetauchtsind [2]. Über ebay wurde ich in Chinafündig. Ein Kit mit Antenne und Netz-teil kostet etwa 160 €. Es finden sichauch Angebote für den Thunderboltallein für 34,96 € (Messepreis HAMRADIO 2008). Und siehe da – endlichhatte ich eine 10-MHz-Eichquelle miteiner Genauigkeit von etwa 10–10. Jetztstehen alle Stellen des Frequenzzählersstill, und es ist reproduzierbar. Jetztkann ich endlich meine gesammelteHF-Technik kalibrieren.

Die PraxisDer Thunderbolt hat einen RS-232-Aus-gang zum PC. Dort lässt man eines derThunderbolt-Monitor-Programme lau-fen, z.B. tboltmon.exe [3] oder LadyHeather‘s Disciplined Oscillator Con-trol Program.Das Programm tboltmon sah nach einerhalben Stunde Laufzeit so aus, wie esBild 1 zeigt. Rechts unter Signal Levelssieht man fünf grüne Felder mit denNummern der Space Vehicles (SV) – erempfängt hier also fünf GPS-Satellitenmit gutem Signal. Die SV-(PRN)-Num-mern findet man übrigens in Wikipedia[4]. Man kann sehen, wie teuer derSatellit war, wann er startete, welcheAusrüstung er mitführt usw.Unter Timing Outputs sieht man denNachstimmvorgang von der vorherigenSekunde zur momentanen Sekunde =10–9 parts per billion (ppb).Bild 2 zeigt den Lady Heathers Moni-tor als Farb-Negativ [5]. Da muss manschon ein wenig genauer hinsehen. ImBlock PRN AZ EL Doppler finden sichhier sechs Satelliten. PRN ist die Satelli-tennummer, AZ ist der Azimut, EL die

T E C H N I K F O R U M

Hochstabile 10-MHz-Referenz vom GPS

02-032, TECHNIKFORUM/Farbe, Frank10 Bilder auf Satzserver, HK / , AK: DC7EN/HKU/PDF erstellt

Hans Neuendorff, DC7EN

Der Weg zur genauen Frequenzquelle war bei mir lang undsteinig. Und so ging‘s los: Im Jahr 1971 baute ich einenEichfrequenzempfänger für den britischen LangwellensenderDroitwich. Aber die Genauigkeit litt unter Empfangsstörungen,und dann wurde die Sendefrequenz verschoben ...

Zur PersonHans Neuendorff,DC7ENJahrgang 1947, Ama-teurfunkgenehmigungseit 1973Gelernter Elektro -

mecha niker, Studium Elektrotechnik/In-formatik mit Abschluss Ing. grad. undDipl.-Ing. TUB, EntwicklungsingenieurElektronik, Software, seit 2007 RentnerBesonderes Interesse: GerätetechnikWeitere Hobbys: Haus und Garten

Anschrift:Bernhard-Beyer-Str. 314109 Berlinhans.neuendorff@t-online.de

Bild 1:Ansicht des

Thunderbolt-Monitors

Bild 2: Ansicht des Lady Heathers Monitors

3CQ DL 3-2011

T E C H N I K F O R U M

Elevation. Man sieht also, wie weit derSatellit über dem Horizont steht, dieDoppler-Verschiebung ist auch dabei,„positiv“ bedeutet Bewegung auf michzu.Beim Diagramm unten ist der SatCount rot dargestellt: Die Gitterlinienzählen von unten nach oben, es sindhier also drei bis sieben Satelliten imZeitraum von 16 350 s = 4,5 h.Über die Genauigkeit in Abhängigkeitzur Dauer sieht man die Tabellen PPSOADEV und OSC OADEV (Allan Devi -ation) [6]. Das sind die Abweichungender Ausgangssignale 10 MHz und 1 s.Je länger das Messintervall, desto ge-nauer die Messung, es reicht hier bis1,5 × 10–12.Ein Versuch inmitten von Gebäuden,die nur einen Teil des Nordhimmelsfreigaben, lieferte nur einen nutzbarenSatelliten und eine Genauigkeit von10–9. Siehe hierzu auch die Auswer-

tung der Empfangsfeldstärke und dasPol-Loch.

Azimut, Elevation und Emp-fangsfeldstärkeDer Trimble Thunderbolt liefert diePosition der jeweiligen Satelliten, dieFeldstärke und die Doppler-Frequenz-verschiebung. Mit dem ProgrammGPSD [7], das allerdings ein wenig mo-difiziert wurde, konnten die Daten auf-genommen werden. Mit meinem Pro-gramm Plotsat7.pl (perl/Tk) werden siegrafisch dargestellt. Die Position der Sa-telliten wird, von der Empfangsantenneaus gesehen, mit Azimut und Elevationangegeben. Das habe ich im Diagrammso dargestellt: Die Antenne bzw. derBeobachter befindet sich im Zentrum.Da sieht man die vier Himmelsrichtun-gen entsprechend dem Azimut; die Ele-vation habe ich vom Rand zur Mitte hinaufgetragen, wie man an der Elevati-

onsskala rechts erkennt. Diese mussman sich um den Mittelpunkt rotierendvorstellen. 90° Elevation ist dann übermir, d.h. im Mittelpunkt des Achsen-kreuzes. So habe ich die Kugelkoordi-naten auf der Papierfläche abgebildet.Bild 3 zeigt den Zeitraum von etwa 7 ham 22. Januar 2010. Die Farbe stelltdie Empfangsfeldstärke nach der untengezeigten Farbskala dar. Die rote Farbe(geringe Feldstärke) zeigt Abschattun-gen durch Gebäude und Bäume an. AmRand hören die Bahnkurven auf, da dieSatelliten am Horizont nicht zu emp-fangen sind. Jede volle Stunde gebe ichneben der Bahnkurve die PRN aus.Bild 4 zeigt eine längere Aufzeichnungvon Sonnabend bis Dienstag. Man siehtalso jeden Satelliten etwa sechsfach, daer die Erde jeweils in ungefähr 12 humkreist. Hier erkennt man gut, dassdie Satelliten einen Bogen um den Polmachen (Pol-Loch). Das liegt daran,

Bild 3 (links):Aufzeichnungenvon Satelliten-bahnen über 7 h

Bild 4 (rechts):Aufzeichnung vonSatellitenbahnenüber mehrere Tage

Bild 5 (links):Darstellung desDoppler-Effektsbei der 7-h-Aufzeichnung

Bild 6 (rechts):Darstellung desDoppler-Effekts beider Aufzeichnungüber mehrere Tage

4 CQ DL 3-2011

T E C H N I K F O R U M

dass sie etwa 55° gegen die Äquatore-bene geneigt abgeschossen wurden.Der Azimut ist 0° im Norden, 90° imOsten, 180° im Süden und 270° imWesten. Bei diesen Bahnkurven siehtman, wo der Empfang am besten undam schlechtesten ist. An Ost- und West-

seite stehen abschattende Gebäude, dieden Pegel dämpfen, und im Süden stehtein Baum. Im Nordwesten sieht manaußen (bei kleiner Elevation) rotePunkte, die noch schlechtere Feldstär-ke bedeuten – da ist das größere Ge-bäude.

DopplereffektDer Dopplereffekt zeigt mir, mit welcherGeschwindigkeit der Satellit auf mich zubzw. von mir weg fliegt. Seine Ge-schwindigkeit beträgt etwa 3,9 km/s,die Doppler-Abweichung von ±4 kHzentspricht einer Relativgeschwindigkeitvon ±761 m/s, was sich mit Cosinus/Sinus-Satz nachrechnen lässt. Rot ist inBild 5 die Rotverschiebung gekenn-zeichnet, d.h., der Satellit fliegt von mirweg (Doppler-Abweichung negativ).Man sieht in Bild 6 schön, dass diekompletteren Satellitenbögen auf dereinen Seite blau, auf der anderen rotsind. Das bedeutet, dass sich die Satelli-ten im einen Fall auf mich zu bewegen,im anderen von mir weg.

Das AntennensignalEs wurden drei Antennen getestet: dieFlugzeugantenne TNL2000, die Anten-ne Trimble Bullet III und die Maus-Antenne Trimble 28367-17. Sie (ihre

Verstärker) werden mit 5 V vom Thun-derbolt gespeist. Das Auswertegerät istein Spectrum Analyzer Tek 7L12.Bild 7 informiert über das Signal derAntenne TNL-2000 (Trimble 16248-20). Da ist zunächst das Hauptsignal,das zivile L1-Signal mit einer Träger-welle von 1575,42 MHz, das mit demnormalen GPS-Empfänger ausgewertetwird, hier mit etwa –80 dBm. (DasEmpfangssignal hat auf der Erde eineFeldstärke von etwa –130 dBm). Aberlinks daneben liegt noch ein zweites,höheres Maximum bei 1550 MHz (–78dBm). Wofür das gut ist, habe ich nochnicht herausgefunden. An der rechtenKante des Bildes sieht man die Hälftemeines 1,6-GHz-Referenzsignals, er-zeugt mit einem R&S-MesssenderSMS2 plus Tunneldioden-Verdoppler.Nun in Bild 8 zur Antenne TrimbleBullet III (weißer Pilz, enthält einen 35-dB-Verstärker): Der große Peak rechtsist wieder das 1,6-GHz-Referenzsignal,und der Peak bei 1575,42 MHz ist dasL1-Nutzsignal mit etwa –92 dBm.Jetzt noch die Maus-Antenne Trimble28367-17 (Bild 9): Das Signal ist etwasschwach (etwa –105 dBm, 2 dB provertikale Skalenteilung), aber sonst sowie bei der Bullet-Antenne.

Alternative HardwareStatt des Trimble Thunderbolt kannman auch den Empfänger RockwellGPS Jupiter TU30 nehmen. Der hatstatt des 10-MHz-Ausgangs des TrimbleThunderbolt einen 10-kHz-Ausgang,wird aber schon für unter 50 € angebo-ten (z.B. [8]), hierzu siehe auch [9] vonG4JNT oder [10].

FazitMan sieht also, eine gute Normalfre-quenzquelle ist mittlerweile bezahlbar.

Bild 7: Signalaufzeichnung mit der Antenne TNL-2000 Bild 8: Signalaufzeichnung mit der Antenne Trimble Bullet III

Bild 9:Signalaufzeich-nung mit derAntenne Trimble28367-17

Literatur und Bezugsquellen

[1] Mailingliste der Time Nuts: http://leapsecond.com/time-nuts.htm[2] Hinweise zu Trimble-Thunderbolt-Modulen: www.leapse-cond.com/tbolt-faq.htm, www.prc68.com/I/ThunderBolt.shtml,http://trl.trimble.com/docushare/dsweb/Get/Document-10001/ThunderBoltBook2003.pdf, www.vk4adc.com/gpsdo.php,www.ko4bb.com/Timing/Distribution_Amp[3] http://tinyurl.com/6kdu6sp[4] http://de.wikipedia.org/wiki/Global_Positioning_System[5] www.thegleam.com/ke5fx/heather/readme.htm[6] http://de.wikipedia.org/wiki/Allan-Varianz[7] http://gpsd.berlios.de/Linux[8] http://stores.ebay.de/Rubidium-and-GPS-DO-From-China[9] http://gpsdo.i2phd.com/[10] http://tinyurl.com/3ydcld

Weitere Webseiten zu GPS:[11] www.ae5d.com/nofrills.html[12] Air Force:www.ion.org/sections/southcalifornia/L1Cbrief.ppt[13] GPSDOs:www.jrmiller.demon.co.uk/projects/ministd/frqstd.htm[14] GPSDO Selbstbau: http://gpsdo.i2phd.com/ (G4JNT)[15] GPS-Antennen: www.highbeam.com/doc/1G1-155520615.html[16] Time and Frequency Measurements Using the Global Posi-tioning System: http://tf.nist.gov/general/pdf/1424.pdf