75 Jahre DARC

Weak Signal Propagation Reporter (WSPR) und seine Möglichkeiten
Technik, Praxis und wissenschaftliche Anwendungen einer digitalen Bake

Reinhard Nießner
DK3TG

WSPR ist für viele Funkamateure nichts Neues. WSPR wurde 2008 von Joe Taylor (K1JT) als Teil der WSJT-Protokollgruppe (z.B. FT4,8 etc.) entwickelt (für digitalisierte EME- u.a. Scatter-Verbindungen). Diejenigen, die sich den digitalen Übertragungstechniken verschrieben haben, ist dies als möglicher Funkmodus geläufig.
Nichtsdestotrotz ist WSPR aber auch für eingefleischte SSB-Funker von größtem Nutzen. Besonders als dauerhaft betriebene eigene Funkbake ermöglicht WSPR eine personalisierte Propagationsaussage in Echtzeit, und dies für die eigene Antennenanlage (24/7-Betrieb).
In der Ausführung der Firma Zachtek (Harry Zachrisson, Höganäs, Schweden) steht eine autonom arbeitende WSPR-Bake in höchst versatiler Form zur Verfügung. Damit ist man nicht an den Stationstransceiver gebunden, und kann mehrere Antennen mit identischen Baken parallel in ihrer Abstrahlfähigkeit vergleichen.

• WSPR ist eine Zeit- und frequenzbestimmte Signalauswertung mit Decodierungsprotokoll, die das stochastische Rauschen weitgehend negiert. Dazu wird Frequenzumtastung mit vier Symbolfrequenzen (4-FSK) und Vorwärtsfehlerkorrektur (Redundanzen im übermittelten Code senken Übermittlungsfehler ohne Rückfrage) verwendet.
• Aussendungen erfolgen über Intervalle von 110.6 s Dauer, die jeweils zu geradzahligen Minuten beginnen.
• Die Bandbreite ist sehr gering (5.9 Hz). Empfangsbandbreite: 200 Hz, es können mehrere Signale gleichzeitig empfangen und decodiert werden. Übertragungsrate: 1.4648 Baud
• Zeitbasis von Sender und Empfänger muss identisch sein (+/-1 s z.B. über GPS), so wie die Frequenz für die Korrelation des WSPR-Abfragerasters konstant sein muss.
• Übertragen wird Rufzeichen, Maidenhead-Locator-Kennung und Sendeleistung: z.B. DK3TG, JN58pa & 23 dBm (200 mW).

Die weltweit verteilten Empfangsstationen melden ihre Ergebnisse an WSPRnet.org, welches alle Daten, auch retrospektive Sende/Empfangsdaten verwaltet. Diese sind offen abfragbar.

• Das WSPR-Empfangsprotokoll erfasst Signale bis -34 dB, auf eine Bandbreite von 2500 Hz gerechnet (entspricht 10 – 15 dB unter der Hörschwelle).
• Empfangssignal wird als SNR angegeben: Rauschsignal des Reporters wird laufend durch Digitalisierung des Rauschens und statistischer Analyse korrigiert (ist im WSJT-Protokoll enthalten).

Dies ist im Folgenden beispielhaft gezeigt:

Zachtek-Version einer WSPR-Bake
Der WSPR Desktop Transmitter Zachtek kann mit oder ohne einen PC betrieben werden. Der PC wird nur zur Initialisierung benötigt. Verwendet werden kann das Gerät auf Amateurfunk-frequenzen im Bereich von 136 kHz – 50 MHz. Es wird über einen 5 Volt-USB-Anschluss versorgt. Mit einem Power-Pack ist es autonom und mobil betreibbar. GPS wird über eine vorhandene GPS-Antenne als Zeitbasis sowie zur Orts-identifizierung benutzt.
Die Hardware nutzt Arduino Firmware zur Codierung der WSPR-Informationen und sendet diese mit einem Silicon Labs Si5351 PLL-Baustein. Der PLL-Output in Rechteckform wird über einen 74AC244 Line driver IC verstärkt und dann an 50 Ohm mittels eines MiniCircuits Wide-band Transformer angepasst. Als Referenztaktsignal-Geber dient ein Abracon ASTX-H11 TCXO - Oszillator bei 25 MHz (+/- 2.5 ppm). Vier schaltbare Tiefpassfilter und ein VHF-Filter sorgen für weitgehende Einengung der Sendefrequenzen (> 50 dB Unterdrückung im Vergleich zum Träger).
Die Sendeleistung beträgt 200 mW auf allen gewählten Bändern. Das Zachtek-System wiegt nur 170 g und hat die Größe von etwa zwei Zigarettenschachteln.

Anwendungsbeispiele
1. Welche Frequenz, Uhrzeit und Antenne (20, 15 & 10m – Tribander) für Neuseeland?
• Greyline abends 15m-Band, 2-El.-Yagi (gemessen an einer Empfangsstelle in ZL)
• Greyline morgens 20m-Band, Moxon, long path

1. Wann welcher Kontinent auf 40m mit vertikaler Deltaloop?
   • VK & PY (short path) 21:20 - 22:00 Uhr (UTC),
   • USA 1:30 – 4:15 Uhr (UTC) (Auswahl unterstützt durch Ansicht des aktuellen Ionosphärenrauschens eines benachbarten Reporters möglich)

2. Wann VK auf 40 m (16 – 4 Uhr (UTC) mit horizontaler Deltaloop?
   VK auf 40 m nur nachts, nur short path, nur Ostküste (USA)

3. Antennenvergleich, Sendezeit & Reporter gleich: 2-El.-Yagi vs. Deltaloop (h) auf 15 m
   • Horizontale Deltaloop mindestens gleichwertig zur Yagi

4. VK auf dem 20m-Band mit Moxon-Antenne (270 Grad)
   • Long path, Greyline morgens
   • Auswahl minimalen Ionosphärenrauschens aus WSPRdaemon

5. Antennenvergleich: Horizontale vs. vertikale 40m-Deltaloop, gleiches Zeitfenster abends

• Nur horizontale Deltaloop erreicht VK
• Beide erreichen Ostküste USA

1. Antennenvergleich; 40-m-Deltaloop (h vs. v) nachts: Welche Antenne erreicht wann maximale Distanz?
   • Vorteil für vertikale Deltaloop (1099 vs. 953 spots; ca. 7500 km gegen 2:40 Uhr (UTC)

2. Antennenvergleich (40 – 10m-Band): Dipol (2 x 17 m; W/O) vs. horizontale Deltaloop (N/S); Zeitfenster 1h nachmittags
   • Dipol nur Europa auf 40m (48 Reporter)
   • Deltaloop USA & Brasilien bis 9000 km (143 Reporter auf allen vier Bändern)

3. Bandaktivität auf 20 - 10 m; Tribander (270 Grad): Wann, wie viele & wie weit?
   • Zwischen 10 - 21 Uhr (UTC) sind auf 20m immer 200 – 300 spots registriert; nur auf 20 m wird VK und ZL erreicht

4. Antennenvergleich: Einfluß des Vegetationszustandes?
   • Antennen im Wald (Tamir´s Concept of Lateral Waves)
   • Grenzfläche Boden/Wald spielt keine Rolle
   • Waldoberkante/Atmosphäre entscheidet wegen Transversalwellen
   • Verluste im HF-Bereich bei d = 1000 m, Elevationswinkel = 20o, f = 30 MHz : 6.2 dB Verlust im Fichtenwald gemäß ITU-R P.833-7 (02/2012) Attenuation in Vegetation
   • Senden aus Wald mit Bodenbewuchs: Additive Bodenwellen-Reflexion entfällt !

WSPR-Studie in der Crowd-Ionosphärenforschung durch Auswertung Tausender WSPR – Spots (Italien – Australien): Klärung des Greyline-DX Phänomens (Lo et al., 2022)
• QSOs nur bei Sonnenauf- oder –untergang
• Greyline: Starker räumlicher [e-] - Gradient
• Asymmetrie im Verbindungserfolg abends vs. morgens: QRM-Pegel und/oder Doppler-Verbreiterung

Klärung einer starken Störung im HF-Bereich am 24.9.24
Kombination von WSPR, Vertikal-Digisonde in Prohunice (MUF- Analyse alle 2 min), und disturbance time storm – Index (alle 2 min)
• Eindeutig kein Mögel-Dellinger-Effekt, sondern Eintrag von Solar-Protonen und Störung der Geomagnetik

Schlussfolgerungen
• WSPR (-34dB/2500 Hz) wesentlich leistungsstärker im Vergleich zu RBN (-15 dB/500 Hz)
• Empfangsdaten (Empfänger, SNR, Distanz, Zeit) über WSPRnet.org retrospektiv abfragbar und per mapping darstellbar (seit 2008 ca. 109 spots)
• Parallel arbeitende WSPR-Baken ermöglichen Langzeit - Antennenvergleich auf nahezu identischer Frequenz (Unterschied zu RBN)
• WSPR ermöglicht crowd science (statistische Relevanz vieler streuender Daten!) von Ausbreitungsphänomenen (Greyline, Traveling Ionospheric Disturbances, Solar Activities, VOACAP Propagation Tool etc.)
• Zachtek-Version elegant und einfach, autarker portabler Sendebetrieb zur optimalen Standortfindung (Unterschied zu RBN)
• Eigener Standort wird laufend per GPS er- und übermittelt (Unterschied zu RBN: tracking möglich!)
• Es wird nur die Sendeperformance gemessen!
• Reporteranalyse ermöglicht noise Baselinemessung