23 November 2016

QRP-Labs Ultimate U3: Die Summers Variationen

Über ein Thema in QRPp

Variationen sind schön und einfach: Man nehme ein Thema und variiere es. Man erkennt es immer wieder, aber mit der Zeit wird es langweilig. Deshalb hat es J.S. Bach anders gemacht: Er hat das Thema im Bass versteckt und man muss schon sehr gute Ohren haben, um es immer wieder zu entdecken.



Hans Summers (G0UPL) von QRP-Labs ging es ähnlich. Er wollte für den engagierten Funkamateur sehr günstige Bausätze entwickeln, die auf vielfältige Weise genutzt werden können. Es sollte dabei nicht der xte QRP-Bausatz herauskommen, sondern er wollte Verfahren benutzen, die dem Stand der Wissenschaft entsprechen und trotzdem leistungsfähiger sein würden, als wir es von CW gewohnt sind. Dass dabei QRP herauskommen würde, war eigentlich klar. Aber die Herausforderung war groß.

Kommunikationsprobleme und -lösungen

Gehen wir einen Schritt zurück und versuchen Wege aufzuzeigen, um mit geringer Leistung über maximale Entfernungen Inhalte sicher zu übermitteln. Man muss das Rad nicht neu erfinden.  Den Nobelpreisträger Joseph Taylor (K1JT) hat sich seit Jahrzehnten u.a. mit Funkverbindungen beschäftigt, die als Reflektoren den Mond oder Meteoriten verwenden. Sein Programm WSJT wird ständig weiterentwickelt. Aber beschränken wir uns weiter auf seine Erkenntnisse und Lösungen, die er im Programm WSPR "zusammengefasst" hat.

Bandbreite

Vergessen wir mal unsere Ohren und unseren Kopf, der Morsezeichen immer noch besser dekodieren kann als jeder Rechner. Je schmaler der benötigte Frequenzbereich ist, desto weniger Leistung muss man einsetzen, um codierte Zeichen zu übertragen. Beim Empfänger hat die geringe Bandbreite auch einen entscheidenden Vorteil: Ich kann selektivere Filter einsetzen, die nicht so teuer sind.Und: da wir schon unsere Ohren vergessen haben, kann ich auch nach Signalen suchen, die bei WSPR bis zu -28 dB unter dem Rauschen liegen. Das Ergebnis: Bei WSPR hat das Signal nur eine Bandbreite von 5,9 Hz und weltweit können auf einem nur 200 Hz breiten Bandsegment Funkverbindungen hergestellt werden.

Kodierung

Informationen, die wir übertragen wollen, müssen kodiert werden. In LSB ist es die Audiofrequenz, in CW verwenden wir das Morsealphabet. In WSPR gibt es nur eine eingeschränkte Auswahl an Informationen, die standardisiert gesendet werden: das Rufzeichen, der Locator und die Leistung. Hierfür werden nur 50 Bit benötigt. Um aber die Nachricht sicher an die Gegenstelle zu vermitteln, ist die Übertragungsrate sehr langsam (1,4648 Baud). Dazu werden vier verschiedene Töne (4-FSK) umgetastet, die nur 1,4648 Hz auseinander liegen. Zusätzlich wird noch eine Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction) verwendet, die redundante Daten enthält, die beim Empfänger ohne Rückfrage zur Korrektur verwendet werden. 

Frequenzstabilität

Je präziser die Frequenzangabe ist und je stabiler die Frequenz gehalten werden kann, desto größer ist die Chance, dass das Signal empfangen und dekodiert wird.
Wenn ich nur ein Frequenzfenster von 200 Hz habe und das Signal nur knapp 6 Hz breit ist, kann ich meine Antenne und den Empfänger fest einstellen und den Filter auf 200 Hz Bandbreite einstellen. (In der Praxis macht man dies allerdings nicht, da jeder Filter eine Dämpfung hervorruft. Wir wollen aber tief ins Rauschen abtauchen.)

Die Theorie ist sehr gut und meist besser als die Technik. Diese Schmalbandigkeit verlangt, dass Sender und Empfänger absolut stabil sein müssen. Der Sender sollte auf das Hertz genau "stehen". Die WSPR Decoder Software ist in der Lage, einen Frequenzdrift von max. 4 Hz in einer Aussendung zu kompensieren. Wenn das Sendesignal mehr wandert, hat der Empfänger keine Chance, den Durchgang zu dekodieren oder hört ihn nicht mehr, weil er aus dem Bandsegment verschwindet.

Zeit

Jetzt haben wir schon einige Tricks angewendet, um unter schwierigen Bedingungen trotzdem Nachrichten zu verschicken. Aber es gibt noch eine weitere Möglichkeit: Wenn ich den genauen Zeitpunkt weiß, wann die Gegenstation sendet, kann ich Kaffee trinken gehen und muss erst dann lauschen, wenn die Zeit gekommen ist. Aber was ist in diesem Fall Zeit? Die Übertragung eines WSPR-Nachrichtenblocks dauert 110,6 Sekunden und die Übertragung muss zu Beginn einer Minute +/- 1 Sekunde  erfolgen ... weltweit...

State of the Art

Die Umsetzungen der geschilderten Bedingungen sind nicht einfach zu realisieren. Man benötigt auf der Sender- und Empfängerseite komplexe Software, die die De-/Kodierung macht. Man braucht einen leistungsfähigen Rechner, der mit dem TRX verbunden ist und ihn gegebenenfalls steuern kann. Man braucht ein Frequenznormal und ein Zeitnormal oder muss den Rechner über eine konstante Internetverbindung entsprechende Zeitserver abfragen lassen.

Das modulare Ultimate 3 (U3-S) System

Hans Summers hat wohl ein internes Pflichtenheft:


  1. Absolute Nachbausicherheit
  2. Kostengünstigkeit
  3. Modularität
  4. Stabilität und Perfektion


Aber ist das nicht ein Widerspruch in sich selbst: Billig und Präzise? Nicht, wenn die Schwankungen der Bauteile/Baugruppen durch geschickte Programmierung ausgeglichen werden können.

Der Basis Bausatz

Der U3-S besteht aus:


  1. Das Synthesizer Modul (verwendet den Si5351A-Chip und ist ein Teilbausatz, der bis zu 160 MHz verwendet werden kann.)  
  2. Dem Hauptprozessor (Atmega 328) (Software und Speicher)
  3. Einem zweizeiligen LCD-Modul mit 16 Zeichen und zwei Tastern für die Eingabe
  4. Einer PA aus 1-3 Transistoren (BS170, die zwischen 100 mW und 2 Watt je nach Spannung und Band liefern.
  5. Ein 7-Element-Tiefpassfilter (Design Ed Wetherhold W3NQN.), der wie alle Platinen, die von hoher Qualität sind, eine doppelseitige Leiterplatte mit Siebdruck, Lot-Maske und Durchkontaktierung hat. Die LPF-Kondensatoren sind vom Typ NP0.
  6. 3 Platinen


Eigentlich nicht viel, wenn man bedenkt, welche Aufgaben erledigt werden müssen. Trotzdem kostet dieser Bausatz inklusive aller Komponenten nur 29 $.

Weitere Module

Es gibt eine relaisgesteuerte Filterbank für fünf zusätzliche Tiefpassfilter. Zur Zeit stehen Bausätze für die Bänder 2200, 600, 160, 80, 60, 40, 30, 20, 17, 15, 12, 10 und 6m zur Verfügung. Diese Filterbänke werden von der Software automatisch angesteuert. Wenn man das Band wechselt, muss dies also nur der Software mitgeteilt werden.

Ein hochwertiger GPS-Empfänger (Skylab SKM61) mit einer Empfindlichkeit von -165 dBm, der direkt vom U3-S ausgewertet wird.

Ein schöne Aluminium-Box, in den alle Teile integriert werden können.

Unter Verwendung dieser Module wird demnächst noch ein Frequenznormal (OCXO) und ein RX erscheinen. Das Frequenznormal wurde schon auf 6m, 4m und 2m WSPR getestet und war für den Betrieb ausreichend stabil. Es lohnt sich, die Seite von Hans zu beobachten, da in den nächsten Wochen weitere Erweiterungen angeboten werden.

Die Software

Die technische Beschreibung ist im ersten Augenblick nicht besonders beeindruckend. Wenn man aber die Bedienungsanleitung in die Hand nimmt, wird man einige Zeit brauchen, bis man sich durch die vielfältigen Konfigurations- und Operationsmöglichkeiten des Gerätes hindurch gearbeitet hat. Da die Software der wesentliche Bestandteil des U3-S ist, legt Summers Wert darauf, dass die Nutzer die kostenlosen Upgrades selbst vornehmen können.

Hier nur ein paar Highlights:

User Parameter

Habe ich schon geschrieben, dass kein PC benötigt wird? Alle Angaben zum Rufzeichen, der zu übermittelnden Nachricht, Morsegeschwindigkeit, Mode etc. werden mit zwei Druckknöpfen mit einem kleinen Software-Editor eingegeben und im Prozessor gespeichert.

Zeitangaben

Wenn ich kein GPS angeschlossen habe, muss ich die Zeit und den Locator eingeben und je nach Quartz wird diese Zeit einigermaßen stabil gehalten. Aber ich muss kontrollieren.
Anders sieht es aus, wenn ich das GPS angeschlossen habe:
  • Ich sehe die Empfangsqualität, die Anzahl der gesehenen und empfangenen Satelliten.
  • Die Zeit im Prozessor wird automatisch synchronisiert.
  • Der Locator wird automatisch berechnet und angezeigt/gesendet
  • Die Sendefrequenz wird nach jedem Durchgang kalibriert und korrigiert, sodass die größtmögliche Frequenzstabilität erreicht wird.
Modi

Ich muss zugeben, dass ich gar nicht wusste, dass es so viele verschiedene Modi gibt und ich habe sie auch noch nicht alle ausprobiert. Aber ich kann versichern, dass sie funktionieren, da in der sehr aktiven QRP-Lab Diskussionsgruppe werden über alle Erfolge und Misserfolge ausführlich diskutiert wird. Alle notwendigen Kodierungen (auch WSPR) werden direkt im Prozessor vorgenommen. 

  • Variatio  1 : QRSS Modus (einfach an/aus getastetes langsames CW)
  • Variatio  2 : FSK/CW Modus (frequenzumgetastetes langsames CW)
  • Variatio  3 : DFCW Modus (Zwei Frequenz CW)
  • Variatio  4 : WSPR Modus (Weak Signal Propagation Reporter)
  • Variatio  5 : WSPR-15 experimenteller WSPR Modus mit 15 Minuten Fenster
  • Variatio  6 : Opera Modus (8 speeds)
  • Variatio  7 : PI4 Beacon Modus
  • Variatio  8 : Slow-Hellschreiber (Slow-Hell Frequenzumtastung)
  • Variatio  9 : Full-speed Hellshreiber
  • Variatio 10 : Half-speed ("DX") Hellshreiber
  • Variatio 11 : CW (plain CW)
  • Variatio 12 : FSK (0-999Hz shift, fast-speed FSK CW)
  • Variatio 13 : Anpassbare FSK Muster
  • Variatio 14 : hand-getasteter CW/FSK Sender

Eigene Variationen

Bedingt durch die strengen Zeitvorgaben einiger Modi führt der Ultimate 3 ein variables Zeitraster ein, dass nacheinander durchlaufen wird:
Es stehen 16 Slots zur Verfügung in dem jeweils der notwendige Lowpassfilter eingestellt wird, um harmonische Abstrahlungen zu unterdrücken. Dann folgt die Frequenz des jeweiligen Bandes. Hier empfiehlt es sich den empfohlenen  Frequenzabschnitt zu verwenden. Dann legt man sich auf eine der von Summers vorgeschlagenen Variationen (Modi) fest. Zum Schluss wird auch noch die Sendeleistung eingegeben.


Ja, und das kann man noch 16 mal machen, auf Start drücken und der Ultimate 3 arbeitet sich als Beacon durch alle Frequenzen und Modi, bevor er wieder von vorne beginnt. Natürlich kann alle 10 Minuten das eigene Rufzeichen in Klartext = CW gesendet werden ;-)

Eigene Erfahrungen

Was soll ich schreiben? Es funktioniert!

Ich muss nicht mehr die gesamte Zeit vor dem Sender/Rechner sitzen, sondern kontrolliere meine Aussendungen über das WSPR-Net. Die Ergebnisse lese ich aus der Datenbank aus und bereite sie für meine private Analyse auf. So habe ich erfahren, dass der U3-S nach ca. 20 Minuten keine Frequenzdrift mehr verursacht.

Wenn ich CW mache, bin ich auf die Gnade anderer OMs angewiesen, dass sie mein Signal erhören. Wenn ich keine Antwort bekomme, kann das auch ein darniederliegendes Band zur Ursache haben. Und dies war für mich ein Aha-Erlebnis: Die Analyse meiner WSPR Ausbreitungsbedingungen ergab, dass es jeden Tag möglich  ist, auf den Bändern aktiv zu werden. Ich kann innerhalb von wenigen Minuten alle Bänder aktivieren, um zu sehen, welches Band für mich geöffnet ist und habe mit Hilfe eines Spreadsheets im Laufe der Zeit die Strahlrichtungen meiner Antenne aus den Reports des WSPR-Nets extrahiert. Kein Raten mehr, sondern Wissen generiert durch den U3-S und die WSPR-Reports.

UND: Ich bin in der Zwischenzeit ein überzeugter Fan von QRPp geworden. Nach fast 20 Jahren 5 Watt habe ich in den letzten Monaten meine Leistung reduziert auf QRO( = 200 mW). Mit 100 mW erreiche ich im Laufe des Tages alle Kontinente. Und wenn es zu langweilig wird VK oder ... zu erreichen, habe ich noch meinen Hendricks Step-Attenuator und schwäche ab auf 10mW, 1 mW und 500 uW. Hier liegt mein Rekord in Watt umgerechnet bei ca. 1 Mi. Km. Das reicht fürs Erste.

So, nun liegt es an Euch, Variationen zu gestalten. Sie werden gehört werden, dank des Werkszeugs, das uns Hans Summers in die Hand gegeben hat. Lasst uns die Selbstbaurevolution in QRPp starten!

Links:

  • http://www.opengoldbergvariations.org/
  • http://www.physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/WSPR_2.0_User.pdf
  • http://wsprnet.org
  • http://www.hanssummers.com/ultimate3.html
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Dieser Artikel erschien in der CQ-DL 2015. In der Zwischenzeit hat Hans Summers nicht nur den U3 wesentlich verbessert mit seiner Version U3s http://www.qrp-labs.com/ultimate3/u3s.html sondern auch mit einer Vielzahl neuer Module und sogar einem Empfänger. Die Grundfunktionen sind aber im Wesentlichen gleich geblieben.



Stay Tuned!