Record di distanza per ricezioni sotto i 9 kHz

I radioamatori tedeschi stanno sperimentando la trasmissione su una frequenza talmente da bassa da richiedere mezzi propagativi un po' particolari. Per esempio il nostro intero pianeta! La frequenza è quella "radionaturale" dei 9 kHz e qualche giorno fa, il 15 marzo, è stato stabilito un record di distanza quando il segnale di Stefan Schaefer DK7FC con una potenza efficace di appena 1,7 milliWatt su 8,97 kHz, è stato ricevuto in Gran Bretagna da Paul Nicholson, a 830 km di distanza in modalità QRSS120 (in precedenza erano stati stabiliti contatti a meno di 20 km). L'antenna utilizzata da Stefan era un filo verticale di 100 metri teso grazie a un aquilone e alimentato con un impianto da 250 Watt. A queste frequenze un'antenna non può essere molto efficiente, da qui la drastica riduzione in termini di potenza effettiva irradiata.
Tra le diverse pagine dedicate a quello che i radioamatori definiscono a volte "Earth Mode" o "Earth Current", posso segnalare Communicating through the ground, accessibile anche sul più ampio portale dell'autore, Roger Lapthorn G3XBM, che dà la notizia del record sul suo blog. Roger propone anche un VLF converter per ricevere questi segnali su un ricevitore a onde corte, ma bisogna ricordare che per questo spettro non occorre una radio, basta collegare una antenna agli ingressi di una scheda audio di buona qualità nel computer e utilizzare un analizzatore di spettro, possibilmente - suggerisce Alberto Di Bene - utilizzando anche «un preamplificatore a basso rumore, basato su un IC con densità di rumore dell'ordine di 1 nV/sqrt(Hz)».
La pagina in cui lo stesso Stefan descrive il suo esperimento con l'aquilone è invece questa, le fotografie sono molto interessanti, soprattutto i particolari sulle bobine di risonanza utilizzate per allungare elettricamente la lunghezza dell'antenna: circa 2 chilometri di filo avvolti intorno a un fusto di plastica da 200 litri.
Altre reference sono quelle di Markus Vester DF6NM, Holger Kinzer DK8KW. Secondo Roger, anche il regolatore britannico OFCOM potrebbe concedere ai radioamatori locali una Notice of Variation simile a quella già concessa per le operazione tra 501 e 504 kHz, per consentire ufficialmente l'uso di frequenze sotto ai 9 kHz, oggi utilizzate anche dal Met Office del Regno Unito. Qui, infine, sul sito di Lionel Loudet dedicato alle Sudden Ionospheric Disturbances, trovate anche un breve elenco di segnali nella banda VLF. I fenomeni ionosferici SID, legati ai brillamenti solari, determinano improvvise "interruzioni di servizio" nella ricezione in onde corte e medie, ma contemporaneamente rafforzano la propagazione in VLF: ecco perché monitorando l'andamento dei segnali in questa banda è possibile misurare anche le SID. Uno dei siti Web più affascinanti in materia è quello di Peter Wilhelm Schnoor, da Kiel. Lo trovate su questo indirizzo. Volendo potete cimentarvi in questo monitoraggio utilizzando uno dei ricevitori proposti da due progetti educativi (SID e AWESOME) dello Stanford Solar Center che coinvolgono le scuole americane nel sorvegliamento dei fenomeni SID. Tutte le informazioni si trovano qui: http://solar-center.stanford.edu/SID/.

QRSS VD, sprettrografo cross platform per telegrafia

Sto leggendo con grande interesse la pagina Web di Scott Harden, biologo molecolare, studente di medicina odontoiatrica alla University of Florida, con l'hobby dell'elettronica e della programmazione. Da poco Scott, che non ha compiuto 25 anni, è anche radioamatore, AJ4VD, e da pochissimi giorni ha rilasciato il suo software QRSS VD, uno spettrografo (qui accanto, la finestra con sfondo verde, confrontata più a sinistra con la finestra azzurrina del software Argo) rivolto agli appassionati di modi radiotelegrafici per il monitoraggio visivo di modalità trasmissive come la telegrafia lentissima (QRSS), usata dai radioamatori per stabilire connessioni a grandi distanze anche con livelli di potenza estremamente bassi. Il QRSS funziona molto bene perché la banda trasmissiva occupata è estremamente ridotta, ma non può essere codificato facilmente a orecchio perché i punti e le linee hanno durate lunghissime, anche qualche decina di secondo. L'unica soluzione praticabile è utilizzare un software, in particolare un software capace di visualizzare lo spettrogramma della finestra di frequenze ricevuti e ricostruire la traccia del segnale QRSS. Comprimendo l'asse dei tempi si possono visualizzare sul computer le tracce corrispondenti al codice Morse o agli altri sistemi di identificazione utilizzati per questa forma di telegrafia, popolare soprattutto per le connessioni su frequenze LF e per la realizzazione di radiofari propagativi.
Nella comunità radioamatoriale sono molto diffusi programmi come Argo, Spectran e SpectrumLab, ottime soluzioni per Windows. Perché QRSS VD è così interessante? Perché è stato sviluppato interamente in Python, un linguaggio di alto livello famoso per la sua sintassi chiara e le sue capacità di scripting, viene rilasciato in open source ma soprattutto è o dovrebbe essere multipiattaforma. Per chi usa Mac OS X come faccio io la disponibilità di software radioamatoriale di qualità era fino a poco fa piuttosto limitata, specie per questo tipo di strumenti visuali. Ma Python è interpretato anche da Mac e in linea di principio dovrebbe funzionare. Per curiosità ho provato a vedere che succede "lanciando" QRSS VD dal Terminale Unix del Mac. Non succede niente, ovviamente. Per verificare dovrei installare una lunga serie di estensioni e librerie previste: Python 2.6, Matplotlib for Python 2.6, PyAudio for Python 2.6, le Python Imaging Library (PIL) for Python 2.6, Numpy for Python 2.6 e Scipy for Python 2.6.
Sto cercando di capire meglio quale possa essere la compatibilità di tutte queste estensioni con il Mac e il suo sistema operativo, ma non sono abbastanza esperto, vedremo che succede, non è escluso che qualcuno renda disponibile una versione di QRSS VD eseguibile direttamente dall'interfaccia grafica del Mac (sempre ammesso che le estensioni più matematiche funzionino). QRSS VD sembra molto semplice, ma anche molto personalizzabile. Spero che come gli altri programmi che sta affiancando, possa essere adattato anche alla ricezione visuale dei radiofari.

Un modo digitale per segnali HF ultradeboli

Joe Taylor K1JT, il radioamatore premio Nobel, ha messo appunto un nuovo sistema di modulazione e codifica per la trasmissione e la ricezione di segnali a bassissima potenza. Il protocollo si chiama MEPT_JT, come in Manned Experimental Propagation Transmitter (i radiofari QRPP) e per poterlo gestire Joe ha anche sviluppato un software molto spartano ma efficace, chiamato WSPR (pronunciato whisper, sospiro) che funziona sia in ricezione sia in trasmissione. WSPR, ovvero Weak Signal Propagation Reporter, è davvero in grado di cogliere un sospiro trasmesso con pochi milliwatt dall'altra parte del pianeta. Siamo alle soglie estreme della leggibilità di una informazione (digitale) trasmessa via radio e i primi esperimenti si stanno svolgendo nella banda radioamatoriale dei 10 MHz. Col protocollo MEPT_JT si trasmettono cinquanta bit in un intervallo di poco meno di due minuti, lo spazio necessario per trasmettere il call del radioamatore e il locator geografico. WSPR se ne stà lì a sorvegliare una banda di 200 Hertz (una trasmissione ne occupa soltanto 6) e se riceve qualcosa visualizza le informazioni. Taylor suggerisce di usare il software insieme ad Argo o Spectran per avere anche la visualizzazione di un waterfall dello spettro. Ecco un elenco di specifiche curato dall'autore di questo nuovo programma che potete prelevare e installare seguendo le istruzioni che trovate a questo indirizzo http://physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/MEPT_Instructions.TXT.

Transmitted message: callsign, 4-character-locator, and power level in dBm. Example: "K1JT FN20 30"

Message length after lossless compression: 28 bits for callsign, 15 for locator, 7 for power level ==> 50 bits total.

Forward error correction (FEC): long-constraint convolutional code, K=32, r=1/2.

Number of channel symbols: nsym = (50+K-1)*2 = 162.

Keying rate: 12000/8192 = 1.46 baud.

Modulation: continuous phase 4-FSK. Tone separation 1.46 Hz.

Embedded synchronization: 162-bit pseudo-random sync vector.

Data structure: each channel symbol conveys one sync bit and one data bit.

Duration of transmission: 162*8192/12000 = 110.6 s.

Transmissions start two seconds into an even UTC minute: i.e., at xx:00:02, xx:02:02, etc.

Occupied bandwidth: about 6 Hz

Minimum S/N for reception: around -27 dB on the WSJT scale (2500 Hz reference bandwidth).

QRSS, due tool per capire la propagazione

In considerazione del mio interesse nei confronti del QRSS, Claudio Marega I2NDT mi scrive per parlami di due siti (uno è suo, l'altro di Massimiliano Recchia IK0VVE...) che raccolgono i grabbers di alcuni QRSS Knights "fornendo in tempo quasi reale indicazioni sull'andamento della propagazione". I grabber non sono altro che le videate di programmi come Spectran, utilizzati per la videoricezione di radiofari propagativi QRSS. Gli "scatti" prodotti a intervalli regolari su Internet permettorno di sorvergliare in tempo praticamente reale l'andamento della propagazione in diverse bande di frequenza. Claudio e Massimiliano hanno realizzato degli aggregatori che visualizzano un certo numero di catture in postazioni di ascolto diverse.

Ecco gli indirizzi di:

• IK0VVE HF Grabber Aggregator
• I2NDT Grabber Compendium

Castelli in aria

Da qualche giorno i Cavalieri del QRSS stanno sperimentando una nuova modalità di trasmissione sui loro radiofari a bassissima potenza nei 30 metri e in altre bande allocate alle sperimentazioni MEPT, Manned Experimental Propagation Transmitter. Il sistema è stato battezzato Castle per la caratteristica "merlatura" della sua forma d'onda e in pratica è un modo alternativo di trasmettere in codice Morse attribuendo a linee e punti una frequenza diversa. Si tratta in altre parole di una variante della modulazione DFSK (Distributed Frequency Shift Keying) già utilizzata per il cosiddetto DFCW. Nel Castle non c'è più distinzione tra punti e linee, ogni elemento dei caratteri Morse diventa un punto, in genere di lunghissima durata. La modalità serve infatti per le trasmissioni in telegrafia lentissima a banda molto stretta, l'unico modo per riuscire a trasmettere un minimo contenuto informativo quando le potenze in gioco sono dell'ordine di pochi milliWatt. L'algoritmo per generare codice Castel è molto semplice. Ogni elemento di ciascun carattere diventa un punto che viene trasmesso sopra o sotto una frequenza centrale di riferimento (la portante del segnale) che non appare nelle videate degli strumenti visuali di ricezione. Se l'elemento originale è un punto, viene trasmesso a una frequenza superiore, se è una linea viene invece "shiftato" verso il basso. Per ogni elemento di carattere successivo al primo, il Castle produce un gradino sempre più spostato verso l'alto o verso il basso. In altre parole nella successione degli elementi di un carattere si usa ogni volta uno shift (superiore o inferiore) più elevato in valore assoluto. Il risultato è un carattere Morse "sventagliato" intorno alla frequenza centrale. Questa modalità grafica ha il vantaggio di non richiedere l'inserimento di uno spazio tra elementi di uno stesso carattere o tra i diversi caratteri. I gradini del Castle sono tutti in ordine cronologico e si leggono da sinistra verso destra e verso l'alto o verso il basso. E' una modalità del 20-30% più efficiente rispetto al codice Morse convenzionale perché ogni carattere, privato degli spazi interni, dura un po' meno.

Ho cercato di capire quale sia l'origine di questa modalità, chi ne sia stato l'inventore. Ma non ho trovato una risposta definitiva. Il modo viene descritto in dettaglio da Murray Greenman, ZL1BPU, sul suo fantastico sito sui modi radiotelegrafici visuali. Murray propone anche una combinazione di hardware e software chiamata LF Exciter, una black box con microcontrollore capace di pilotare la trasmissione del Castle e di altre modalità. Basta richiedere a Murray la versione del software per microcontroller D6, del marzo 2006, che include la modalità Castle (ZL1BPU chiede un giusto rimborso spese di 10 dollari per il codice e 30 per il sorgente modificabile). Da quel che capisco c'è però l'alternativa di SpectrumLab, l'analizzatore di spettro di DL4YHF, Wolf Buescher. Il programma si può prelevare dal repository di software per trasmissioni Ham digitali di Ko Versteeg.
La versione di SpecLab uscita a fine febbraio include la possibilità di ricevere e trasmettere in modalità Castle e puntualmente sperimentatori come Vic Kershaw G3GKI e Paolo Saia I1DFS hanno attivato questa curiosa forma d'onda sui loro radiofari (non so se basandosi su una modulazione diretta con SpecLab o su un microcontroller stile LF Exciter).

Yet another beacon

Un recente post al gruppo di discussione sui radiofari amatoriali nei 10 metri (l'ormai più volte citato network italiano dei 28.322 kHz) mi permette di risalire alle pagine Web con i progetti QRP di Giuliano Gilmozzi, IN3KLQ. La sezione contiene diverse proposte per l'autocostruzione di radiofari nei 10 e 30 metri che possono tornare molto utili per la chiarezza con cui Giuliano riesce a condensare la teoria dei più diffusi schemi utilizzati dagli sperimentatori dei segnali a grafia lenta (QRSS) per i loro studi propagativi. Su questi radiofari si può trovare molto materiale in Internet, ma le due pagine di Giuliano rappresentano un prezioso "one stop shop" dove trovare tutti gli schemi e i suggerimenti pratici per l'assemblaggio. Oltre a due progetti per fari nei 10 e 30 metri (uno dei quali pubblicato anche su un recente numero (10/2006) di RadioRivista, viene presentato un ricetrasmettitore a conversione diretta da 1 watt per la grafia nei 50 metri.

Radiofari amatoriali, laboratori di propagazione

L'attivazione del Multibeacon di Claudio Re nel campo della sperimentazione dei becon radioamatoriali a bassissima potenza - meglio noti come Manned Experimental Propagation Transmitters - ha avuto il merito di accendere una discussione e una proposta per rendere più coordinato lo sforzo di sperimentatori che cercano, attraverso questi dispositivi, di capire i meccanismi della propagazione in condizioni di estrema esiguità dei segnali da ricevere. Una componente importante di questi esperimenti è la particolare tecnica di emissione utilizzata: la telegrafia a banda strettissima, cioè molto lenta (QRSS). La ricezione di questi radiofari estremi si effettua anch'essa con tecniche alternative, puramente visuali. Occorre un software che sappia convertire la sottile impronta audio rilevata dal ricevitore e renderla sul display del computer come una traccia dall'andamento particolare, o come una serie di simboli Morse.

Sperando di essere utile a chi voglia esaminare queste tecniche dal punto di vista di chi ricetrasmette o che semplicemente riceve, ho messo insieme alcuni link Web a pagine di riferimento generale e a progetti che insegnano a costruire i piccoli impianti QRP (a bassa potenza) che servono per attivare i fari (una prerogativa, questa, dei soli radioamatori patentati). Tutti i trasmettitori sono concettualmente abbastanza semplici, con un circuito oscillatore controllato da un cristallo e un operazione per l'amplificazione. A questi bisogna aggiungere un elemento in grado di modulare l'emissione in modo appropriato, introducendo per esempio un piccola rampa di un segnale a dente di sega, o per codificare le lettere Morse (per esempio un PIC programmabile che pilota la trasmissione).
Il gruppo più organizzato è quello dei "cavalieri" del QRSS che oltre a un riflettore di una animata mailing list (gli archivi e il modulo di iscrizione si trovano qui) hanno attivato una bacheca elettronica su cui vengono annunciati i beacon attivi. Due iniziative italiane sono il blog e la mailing list di Paolo Cravero su Yahoo. Da non dimenticare la mailing list QRP-L densa di discussioni sul QRP e questa pagina della Radio Society con numerosi link sulla telegrafia lentissima.
I progetti e i suggerimenti tecnici per la realizzazione dei beacon e il loro funzionamento sono numerosi, ma ho cercato di isolare gli schemi più utilizzati. E' solo una piccola rassegna ma le idee pratiche non mancano:

• http://spazioinwind.libero.it/ik1zyw/nbw/20041119-sq-40m.html (Paolo Cravero IK1ZYW)
• http://www.hanssummers.com/radio/qrssrx/index.htm (receiver, ispirato Paolo Saia IZ1KXQ/I1DFS)
• http://www.hanssummers.com/radio/qrss/tx/index.htm (transmitter)
• http://www.hanssummers.com/radio/qrssjb/phase1/index.htm (beacon ispirato G6AVK)
• http://www.g6avk.demon.co.uk/qrss.html (pagine e progetti G6AVK)
• http://www.g6avk.demon.co.uk/beaconpics.html
• http://www.g6avk.demon.co.uk/beacon/beacon.png
• http://www.qrss.thersgb.net/30Mtr-QRSS-RX.html (G0UPL receiver)
• http://br.geocities.com/py2ohh/ (progetti QRP di PY2OHH)
• http://www.proehl-elektronik.de/qrss/qrss_e.html (progetti DL6JAN)
• http://www.arimontebelluna.it/pdf/aprile2006.pdf (beacon DL6NL)
• html http://www.eco-lavoro.com/i0skk/Beacon.htm (beacon I0SKK)
• http://www.eco-lavoro.com/I0SKK/BEACON/28%20MHz/28MHz%20beacon.htm (I0SKK)
• http://www.mediasuk.org/iw0hk/qrss/160metri.htm (realizzazioni Andrea Borgnino, IW0HK)
• http://www.mediasuk.org/iw0hk/qrss/beacon_i.htm
• http://www.hamlan.org/default.htm (Projects, PIC keyer I2BCP)

E veniamo infine al Multibeacon, che dopo una partenza un po' esitante e qualche modifica alle antenne ora viene segnalato in diverse località italiane e straniere. In attesa della descrizione dettagliata promessa da Re in un prossimo articolo su Radio Kit, ecco una sua breve analisi circolata in questi giorni:

Multibeacon che emette dalla collina di Torino Villa Gualino, con postazione messa a disposizione dal CSP che opera in accordo con il Politecnico di Torino. Il progetto verrà meglio descritto in un articolo che comparirà su Radio Kit. Per sommi capi: da una base tempi a 28.332,0 vengono ricavate le frequenze che sono in relazione armonica secondo numeri razionali. Le altre sono ricavate da base tempi quarzate termostatate. E’ prevista la sostituzione della base tempi a 28.332,0 (anch’essa per ora quarzata e termostatata) con un DDS agganciato ad un riferimento disciplinato da un GPS.
I segnali dalla banda degli 80 m fino ai 10 m vengono amplificati separatamente, sommati per mezzo di un multiplexer ed irradiati da una unica antenna multibanda. La potenza è di circa 0,5 W per ogni canale. Per i 160 m e le LW ci saranno due antenne separate e la potenza è di 10 W per canale. Se escludiamo l’opzione DDS-GPS, il progetto è concepito con tecnologie facilmente duplicabili dagli altri OM e quindi simili a quelle già impiegate nei vostri progetti.
Una fotografia del Multibeacon è stata caricata sulla home page degli iscritti al gruppo CiaoRadio.

Un ulteriore contributo alla discussione viene da questo appello che lo stesso Re ha fatto alla comunità degli sperimentatori per lavorare tutti all'evoluzione della piattaforma tecnologica, efficace ma molto essenziale, che in questo momento è comune alla maggior parte dei radiofari QRSS attivi. Ci sono per esempio alcuni problemi dovuti alla semplificazione che affida a una porta logica (il microprocessore programmabile) il pilotaggio dell'oscillazione. La modalità on-off di questa modulazione provoca, dal punto di vista matematico, dei transitori che implicano disturbi, occupazione di banda, inefficienze. La proposta di Re è quella di riprogrammare i PIC facendo loro generare un segnale modulante, un passaggio dall'off all'on costruito non a gradino ma come una curva cosinusoidale. Una conseguenza di questa maggiore pulizia sarebbe l'impiego più efficiente dello spettro disponibile, che potrebbe quindi accogliere un maggior numero di beacon.

L’ultimo dei problemi per portare il Multibeacon (e tutti quelli costruiti con gli stessi principi) all’ eccellenza è la risoluzione dei problemi dovuti alla limitazione delle bande laterali derivanti dalla manipolazione del segnale CW. Ora non succede, in quanto la interruzione della portante e’ determinata in modo brusco da una porta logica. Il segnale di comando deriva da un segnale ON-OFF derivante da un uP PIC16F84.
La soluzione matematica del problema prevede che la portante sia modulata in ampiezza tramite un segnale di comando "raised cosine" che altro non è che una semionda di un segnale cosinusoidale che va da zero al massimo in ON e al contrario in OFF. Il tutto può essere facilmente implementato con il PIC generando tramite le uscite logiche un a sequenza parallela da applicare ad un DAC o ad una rete di resistenze pesate che generino una scalinata che poi filtrata approssima il segnale "raised cosine".
Per fare questo è necessario scrivere un programma sul PIC. Il programma base è quello pubblicato nella lista 28322 che ho usato nel Multibeacon. Ho già il progetto semplice del modulatore di ampiezza da applicare alle porte logiche. Tutto questo consente di ottimizzare la banda occupata dal segnale modulato CW e quindi massimizzare il numero di beacon contigui che si possono affasciare in una stessa porzione di banda, minimizzando i cosiddetti “ click “ di manipolazione che tanto portano disturbo.