Mercaham 2022, recepción PI4

Durante la feria Mercaham 2022 y dentro del estand de la Unió de Radioaficionats de Catalunya (URCAT), hemos realizado una demostración de recepción de la baliza ED3YBF en 432,405 MHz, que codifica en PI4 y Morse.

El pabellón de la feria está situado a 8,5 km de distancia de la baliza, en el interior del pabellón y con una antena yagui de tres elementos, la señal en PI4 era de +7 dB, lo que permitía atenuar la señal entre la antena y el receptor. Con 26 dB de atenuación la señal ya no era audible en el altavoz, pero si que era perfectamente decodificable por el programa PI4, el nivel oscilaba entre -15 y -17 dB.

El diagrama adjunto, corresponde a la instalación utilizada.

Para la conexión del transceptor con el PC, hemos utilizado la interface USB-Audio que se describe en una anterior entrada de este blog.

El transceptor (FT-817) ha estado controlado por CAT desde una interface basada en Arduino, proyecto desarrollado por José EA3DMM.

Adjunto imágenes.

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QRP en el QO-100

Con la interface de audio descrita en la anterior entrada, y utilizando el programa JS8Call para contactos teclado a teclado, he probado hasta donde puedo reducir la potencia de salida para enlazar a través del transponder NB del QO-100.

Al modular en SSB y ajustar el nivel de potencia de salida 1 dB por debajo del disparo del LEILA, consigo un nivel de señal 20 dB por encima del ruido, la potencia efectiva radiada (ERP) está entre 400 y 500 W.

Con la antena helicoidal (+17 dBi) de ganancia y una potencia de transmisión de 20 mW, equivalente a 1W de ERP, el programa JS8Call indica un nivel de recepción de -9 dB, sin pérdida de datos.

En el Web Receiver de BATC al sintonizar mi frecuencia de bajada, no observo ninguna traza de señal, tampoco se oye audio, solo se observa un ligero aumento en el ruido de fondo del transponder (ver círculos rojos).

La prueba la he realizado con dos equipos, al trabajar en dúplex puedo monitorizar simultáneamente transmisión y recepción.

En la siguiente imagen se observan dentro de los recuadros rojos, los mensajes recibidos, y el control de recepción.

En el espectro de cascada del programa JS8Call se observa, aunque muy tenue la señal recibida.

Esta prueba ha servido para poder determinar cual es la potencia mínima necesaria para contactar a través del QO-100,

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Interface USB-Audio

A través del QO-100 se realizan muchas transmisiones en modo digital. Una de ellas es KG-STV, esta modalidad permite la transmisión de imágenes en barrido lento, es parecido a la SSTV analógica pero en codificación digital.

Para transmitir KG-STV, hay que conectar un PC a un transceptor (en mi caso utilizo un FT-817). Para ello he diseñado esta interface, sencilla y fácil de montar, con aislamiento galvánico entre la entrada y la salida, también desde el mismo circuito se activa el PTT mediante la detección de la señal de audio.

Con esta interface también se pueden trabajar otras modalidades como son (CW, RTTY, FT8, etc), siempre que el programa permita configurar una conexión de salida por USB.

En la imagen se observa la placa de la interface.

El circuito se basa en un USB2.0 Audio Adapter 5.1 Surround Sound de LogiLink, al que le he retirado la carcasa de plástico y le he añadido unos hilos (ver fotografía) a las soldaduras de parte inferior de los conectores de entrada y salida de audio. También he soldado dos hilos a los terminales de alimentación de la base USB, y posteriormente los he soldado todos a los pads de la placa de circuito impreso. La separación entre placas ha de ser de 4 mm. Los demás componentes dispuestos en la placa aíslan y detectan la señal de audio.

La salida de altavoz y la entrada de micro del adaptador de audio, están conectados mediante transformadores aisladores de 600/600 Ω a un mini-din de 6 pins. La adaptación del nivel de salida de la señal, se realiza con una resistencia variable de 470 Ω. El PTT del transceptor se activa mediante un optoacoplador.

Las imágenes corresponden al esquema y a varios detalles del montaje de la placa.

En el PC, una vez seleccionado este adaptador de audio, hay que ajustar al máximo el nivel de salida del dispositivo. Como he comentado antes, el nivel desde la interface hacia el transceptor se ajusta con la resistencia variable multivuelta de 470 Ω.

La placa de circuito impreso de la interface se adapta a una caja de aluminio RETEX Minibox Plus nº 2. Al encajar el circuito, este quedará apantallado, evitando la captación de ruido no deseado que se sumaria a la transmisión.

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Satelite XW-3 (CAS-9)

El 26 de diciembre a las 3:11 GMT fue puesto en órbita el satélite CAMSAT XW-3 (CAS-9), está equipado con una baliza de telemetría en CW 435.575 MHz, una baliza digital en GMSK a 4800 bd 435.725MHz y un transponder lineal con una banda pasante de 30 KHz, el centro de banda del uplink es 145,870 MHz y el del downlink es 435.180 MHz.

En la imagen se observa cuando se inició la transmisión el satélite.

CAMSAT ha publicado un manual con los datos para poder decodificar y analizar la telemetría:

Download the XW-3(CAS-9) Amateur Radio Satellite User’s Manual V1.0

Para ver el estado del XW-3, he recibido y decodificado varias tramas de la baliza de CW. Según el manual pag. 4/21, cada trama tiene 30 canales, el valor de cada canal es codificado con 3 letras que han de convertirse a cifras según “digital table code”, pag. 4/21 del manual.

La imagen corresponde a las tramas decodificadas, clicar para visualizar con más detalle.

En cada trama, debajo de las letras recibidas figura el valor numérico de cada canal, hay que aplicar la ecuación correspondiente para obtener su valor absoluto.

Todos los valores parecen correctos excepto los canales CH16 y CH17, que corresponden a la potencia transmitida (CH16) y a la potencia reflejada (CH17), como se puede observar la potencia reflejada es muy alta.

Para facilitar la decodificación DK3WN ha publicado el programa “XW-3 (CAS-9) telemetry decoder”, ver imagen.

Se puede descargar desde este link:  https://www.satblog.info/software/

El transponder de V/U llega mucho más bajo comparativamente que la baliza de CW o la de GMSK, he realizado QSO con EB3SA y 9A2SB pero con dificultad.

A través de la baliza digital (GMSK) se transmitirán imágenes, pero en este momento aún no está activado.

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Modificación de la baliza ED3YBF

En la anterior entrada, comentaba que la baliza ED3YBF situada en JN11CL, sería modificada siguiendo el proyecto Next Generation Beacons, para que codificara en MGM (PI4) y Morse (FSK).

Una vez aprobada por Telecomunicaciones la modificación del proyecto original, donde se describe el cambio de modulación, he rediseñado el proyecto y construido un nuevo modulador en FSK (Frequency Shift Keying). Toda la parte de radiofrecuencia se mantiene igual, solo se ha reajustado el sistema de refrigeración, teniendo en cuenta que con la nueva modulación no hay pausas y la baliza está transmitiendo prácticamente el 100% del tiempo.

Para generar la señal modulada en FSK utilizo un DDS (Direct Digital Synthesis), hay chips DDS capaces de trabajar directamente a 432 MHz, pero su precio es muy elevado, por lo cual decidí utilizar un chip DDS más económico y mediante un mezclador obtener la frecuencia de salida. En el diagrama de bloques puede observarse como han quedado dispuestos los nuevos circuitos de la baliza.

La nueva placa del modulador FSK la he diseñado con las mismas medidas físicas del anterior modulador de CW-ASK, ello me ha permitido utilizar la misma caja para su montaje, y aún ha sobrado espacio para alojar el mezclador (ADEX-10).

La imagen izquierda es la caja con el nuevo circuito modulador FSK montado en su interior. La imágen derecha es el espectro de salida de la señal, donde todas las espúreas quedan como mínimo a -70 dB respecto a la portadora.

Para decodificar la señal PI4 la baliza y el PC han de estar sincronizados, la decodificación se inicia en el segundo «0» de cada minuto, el programa PI-RX solo admite un error de ±2 segundos. Como se observa en el diagrama de bloques, la baliza utiliza un GPS para sincronizar, mediante el cual se inicia la transmisión en el segundo «0». También es necesario poner en hora exacta el PC.

Mi QTH está situado a 12 km de la baliza, la recepción no es directa y tengo muchos obstáculos, la relación S/N está entre +3 y +5, y el Q (calidad) está entre 98 y 100, si conecto un preamplificador el S/N aumenta a +9 y el Q a 100.

La imagen izquierda corresponde a la recepción desde mi QTH de la baliza ED3YBF durante un periodo de 30 minutos, decodificada con el programa PI-RX.

Como curiosidad (imagen derecha), también recibo la señal reflejada en aviones, (Aircraft Scatter). En la imagen se observa cómo se modifica la frecuencia de la señal por el efecto Doppler.

Para poder determinar la cobertura real de la baliza se agradecerán controles de recepción. Una de las páginas más utilizadas es la de beaconspot.uk, se puede acceder desde este link:

https://www.beaconspot.uk/index2.php

Es gratuita, pero hay que registrarse.

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Primeros controles a larga distancia:

1-1-2022 9H1TX control 529 desde JM75FU (Isla de Malta), distancia 1234 km.

3-3-2022 9H1LO control 319 desde JM75FT (Isla de Malta), distancia 1236 km.

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Proyecto Next Generation Beacons

Hasta ahora la mayoría de las radio-balizas han utilizado una modulación analógica en ASK o FSK codificada en Morse, pero actualmente con los últimos desarrollos en técnicas de modulación digital y circuitería de RF, las balizas pueden ser adaptadas para aprovechar estas nuevas tecnologías.

El proyecto Balizas de Nueva Generación (Next Generation Beacons), está liderado por el grupo de balizas OZ7IGY https://www.oz7igy.dk El proyecto abarca la adaptación de las balizas para que funcionen en modos analógicos y digitales, es decir en CW y MGM (Machine Generated Mode), en una configuración de modo mixto.

La ventaja del modo mixto es que los humanos pueden decodificar el CW de oído y el MGM puede ser decodificado por computadoras muy por debajo de lo que es audible. Por lo tanto, el MGM se puede utilizar para el monitoreo de “condiciones prehumanas” o de alerta temprana.

Hay muchos beneficios al agregar una modulación MGM (en este caso PI4) a una baliza con identificación de CW «clásica». Es posible automatizar el monitoreo y usarlo para la detección de «condiciones prehumanas». El rendimiento de la señal/ruido de MGM es superior a CW, y es probable obtener una ganancia de monitorización de 10 dB o más.

En la imagen, se observa la pantalla principal del programa PI-RX utilizado para decodificar PI4, Este programa ha sido desarrollado por Poul-Erik OZ1CKG, y puede descargarse desde este link:

https://rudius.net/oz2m/software/pi-rx/

En base al proyecto de Balizas de Nueva Generación, el modulador de la baliza ED3YBF situada en JN11CL, será modificado para que codifique en código Morse (FSK) y MGM (PI4)

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Antena helicoidal para 13 cm

Disponía de una antena helicoidal modelo 2350 de WIMO para la banda de 13 cm, y la quería probar en el Up Link del QO-100. Pero no me gustaba ni su rigidez mecánica ni tampoco el método utilizado para adaptar la impedancia. Por lo cual he decidido modificarla.

Para mejorar la rigidez mecánica he reducido el número de espiras de 40 a 24, ahora la longitud de la antena desde el reflector hasta la última espira es de 69 cm, soy consciente que con ello he reducido ganancia pero la antena es mucho más compacta y la hace adecuada para su uso en portable.

Según este calculador, la ganancia esperada es de +18dBi

http://jcoppens.com/ant/helix/calc.en.php

He medido la impedancia de la helix sin adaptador. Para ello he separado al máximo la primera espira respecto al reflector, y en el conector N la impedancia es de 130 Ω, lo que se corresponde con los cálculos de las antenas hélix.

La adaptación de impedancia, se realiza suplementado con una línea de ¼ de onda la parte inferior de la primera espira a partir del conector. La línea está formada por un trozo de plancha de aluminio de 31 mm de largo, 8 mm de ancho y 0.5 mm de espesor, acercando o separando esta línea adaptadora al reflector, se consigue adaptar la impedancia.

Una vez realizado el ajuste de impedancia hay que sellar las conexiones para protegerlas de la intemperie. He utilizado goma líquida, que una vez solidificada presenta un buen dieléctrico en 2,4 GHz. En las imágenes se pueden ver los detalles.

Durante el ajuste, la medida de la impedancia la he realizado con el analizador conectado directamente al conector N de la antena. En las imágenes se observan los parámetros de la antena y su curva de resonancia, se puede observar que la resonancia está en 2,3 GHz, pero presenta un buen nivel de ROE en 2,4 GHz.

Para ver la ganancia real de la antena, he comparado el nivel de mi señal en el Down Link del QO-100. La comparación la he realizado respecto a una antena parabólica de 60 cm de G3RUH, con esta antena y 5 W de potencia en el Up Link, el nivel de mi señal es igual al de la baliza digital del satélite 10489,750 MHz. Con la misma potencia y la antena helix el nivel es 4 dB inferior.

Según sus características, la antena de G3RUH tiene una ganancia de +21 dBi. Con esta comparación se deduce que esta antena helix tiene una ganancia de +17 dBi.

La imagen corresponde a la instalación de la antena durante las pruebas. Debido a que el lóbulo de radiación es relativamente ancho, la orientación no ha presentado ningún problema.

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Telecontrol sobre TCP/IP

Con este circuito podremos controlar a distancia distintos equipos. Aunque el circuito se ha diseñado para supervisar datos y enviar comandos a la baliza de 70 cm, puede tener muchas más aplicaciones dentro del campo del control a distancia.

El circuito se basa en el módulo conversor WIZ107SR utilizado en aplicaciones de IOT (Internet de las cosas), el módulo adapta una señal con protocolo TCP/IP a un puerto serie (RS-232).

En la imagen, se observa la placa de circuito impreso con el módulo WIZ107SR incorporado.

El circuito dispone de 3 entradas/salidas serie 8N1, y 2 relés. Todas las funciones de telecontrol las realiza un microcontrolador PIC 16F876, con un firmware que se edita para cada aplicación en particular.

En la parte frontal de la placa están situados, el conector RJ-45 del módulo WIZ107SR, un led azul que indica que el circuito está alimentado, y dos leds verdes que indican el estado de cada relé, si está apagado, el relé está en OFF y si está encendido, el relé está en ON.

En la parte posterior de la placa están situados el conector de alimentación, 3 jacks de 3,5 mm que corresponden a las entradas/salidas serie y dos conectores con los 3 contactos de cada relé

Las imágenes corresponden al esquema y a la placa de circuito impreso con la disposición de los componentes.

El modo de funcionamiento (servidor) y la dirección IP del conversor WIZ107SR se han de configurar. Para ello se utiliza esta herramienta:

Para la configuración, el módulo deberá estar conectado a un router o a un switch, este programa de configuración buscará dentro de la LAN cualquier módulo WIZ107SR que esté conectado a ella.

Una vez configurado el módulo WIZ107SR y conectado a Internet, el control se realiza desde un programa terminal. En este caso utilizo el programa HERCULES V-3.2.8. La imagen corresponde a este programa, que en este caso está conectado a la baliza de 70 cm y donde se pueden apreciar algunas de las medidas obtenidas.

La dirección IP y el puerto se han borrado de la casilla correspondiente (marcadas en rojo en la captura de pantalla). También se ha borrado la palabra de inicio de sesión.

Todas las lecturas de las medidas se realizan directamente, pero para efectuar maniobras, como son el cambio de posición de los relés o el encendido y apagado de la baliza, el programa nos pedirá siempre un password.

En la anterior entrada, en la fotografía del interior del armario de la baliza, se puede observar este módulo dentro de una caja de aluminio, instalado al lado de la caja de la baliza.

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Baliza de 432 MHz (2)

Una vez completados todos los trámites de legalización (IARU y Telecomunicaciones), y obtenido el indicativo ED3YBF, hemos procedido a la instalación de la baliza.

El equipo está instalado en el exterior, dentro de un armario de poliéster de 80 x 60 x 30 cm. Si queremos que la circuitería trabaje dentro de unos márgenes de temperatura aceptables, hemos de generar un determinado “clima” dentro del armario, por lo tanto, hay que controlar tanto la temperatura como la humedad.

La imagen ofrece una vista general de la instalación del armario, con la caja de la baliza en su interior.

La climatización del armario es autónoma, se controla mediante un higrotermostato. La refrigeración (renovación de aire), está ajustada para que un ventilador actúe cuando la temperatura interior supere los 28ºC. La calefacción se efectúa mediante una resistencia calefactora de 60W, que se conectará cuando la temperatura interior sea inferior a 10ºC o cuando la humedad supere el 70%. Estos parámetros son totalmente programables

El armario dispone de conexión remota, ello posibilita la supervisión y control a distancia de la baliza. Para ello he diseñado un sistema de telecontrol por TCP/IP que describiré en otra entrada de este Blog.

Mediante este telecontrol, además de poder supervisar las medidas de los parámetros, se pueden controlar y programar distintas funciones tanto del armario como de la baliza En la siguiente imagen se detallan los principales módulos instalados dentro del armario.

Inicialmente la antena es una trébol, con una ganancia estimada de 2 dB/dipolo, pero en un futuro no se descarta instalar antenas direccionales para que el lóbulo de radiación esté más ajustado hacia la zona del Mediterráneo.

En la instalación actual, las antenas parabólicas ofrecen muy poco apantallamiento de la señal hacia algunas zonas. Esta situación de antena, hace que la zona de cobertura sea totalmente omnidireccional (360º).

Al ser la baliza de construcción modular, permite realizar modificaciones o mejoras en los módulos. La primera mejora será implementar modulación Opera junto a la CW actual. La modulación Opera permitirá recibir señales muy por debajo del ruido, con lo cual se podrá detectar la formación de conductos de propagación troposférica antes de ser detectados con la modulación de CW.

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Baliza de 432 MHz

Para poder detectar y observar los conductos de propagación troposférica que se forman en verano sobre el Mediterráneo Occidental, he proyectado y construido una baliza en la banda de 70 cm (432 MHz). El proyecto se ha desglosado en tres partes, diseño y construcción del equipo, legalización e instalación. En esta entrada, paso a describir el diseño y la construcción del equipo.

En las imágenes se observa el diagrama de bloques y la caja donde están alojados los módulos que componen la baliza con la descripción de cada uno de ellos.

Al ser un transmisor conectado permanentemente, el punto más crítico del diseño es el control de la temperatura en varios de los módulos.

En 432 MHz el rendimiento de los pasos amplificadores es relativamente bajo, entre el 30 y el 50%, por lo cual parte de la energía se transforma en calor. Este transmisor utiliza un módulo amplificador hibrido RA074452M que tiene un rendimiento del 40%, el módulo está montado sobre un refrigerador. Para funcionamiento permanente hace falta un ventilador que mantenga la temperatura dentro de un margen prefijado.

En la parte frontal de la caja de la baliza se observan dos ventiladores. El ventilador de la izquierda inserta aire sobre el refrigerador del amplificador de RF. Y el ventilador de la derecha extrae aire del interior de la caja. En caso de fallo del ventilador de entrada, el flujo de aire de este segundo ventilador es capaz de mantener la temperatura dentro del límite prefijado.

A través de los controladores de ambos ventiladores se puede programar la temperatura de arranque (ON) y la temperatura de paro (OFF), y en el ventilador del amplificador de RF también el número de vueltas/segundo. Los datos de temperatura obtenidos por los controladores se pueden visualizar a través de dos conectores situados en el panel frontal, en formato RS-232 a 9600 8N1, cada 10 segundos. Los controladores se programan desde los mismos conectores.

En el diseño del transmisor he utilizado varios circuitos descritos anteriormente en este blog, el PLL ADF4351 controlado por PIC, codificador-modulador de CW, termostato programable, etc. Están montados en cajas independientes para facilitar su modificación o substitución en caso de avería. En la imagen adjunta se observa el módulo que contiene el TCXO-Pll-Codificador-Modulador. Se observan unos taladros laterales para su ventilación.

El resultado es un montaje compacto y de fácil mantenimiento.

Como referencia de 10 MHz para el PLL utilizo un TCXO, su tolerancia máxima es de 1 ppm, en la unidad instalada, he medido un error en frecuencia de 0,4 ppm, ver las características en este link:

https://www.tindie.com/products/lotussys/oscillator-txco-stratum-3-10-mhz-028-ppm/

Esta tolerancia entra dentro de los márgenes en cuanto a precisión de frecuencia, recomendados por la IARU R-1,

Otro punto muy importante es la emisión de espúreas y armónicos, que en este caso son inferiores a -60 dB respecto a la portadora. Cumpliendo la normativa del Reglamento de Radioaficionados para frecuencias entre 235 y 960 MHz.

Para ello he incorporado un filtro a la salida del modulador (Filtro-1), ver las características en este link:

https://www.tindie.com/products/gpio/433-mhz-bandpass-filter-band-pass-5-mhz-bandwidth/

También he incorporado otro filtro paso-banda a la salida del amplificador de RF (Filtro-2), centrado en la frecuencia de 432,4 Mhz, con una atenuación de 1 dB.

El filtro y su respuesta puede verse en las imágenes.

Un circulador protege al amplificador de RF contra un nivel alto de ROE presente en el conector de antena. También hay intercalado un descargador entre el circulador y la salida de antena, que protege la baliza de posibles descargas atmosféricas.

Descontando las pérdidas introducidas por el Filtro-2, circulador y descargador, la potencia de salida del transmisor medida en el conector de antena es de 2,5 W. Este nivel de potencia se puede aumentar disminuyendo la atenuación entre el modulador y el amplificador de RF, actualmente es de 3 dB.

En el panel posterior de la caja están las fuentes de alimentación, una de +5 V y otra de +12 V, la entrada de alimentación para ambas fuentes es de 230 V. En serie con los positivos de salida de las fuentes hay fusibles de protección.

Un filtro de DC disminuye el nivel de rizado de la fuente de +12 V que alimenta el amplificador de RF, evitando que este rizado se sume a la portadora.

La baliza lleva un tiempo en funcionamiento continuo sobre una carga de 50 ohm, de momento no se ha observado ninguna anomalía.

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