«‎Жизнь слишком коротка для QRP»‎ — гласит надпись на футболке моего друга. Смысл этой фразы предельно понятен для радиолюбителя. Работать с малой мощностью, особенно при проведении сеансов дальней связи, непросто. Но все же можно, и здесь нам помогают современные технологии. Например, протокол FT8. Он стал чрезвычайно популярным за счет устойчивости к неблагоприятным факторам, влияющим на КВ-связь. У него есть и «младший брат-близнец»‎ по имени WSPR. Последний отличается исключительной неприхотливостью, и о нем как раз пойдет речь сегодня.

Полезная нагрузка

Стоит сразу уточнить, что WSPR (Weak Signal Propagation Reporter), в отличие от того же FT8, — это односторонний протокол связи. Предназначен он для оценки прохождения радиосигнала. Проводить с его помощью QSO напрямую нельзя, но это и не нужно. На его основе создают автоматические маяки, которые с определенной периодичностью отправляют пакеты данных. Принимая их в разных точках мира и агрегируя в единой базе, можно делать выводы о качестве канала связи.

Как и FT8, этот протокол привязан к точному времени. Все дело в том, что передача одного сообщения занимает фиксированное количество секунд. Начинается она каждую четную минуту. Значит, максимальная погрешность часов на передатчике не должна быть больше 1 секунды. Если ваш маячок оборудован модулем RTC (Real-time clock), прекрасно. Если нет — перед началом передачи нужно обязательно выполнить синхронизацию времени, например с помощью NTP-сервера.

Стандартное сообщение WSRP содержит в себе такие полезные данные:

• позывной,

• местоположение (код локатора),

• мощность сигнала (dBm).

В WSPR принято использовать не конкретные точные координаты, а так называемый QTH-локатор. В большинстве англоязычных источников его обозначают по-разному: Grid Square Locator, Maidenhead Locator System, QTH locator или IARU Locator. Смысл в том, что поверхность Земли делится условной сеткой на секторы и каждый из них получает свой буквенно-цифровой код.

Всего в такой сетке 324 прямоугольные ячейки — 18 x 18. Каждая из них дополнительно поделена на квадраты, которые обладают собственным кодом. Передавая этот код, радиолюбители указывают на приблизительное местоположение станции. В протоколе WSPR принято использовать 4-символьные значения.

Например, KO85 будет кодировать квадрат, который включает в себя Москву и многие города Подмосковья. Такая точность вполне достаточна для целей WSPR по определению местоположения станции. Это значительно быстрее, чем передавать точные координаты.

WSPR vs FT8

Фишка WSPR в том, что он показывает лучшую эффективность по сравнению с FT8 при передаче сигнала на большие расстояния. Все потому, что эти протоколы, несмотря на схожесть, разрабатывались с разной целью. WSRP оптимизирован для проведения дальних связей с малой мощностью и создавался как инструмент изучения распространения радиоволн. FT8 же стремился быть универсальным, давая больше интерактивности и позволяя передавать значительно больше информации, чем WSPR.

Для достижения лучшего соотношения сигнал/шум WSPR задействует очень узкую полосу пропускания — всего лишь 6,25 Гц против 50 Гц у FT8. Для лучшей помехоустойчивости передача одного сообщения WSPR длится значительно дольше, чем FT8 (110,6 сек против 12,64 сек). С использованием FT8 можно декодировать сигнал мощностью –21 дБ, а WSPR способен работать с более слабыми сигналами, например –28 дБ и ниже.

Настолько эффективная работа со сверхслабыми сигналами делает WSPR незаменимым инструментом для экспериментов с прохождением радиоволн на разных диапазонах. Обычно задействуется передатчик с мощностью не более 10 Вт. Как я уже упоминал раньше, это односторонняя связь. Поэтому теперь стоит сказать пару слов о том, кто же принимает отправленные в эфир данные.

Центральный хаб, обрабатывающий сигналы по протоколу WSPR по всему миру, — вот этот ресурс. Тысячи радиолюбителей-энтузиастов из разных стран загружают на него данные со своих приемников, обеспечивая сайт актуальной информацией. Особенно важны отчеты с автоматических маячков, поскольку они формируют своеобразную сеть постоянно работающих датчиков прохождения радиоволн в планетарном масштабе.

Сам по себе этот портал не слишком удобен для использования, поэтому в качестве разумной альтернативы можно выбрать сторонние сайты, разработанные энтузиастами. Они часто связаны с WSPRNet, но дают больше возможностей по интерпретации собранных данных. Вот пример такого сайта. На нем вы найдете такие полезные инструменты, как визуализация в Grafana или Google Earth. Там же есть возможность выгрузки больших кусков данных из общей базы для дальнейшего анализа.

С чего начать

Чтобы попробовать WSPR в деле, можно обойтись обычным одноплатником Raspberry Pi, отправляя радиосигнал низкой мощности прямо с одного из GPIO-пинов на подключенную к нему антенну в виде куска провода. Звучит отлично, но, перед тем как доставать «малинку»‎ из закромов, нужно обязательно официально стать радиолюбителем, сдав соответствующий экзамен и получив позывной. Без этого у вас будет право только на прием сигналов WSPR, без права самостоятельно выходить в эфир. Формально это будет нарушением законодательства и может повлечь ответственность.

У любой модели Raspberry Pi есть GPIO-контакты. Процесс передачи радиосигнала начинается с генерации прямоугольных импульсов на определенной частоте. Для получения синусоиды они пропускаются через фильтр нижних частот (Low-pass filter, LPF). Дальше сигнал модулируется с помощью частотной манипуляции (Frequency Shift Keying, FSK) в соответствии с требованиями протокола WSPR. Полученный сигнал усиливается и отправляется далее на антенну.

Такая схема подойдет для передачи сигнала на частотах от 0 до 250 МГц, охватывая диапазоны LF, MF, HF и VHF. Ожидаемая мощность составит 10 милливатт, что может показаться вообще смешной цифрой. Но это работает, и достаточно неплохо, при правильном сопротивлении антенны (50 Ом). Конечно, есть и подводные камни, о которых скажу ниже.

Для старта потребуется:

1. одноплатник Raspberry Pi;

2. карта памяти;

3. стабильный и мощный источник питания;

4. фильтр нижних частот;

5. антенна с сопротивлением 50 Ом.

Софт

Установка WsprryPi

В качестве операционной системы стоит выбрать актуальную версию Raspberry Pi OS без графического интерфейса. Перед началом работы советую обновить все пакеты и перезагрузить одноплатный компьютер:

$ sudo apt update && sudo apt -y upgrade && sudo reboot

Если по умолчанию в системе нет утилиты Git, устанавливаем:

$ sudo apt -y install git

После этого нужно зайти в консоль и клонировать репозиторий проекта WsprryPi:

$ git clone https://github.com/JamesP6000/WsprryPi.git

Переходим в скачанную директорию:

$ cd WsprryPi

Компилируем:

$ make

В процессе может возникнуть досадная ошибка вида:

/usr/bin/ld: mailbox.o: in function `mbox_open':

mailbox.c:(.text+0xc54): undefined reference to `makedev'

/usr/bin/ld: mailbox.c:(.text+0xcc8): undefined reference to `makedev'

collect2: error: ld returned 1 exit status

make: *** [makefile:22: wspr] Error 1

Открываем файл mailbox.c:

$ nano mailbox.c

В начало добавляем:

#include <sys/sysmacros.h>

Сохраняем при помощи Ctrl + O и выходим из редактора Ctrl + X. Повторяем сборку через make.

Пришла пора закинуть исполняемые файлы в системную директорию /usr/local/bin:

$ sudo make install

Тест генерации сигнала

Этот шаг не обязателен, но, если у вас под рукой любой осциллограф, вы легко можете его выполнить. Соответственно, убедиться в том, что с GPIO-порта приходит необходимый прямоугольный сигнал. Подключаемся к GPIO 7 и 9. В моем случае была использована старенькая Raspberry Pi 3 B+:

У меня под рукой был только «игрушечный»‎ осциллограф DSO138, который тем не менее способен этот сигнал нам показать. Для проверки нужно выполнить команду:

$ sudo wspr --test-tone 20e3

На дисплее девайса должна появиться такая картина:

Игрушечность прибора не позволит увидеть точную форму сигнала, но даже по такому измерению можно судить о правильной работе вывода GPIO.

Подключение и использование

Я не стану вам рассказывать о том, как собрать самодельную антенну или выбрать готовую. Это просто не нужно — в полевых условиях достаточно двух кусков кабеля для создания примитивного диполя.

Фильтр низких частот реализуется по самой простой схеме «конденсатор — сопротивление», где роль сопротивления играет антенна. Если предположить, что она будет иметь стандартное значение 50 Ом, то в зависимости от выбранного диапазона передачи можно будет подобрать необходимую емкость конденсатора по формуле:

Рассчитаем для диапазона 20 м:

• f = 14,097100 МГц = 14 097 100 Гц

• R = 50 Ом

• π = 3,14159

Подставив значения, получаем:
C = 1 / (2 * 3,14159 * 14 097 100 * 50)

Идеальная емкость:
C = 225,8 пФ

Поскольку конденсатора точно такой емкости не существует в природе, выбираем ближайшее стандартное значение 220 пФ. Его можно купить в любом магазине радиотоваров. Финальное подключение антенны для вещания на 20 м диапазоне будет выглядеть так:

Дело за малым — отправить команду на передачу. Вот она:

$ sudo wspr -s -r [позывной] [локатор] [мощность] 20m

Для несуществующего позывного WS4PR из Москвы (KO85), передающего с мощностью 33 дБм, это будет выглядеть так:

$ sudo wspr -s -r WS4PR KO85 33 20m

Detected Raspberry Pi version 2/3
WSPR packet contents:
 Callsign: WS4PR
 Locator: KO85
 Power: 33 dBm
Requested TX frequencies:
 14.097100 MHz
Extra options:
 NTP will be used to periodically calibrate the transmission frequency
 Transmissions will continue forever until stopped with CTRL-C

Ready to transmit (setup complete)...
Desired center frequency for WSPR transmission: 14.097100 MHz
 Waiting for next WSPR transmission window...
 Obtained new ppm value: -2.89357
 TX started at: UTC 2024-12-27 15:14:01.008
 TX ended at: UTC 2024-12-27 15:15:51.617 (110.609 s)

Если все сделано правильно и условия передачи подходящие, то спустя какое-то время вы увидите свой позывной на глобальной карте WSRPNet.

Что в итоге

Я рассказал о базовом примере того, как настроить Raspberry Pi для передачи сигналов WSPR без дополнительных ухищрений. На самом деле в продаже есть уже готовые шилды вроде такого, еще больше упрощающие жизнь. Но это, как по мне, лишает радиолюбительское дело духа экспериментов.

Получив первые результаты в WSPR, можно будет заняться улучшением схемы. Например, уделить больше внимания экранированию оборудования от помех или созданию более сложного фильтра низких частот. Так что пробуйте и не забывайте делиться своим опытом в комментариях.