WSPR mit Raspberry und SDR
Ich konnte es kaum glauben, aber der Raspi wird mit der passenden
Software zu einem Kurwellen-Amateurfunk-Sender für WSPR. Das Foto zeigt
den Raspberry Pi 3 mit einer Sendeendstufe für 100 mW auf 10,1 MHz und
daneben die Dummy Load mit 50 Ohm für Messungen der Leistung.
Ohne die Endstufe geht es auch, aber dann nur mit 10 mW. Das
WSPR-Übertragungsverfahren (sprich whisper) wurde entwickelt um mit
kleinen Leistungen und kleiner Bandbreite große Entfernungen zu
überbrücken. Es sind ständig mehrere Empfänger aktiv und melden die
Empfangsergebnisse an http://wsprnet.org/.
Man erhält sehr schnell einen Überblick, wo das Signal empfangen werden
kann. Und tatsächlich, 1000 km nach Schweden mit 10 mW hat
funktioniert. Mit 100 mW erreicht man problemlos ganz Europa.
Die WSPR-Frequenz im
30m-Band ist 10,140200 MHz +/- 100 Hz. In dem engen Bereich von 200 Hz
können viele Stationen gleichzeitig arbeiten, weil jede nur ca. 6 Hz
benötigt. Man sendet zu Anfang einer geraden Minute für knapp 2
Minuten. Das Signal ist 4-FSK-moduliert und schaltet langsam zwischen vier
Frequenzen im Abstand von ca. 1,5 Hz um. Auf der Empfängerseite kann daher extrem schmalbandig empfangen
werden. Deshalb können Signale bis 30 dB unter dem Rauschen aufgenommen
werden, bezogen auf die übliche SSB-Bandbreite von 2,5 kHz. Siehe https://de.wikipedia.org/wiki/Weak_Signal_Propagation_Reporter
Dass
der Paspberry solche Signale präzise erzeugen kann, ist erstaunlich.
Die Software findet man hier: https://github.com/JamesP6000/WsprryPi Der Prozessor des Raspi enthält eine PLL, die offenbar ähnlich fein eingestellt
werden kann wie die PLL im SI5153, der im Elektor-SDR-Shield verwendet
wird. Beim Raspi wird das Sendesignal an den Pin GPIO4 gelegt. Wenn man
dort einfach garnichts anschließt, ist das Signal gerade eben in einem
Empfänger auf dem selben Tisch zu empfangen.
Die
Empfangsergebnisse mit WSPR 2.0 (http://physics.princeton.edu/pulsar/k1jt/wspr.html)
zeigen Stationen aus ganz Europa mit Leistungen
zwischen 200 mW (23 dBm) und 5 W (37 dBm). Mittendrin sendet DK7JD, das
ist meine Station ohne Antenne, für die ich 100 mW (20 dBm) eingetragen
habe. Die WSPR-Software läuft auf dem PC mit dem Elektor-SDR-Shield auf
einem Arduino Uno. Prinzipiell erzeugt die Software auch ein
Sendesignal als 1,5-kHz-Ton, aber dazu braucht man einen SSB-Sender.
Ich wollte aber mit kleineren Geräten einsteigen, daher der SDR und
der Raspi.
Am Antenneneingang des SDR-Shields wird ein Vorkreis für 10 MHz
verwendet. Die Antenne ist ein Dipol mit 2 x 7,5 m im Garten. Ohne eine
gute Antenne geht es leider nicht. Alle Behelfsantennen waren zu
schlecht für diese schwachen Signale. Anfangs gab es auch noch Probleme
mit der Genauigkeit der Empfangsfrequenz. Mit einem normalen Empfänger kann
man die Signale komplett übersehen, weil sie so schwach sind. Die
eingestellte Frequenz muss also auf wenige Hz genau stimmen. Eine
veränderte Abstimmsoftware mit einer Kalibrierung des SDR-Shields
brachte den Erfolg. Siehe SDR-Software Update und WSPR.
Wenn
ich nun die 100 mW vom Raspi-Sender auf die Antenne gebe, ist das
Signal problemlos 1000 km weit zu empfangen. Die Station SM0EPX/RX2 in
Schweden empfängt es gleich dreimal. Zuerst habe ich an einen
Fehler beim Sender gedacht. Aber dann habe ich gefunden, dass dort drei
Empfänger mit drei Richtantennen für unterschiedliche Gebiete aktiv
sind. Das beste Signal wird mit -7 dB empfangen, also sogar etwas
besser als bei DC5AL-R in nur 6 km Entfernung. Die Bodenwelle hat es
schwer, denn sie wird durch allerlei Gebäude gedämpft. Mit der Raumwelle
nach Schweden geht es besser, einmal hoch zum Himmel und
dann gespiegelt wieder runter. Im mitterlen Bereich bis ca. 600 km
liegt anscheinend die tote Zone. Die Signale gehen steil nach oben und
erreichen problemlos die ISS, nicht aber Orte in Deutschland. Die
Station mit der geringsten Entfernung war I1JCK in Italien, und zwar
genau in Ivrea, der Stadt, in der der Arduino erdacht wurde. So
schließt sich der Kreis wieder.
Die
ersten Versuche habe ich mit meiner im Bau befindlichen
Kurzwellen-Endstufe mit Power-FETs gemacht. Weil die Endstufe vom
Labornetzteil versorgt wird, kann jede Ausgangsleistung von 10 mW bis
10 W eingestellt werden. Ursprünglich war das für einen
CW-Transceiver gedacht. Links sieht man den Arduino mit dem
SDR-Shield und dem LCD-Shield. Daneben ein 800-Hz-CW-Filter und der
Kopfhörer. Rechts neben der Endstufe liegt meine Morsetaste, daneben
ein Tiny13 für die Sendersteuerung und die RX/TX-Umschaltung. Der
Raspberry unten rechts ist gerade über ein gelb/grünes Kabel mit dem
Eingang der Endstufe verbunden, um WSPR-Signale zu senden. Das gelbe
Krokokabel führt übrigens vom Antennenanschluss zur Messspitze des
Oszilloskops, damit ich die Signalqualität und die Leistung messen
kann. Das Ganze ist sehr experimentell, und manchmal musste ich lange
suchen, warum etwas nicht funktioniert. Daher kam der Wunsch nach einer
kleinen Endstufe ohne Einstellmöglichkeiten auf.
Eine
einfache Eintakt-Endstufe mit einem BC337, direkt vorsorgt über 5 V vom
Raspberry, bringt gerade 100 mW. Am Ausgang gibt es ein zweistufiges
Tiefpassfilter. die Dimensionierung ist nicht ganz so wie es im Buche
steht, aber so wie es in der Bastelkiste lag. Die beiden Filterspulen
haben 0,5 µH und sind mit 10 Windungen auf eine 5-mm-LED gewickelt.
Messungen haben gezeigt, es passt.
Um
den Sender betreiben zu dürfen muss man eine Amateurfunk-Lizenz haben.
Wenn man keine hat, kann man aber immerhin den Empfänger verwenden und
so an dieser interessanten Technik teilnehmen. Es ist spannend zu
sehen, mit welch kleinen Leistungen man große Entfernungen überbrücken
kann.
Für mich ist das Thema spannend, weil ich mit wenig
Aufwand einen Eindruck bekomme, wie gut eine verwendete Antenne ist.
Ich kann auch leicht abschätzen, welche Leistung man bei gleicher
Qualität für einen CW-Sender oder einen SSB-Sender braucht. Ganz grob
gesagt, je größer die Bandbreite, desto mehr Leistung braucht man. WSPR
arbeitet mit ca. 5 Hz, CW braucht schon 200 Hz, also 40 mal mehr. Wenn
ich also mit WSPR und 100 mW klar empfangen werde, müssten es bei CW
rund 4 W sein. Und SSB braucht dann etwa 50 W. Die meisten
SSB-Transceiver liefern etwa 100 W, und viele Funkamateure setzen noch
eine PA mit 1000 W dahinter. Dann werden die Verbindungen einfacher.
Aber unter schwierigen Antennenverhältnissen in der Stadt muss man froh
sein, mit etwa 5 W klarzukommen und dabei keinen der Nachbarn zu
ärgern. Eine um etwa 10 dB weniger otimistische Einschätzung findet man hier: http://www.qsl.net/kp4md/wsprmodes.htm
Bei den vielen Versuchen mit WSPR habe ich nebenbei
auch eine Abschätzung der Streckendämpfung bekommen. Innerhalb Europas
muss man mit rund 120 dB rechnen. Wenn ich 1 V an meine Dipolantenne (1
V an 50 Ohm, 20 mW) lege, kommt an einem ähnlichen Dipol in 300 km bis
1000 km Entfernung etwa 1 µV (ca. S3) an. Mit 10 V (2 W) sind es
10 µV (ca. S7), mit 100 V (200 W) komme ich auf 100 µV also ca. S9.
Und
heute Abend wurde das große Ziel erreicht: Australien mit nur 100 mW!
VK5AKK sendet und empfängt aus Adelaide/Australien. Sein Signal mit 5 W
wurde überall in Europa gehört, auch in Ivrea/Italien.
Update 30.9.16: Standalone SDR-VFO für CW und WSPR
Bänder und Reichweiten
80 m
Für
jede Entfernung gibt es zu einer Tageszeit die optimale
Kurzwellenfrequenz. Mit WSPR und nur 100 mW konnte ein Vergleich
durchgeführt werden. Es wurde die gleiche Antenne verwendet, eine
Vertikalantenne mit ca. 12 m, die mit einem Pi-Filter angepasst wurde.
Alle Versuche dauerten eine halbe Stunde lang und wurden am späten
Nachmittag durchgeführt. Im 80m-Band erreiche ich den Nahbereich und
ganz Deutschland und Holland, also im Wesentlichen alles bis 500 km.
40 m
Im
40m-Band kommt man mit gleicher Leistung deutlich weiter, aber es ist
bereits eine tote Zone mit einem Radius von rund 200 km erkennbar.
30 m
Noch
deutlicher ist das im 30m-Band. Die tote Zone hat jetzt einen Radius
von rund 500 km, aber dafür werden Stationen bis in eine Entfernung von
2000 km erreicht. Gegen Abend wird die tote Zone immer größer und kann
ganz Europa umfassen. Dann geht es vielleicht noch bis USA oder Kanada,
oder die Signale verhallen ungehört in den Weiten des Weltalls.
WSPR auf 160 m
160 m
Zum
ersten Mal überhaupt habe ich ein Signal auf 160 m abgestrahlt.
Eigentlich ist meine Antenne dazu viel zu kurz. Aber irgendwie geht es
doch. Mit einer Verlängerungsspule und einen Drehko konnte die Antenne
einigermaßen für 1.8366 MHz angepasst werden. Fast schon Mittelwelle!
Und am Abend gegen 22 Uhr konnten einige Stationen im Abstand 200 km
erreicht werden.
WSPR mit Raspberry Pi Zero
Letzte Woche habe ich Hans-Joachim besucht. Wir wollten testen, ob WSPR
auch auf einem Raspberry Pi Zero läuft. Es mussten erst einige Probleme
mit dem aktuellen Betriebssystem besiegt werden, dann hat es geklappt: http://hjberndt.de/dvb/wspr.html.
Der Versuch hat außerdem wieder einmal bestätigt, dass auch eine recht
einfache Behelfsantenne für WSPR ausreicht. Mit den bescheidenen 200 mW
konnte ganz Europa erreicht werden.
WSPR auf 160, 80, 15, 10 m, von Michael Stutzbach, DO6LSM
Ich habe den kleinen WSPR-Sender nachgebaut. Für 28 MHz und mit
entsprechend angepasstem Tiefpassfilter. Funktioniert, aber da macht
die Endstufe maximal 100 mW statt 200 mW. Ursprünglich war das ja
mal für 10 MHz ausgelegt. Die großen Kapazitäten des BS170 lassen die
Verstärkung absinken. Für 21 MHz habe ich Ihren anderen
Schaltungsvorschlag genutzt, den mit dem BC337. Da kommen die 200 mW.
Hier mal die WSPR-Sender auf einen Blick. Ich habe dem Tiefpass jeweils
eine Filterstufe mehr gegönnt.
Von hinten nach vorne:
- 80 m mit BC337 und Amidon-Ringkernen 50-2 (37-2 war mir zu fummelig)
- 15 m mit BC337 und Luftspulen auf Plastik Abstandshaltern
- 10 m mit BS170 und "fertigen" Induktivitäten als "Aufsteckversion" für den Raspberry
Alle drei funktionieren gut, sowohl am SDR-Shield wie auch am
RaspberryPi. Der Raspberry scheint etwas mehr Leistung abzugeben und
hat den Vorteil, Sendezeiten und Frequenz automatisch einzustellen -
wenn er denn Zugang zu WLAN hat. Das SDR-Shield lässt sich dafür prima
standalone nutzen und per Taster starten. Bei der 10m-Variante kommen
nur 100 mW am Ausgang an - bei 5 V. Ich habe mal die Spannung auf 9 V
erhöht, dann sind es 300 mW, aber der Transistor wird ungemütlich warm
und eine getrennte Spannungsversorgung ist echt unpraktisch.
Die Tiefpassfilter folgen den Empfehlungen von W3NQN, zitiert im
Buch "QRP-Basics" von George Dobbs, Cambridge 2003, eine Art
DIY-Fibel. Ich habe die Oberwellendämpfung auch mal gemessen,
das sah gut aus. Erinnere den Wert aber nicht genau, mindestens
40 dB. Der 80m-Sender funktioniert auch bei 160 m, obwohl das Filter da
sicher nicht optimal ist. Allerdings bleibt da die meiste
Sendeenergie ohne in der Antennen-Verlängerungsspule hängen.
Hier noch ein Sendediagramm für die 15m-Variante (ein langer Nachmittag im Frühjahr). Antenne war eine EFHW als Slooper.
Ich habe mittlerweile die kleine Serie der WSPR-Endstufen mit einer
Variante für 160 m abgeschlosssen, wieder mit dem bewährten BC337. Bei
den Kondensatoren musste ich "stückeln", die Exemplarstreuungen bzw.
Toleranzen sind teils doch erheblich. Auch die mittlere Induktivität ist
eigentlich etwas zu klein.
Ich habe das Filter zunächst am Nano-VNA durchgemessen (siehe Foto,
zeigt den Bereich 1-7 MHz). Dabei ergab sich, daß die erste Harmonische
mit etwa 25 dB bedämpft wird. Da die erste Harmonische ohnehin etwa 20 dB
schwächer als die Grundschwingung ist scheint mir das akzeptabel, denn
sie liegt im SSB-Bereich des 80m-Bandes. Das hört niemand, die meisten
80m-Runden lassen ja gerne Ihre Endstufen glühen.
Die Ausgangsleistung habe ich mit 260mW ermittelt: 3,6 V x 3,6 V/50 Ohm =
259 mW. Man sieht die blaue Dummy Load aus eigener Produktion mit
Gleichrichtung und Spannungsabgriff.
Als kleine Extras - das Auge wispert mit - habe ich der Endstufe noch
eine Betriebsanzeige in Form einer grünen LED spendiert. Die rote LED
zeigt den Sendevorgang an: BC547B als Schalter mit 1,2 k Basiswiderstand
am Senderausgang. Das funktioniert sehr gut.
