14 November 2016

Red Pitaya als Funkwetterstation

Blind im Shack

Aus dem Leben

Es nervt! Seit einer halben Stunde sitze ich vor dem Stationsempfänger und drehe am VFO-Knopf. Alles was ich höre, ist ein leises Rauschen. Es ist kaum ein Signal zu entziffern. Dabei müsste das Band offen sein.

http://www.bandconditions.com/UK.htm

Habe ich die Antenne angeschlossen? Sind die Kabel eingesteckt? Ist ein Kabel defekt? Funktioniert der Empfänger? Habe ich aus Versehen in den Menüs etwas verstellt? Ist die Lautstärke ausreichend?



Nachdem ich alle potentiellen Fehlerquellen untersucht habe, will ich ausschalten und gehe aus Versehen ein Band tiefer … Da ist plötzlich Betrieb.

In die Realität

So geht es nicht weiter. Ich benötige eine bessere Aussage über die Ausbreitungsbedingungen an meinem Standort. Am Besten meine eigene Ionosonde [http://de.wikipedia.org/ionosonde]. Aber davor hat die Industrie eine Preisschranke gestellt. Außerdem interessieren mich nicht der gesamte Kurzwellenbereich, sondern nur die CW-Segmente unserer Bänder. (Auswertungen auch hier:
http://hajos-kontrapunkte.blogspot.de/2016/11/ionogram-dourbes-11112016.html)

Das Nachempfinden eines Ionosonde scheitert an verschiedenen technischen und organisatorischen Parametern[Interpretation eines Ionograms:
http://www.digisonde.com/instrument-description.html]. Aber wir haben Systeme, die für solche Aufgaben genutzt werden können: WSPRnet[http://wsprnet.org] und

WSPR-NET

das Reverse Beacon Network[http://www.reversebeacon.net].


Beide Systeme werten weltweit und lokal Aussendungen auf allen Frequenzen aus und melden die Empfangsqualität. Damit übernehmen sie indirekt dieselbe Aufgabe wie eine Ionosonde: Überstreiche wie ein Radar einen Frequenzbereich und melde, ob das Signal in der Ionossphaere
[Leseempfehlung: Propagation and Radio Science Eric. P. Nichols, KL7AJ]reflektiert wird.

Es ist schon klar, dass wir nicht mit den klar definierten Parametern einer Radaranlage oder eines Ionosonde konkurrieren können. Aber wir sind Radioamateure: Wir machen das mit der großen Menge unserer Signale und intelligenter Auswertung.

Propagation Prediction

Seit 100 Jahren werden die Ausbreitungsbedingungen der Funkwellen beobachtet und analysiert. Wir haben erkannt, dass die Aktivitäten der Sonne und der Erde, die Tag/Nachtgleiche sowie die Jahreszeiten eine wesentliche Rolle spielen. Diese Erkenntnisse wurden in Regelsysteme übertragen, die Aussagen über die Wahrscheinlichkeit einer Verbindungsmöglichkeit abhängig von den Antennen, der Richtung und der Entfernung erlauben. Die Aussagen von Ausbreitungsprogrammen[http://www.voacap.com ,


http://www.spacew.com/www/proplab] sind viel besser als bei einer Lotterie und geben uns statistisch eine ca. 70 % Wahrscheinlichkeit, dass Kommunikationswege zur Verfügung stehen.

Ionogramme

Wir benötigen zusätzliche Instrumente, um die aktuellen Ausbreitungsbedingungen erkennen zu können. Wir dürfen anderen Wissenschaftlern vertrauen, die die Reflexionsfähigkeit der Schichten überprüfen und sie uns als Ionogramme[http://www.ionosonde.iap-kborn.de/actuellz.htm] zur Verfügung stellen. Diese überstreichen den gesamten KW-Bereich und sind verlässlich. Aber man muss diese verstehen und richtig interpretieren. Doch auch hier kommt ein weiterer Punkt hinzu: Die Ionosonden stehen nicht bei meinem Haus, sondern hunderte Kilometer weit entfernt.

Bandconditions

Jede geographische Lage hat ihre eigenen Bandbedingungen. Dies zeigt sich, wenn man die Internetseite Bandconditions[http://www.bandconditions.com] aufruft. Der Betreiber strahlt auf den Amateurfunkbändern kontinuierlich Sendungen mit einem Watt aus. Die reflektierten Strahlungen werden empfangen und hinsichtlich der Bedingungen ausgewertet. Da die lokalen Unterschiede sehr groß sind, wurden Seiten u.a. für die USA, England und Spanien aufgebaut. Wenn man die Seiten von England und Spanien mit den deutschen Verhältnissen vergleicht, erkennt man sehr schnell, dass diese ähnlich, im Details sehr unterschiedlich sind. Und man sieht, dass es sehr kurzfristig Bandöffnungen gibt, die sehr spannend sein könnten, wenn sie für die eigene Station auch nutzbar wären.

Local Conditions

Nicht nur Erkenntnisse über räumlich naheliegender Stationen in einigen 100 Kilometern eigenen sich nur bedingt zur Einschätzung der HF-Verhältnisse. Auch wenn Stationen nur wenige 100 Meter auseinander liegen, ergeben sich frappierend unterschiedliche Empfangsergebnisse.

Eigene Auswertung

Nachdem wir verschiedene DX-Cluster konsultiert haben, deren Ergebnisse in rasender Geschwindigkeit über den Bildschirm rauschen, müssen wir leider feststellen, dass uns diese Meldungen bei der Einschätzung unserer eigenen Station nicht weiter helfen. Die OMs, die DX-Stationen gemeldet haben, liegen meist geographisch weit entfernt und die gesuchte DX-Station ist im Empfänger unterhalb des Rauschteppichs.

Wir müssen uns eine Funkwetterstation bauen, die es uns ermöglicht, aktuelle Auswertungen der gehörten Stationen auf unserer eigenen Antenne zu erstellen. Nur so erhalten wir ein realistisches Bild, welche Bänder offen sind, welche Stationen tatsächlich gehört werden. Nur so sind wir in der Lage, spontane Bandöffnungen zu erkennen und sie zu nutzen.

Einfache Aussicht

Voraussetzung

Zuerst muss man sich mit der Leistungsfähigkeit seiner realen Antenne und deren Richtwirkung vertraut machen. Antennensimulationsprogramme bieten eine erste Annäherung, aber welche Antenne hängt in einer perfekten neutralen HF-Umgebung.

Eine Verifizierung des Strahlungsdiagrammes kann mit dem WSPR-TRX Ultimate U3s[http://qrp-labs.com/ultimate3] von Hans Summers erstellt werden.


Der Sender kann auf sechs Bändern in selbst definierter Reihenfolge konstant mit 200 mW WSPR Signale aussenden, die von den WSPR-Monitoren in das WSPRnet eingespeist werden.


Die Leistung von 200 mW ist für WSPR schon QRO und wir erhalten nach 24 Stunden aus der WSPR-Datenbank unsere Ergebnisse. Diese können in ein Spreadsheet geladen und nach Bändern sortiert werden. So können wir beobachten, wie sich die Bänder am vorigen Tag minütlich geändert haben.


Wenn wir weiterhin die Auswertung pro Band und Azimut und Entfernung sortieren, erhalten wir ein sehr genaues Bild über die Ausbreitungsbedingungen UND die Eigenarten unserer Antenne.

Ähnliche Versuche können wir auch starten, indem wir in CW CQ-Rufe starten und im Reverse Beacon Cluster (RBN) überprüfen, welche Stationen uns mit welchem SNR empfangen haben. Auch hier ist der Aussagewert diskussionswürdig, hängt der Erfolg von vielen Faktoren ab, die wir nicht alle kennen. Aber sie präzisieren das Bild unserer Antenne.

Der Funkamateur hat meist mehrere Transceiver, aber nur eine Antenne. Gewappnet mit dem Wissen aus den WSPR-Versuchen, müssen wir uns vorerst auf ein Band konzentrieren, das wir nach den allgemeinen Vorhersagen aussuchen.

Wasserfälle

Die einfachste Methode der aktuellen Bandbeobachtung, ohne dass man konstant am VFO drehen muss, ist die Beobachtung des Wasserfalls im GUI eines SDRs. Man sieht alle Ereignisse, die sich gleichzeitig auf dem Band ereignen. Es geht jetzt nicht darum, eine Station herauszufischen, sondern eine Einschätzung der aktuellen Nutzung des Bandes zu bekommen. Wenn keine einzige Station im Wasserfall auftaucht, ist das Band wohl “tot” und man sollte in ein tieferes Band ausweichen.

Web-SDR

Manchmal denkt man, die Antenne ist defekt oder … Hier hilft der Blick auf einen der WEB-SDRs[http://websdr.org]. Aber auch hier sollte man die Geographie nicht vernachlässigen und den bekanntesten WEB-SDR auswählen. In der Linkliste sollte man sich eine SDR Station aus der Nähe (ca. 200 km)aussuchen.

Wenn dort im Wasserfall auf demselben Band keine Aktivität zu verzeichnen ist, dann ist wohl das Band dran schuld. So sollte man zum Spaß parallel in einem 2. Fenster einen 500 km entfernten WEB-SDR aufrufen, um wahrscheinlich festzustellen, das dort die Hölle ausgebrochen ist und das Band brodelt.

Oben SDR-Bodensee Unten NL

Bestärkt mit dem Wissen, dass sich Ausbreitungsbedingungen lokal sehr unterscheiden, machen wir jetzt unsere eigenen RX-WSPR Beobachtungen.

WSPR-RX

Dazu verwenden die WSPR-Software[http://physics.princeton.edu/pulsar/wspr] von Joe Taylor K1JT nur zum Empfang mit unserer Antenne auf unserem Band. Obwohl die WSPR-Stationen geographisch nicht gleichmäßig verteilt sind und meist halb-automatisch arbeiten, bekommen wir mit zwei Zeitleisten von 10 Minuten Aussagen über Erfolgsaussichten eines QSOs auch für CW und Phonie.

RBN-RX

Aber noch haben wir nicht alle automatischen Rückmeldesysteme ausgeschöpft.

Da es theoretisch mehr CW-isten als WSPRer gibt, wollen wir als nächste Quelle das Reverse Beacon Network nutzen. Wenn man die RBN-Seite öffnet, sieht man sehr eindrucksvoll, welche momentanen Verbindungen über die ganze Welt erfolgen.

Aber was nutzt die Bestätigung einer Verbindung zwischen der Antarktis und Afrika für unsere Lage in DL? Außerdem erscheinen die Verbindungen so massenhaft, dass die Calls nur so vorbei rauschen. Wir müssen die für uns relevanten Daten herausfiltern.

Dies wird von vielen Programmen gemeistert, aber ich möchte das Programm “Band Master[http://www.dxatlas.com/bandmaster]” empfehlen.

Innerhalb des Programms können wir auswählen, welches Cluster wir auswerten wollen. In der Ankreuzliste steht auch das RBN zur Auswahl. In den Einstellungen können wir auch die Skimmer geographisch einschränken. Ich habe z.B. einen Umkreis von 300 km um meinen Wohnort genommen.

Nun tauchen in der Liste des Band Master nur noch Spotter aus meiner Umgebung auf, deren Funde ich nach der Frequenz sortieren kann. Die Anzeige ist ruhiger geworden. Ich sehe eine übersichtliche Liste mit den Aktivitäten auf den Bändern. Zusätzlich sehe ich natürlich auch die Stationen, die Betrieb machen.

Immer noch ein deprimierender Schwachpunkt: Ich kann die meisten angezeigten Stationen in meinem TRX immer noch nicht hören. Vereinzelte Skimmer müssen wohl mit Superantennen unterwegs sein. Da habe ich keine Chance.

Skimmer-RX

Aber selbst ist der OM: Warum nicht einen eigenen CW-Skimmer[http://www.dxatlas.com/cwskimmer] installieren und überprüfen, was auf der eigenen Antenne empfangen wird. Gesagt, getan.


Der CW-Skimmer scannt in 24 kHz Bandbreite einen Bandabschnitt und findet alle eingehenden Calls und zeigt sie in einer Liste mit der Frequenz und dem SNR an. (Wenn eine interessante Station auftaucht, kann ich sie mit einem Mausklick auf meinen TRX schicken und direkt arbeiten.) Die Daten werden an den “Band Master” weitergegeben, der sie aufbereitet. Da ich nicht alle Präfixe im Kopf präsent habe, habe ich den “DX Atlas[http://www.dxatlas.com]” angekoppelt.


Dieser zeigt auf der Weltkarte meine empfangenen Stationen an. Und ich tue noch etwas für meine Funk-Kollegen, indem ich die Daten in das RBN einspeise.

Jetzt bin ich fast am Ziel: ich sehe genau, welche Stationen bedingt durch die augenblickliche HF-Wetterlage bei mir empfangbar sind. So kann ich besser abschätzen, ob ich die Station erreichen kann und muss nicht hinter den unerreichbaren wertvollen DX-Stationen meiner Nachbarn hinterher trauern.

Single Band

Und so sieht zusammengefasst meine einfache Station aus, mit der ich zeitgenaue Berichte über die Ausbreitungsbedingungen erhalte:


  • WSPR und RBN im 350 km Radius als Vorwarnsystem.
  • Ein CAT-Steuerungsprogramm als Verbindung zwischen TRX und Software:
  • SDR-Wasserfall wie z.B. HDSDR
  • CW-Skimmer
  • Band Master
  • DX Atlas
  • Log-Programm

Zur Beobachtung habe ich:


  • meinen Bandausschnitt auf dem SDR GUI
  • Die gefundenen Stationen von CW-Skimmer incl. der Rufzeichen auf meiner Antenne
  • Die sortierte Anzeige von Band Master und DX Atlas
  • Im direkten Vergleich in “Band Master” über RBN die Stationen, die andere OMs in meiner Umgebung gehört haben.


Aber ein großes Problem bleibt bestehen: Ich arbeite nur auf einem Band und erfahre nicht, ob ich auf dem falschen Band bin oder ob sich gerade ein anderes Band öffnet.

Volle Aussicht


Auftritt Red Pitaya

Der Softwareentwickler Pavel Demin[http://pavel-demin.github.io] aus Belgien hat das Messinstrument “Red Pitaya[http://redpitaya.com]” für unser Interessengebiet gekapert und damit Voraussetzungen geschaffen, um u.a. Bandbeobachtungen zu machen, für die normalerweise ein riesiger Gerätepark notwendig wäre. So kann das kleine Gerät u.a. als SDR-Empfänger[http://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/sdr-receiver], SDR-Transceiver[http://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/sdr-transreceiver-hpsdr] oder als Vektor Netzwerk Analyser[http://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/vna] eingesetzt werden.

Das Messinstrument

Der Red Pitaya (RP) hat einen ARM Prozessor, auf dem eine Linuxvariante zur Steuerung der Abläufe und zur Eigenprogrammierung z.B. mit GNU-Radio läuft. Die Besonderheit sind sehr schnelle FPGAs, die komplexe Programme quasi parallel verarbeiten können.

Red Pitaya als WSPR-Transceiver

Die On-Board Ressourcen sind begrenzt, aber Pavel Demin ist es gelungen im FPGA acht unabhängige WSPR SDR-Transceiver[http://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/sdr-transreceiver-wspr#getting-started] in der Form digitaler Down-Konverter (DDC)  zu realisieren. Der ADC-Eingang scannt die Antenne im Bereich zwischen 0 und 62,5 MHz. Aus diesem Bereich können die einzelnen Empfänger auf bestimmte Frequenzbereich eingestellt werden. Es stehen zwei Antenneneingänge zur Verfügung. Diese Input-Ports werden je mit 125 MHz gesampelt. Die Frequenzabschnitte werden nach WSPR-Signalen untersucht. Anschließend werden die Signale dekodiert. Die Ergebnisse werden direkt an das WSPRnet geschickt und man kann sie von dort abrufen. Es ist mit dem Red Pitaya keine Interaktion möglich oder vorgesehen. Zur Identifikation bei WSPR muss das Rufzeichen und der Locator eingetragen werden.

Man benötigt nur eine Antenne, Strom und eine Internetverbindung. Der PC steht in der Ecke und schmollt, weil er nicht mehr gebraucht wird.
Die Installation ist einfach:


  1. Das Image von Pavel's Seite herunterladen und auf eine SD-Karte kopieren.
  2. Die SD-Karte in den Red Pitaya stecken.
  3. Den Strom einschalten und über eine SSH-Verbindung die "decode-wspr.sh" Datei (Call und Locator) eintragen.
  4. Die Verbindung zum LAN/Internet herstellen.
  5. und die Decodierung beginnt, gesteuert durch einen Befehl (cron[http://www.wikipedia.de/cron]-job), der die Zeitsynchronisierung steuert.

Ich habe bei Bandöffnungen z.T. pro Stunde über 1000 Reporte von den acht Frequenzabschnitten an das WSPRnet abgesetzt. Mit einem konventionellen Empfänger wäre dies nicht möglich gewesen.

Die beiden Ausgangsports des Red Pitaya können zum Senden (10 mW) verwendet werden. Aber dies habe ich nicht getestet.

Zwei Antennen können für Diversity-Empfang  genutzt werden. Es werden die ausgewählten Bandabschnitte den Antennen zugeordnet. Die Ergebnisse der Decodierung werden ausgewertet und bei gleichen Sendern wird nur das stärkste Signal an die Datenbank weitergegeben. So kann man unabhängig von den WSPR-Daten verschiedene Antennen und ihre Empfangsleistung direkt vergleichen.

Auswertung

Da kein Rechner an den RP angeschlossen ist, muss man sich seine Daten aus der WSPRnet Datenbank holen. Man kann dies direkt tun und bekommt für sein Rufzeichen die geloggten Spots angezeigt. So erhält man ein aktuelles Bild welche WSPR-Stationen auf der eigenen Antenne empfangen wurden. Und man sieht sofort, welche Bänder aktiv sind.

Die umfassendere Auswertung kann man am Tag danach machen, indem man die gesammelten Tages/Monatsdaten herunterlädt, und die Datensätze mit seinem Call filtert. Nun ist es möglich, die Ausbreitungsschwankungen pro Stunde und Band in Ruhe zu analysieren. Scripte erlauben es auch, die Ergebnisse auf einem Polar-Koordinatensystem darstellen zu lassen. Es zeigt die Richtungen pro Band, aus denen Signale empfangen wurden.

Es ist ein kleines Wunder: Ein 8-Band-Empfänger in einer größeren Zigarettenschachtel zu einem Preis, der nicht für einen entsprechenden RX bzw. TRX reichen würde.

Red Pitaya als Super-Skimmer

Aber es kommt noch besser:

Die großen Conteststationen benutzen zur Bandbeobachtung pro Band:
Einen großen Rechner mit Monitor
Den CW Skimmer
Einen Perseus

Und dies nur, damit Sie wissen, wer auf Ihrer Antenne empfangen wird. In der Zwischenzeit hat sich die Situation etwas entspannt. Es gibt den SDR QS1R, der mit zusätzlicher Hardware auch mehrere Empfänger realisieren kann.

Aber Pavel Demin hat die Herausforderung angenommen. Er hat im Red Pitaya einen SDR-Empfänger[http://pavel-demin.github.io/red-pitaya-notes/sdr-transreceiver-hpsdr#getting-started] entwickelt, der ein Hermes Modul mit sechs unabhängigen Empfängern emuliert. Die I/Q Datenrate ist konfigurierbar und stellt 48, 96, 192, 384 kSPS zur Verfügung. Der Empfangsbereich überstreicht das Frequenzspektrum von 0 Hz bis 61.44 MHz. Die Ergebnisse kann man mit openHPSDR, Quisk, ... betreiben. Aber für die Bandbeobachtung gibt es eine spannendere Anwendung.

Zusammen mit der Lizenz für den CW-Skimmer erhält man auch die Freischaltung des CW-Skimmer-Servers[http://www.dxatlas.com/skimserver] (CSS). Es wird ein ähnliches Konzept wie beim WSPR-TRX verwendet: Der Red Pitaya arbeitet im Empfangsteil unabhängig vom Rechner. Das Verfahren zur Inbetriebnahme gleicht dem WSPR-TRX: SD-Karte mit Image, Antenne, Strom und Internet. Zusätzlich muss noch das HermesIntf.DLL[HermesIntf-15.7.9.zip] von Sourceforge geholt und in das Verzeichnis des CSS kopiert werden.  Und schon geht es los. Der RP sendet die Frames der sechs verschiedenen Empfänger über das LAN. Der Rechner mit dem CSS holt sich diese Daten ab und bearbeitet sie. Man muss im Setup des CSS die gewünschten Bänder anklicken, die Bandbreite definieren und ... wie gehabt, geht es los.


Der CW-Skimmer-Server filtert die Bandabschnitte, analysiert sie, dekodiert die Rufzeichen und stellt sie an seinem Telnet-Port zur Verfügung. Hier können wir den Band Master beauftragen, unseren eigenen CSS als Datenquelle zu benutzen, um unsere eigene Aufbereitung zu realisieren.

Es versteht sich von selbst, dass wir unsere Daten der Allgemeinheit zur Verfügung stellen. Dafür muss von der Seite RBN der Aggregator[http://www.reversebeacon.net/pages/Aggregator+19] geladen werden. Er verbindet sich mit dem CSS Telnetport und schickt die Daten direkt an das RBN.

Auswertung

Für unsere Auswertung stehen uns mehrere Optionen zur Verfügung:

Der Skimmer-Server hat ein Überwachungsmodul seiner Aktivitäten. Hier wird die Anzahl der Dekodierungsversuche pro Band angezeigt. Es ist gleichzeitig der genaueste Indikator auf welchem Band noch Aktivitäten herrschen, das Band offen ist.
Band Master kann mit dem Server verbunden werden und zeigt gefiltert die Daten an. Das Datenvolumen kann sehr groß werden. So waren an einem Samstag über 1000 Meldungen pro Stunde in der Liste. Ich habe die Verweilzeit auf 10 Minuten eingestellt, um den Überblick zu behalten.
Auf dem DX-Atlas werden die Stationen angezeigt und ich kann dort auf das Rufzeichen klicken, um den TRX auf die richtige Frequenz zu schalten.
Der Aggregator zeigt eine Liste der versendeten vorgefilterten Daten an.
Last but not least: Auf RBN kann ich nach meinem Rufzeichen filtern und Datenbankauszüge für komplexere Auswertungen auf meinen Rechner laden.

Die Einsicht

Damit sind die Möglichkeiten noch lange nicht erschöpft: Antennenvergleiche, Ortsvergleiche, …

Mit der Verwendung von “indirekten” Radarsystemen (WSPR,RBN) haben wir endlich das fast perfekte Propagation Tool: Nie mehr im Dunkeln tappen. Und nochmals Dank an Pavel Demin, der dies ermöglichte.

Die schönste Funkwetterbeobachtung bringt natürlich wenig, wenn man keine Antenne hat. Aber gerade für OMs, die mit eingeschränktem Antennen arbeiten müssen, ist die Beobachtung der Ausbreitungsbedingungen eine Möglichkeit, sich der schnell wechselnden Bandbedingungen zu bedienen, um doch noch eine seltene Verbindung zu realisieren.

Leseempfehlung:
Propagation and Radio Science Eric. P. Nichols, KL7AJ

(der Artikel erschien in der CQ-DL 9/10 2016)