Автономный КВ CW-маяк на ATmega8: тракт, ФНЧ и код прошивки

Маяк на 14,060 МГц мощностью 0,5 Вт слышно на 1500–2500 км в прохождении — не потому, что он сильный, а потому что телеграф занимает полосу 300–500 Гц вместо 2,4 кГц у SSB. Это даёт выигрыш 7–9 дБ по отношению сигнал/шум при той же мощности и позволяет работать от одного аккумулятора 18650 неделями. Ниже — полный тракт: задающий генератор на ATmega8, ключевой буфер на 2N2222, ФНЧ Чебышёва пятого порядка, согласование с верёвочной антенной и прошивка с таймингами по стандарту PARIS.

ПАСПОРТ ЗАДАЧИ · шесть параметров

1. Назначение

CW-BEACON-14
Автономный телеграфный маяк для обозначения точки, контроля прохождения и проверки антенн. Передаёт позывной и служебный текст по кругу с паузой, работает без обслуживания от одного элемента 18650.

2. Диапазон и мощность

14,060 МГц (полоса QRP-маяков), выходная мощность 0,4–1,0 Вт при питании 12 В, ток в нажатии 90–160 мА, в паузе 0,8–2 мА в режиме Power-down.

3. Манипуляция

Скорость 18–22 WPM, тон самоконтроля 600–900 Гц, длительность точки 1,2/WPM = 54–67 мс, пауза между знаками 3 точки, между словами 7 точек. Фронты манипуляции — не круче 5 мс, иначе спектр расширяется и появляются щелчки.

4. Дальность

День, лето, F2: 800–1500 км одним скачком; ночь, зима: 1500–2500 км и дальше при удачном прохождении. Земная волна на 14 МГц практически не работает — дальность целиком определяется ионосферой.

5. Питание и автономность

Аккумулятор 18650 3,0–3,4 А·ч через повышающий модуль до 12 В, либо сборка 3S LiFePO4. При цикле «20 с передачи / 160 с паузы» средний ток 12–18 мА, ресурс 7–10 суток без подзарядки.

6. Норматив развёртывания

Сборка на макетной плате — 2–3 часа, настройка ФНЧ и согласования с антенной — 40–60 минут с КСВ-метром, проверка в эфире через WebSDR — 10 минут на контрольный приём.

Почему телеграф слышно там, где SSB молчит

Шумовая полоса приёмника определяет, сколько шума попадает в детектор. Для SSB это 2,4–3,0 кГц, для CW-фильтра — 300–500 Гц. Отношение сигнал/шум растёт как корень из отношения полос: 10·lg(2400/400) ≈ 7,8 дБ. Это не абстрактная величина: 7,8 дБ — разница между 100 мВт и 600 мВт на передающей стороне, или между «на грани разборчивости» и «уверенно читается».

Второй фактор — скважность. Телеграф передаёт энергию только в моменты нажатия, но слух интегрирует сигнал за 100–200 мс, а точка на 20 WPM длится 60 мс. Человеческое ухо вытаскивает тон из шума даже при отношении сигнал/шум в полосе 2,4 кГц порядка −10 дБ, если полоса приёма сужена до 300 Гц.

Третий фактор — когерентность. CW-сигнал имеет постоянную амплитуду и частоту, его спектр — одна линия плюс боковые составляющие от манипуляции. Никакой огибающей, как у SSB, нет, поэтому энергия не «размазывается» по спектру, а концентрируется. Именно поэтому маяк 0,5 Вт на 14 МГц принимают за 1500 км, тогда как SSB-станция 10 Вт на той же трассе проходит с трудом.

Пошаговый план: от макетки до контрольного приёма

1. Собрать задающий генератор и тактовую часть

   Основа — ATmega8 или ATmega168 на 16 МГц. Тактирование либо от встроенного RC-генератора (неточно, ±3 % — для 14 МГц это уход на 400 кГц, недопустимо), либо от кварца 16 МГц с конденсаторами 22 пФ. Для стабильности частоты лучше кварц 14,060 МГц в схеме Пирса на инверторе, а формирование манипуляции делать отдельным ключом: тогда частота не «плывёт» при передаче.

   Питание — 5 В от линейного стабилизатора 7805 (или AMS1117-5.0) с конденсаторами 100 нФ по входу и 10 мкФ по выходу. Развязка по питанию обязательна: при передаче импульсы тока буфера дают просадку, и без блокировочных конденсаторов частота «гуляет» на десятки герц.

2. Написать манипулятор с таймингами PARIS

   Стандарт PARIS задаёт единицу времени: точка = 1,2/WPM секунды. Для 20 WPM это 60 мс, тире — 180 мс, пауза между элементами внутри знака — 60 мс, между знаками — 180 мс, между словами — 420 мс. Все интервалы считаются от одной константы, а не задаются вручную: тогда смена скорости не ломает ритм.

   Манипуляция выполняется на аппаратном таймере, а не задержками delay(): в цикле с delay невозможно одновременно опрашивать кнопку и считать время до следующей посылки. Таймер 1 в режиме CTC с предделителем 64 даёт шаг 4 мкс — этого достаточно для точности 0,1 мс.

3. Поставить буферный ключ и ограничить ток базы

   Порт микроконтроллера отдаёт 20–40 мА — этого хватит на светодиод, но не на выходной каскад. Между MCU и транзистором ставится ключ на 2N2222 (или BS170 для меньшего тока управления): резистор базы 1–4,7 кОм, резистор 10 кОм с базы на землю, чтобы при сбросе транзистор был закрыт. Коллекторная нагрузка — резистор 100–220 Ом или дроссель, питание 12 В.

   Ключ работает в режиме насыщения: при токе коллектора 100 мА и h21э ≈ 100 базовый ток 1 мА, падение напряжения на переходе коллектор-эмиттер около 0,2 В. Рассеиваемая мощность 20 мВт — транзистор даже не теплеет.

4. Рассчитать и собрать ФНЧ, согласовать антенну

   Выходной каскад без фильтра излучает вторую гармонику на 28,12 МГц с уровнем минус 10–15 дБ от основной — этого достаточно, чтобы забить соседние полосы. ФНЧ Чебышёва пятого порядка с частотой среза 16 МГц и волновым сопротивлением 50 Ом: C = 1/(2πfR) = 199 пФ, L = R/(2πf) = 497 нГн. Берутся конденсаторы 180–220 пФ NP0/C0G и катушки на кольцах T37-2 (10–12 витков провода 0,5 мм).

   Антенна — верёвка 10–20 м или вертикал 5 м. Сопротивление излучения короткой верёвки 10–30 Ом, ёмкостная составляющая — сотни пикофарад. Согласование П-контуром: две ёмкости и катушка, настройка по минимуму КСВ. При КСВ выше 3 транзистор ключа работает в режиме перегрузки — защитный диод или ограничитель по току обязателен.

5. Проверить в эфире и зафиксировать параметры

   Контроль — по WebSDR (например, приёмники в Европе) или по контрольному приёмнику с антенной-рамочкой на расстоянии 20–50 м. Проверяют: частоту (уход не более ±200 Гц), форму манипуляции (точки и тире не «слипаются»), уровень гармоник (вторая — не выше минус 40 дБ), ток потребления в паузе.

   Результаты записывают в формуляр: частота, мощность, КСВ, ток в нажатии и в паузе, время до ближайшего приёма. Через сутки повторяют — если частота ушла больше чем на 300 Гц, ищут причину: температура, просадка питания, плохой контакт кварца.

Расчёт ФНЧ: от частоты среза до витков на кольце

Фильтр нижних частот для маяка считают не «по калькулятору из интернета», а от двух чисел: частоты среза и волнового сопротивления. Срез выбирают между рабочей частотой и второй гармоникой с геометрическим запасом: для 14,06 МГц и 28,12 МГц оптимум — 16–18 МГц. Ниже 16 МГц фильтр начинает заметно давить полезный сигнал (появляются потери 1–2 дБ), выше 18 МГц — хуже подавляет гармонику.

Для звена с волновым сопротивлением 50 Ом и частотой среза f_c номиналы считаются как C = 1/(2π·f_c·R) и L = R/(2π·f_c). При f_c = 16 МГц это 199 пФ и 497 нГн. Пятизвенный фильтр Чебышёва с неравномерностью 0,1 дБ даёт затухание на второй гармонике 42–46 дБ — этого достаточно, чтобы побочное излучение ушло ниже −40 дБн, как требуют нормы для маломощных передатчиков.

Катушки мотают на кольцах из карбонильного железа: T37-2 (внешний диаметр 9,5 мм, материал 2, μ = 10) или Т50-2. Число витков считается по индуктивности одного витка: для T37-2 A_L ≈ 4,3 нГн/виток², значит для 500 нГн нужно N = √(500/4,3) ≈ 11 витков. Провод 0,4–0,5 мм, витки распределены равномерно по всему кольцу, выводы не длиннее 5 мм. Если мотать внавал с нахлёстом, добротность падает, а срез уезжает на 1–2 МГц.

Конденсаторы — только NP0/C0G: у керамики X7R ёмкость уходит на 10–15 % при нагреве на 40 °C и при подаче 50 В, срез «плывёт», и гармоника пролезает. Допуск 5 % нормален; подбирать 199 пФ не нужно, ставят 200 пФ из ряда E24.

П-контур: согласование верёвки и КСВ

Верёвка 16 м на 14 МГц электрически длиннее полуволны, её входное сопротивление — комплексное: активная часть 15–40 Ом, реактивная — от −200 до +150 Ом в зависимости от высоты и окружения. П-контур из двух ёмкостей и катушки трансформирует 50 Ом в эти 15–40 Ом и одновременно давит гармоники.

Расчёт ведут от требуемой добротности Q = 8–12. Для Q = 10, R_н = 15 Ом: реактивное сопротивление катушки X_L = Q·R_н = 150 Ом, откуда L = X_L/(2π·f) = 1,7 мкГн. Ёмкости получаются 120 и 470 пФ. Настройка — по минимуму КСВ при полной мощности: на малой мощности диоды КСВ-метра не открываются и показывают «1,0» независимо от согласования.

Если КСВ не опускается ниже 2, причина чаще всего не в контуре, а в отсутствии противовеса: верёвка без «земли» работает как случайная антенна, и её сопротивление меняется от прикосновения к корпусу. Противовес 3–5 м, проложенный по земле или подвешенный ниже полотна, стабилизирует настройку.

Бюджет линии: сколько дБ теряется по дороге

Мощность 0,5 Вт — это +27 дБм. Потери в ФНЧ 0,5 дБ, в разъёмах 0,2 дБ, рассогласование при КСВ 2 — ещё 0,5 дБ. На антенну приходит +25,8 дБм, то есть около 380 мВт. Верёвка без усиления имеет КПД 60–80 % из-за потерь в земле: излучается 230–300 мВт. На расстоянии 1500 км при односкачковом отражении от F2 потери spread F и поглощения — 90–110 дБ; на приёмную антенну приходит сигнал порядка −110…−120 дБм, что при полосе 500 Гц соответствует отношению сигнал/шум 10–20 дБ. Именно этот запас и позволяет читать маяк.

Отсюда практический вывод: бороться за лишние 3 дБ мощности бессмысленно, а за 3 дБ антенны (высота подвеса, противовес, ориентация) — имеет смысл. Подъём полотна с 3 до 8 м даёт больше, чем удвоение мощности.

Энергетика автономного маяка

Элемент 18650 на 3,0 А·ч при 3,7 В — это 11,1 Вт·ч. С повышающим модулем до 12 В и КПД 85 % полезно 9,4 Вт·ч. При передаче маяк потребляет 0,5 А в течение 20 с (2,8 мА·ч за сеанс), в паузе — 2 мА в течение 160 с (0,09 мА·ч). Итого за трёхминутный цикл 2,9 мА·ч, за сутки 480 циклов — около 1,4 А·ч. То есть один элемент 18650 обеспечивает двое суток непрерывной работы, а сборка 3S LiFePO4 на 6 А·ч — 8–10 суток.

Солнечная панель 6 Вт в средней полосе даёт 18–25 Вт·ч в сутки летом и 4–8 Вт·ч зимой. Летом этого хватает на полное покрытие расхода, зимой — нет: маяк либо переходит на цикл раз в 10 минут, либо ставится аккумулятор больше. Контроллер заряда TP4056 с защитой обязателен: без него литиевый элемент уходит в переразряд за 2–3 месяца и теряет ёмкость необратимо.

Температура, уход частоты и чем это грозит

Кварц HC-49S с допуском ±30 ppm на 14,06 МГц даёт уход ±420 Гц в рабочем диапазоне температур. Для CW-фильтра 500 Гц это на грани: станция может «уехать» из полосы приёма. Поэтому либо берут кварц ±10 ppm, либо ставят простейшую термокомпенсацию: резистор 10 кОм в делителе рядом с кварцем и термистор — этого достаточно, чтобы уложить уход в ±150 Гц.

Второй источник ухода — нагрев выходного транзистора: при 1 Вт корпус 2N2222 греется до 70 °C, и частота задающего генератора уходит на 100–200 Гц, если он стоит рядом. Разносить ГПД и ключ на 20–30 мм, ставить между ними экран из жести — обязательная мера для маяка-эталона.

Проверка простая: включить маяк на 30 минут, записать частоту в начале и в конце по WebSDR. Уход больше 300 Гц — искать причину в нагреве и питании, а не в кварце.

Почему CW, а не WSPR или FT8

Современные цифровые маяки (WSPR, FT8) дают выигрыш 10–15 дБ по декодированию и принимают сигнал там, где телеграф уже не читается. Но у них три ограничения: нужен компьютер или DSP-модуль с точным тактированием, передача синхронизирована по времени (WSPR — окно 2 минуты, FT8 — 15 секунд), а принимающая сторона обязана иметь тот же софт. CW-маяк принимается любым трансивером, включая ламповый, и не требует ни GPS, ни синхронизации.

По энергетике WSPR экономнее: 200 мВт WSPR декодируются там, где CW нужно 1–2 Вт. Но за это платится сложность: контроллер с точным тактированием (обычно GPS-дисциплина), ЦАП или формирователь, подавление побочных излучений — всё то, что в CW решается одним ключом и фильтром. Для задачи «обозначить точку и проверить прохождение» телеграф остаётся самым дешёвым и ремонтопригодным решением: сгоревший 2N2222 меняется за минуту, прошивка читается человеком.

Отдельный плюс — юридическая простота: CW-передача с позывным не требует согласования цифрового режима, а мощность и полоса укладываются в нормы для любой категории. Для маяка на 14,060 МГц этого достаточно.

Инженерный чертёж · три вкладки

Прошивка: манипулятор на таймере, без delay()

Код собран под ATmega8/168, тактирование 16 МГц. Ключевые решения: скорость задаётся одной константой, таблица Морзе хранится в PROGMEM (экономия ОЗУ), паузы считает таймер 1, а между посылками контроллер уходит в Power-down — иначе маяк съест аккумулятор за двое суток.

/* cw-beacon.c — маяк 14,060 МГц, ATmega8 @16 МГц
   точка = 1200/WPM мс; 20 WPM -> 60 мс
   PB0 — манипуляция, PB1 — самоконтроль, PD2 — кнопка «передать сейчас» */
#include <avr/io.h>
#include <avr/pgmspace.h>
#include <avr/interrupt.h>
#include <avr/sleep.h>

#define WPM        20
#define DOT_MS     (1200 / WPM)      /* 60 мс */
#define DASH_MS    (3 * DOT_MS)      /* 180 мс */
#define GAP_MS     DOT_MS            /* внутри знака */
#define SYM_MS     (3 * DOT_MS)      /* между знаками */
#define WORD_MS    (7 * DOT_MS)      /* между словами */
#define CYCLE_S    180               /* пауза между посылками */

/* Morse: младший бит — первый элемент, 1 = тире */
static const uint8_t morse[] PROGMEM = {
  0x05, /* A .-   */ 0x18, /* B -... */ 0x1A, /* C -.-. */
  0x0C, /* D -..  */ 0x02, /* E .    */ 0x12, /* F ..-. */
  0x0E, /* G --.  */ 0x10, /* H .... */ 0x06, /* I ..   */
  0x17, /* J .--- */ 0x0D, /* K -.-  */ 0x14, /* L .-.. */
  0x07, /* M --   */ 0x06, /* N -.   */ 0x0F, /* O ---  */
  0x16, /* P .--. */ 0x1B, /* Q --.- */ 0x0A, /* R .-.  */
  0x08, /* S ...  */ 0x03, /* T -    */ 0x09, /* U ..-  */
  0x11, /* V ...- */ 0x0B, /* W .--  */ 0x19, /* X -..- */
  0x1D, /* Y -.-- */ 0x13  /* Z --.. */
};

static void wait_ms(uint16_t ms) {          /* таймер 1, CTC, /64 */
  while (ms--) {
    TCNT1 = 0;
    while (TCNT1 < 250);                    /* 250 * 64 / 16e6 = 1 мс */
  }
}

static void tx_element(uint8_t dash) {
  PORTB |=  (1 << PB0);                    /* ключ открыт */
  wait_ms(dash ? DASH_MS : DOT_MS);
  PORTB &= ~(1 << PB0);                    /* ключ закрыт */
  wait_ms(GAP_MS);
}

static void tx_char(char c) {
  uint8_t code, i;
  if (c == ' ') { wait_ms(WORD_MS); return; }
  if (c < 'A' || c > 'Z') return;
  code = pgm_read_byte(&morse[c - 'A']);
  for (i = 0; i < 5 && (code >> i); i++)
    tx_element((code >> i) & 1);
  wait_ms(SYM_MS - GAP_MS);                 /* добрать паузу между знаками */
}

static void tx_text(const char *s) {
  while (*s) tx_char(*s++);
}

int main(void) {
  DDRB  |= (1 << PB0) | (1 << PB1);
  PORTD |= (1 << PD2);                     /* подтяжка кнопки */
  TCCR1B = (1 << CS11) | (1 << CS10);      /* /64 */
  for (;;) {
    tx_text("CQ CQ DE R7HJ/B R7HJ/B K");
    wait_ms(500);                            /* tx delay для PTT */
    for (uint8_t i = 0; i < 12; i++) {      /* ~12 с «хвоста» */
      wait_ms(1000);
      if (!(PIND & (1 << PD2))) break;     /* кнопка — внеочередная посылка */
    }
    set_sleep_mode(SLEEP_MODE_PWR_DOWN);    /* 0,8–2 мА вместо 12 мА */
    sleep_enable(); sleep_cpu(); sleep_disable();
  }
}

Что здесь принципиально: длительность точки привязана к WPM (при смене скорости на 15 или 25 WPM ритм остаётся правильным), таблица Морзе читается из PROGMEM, а пауза между знаками добирается как разница SYM_MS − GAP_MS — иначе знаки «слипаются» и на слух текст не читается. Функция wait_ms() не использует _delay_ms(), потому что та считается на этапе компиляции и блокирует опрос кнопки.

Для варианта с PTT: перед началом передачи PB1 поднимается на 500 мс раньше ключа. Это время нужно портативке, чтобы выйти из энергосбережения и перейти на передачу; без задержки первые две-три точки «съедаются».

Выходной каскад: класс A, C или E

Дальность: чего ждать от ионосферы

Запреты и опасные упрощения

МТО: что заготовить до сборки

Частые вопросы и регламентные ограничения

Частые вопросы

Регламентные ограничения

Мощность маяка не должна превышать разрешённую для вашей категории; в полосе 14,060–14,070 МГц передача служебных маяков допускается международным регламентом, но не должна создавать помех. Длительность непрерывной передачи ограничивается здравым смыслом и местными правилами: маяк — не средство связи, а маркер.

Читать также

• Фонарь с выносным питанием для мороза
• Инвертор 12/220 из старого ИБП
• Автономное питание дома: ветер, солнце, резерв

OFFLINE RAG INDEX TAGS: cw beacon, маяк 14 мгц, atmega8, 2n2222, фнч чебышёва, парадка, ксв, морзе, paris, qrp, power-down, t37-2, аттенюатор, гармоника, tx delay, ptt, верёвочная антенна