Сравнение CW / QRSS CW/ WSPR [compare]

Тезисы:

·        Выигрыш от использования WSPR над слуховым приемом CW составляет в среднем 15 дБ

[1] Power with WSPR, Bert's PA1B blog, 03.02.2013.

·        Для скорости 12 WPM длина одной точки составляет 100 мс. Полосу частот, занимаемых таким сигналом можно оценить как 1/0.1 с = 10 Гц. Практически полоса приемника используется шире в три раза, т.е. считаем занимаемую полосу как 30 Гц. 

      [2] "QRSS для Вас", перевел А.Н. Анкудинов, UA3VVM 03.08.2010 (исходник на www.ka7oei.com Clint Turner) 

·        Повышение помехоустойчивости QRSS заключается в некогерентном накоплении сигнала и усреднением шумов в полосе приема. 

·        Оценка сигналов WSPR ведется ПО K1JT, оценка сигналов QRSS ведется визуально по ПО Argo или Spectran.

·        Spectran в отличии от Argo обладает большим количеством настроек. В частности, мне пригодилась опция выбора конкретной звуковой карты.

·        Визуальное наблюдения сигнала WSPR не гарантирует его декодирование, при этом наблюдение QRSS позволяет уже говорить о успешном приеме.

·        Повышение помехоустойчивости WSPR достигается введением избыточности в сообщение. На 50 информационных бит добавляется 112 проверочных (сверточное кодирование K=32, rate = ½), далее происходит сложение с псевдослучайным синхронизирующим вектором, состоящим из 162 бит. В итоге каждый двоичный символ канала передается четырьмя частотами (условно 0,1,2,3) отстоящими друг от друга на 1.4648 Гц.

[3] http://developer.berlios.de/projects/wsjt/

·        Для сравнения слухового CW и WSPR по скиммерам  нужно учитывать разницу в помехоустойчивости 15-13 дБ в пользу WSPR. Например WSPR маяк 200 мВт эквивалентен CW маяку с 4…6 Вт. Также не забывайте, что WSPR и CW скиммеры - станции, которые находятся в разных местах, и показывающие силу сигнала относительно своих местных шумов. Как правило с поты от WSPR имеют значения от 30 до -30 дБ, споты от CW скиммеров от -1 дБ и выше.

      WSPRNET показывает значения SNR для полосы  2500 Гц, а RBN для полосы 500 Гц. Этим и объясняется число -1 дБ, которое если пересчитать на полосу 2500 Гц станет -1 + 10log(500/2500) = - 8 дБ, что гораздо ближе к указанному в материале KF6HI, http://kf6hi.net/radio/SNR.html предельному SNR для CW   -15 дБ.

Таблица характеристик CW/QRSS3/WSPR

	12 WPM CW	2 WPM CW	QRSS3	WSPR
Длительность единичного сигнала	100 мс	600 мс	3000 мс	682.7 мс
Время передачи   сообщения «K1ABC FN42 37»*	15.8 с	94.8 с	474 с	110.6 c
Относительный выигрыш по сравнению с 12 WPM CW	0 дБ	7.8 дБ	14.8 дБ	15 дБ
Относительный S/N в полосе 2500 Гц достаточный для декодирования	-14 дБ	-21.8 дБ	-28.8 дБ	-29 дБ
Занимаемая полоса **	30 Гц	5 Гц	1 Гц	6 Гц
Количество частот	1	1	1	4
Частоты для 30М диапазона	10.100.000 Гц -10.150.000 Гц		10.140.000 Гц – 10.140.100 Гц	10.140.100 Гц – 10.140.300 Гц

* Взято из примера WSPR 2.0 Guide

** теоретическое значение

Преимущества и недостатки WPSR vs QRSS3

	QRSS3	WSPR
Плюсы	- Сообщение может быть произвольным. - Более узкая полоса. - Возможно формирование без синтезатора частоты.	-Полностью автоматический прием. -Меньшее в 4 раза время для передачи аналогичного объема информации.
Минусы	- Наблюдение только оператором. Частичная автоматизация, сохранением скриншотов приемного окна.	-Требуется синхронизация с точным временем. (не более 1 сек) -Сообщение жестко регламентировано: (позывной + локатор с 4 цифрами + dBm)

          Лавриненков Игорь /  R2AJA   связь:  lis-soft * at * rambler.ru

Некоторые особенности WSPR & SDR [features]

В данной заметке рассмотрю некоторые особенности работы с сигналами WSPR, принимаемыми на SDR приемник типа ZetaSDR, подключенный к звуковой карте.

Первая особенность: при работе с WSPR у вас нет шансов, быть принятым на высших гармониках сигнала. Сообщество WSPRnet распределило частоты таким образом, чтобы диапазоны WSPR не пересекались для гармоник. Приведу пример сначала для телеграфа, если сигнал CW на 7030 кГц, то вторая гармоника будет на 14060, что может быть зафиксировано как оператором, так и автоматом. Если же мы посмотрим на центральную частоту WSPR для 40М диапазона: 7040.100 кГц, то вторая гармоника будет на 14080.200, а полоса приема WSPR 14097...14097.2 кГц, т.е. не попадаем. Но это еще не всё, сообщение WSPR кодируется четыремя частотами, и каждая возрастет в 2 раза. Соотношение между частотами нарушится, и спектр сигнала расширится. Для примера я настроил приемник принимать вторую гармонику сигнала WSPR. В режиме USB я ставлю частоту приема, ниже на 1500 Гц, чем частота второй гармоники WSPR.

Декодирование невозможно.

Вторая особенность: Декодировать зеркальный набор частот невозможно.
Этот опыт проводился с приемником ZetaSDR-M. С использованием режима I/Q для программы WSPR.
Здесь и далее:
Flo - частота опорного осциллятора в SDR;
Fwspr - частота сигнала WSPR;
Fz - зеркальная частота сигнала WSPR;
Fdial - частота настройки WSPR программы;
Fiq -  смещение частоты Fdial относительно частоты Flo (Fdial-Flo);
dF - модуль смещения частоты WSPR относительно Flo;

В моем случае частота Flo = 10125600 Гц;
Fdial=10138700 Гц;
Fiq = Fdial-Flo=13100 Гц;
dF = |Flo - Fwspr | = |10125600-10140200| = 14600 Гц
Fz = Flo - dF = 10111000 Гц
FdialZ = 10111000-1500 Гц = 10109500 Гц; частота настройки программы для приема "зеркального отображения частот"
Fiq = FdialZ-Flo = -16100 Гц

Как видим - прием невозможен, т.к. программа считает старшую частоту младшей при такой настройке.
Не стоит путать рассмотренный пример с выбором I/Q = Left/Right в настройках программы. При неправильном выборе программа рассматривает зеркальный канал как основной, при этом соотношение частот старщий/младший не нарушается. Декодирование возможно, но сам сигнал ослаблен со степенью подавления зеркального канала в SDR - приемнике.

Немного о подстройке программы. Настраиваем по эталонному генератору или трансиверу.
Устанавливаем центральную частоту WSPR например 10140.2 кГц проводим генерацию на согласованную нагрузку. Около 10 секунд, и смотрим где отобразится сигнал в окне программы, выше или ниже центра водопада.
Далее возможны варианты:

Пусть Flo больше чем частоты wspr.
Значит Fiq имеет отрицательное значение.
Fig=Fwspr dial - Flo (Герц)
Если на экране приема  сигналы идут выше номинала,
значит сдвигаем  Fig в сторону увеличения
Например ошибка +50 Гц
Значит Fig
(было -19500 стало -19450)


Для случая с положительным Fiq
Если на экране приема  сигналы идут выше номинала,
значит сдвигаем  Fig в сторону увеличения
Например ошибка +10Гц
Значит Fiq
(было 13100 стало 13110)

Поясняющий рисунок:

(Здесь Fig=Fiq)

О дальности:
Дальность передачи больше зависит от ионосферы, чем от передатчика.
Однако цифры впечатляют. Так 17.11.2018 сигнал  с мощностью около 0.2 Вт от моего маячка был принят в Антарктиде, дистанция 14534 км, 45155,05 миль на ватт! Такое прохождение наблюдалось несколько дней с 23 до 05 по Москве, а потом прекратилось.

Сам сигнал формируемый SI5351 выглядит на осциллографе так:

А так на выходе усилителя с BS170 с П-фильтром и нагрузкой 50 Ом:

Vrms в разных подходах изменялось от 2.88 В до 3.59 В. Следовательно на нагрузке 50 Ом выделялась мощность от 165 мВт до 257 мВт.

Возможно запускать сразу два скиммера - CW и WSPR на одном компьютере, если ресурсов хватает. На моем примере - Пентиум 3 ГГц и 512 Мб памяти, загрузка 30-50% при приеме, и 90%-100% в моменты декодирования WSPR.

Лавриненков Игорь / R2AJA

связь:
lis-soft * at * rambler.ru

Два маяка на одну антенну. Two Beacons - One Antenna

В данном материале покажу возможность использования одной антенны для двух радиопередающих устройств.
Для объединения двух сигналов использую  Power Splitter ZAPD-50W-N+ от Mini-Circuits. Работает от 4.2 до 6.0 ГГц (по спецификации), однако также хорошо себя чувствует и на любительских частотах КВ.

 Внутри объединенные дорожки, и радиоэлектронный SMD компонент. Резистор?
Цифра 1000.

 Обратная сторона - экран.

Для первого опыта подключил два своих маяка, настроенных на диапазон 30М. Учитывая, что их выходы имеют не совсем точный импеданс в 50 Ом, настройки тюнера для каждого из них немного отличаются, поэтому установил промежуточные настройки.
[Т-тюнер, Антенный Са=10 пФ, Трансиверный Ст=47 пФ, L=3.8 мкГн, Антенна - луч 9.5 м, противовес рама балкона около 10 м длиной]

Несколько спотов за 4 декабря 2018

OH6BG	R2AJA/B	10135.3	CW BCN	2 dB	16 wpm	1744z 04 Dec
OH6BG	R2AJA/B	10135.3	CW BCN	4 dB	15 wpm	1717z 04 Dec
OH6BG	R2AJA/B	10123.9	CW BCN	2 dB	15 wpm	1716z 04 Dec
OH6BG	R2AJA/B	10135.3	CW BCN	5 dB	16 wpm	1704z 04 Dec

10135.3 кГц - Оранжевый маяк (JA2), 10123.9 кГц - маяк на дощечке (JA4)

Несколько спотов за 6 декабря 2018

OH6BG	R2AJA/B	10118.6	CW BCN	2 dB	12 wpm	0846z 06 Dec
OH6BG	R2AJA/B	10121.8	CW BCN	1 dB	15 wpm	0841z 06 Dec
OH6BG	R2AJA/B	10121.8	CW BCN	4 dB	15 wpm	0828z 06 Dec
OH6BG	R2AJA/B	10118.6	CW BCN	5 dB	12 wpm	0826z 06 Dec

10121.8 кГц, 15 wpm- Оранжевый маяк (JA2), 10118.6 кГц, 12 wpm  - маяк на дощечке (JA4)

Скиммеры без проблем идентифицировали два близких сигнала. Влияния маяков друг на друга не выявил. Сплитер обеспечивает развязку между входами около 20 дБ, практически, утечку энергии со 1 входа на другой своими приборами не зафиксировал (SX-600) при подаче около 1 Вт.

Далее подключаю одновременно маяк JA2 и WSPR на Si5351.
Настройка тюнера: Са=330 пФ, Ст=47 пФ, L=3.8 мкГн.
Здесь уже есть чувствительная микросхема, а наводка от антенны такая сильная, что светодиоды на микроконтроллере, часах реального времени подмигивали в такт CW - маяка. Si5351 выдержала это испытание!

Приведу последние вечерние споты от CW маяка на 30М:

de	dx	freq	cq/dx	snr	speed	time
SM7IUN	R2AJA/B	10122.6	CW BCN	4 dB	15 wpm	1341z 07 Dec
OH6BG	R2AJA/B	10122.5	CW BCN	2 dB	15 wpm	1203z 07 Dec

И споты от WSPR скиммеров:

Timestamp Call MHz SNR  Drift  Grid       Pwr Reporter RGrid     km        az   #Spots 2018-12-07 18:12  R2AJA  10.140234  -26  0  KO85xt  0.2  IU5JJW  JN52gw  2421  245  6  2018-12-07 16:10  R2AJA  10.140216  -24  0  KO85xt  0.2  F5VBD  JN25xo  2493  256  1  2018-12-07 14:40  R2AJA  10.140221  -27  0  KO85xt  0.2  SV1DAR  KM17vx  2246  214  2  2018-12-07 14:40  R2AJA  10.140222  -26  0  KO85xt  0.2  OE1RPW  JN88eg  1688  249  2  2018-12-07 

WSPR сигнал виден станциями гораздо дольше. 

При оценке уровней сигналов нужно помнить, что WSPRNET показывает значения SNR для полосы   2500 Гц, а RBN для полосы 500 Гц. Этим и объясняется что минимальный SNR отображаемый RBN = -1 дБ, которое если пересчитать на полосу 2500 Гц станет -1 + 10 log (500/2500) = - 8 дБ, что  ближе к указанному в материале KF6HI , http :// kf6hi.net/radio/SNR.html предельному SNR для CW    -15 дБ. 

Используя сплиттер/сумматор можно подключить два приемника к одной антенне, но вот каждый из них получит лишь половину собранной энергии.

Настройка Т-тюнера на провод 9.5 м - в свое время сделал такую шпаргалку.

Лавриненков Игорь / R2AJA

связь:
lis-soft * at * rambler.ru

Wire, ML, WSPR and ZetaSDR-M и снова помехи

Похоже, что радиоприем в городе станет скоро невозможен. Типовые значения S-метра моего трансивера уже на всех диапазонах равны  S+ . Даже устойчивые сигналы WSPR принять становится все труднее.

На картинке окно приема WSPR через I/Q ZetaSDR-M на диапазоне 40М.

Показан прием  антенной wire с СУ, и Magnetic Loop. И уже ощутимо преимущество ML не менее 3 дБ, скорее всего как раз из-за сужения полосы приема (по крайней мере не меньше чем в 6 раз).

По сигналу UA3DJR (прямая волна), интенсивность цвета соответствует силе сигнала.

Еще можно заметить какую-то помеху, цепляемую на wire – прямые тонкие линии.

На следующей картинке показано подключение ML без кабеля-удлинителя. Перестройка ML не производилось, что и привело к снижению усиления (резонанс ушел).

А теперь посмотрим что получилось без кабеля-удлинителя, но с точной настройкой:

Можно сказать прирост не менее 2 дБ! (кабель около 5 метров).
Так себе кабель.

А вот тут R2ARR пульнул 50 Вт, да еще и прямая волна.

На 20М особого прироста на ML не заметил:

Возможно шумов на 20М меньше (нет 50 Гц полосочек), или настройка ML на 20М менее точна.

Лавриненков Игорь / R2AJA

связь:
lis-soft * at * rambler.ru

Сдвиг частоты диодом на генераторе 74HC240

Для получения сдвига частоты провожу эксперимент с генератором на микросхеме 74HC240.
Идея заключается в подключении в цепь кварца сборки, состоящей из
разделительной емкости, диода, еще одной разделительной емкости.
Номиналы емкостей 1 мкФ, диод запитывается напряжением от 1 до 5 В через резистор 10-20 кОм.

Сборка корректирующего звена на макетной плате.
Предварительно проверил величину сдвига с последовательным КПЕ.

Имеем для кварца 27 МГц
при С=5 пФ, 26.998.540 МГц
при С=180 пФ, 27.011.350 МГц
dF=12810 Гц

Повторяю опыт для кварца 10.120 МГц
при С=5 пФ, 10.125.020 МГц
при С=180 пФ, 10.121.260 МГц
dF=3760 Гц

Повторяю опыт для кварца 10.110 МГц
при С=5 пФ, 10.122.990 МГц
при С=180 пФ, 10.117.120 МГц
dF=5870 Гц

Действительно, сдвиг частоты уменьшается с уменьшением рабочей частоты резонатора.

Опыт по частотному сдвигу продолжаю с кварцем 10.110 МГц.
При изменении постоянного напряжения на диоде с 5 до 1 В получаем сдвиг 600 Гц (диод силовой)
При изменении постоянного напряжения на диоде с 5 до 1 В получаем сдвиг 40 Гц (диод детекторный)

На интервале напряжений с 1 до 0 В изменение частоты более выражено, но скорее всего с нелинейным характером.

600 Гц достаточно для синтеза сигнала RTTY, а вот хватит ли стабильности для получения сигнала WSPR - вопрос.

Лавриненков Игорь / R2AJA

связь:
lis-soft * at * rambler.ru

Кварц 25 МГц в синтезаторе SI5351 для WSPR

Для генерации сигналов WSPR cуществует рекомендация использовать в синтезаторе SI5351 кварц с частотой 27 МГц, однако
применение микросхемы с кварцем 25 МГц тоже возможно. А ведь именно с 25 МГц продаются готовые сборки на AliExpress.
Ограничение связано с точностью установки шага частоты режима 4-FSK. Подсчитано, что для частоты 144 требование по точности
шага не выполняется при работе на кристалле 25 МГц, однако что мешает использовать их на диапазонах КВ? http://qrp-labs.com/images/synth/synth_assembly_RUS.pdf

На фото сборка маяка  WSPR на которой поочередно устанавливаются кварцы на 25 МГц и 27 МГц с конфигурированием синтезатора каждый раз на компьютере. Маяк нагружается на резистор 50 Ом.
Посмотрим на тактовую частоту с кварцем 25 МГц, при температуре -1°С

Ft25 = 25.000.000 Гц + 400 Гц.
Посмотрим теперь на тактовую частотус кварцем 25 МГц, при температуре +25°С

Ft25 = 25.000.000 Гц + 1190 Гц.
Частотный сдвиг составляет dF25=790 Гц
Температурный коэффициент ухода частоты = 790/26 = 30.3 Гц/Градус

Посмотрим на частоту выходного сигнала WSPR, температура -1°С

Fw = 10.138.700 Гц + 1400 Гц = 10.140.100 Гц
Выходной сигнал WSPR, температура 25°С

Fw = 10.138.700 Гц + 1710 Гц = 10.140.410 Гц
Сдвиг выходной частоты составил 310 Гц, а температурный коэффициент 11.9 Гц/Градус
Сдвиг больше окна приема WSPR = 200 Гц!
Вид сигнала в программе WSPR:

Дрифт частоты в пределах: -1...+1.
Т.е. для работы с таким кварцем нужно учитывать температуру места его установки.
Например если установить частоту WSPR на середину окна приема, то возможные колебания температуры могут быть 100/11.9 = ±8.4 градуса! Все что больше - уведет частоту за пределы окна WSPR, и станции не зафиксируют ваш сигнал.

Теперь рассмотрим работу с кварцем на 27 МГц.

Тактовая частота при температуре 25°С

Ft27=27.000.000 Гц + 1020 Гц
Тактовая частота при температуре -2°С

Ft27=27.000.000 Гц + 1120 Гц
Частотный сдвиг составляет dF27=-100 Гц
Температурный коэффициент ухода частоты = -100/27 = -3.7 Гц/Градус

Частота передачи WSPR при температуре 25°С

Fw = 10.138.700 Гц + 1500 Гц = 10.140.200 Гц

Частота передачи WSPR при температуре -2°С

Fw = 10.138.700 Гц + 1540 Гц = 10.140.240 Гц
Сдвиг выходной частоты составил 40 Гц, а температурный коэффициент -1.48 Гц/Градус
Возможные колебания температуры могут быть 100/1.48 = ±67.5  градусов, это уже достаточно в большинстве случаев для нормальной работы без подстройки по температуре!

Вид сигналов:

 Дрифт частоты около 0.

Повторил данный температурный опыт с генератором на 74HC240.
Для кварца 25 МГц получил dF = 600 Гц, температурный коэффициент = 22.2 Гц/Градус
Для кварца 27 МГц получил dF = -140 Гц, температурный коэффициент = -5.1 Гц/Градус

Измеренные цифры для SI5351 и 74HC240 несколько отличаются, но общие тенденции видны. Кварц 27 МГц более стабилен по частоте, а  температурные коэффициенты отличны по знаку(!)

Дополнительно обнаружил влияние на мощность источника питания USB.
При работе от компьютера Vcc = 4.0 В, W = 0.1 Вт
При работе от сетевого ЗУ Vcc = 4.3 В, W = 0.2 Вт
(Измерения мощности по SX-600)
Теоретическая мощность сигнала на выходе Si5351 около 10 мВт, следовательно однотранзисторный УМ на BS170 дает усиление 0.2/0.01 = 20 раз (13 дБ), что нормально для 1 каскада усиления.

Лавриненков Игорь / R2AJA

связь:
lis-soft * at * rambler.ru