WSPR mit Raspberry und SDR 

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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.



Daten von  http://wsprnet.org/drupal/wsprnet/spots

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.

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.


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