WSPR mit Arduino

nach dem erfolgreichem Betrieb des >RaspberryPie-Senders< soll nun ein Sender mit einem Arduino aufgebaut werden. Der Betrieb mit einem Arduino bringt einige Vorteile, es wird z.B. weder Monitor noch Tastatur oder Maus gebraucht. Auch die Programmierung und die Implementierung eigener Features gestaltet sich zumindest für den Verfasser einfacher.
Natürlich ist ein Arduino zu langsam um Signale im Kurzwellenbereich direkt erzeugen zu können, hierfür wird ein DS-Generator (AD9850) verwendet. Der Arduino übernimmt die Steuerung des Generators und die Kodierung der Nachrichten. Dazu muss erstmal das Format einer WSPR-Nachricht bekannt sein.

Eine WSPR Übertragung arbeitet mit der FSK-Technik bei der einzelne Dateneinheiten durch verschiedene Frequenzen dargestellt werden. Bei WSPR werden 2 Bit Einheiten die durch vier verschiedene Frequenzen repräsentiert werden übertragen. Die Übertragung einer Einheit dauert 683 ms und die Frequenzumtastung beträgt nur wenige Hertz, deshalb hat WSPR nur eine Bandbreite von etwa 6 Hertz.

	Wert: 0	Grundfrequenz
	Wert: 1	Grundfrequenz + 1,43 Hz
	Wert: 2	Grundfrequenz + 2,93 Hz
	Wert: 3	Grundfrequenz + 4,39 Hz

Da eine Nachricht aus 162 Einheiten besteht dauert die Übermittlung 110,6 Sekunden. Bestandteil jeder Nachricht sind das Rufzeichen, der Lokator und die verwendete Sendeleistung. Diese drei Informationen werden in eine Zahl mit 50 Bit gepackt und diese 50 Bit wiederum zu einer Zahl mit 162 Bit erweitert. Durch diese Erweiterung werden die Informationen redundant und können trotz Übertragungsfehlern wieder rekonstruiert werden. Auf die nun kodierte Nachricht (128 Bit) wird noch ein Pseudozufallscode mit 128 Bit Länge gepackt so dass die fertige zu übertragende Nachricht aus 128 Einheiten a 2 Bit besteht. Der Pseudozufallscode erlaubt im Empfänger die Synchronisierung der Verarbeitung der Zeichen. Die Kombination aus geringer Bandbreite, redundanter Übertragung und Synchronisierung mit PZK gestattet die Aufnahme von Nachrichten deren Empfangspegel vielmals kleiner, ca. 30 dB, ist als der Rauschpegel.

Das Ganze klingt etwas kompliziert, aber dank guten Anleitungen von >G4JNT< und schon geschriebenem Code > DL1DUZ < kann man, an die eigenen Bedürfnisse, angepassten Code schreiben. Das ganze Programm, mit diversen Zusätzen passt leicht in den Speicherraum eines Arduino Nano.
Bei der WSPR-Betriebsart ist auch eine genaue zeitliche Synchronisation wichtig. Die Uhren im Sender und Empfänger müssen bis auf wenige Sekunden gleichlaufen deshalb wurde die Schaltung um eine RTC und ein GPS-Modul ergänzt.

Da die Ausgangsleistung des DDS nur einige Mikrowatt beträgt wird noch eine Endstufe benötigt oder man verwendet das Gerät als Oszillator für einen externen Sender.
Für erste Versuche wurde bei Ebay ein ziemlich günstiger, ca.24€ HF-Verstärker gekauft. Das Teil ist nur etwa 55 x 35 mm groß. Laut angegeben Daten beträgt der Frequenzbereich 2 bis 700 MHz und sollte bei 15 V Betriebsspannung bei einer Verstärkung von 34 dB eine Ausgangsleistung von 3 Watt liefern. Das kann natürlich so nicht ganz zutreffen. Ohne irgendwelche Übertrager kann die Ausgangsspannung nicht größer als 15 Volt werden und somit ist die Leistung an 50 Ohm auf ca. 500 mW beschränkt und tatsächlich wurde bei maximaler Aussteuerung eine Leistung von 400 mW gemessen. Allerdings ist dann die 1. Oberwelle nur noch 11 dB kleiner als das Signal. Aber mit einem einfachen C-L-C-L-C Tiefpassfilter bekommt man ein sauberes Signal.

Links die drei Platinen des Gerätes. Auf der Hauptplatine der Arduino Nano, der DDS Generator und die Echtzeituhr.
Darunter das Display und der 5V Spannungsregler. Die Versorgungspannung beträgt 12V
Rechts oben der Endverstärke rund darunter das Tiefpassfilter.
Das Filter besitzt vier Bänke für die verschiedenen Bänder

Bank 1	160m .. 80m
Bank 2	60m .. 40m
Bank 3	30m .. 20m
Bank 4	17m .. 10m



Im 60m Band hat man eine Nebelwellenunterdrückung von 46 dB, 47dB im 40m Band und 49 dB im 30m Band. in den anderen Bändern sieht es ähnlich aus.

Ein erster Versuch mit einem fünf Meter langen Vertikalstrahler ohne weitere Anpassung war recht erfolgreich. Raporte gab's im 60m, 40m, 30m, 20m und 17m Band. In der Tabelle sind nur die weitesten Raporte des jeweiligen Bandes enthalten, im 17m Band immerhin 3063 km. In den übrigen Bändern (160 m, 80 m, 15 m, 12 m und 10 m) konnten keine Verbindung erhalten werden was wahrscheinlich an der schlechten Antennenanpassung liegt.

Timestamp		Call	MHz	Band	SNR	Drift	Grid	Pwr	Reporter	RGrid	km	AZ
2019-19-08	22:56	DD2RT	18.105992	17 m	-19	0	JN58	0.1	EA8BFK	IL38bo	3063	233
2019-19-08	22:08	DD2RT	14.097048	20 m	-23	-1	JN58	0.1	YO8SEP	KN36rt	1247	92
2019-19-08	22:56	DD2RT	10.140178	30 m	-23	0	JN58	0.1	OH8GKP	KP24rt	2010	20
2019-19-08	22:20	DD2RT	7.040074	40 m	-11	0	JN58	0.1	LA3FY/2	JP40fj	1335	354
2019-19-08	22:34	DD2RT	5.288742	60 m	-17	0	JN58	0.1	DF8OE	JO42jr	497	343

Leider währte die Freude nur kurz. Als am nächsten Morgen wieder ein Versuch gestartet werden sollte war kein Ausgangsleistung mehr zu messen. Sowohl der Verstärker wie auch ein Kondensator im Tiefpassfilter waren defekt. Da das Gerät über Nacht mit der Antenne verbunden wird vermutet dass möglicherweise ein nächtliches Gewitter Schuld an den Defekten hatte.

Da der Verfasser mit dem bisherigem Aufbau nicht ganz zufrieden war wurde eine neue Schaltung geplant und aufgebaut. Diesmal mit einem Arduino Mega um genügend IO-Ports zu haben ohne auf einen IC² Portexpander zurückgreifen zu müssen. Auch die Endstufe wurde nach einemVorschlag von DJ7VY (UKW-Berichte 3/1981) selbst gebaut und mit neuen Tiefpassfiltern versehen. Das GPS wurde als abgesetzte Einheit (GPS-Maus) aufgebaut um bessere Empfangsergenisse zu erzielen. Das größeres Gehäuse bietet auch Platz für eine später geplante Erweiterung in Form von Endstufen und Filtern für das Lang- und Mittelwellenband.

>Schaltplan der Endstufe im PDF-Format<

Die Antennenanpassung wurde in Form von BNC-Einheiten realisiert. Diese werden einfach zwischen Koaxspeisekabel und Antenne eingeschleift. Eine spätere automatische Umschaltung mit Relais ist vorgesehen.

Für das 20m und 30m Band kann der Sender direkt an die Antenne angeschlossen werden, da der 5 Meter lange Antennenstab schon etwa Lambda/4 entspricht. Für die längeren Bänder, 30,40,60,80 und 160m werden Verlängerungsspulen eingefügt. Für die kürzeren Bänder 17,15,12 und 10m werden LC-Anpassglieder verwendet.

Die Tabelle zeigt von den erhalten Spots diejenigen mit der weitesten Entfernung

180m

1.838126 MHz

2019-09-22

18:20

0,02 W

-27 dB

SWUKSDR/4

IO80pw

1018 km

England

80m

3.570202 MHz

2019-09-14

03:48

0,1 W

-26 dB

OH2GQC

KP20if

1575 km

Finnland

60m

5.288783 MHz

2019-09-13

19:46

0,1 W

-26 dB

SWLIO52RP

IO52rp

1448 km

Irland

40m

7.040114 MHz

2019-09-14

00:32

0,1 W

-25 dB

KD2OM

FN12gx

6495 km

Nordamerika, Pennsilvania

30m

10.140224 MHz

2019-09-13

18:36

0,1 W

-24 dB

DP0GVN

IB59uh

13341 km

Antarktis, Neumayer-Station

20m

14.097097 MHz

2019-09-16

17:32

0,1 W

-23 dB

DP0GVN

IB59uh

13341 km

Antarktis, Neumayer-Station

17m

18.106031 MHz

2019-09-12

14:12

0,1 W

-24 dB

K9AN

EN50wc

7370 km

Nordamerika, Illinois

15m

21.096015 MHz

2019-09-16

10:56

0,1 W

-24 dB

EA8BFK

IL38bo

3063 km

Teneriffa

12m

noch kein Spot

0,5 W

10m

noch kein Spot

0,2 W

Mit einer auf 3m verkürzten Antenne und einem daraus folgendem guten SWR-Wert konnte endlich Rapporte im 12m und auch im 10m Band erhalten werden

12m	24.926046 MHz	2019-11-10	10:54	0,5W	-23 dB	G6KSN	IO82xj	1017 km	England
10m	28.126056 MHz	2019-10-14	19:28	0,2W	-28 dB	FY5KE	GJ35	7656 km	Französisch Guayana

Sehr erstaunlich aber real ist die große überbrückte Entfernung im 10m Band trotz der zur Zeit sehr niedrigen Sonnenaktivität.
Auf der rechten Karte sieht man dass FY5KE in Französisch Guayana tatsächlich einige Station aus Europa und Amerika empfangen konnte. Möglicherweise eine Bandöffnung in Folge einer starken E-Schicht.

Versuche auf Lang- und Mittelwelle:
Für den Betrieb auf den niedrigen Bändern wurde eine eigene Endstufe gebaut. Diese arbeitet mit einem VMosFet im Schaltbetrieb. Die starken Oberwellen werden mit einem Tiefpassfilter und durch die resonante Antenne unterdrückt. Die Ausgangsleistung beträgt in beiden Bändern etwa 5 Watt. Beim Aufbau ist zu beachten dass trotz der relativ niedrigen Leistung die Kondensatoren und Spulen im Tiefpassfilter hohen Strömen ausgesetzt sind. So wurden beim Verfasser mehrere Kondensatoren defekt bis endlich robustere Typen eingesetzt wurden. Die Erhitzung der Ringkerne (sichtbar an der Verfärbung des Kerns oben in der Mitte) konnte durch einen Ventilator auf ein erträgliches Maß reduziert werden.
>Schaltplan im PDF-Format<
Es wurden zwei Ventilatoren auf das Gehäuse gesetzt. Der linke kühlt den 5Volt Spannungsregler und der rechte, größere die beiden Entstufen.

Für die Antennenspulen der niedrigen Bänder können keine Ringkerne verwendet werden, Mit den vorhandenen Kernen war die Güte viel zu schlech, und auch.
Für das Mittelwellenband wurde eine neue gewickelt. Auch diese Spule hat eine eingebaute zweite Spule zur Abstimmung. Insgesamt sind die Abmessungen aber deutlich kleiner als bei der Langwellenspule. Die Spule wurde auf ein Plexiglasrohr von 100mm Durchmesser gewickelt.

Die äußere Wicklung hat insgesamt 150 Wicklungen aus 0,3mm CuL Draht unterteilt in zwei Hälften, die innere drehbare Spule besitzt 90 Windungen, ebenfalls aus 0,3 mm CuL-Draht. Durch die Drehung der inneren Spule läßt sich die Induktivität zwischen 1,7 und 4 mH verstellen.. Die Koppelwicklung für den Sender hat 3 Wicklungen isolierter Kupferlitze. Die sichtbare N-Buchse dient nur zur Befestigung an der Antenne, Außen- und Innenleiter liegen auf HF-Potenzial.

Zur Abstimmung der Antenne wurde eine Leuchtstoffröhre in der Nähe der Antenne plaziert und mit dem Variometer auf maximales Leuchten der Röhre abgestimmt.
Innerhalb einer kurzen Zeit von etwa einer Stunde konnte viele Spots bis zu einer Entfernung von 1200 km in Norwegen erhalten werden.
Kein schlechtes Ergebniss angesichts der mit 5 Metern im Vergleich zur Wellenlänge (630m) sehr kurzen Antenne von der nur ein sehr kleiner Teil der Ausgangsleistung von fünf Watt abgestrahlt wird.

475.694 kHz	2019-10-05	20:28	-25 dB	LA8AV/1	JO59cs	1257 km
475.654 kHz	2019-10-05	20:02	-28 dB	LA3EQ	JO28xj	1151 km
475.764 kHz	2019-10-05	20:18	-30 dB	F1AFJ	JN06ht	795 km
475.667 kHz	2019-10-05	20:00	-28 dB	PA3ABK	JO21it	579 km
475.694 kHz	2019-10-05	20:28	-27 dB	SWLJO43	JO43xh	542 km

Etwas schwieriger ist das im Langwellenband mit der viel größeren Wellenlänge von 2,2 km. Zwar konnte mit einer großen Spule von ca. 40 mH der 5m Stab in Resonanz gebracht werden aber die abgestrahlte Leistung war verschwindend klein.
Als Ausweg bietet sich eine Ballonantenne an. Mit drei, mit Helum gefüllten, Folienballons wurde ein 17 m langer 0,3mm dicker CuL Draht hoch gezogen. An einem möglichst windstillem Tag ist das kein Problem. Mit dem aufgestocktem Variometer (10,5 .. 11,5 mH) konnte der Draht auf 137,5 kHz zur Resonanz gebracht werden und kurze Zeit später der ersehnte Rapport erhalten werden. Zwar nur über 123 km aus Amberg, aber immerhin ein erster Erfolg.


137.550 kHz	2019-10-20	07:48	-24	DL0AO/2	123 km
137.526 kHz	2019-10-20	07:52	-22	DL0AO/2	123 km
137.521 kHz	2019-10-20	08:02	-28	DL0AO/2	123 km
137.500 kHz	2019-10-20	08:06	-21	DL0AO/2	123 km