MeteorScatter og EME med WSJT OZ1PIF, Peter Frenning EDR Frederikssund Afd. Onsdag den 2. Februar 2005

WSJT: Et software program for VHF DXere

WSJT: What is it? WSJT = Weak Signal by K1JT Udviklet af Joe Taylor, K1JT, Professor i Astrofysik ved Princeton Universitetet i USA. Nobelpris i Fysik 1993 for opdagelsen af Pulsarer ved hjælp af Radioteleskopet i Arecaibo Supporterer tre digitale modes: FSK441 for meteor-scatter JT65 for ultra svage signaler JT6M for SIX meter Anvender PC’ens lydkort Stiller ingen krav om special udstyr

Meteor-scatter ABC

Meteor scatter hvorsomhelst og nårsomhelst! FSK441: Meteor scatter hvorsomhelst og nårsomhelst!

Hvorfor køre HSMS? På 144MHz: Tropo op til ca 8-900Km ES sjældent under 2000Km AU sjældent over 1200Km MS 600-2000+Km! På 50MHz: Uinteressant, afstande allerede dækket ind af ES På 432Hz: Nye muligheder at udforske!

Science fiction? Små stykker rumstøv farer ind i Jordens atmosfære med meget høj hastighed Mest “dustballs” – lette porøse partikler sammensatte af letmetaller. Størrelse fra støvfnug til sandkorn. Friktionen i atmosfæren stripper elektronerne fra kernerne( = ionisering)

Hvorfor køre HSMS? (Størrelsen GØR en forskel!)

Tiden spiller en stor rolle! Meget korte kommunikations vinduer SSB og hurtig CW (>30 WPM) er de traditionelle metoder (Gode) operatører anvender specielle operatørteknikker for bedst mulige resultater SSB/CW QSO’er på 144 MHz eller højere er kun mulige i de store meteorsværme

“Underdense” vs. “Overdense” Overdense bursts er et resultat af store og hurtige meteorer. De ioniserer en tyk kanal af luft som ikke neutraliseres hurtigt. Bursts kan vare mange sekunder, ofte længe nok til at gennemføre en komplet QSO. Kun brugbar til SSB og CW Kendes kun i forbindelse med de store meteorsværme, og meget ualmindelige ellers.

Typisk overdense burst (70WPM CW) Her er en mærkelig en…..

“Underdense” vs. “Overdense” Underdense spor skabes af mindre og langsommere meteorer. Disse forårsager lige akkurat tilstrækkelig ionisering til at reflektere et radiosignal. Disse reflektioner er meget kortvarige, maksimalt < 500mS. Ikke særligt brugbare til konventionel SSB eller CW—kaldes normalt “pings” Meget hyppige, også uden for meteorsværme

Underdense “ping”

Brug af underdense spor—HSCW Send korte meddelelser der gentages hurtigt efter hinanden Operatøren udnytter mange korte reflektioner til at stykke en QSO sammen i løbet af kortere eller længere tid, i stedet for at få det hele på en gang Anvender båndoptager til langsom gengivelse af 100 WPM eller hurtigere CW. (Computer software har øget hastigheden til ~2000 WPM.) Populært i Europa siden 1960’erne

Problemer med HSCW Megen HF energi spildes i sidebånd. S/N forringes med øget hastighed. Nøgle-klik kan give anledning til problemer for andre brugere, især hvis der skrues for meget op.

En digital løsning: FSK441 Ligesom ved HSCW, anvendes en hurtig gentagelse af en kort meddelelse til at gennemføre en QSO ved hjælp af flere korte reflektioner 100% duty cycle, så ingen spild af energi. Mere brugervenligt interface--ligner RTTY eller PSK31 modes. Meget bedre S/N end HSCW ved samme hastighed

FSK441: Hvad ligger der i et navn? “FSK…” –der anvendes Frequency Shift Keying. Tænk på det som avanceret RTTY, dog skifter FSK441 imellem fire toner istedet for blot to. Toner: 882Hz, 1323Hz, 1764Hz, 2205Hz. “…441” –Hver tone tager ca 2.3ms at sende. Hvert tegn består af tre toner. Dvs 441 baud eller 147 TPS

Spectral display: FSK441 “ping”

Spectral display in WSJT

Sådan fungerer det…. Operatørerne skiftes til at sende i 30-sec intervaller. Herved sikres at kun en station sender og en station lytter ad gangen. Efter hver modtageperiode dekoder programmet de signaler det måtte have detekteret og viser resultatet på skærmen.

Sådan fungerer det…. Programmet beregner den gennemsnitlige styrke af det modtagne signal. Det leder efter “spikes” i signalstyrken—disse kan være meteor pings over støjgulvet…eller QRN! Hvis den detekterede spike opfylder visse andre kriterier, dekoder programmet den som tekst og viser resultatet som tekst på skærmen.

WSJT i FSK441 mode

FSK441 kodningen Kodningen understøtter kun tegn vi er interesseret i: Kaldesignaler, signal rapporter og meget korte beskeder. PUA43 alfabetet bruges: A-Z, 0-9, mellemrum, punktum, komma, ?, /, #, og $. Ingen formatteringstegn som f.eks. <CR> eller <LF>. Ingen stop bits: synkroniseringen sker uden ekstra tegn!

RTTY og FSK441 RTTY (5-bit) A 00011 B 11001 C 01110 Z 10001 6 10101 6 10101 <SP> 00100 FSK441 (3-bit) A 101 B 102 C 103 Z 231 6 012 <SP> 033 *

FSK411 synkronisering Mellemrum er indkodet som “033”. Intet andet tegn starter med “3”. Alle meddelelser indeholder mindst et mellemrum! Hvis operatøren ikke selv indsætter et, vil programmet selv addere det til enden af beskeden. Når WSJT finder et signal, “leder” søger det efter sekvensen “033”. Dette er så synkroniserings punktet.

FSK411 synkronisering Et signal burst indeholder: ….123001122210033123223203131….. WSJT finder “mellemrum” tegnet: ….123001122210033123223203131….. WSJT kan nu dekode: ….123 001 122 210 033 123 223 203 131… K 1 J T K 0 S M

Single-tone messages Hver FSK441 tegn indeholder mindst to forskellige frekvenser —ingen “000” “111” “222” eller “333”. Disse sekvenser er forbeholdt “shorthand” messages: “R26” “R27” “RRR” “73”. Hvis et af disse sendes in en løkke vil resultatet være en ren enkeltfrekvens bærebølge (derfor navnet!) NB: Bruges IKKE i Region 2!!!!

FSK441 QSO procedurer Helt ligesom SSB MS Operatøren sender information, baseret på hvad der er kopieret fra den anden station. QSO er komplet når begge stationer har modtaget fulde kaldesignaler, en ikke på forhånd kendt information (normalt rapport), og bekræftelse på at det er modtaget i den anden ende (“roger”).

FSK441 procedurer 30-sekund sekvenser er standard. Den Vestligste station sender i den første periode. Dette er gældende på den vestlige halvkuglee. DXpeditions vil normalt afvikle alle skeds og CQ’er på samme frekvens og periode, uanset retning. “Almindelige” CQ’er kan sendes i enten første eller anden periode. Herved mindskes QRM (contest/sværme)

FSK441 rapport system Første ciffer (1-5) “Længde” 1: no info (bruges ikke) 2: op til 5 s 3: 5 til 15 s 4: 15 til 60 s (!) 5: mere end 60 s (!!!) Andet ciffer (6-9) “Styrke” 6: op til S3 7: op til S5 8: op tilo S7 9: S7 eller mere

En QSO… Hvis du har fået…. Sendes…. Intet…………….. Partielle kaldesig.….. Begge kaldesig…. Begge kaldes. og rap.. “R” + rapport…… “RRR”………. Sendes…. Kun kaldesignaler Kun kaldesignale Kaldes.+rapport (el. felt) “R” + rapport “RRR” QSO er komplet, send “73” eller (eller QRZ, CQ)

….andre vigtige meddelelser… Sommetider behøves specifik information: MMM………. “I need my callsign” YYY………… “I need your callsign” SSS………….. “I need your report” UUU………... “Your keying is unreadable” Disse meddelelser kan være meget nyttige når pings er meget korte—f.eks på 432 MHz.

Hvad har jeg brug for? Mest anvendte bånd er 144 and 50MHz. Der er voksende aktivitet på 432 MHz, QSO’er lykkedes. Jo mere jo bedre, men “brick og yagi” er tilstrækkeligt på 144 and 222 nårsomhelst. Brick og yagi er lykkedes på 432, mere erfaring er nødvendig før endelig konklusion. Preamp—du aner ikke hvad du går glip af!

Hvad har jeg brug for? En computer med lydkort -- 100Mhz Pentium med 64Mb RAM kan bruges, men du vil ønske at du har mere! WSJT Software (Gratis!) Interface mellem lydkort og radio. Enten et kommercielt “PSK31” interface (Rigblaster, MFJ, etc) eller HB.

WSJT Station

Hvad kan køres? På 144MHz, tkan en “brick og yagi” station køre en tilsvarende station op til 1000-1600Km afstand, nogenlunde regelmæssigt året rundt. Geometrisk begrænsning på ~2400Km (baseret på den højde hvor meteorer ioniseres tilstrækkeligt) Limits, schlimits! Rekorder er til for at blive slået!

144 MHz MS QSO’s from JO65AN

Hvornår skal jeg være QRV? De daglige “tilfældige” meteorer kulminerer omkring lokal solopgang, men QSO’er kan gennemføres nårsomhelst på døgnet – det kan tage længere eller kortere tid, men det kan lade sig gøre. Små sværme kan forøge reflektionshyppigheden (Juni-December) Før og efter de store sværme (Leonider, Geminider etc.)

En “really weak signal” mode JT65: En “really weak signal” mode

JT65 Integrerer signal over lang tid, for at dekode signaler langt under støjgulvet. Mennesker har “korttids ører” begrænset af sanse hukommelsen-signaler kan kun analyseres over kort tid. Computere kan analysere signaler over relativt lange perioder – kun begrænset af processorkraft og memory! .

Tid til en demonstration! “Lange ører” og “Korte ører”

JT65 kodning Inspireret af PUA43 moden Anvender 44 tones, en for hvert tegn i PUA43 alfabetet (samme som FSK441), plus en synkroniserings tone. Hvert tegn har sin egen unikke tone. Langsom transmissionshast.: 5.38 baud. Højredundant (FEC)

JT65 Toner Båndbredde på 485Hz Toner hver 10.8Hz Z 1755.0 Hz : A 1485.8 Hz $ 1475.0 Hz . 9 1399.7 Hz 0 1302.8 Hz Sync 1270.5 Hz Båndbredde på 485Hz Toner hver 10.8Hz Sync tone 32.3Hz under data. Giver mulighed for frekvensafvigelse og EME Doppler skift i 2.7 KHz båndbredde.

JT65 kodning Transmissionen vare ca 55 s, med en pause i begyndelsen og slutningen af hensyn til timing fejl og EME delay. (der anvendes 60s perioder i JT65) 270 intervaller (bits) 140 er dedikerede til sync toner De resterende 130 intervaller bruges til at sende en besked på 22-tegn seks gange .

Hvorfor en sync tone? Toner med 10.3-Hz intervaller. De fleste VHF radioer er ikke så stabile—dit digital display lyver! De fleste radioer driver lidt over en længere periode. Sync tonen leverer en frekvensreference for data.

Sådan dekoder WSJT JT65: Frekvensbestemmelse WSJT foretager en frekvensanalyse af hele 60s perioden, da sync tonen sendes mere end halvdelen af tiden bør den dominere over alle andre frekvenser (tegn). Herved skabes en reference frekvens for dekodning af data. Afvigelsen fra nominel frekvens vises i “DF” kolonnen på skærmen.

Spectral analyse af kraftigt (hørbart) JT65 signal

The pseudo-random pattern of the sync tone 1-20: 11101000011100110000 21-40: 10010001010111010111 41-60: 10010010111001110000 61-80: 00111011101001111010 81-100: 10010100000010101010 101-120: 11111010110100000110 121-135: 111011011010110

Sådan dekoder WSJT JT6: Timing WSJT søger efter “best match” til dette kendte mønster. Kvaliteten af denne matchning vises som 0-9 i “sync” kolonnen. Tidsafvigelsen vises i DT kolonnen på skærmen, sender og modtager SKAL være synkrone indenfor ~1 sek af hinanden.*

Dekodet JT65 signal

JT65 Message foldning Enkelttegn vil være 6.8dB under sync tonen, fordi mindre tid er til rådighed til at sende disse frekvenser. (Sync tonen sendes 140/270 af tiden, alle andre tegn tilsammen 130/270 af tiden) Hver fordobling af antallet af modtageperioder giver 1.5dB forbedring af S/N. Fire perioder giver 3dB forbedring, 16 perioder 6dB, etc. Her er forudsat at JT65 kan synkronisere hver periode(dvs., at signalet er kraftigere end ~-29dB).

Message “foldning” Nogle beskeder har symmetrisk indhold: 22 tegn er ofte nok til at sende to sæt kaldesignaler: “K1XXX W2ZZZK1XXX W2ZZZ” Message kan “brækkes” i to stykker og lægges dobbelt for at opnå bedre dekodning: K1XXX W2ZZZ

Line averages Nogle beskeder har endnu større redundans: “RORORORORORORORORORORO” “7373737373737373737373” Og ikke mindst: “RRRRRRRRRRRRRRRRRRRRRR” Gennemsnit af lige, ulige, og sidste fire tegn gives efter hver modtagelse.

Gennemsnit

JT65 og CW sammenlignet S/N S/N Signaltype (50Hz BW) (2500Hz BW)* Minimum intelligible CW +6.0dB -11.0dB JT65 random message -6.1dB -23.1dB JT65 message after 4 min -9.1dB -26.1dB JT65 “RORORORORO” -11.3dB -28.3dB JT65 “RRRRRRRRRR” -12.8dB -29.8dB JT65 limit of synchronization -12.9dB -29.9dB *WSJT rapporterer S/N i 2500Hz båndbredde (dB kolonne)

A demonstration… Copy this CW signal: Here’s a JT65 signal at an even lower S/N:

CW JT65

JT65 signal decoded in WSJT

JT65 procedure 60-sekund perioder EME operation ofte via sked Nogle “big guns” kalder CQ, men annoncerer ofte frekvens osv (e-mail, webchat, packet).

JT65 procedurer Terrestrisk operation ligner FSK441, men ofte sendes lokatorer istedet for rapport. Vestligste station sender 1ste periode (Region 2) EME operation bruger “TMOR” system—samme som CW. Check med din sked partner!

Operatørens ansvar Lås til den anden stations signal, og juster for frekvensdrift Identificer og slet “bad syncs” således at de ikke indgår i den foldede besked Tilpas kontroller for QRN og birdies

JT65—terrestrisk operation JT65 fungerer UFB på afstande der ikke er egnede til MS. Mange operatører har brugt det på 6m til TR, TEP, og marginale Es åbninger. Microwave non-line-of-sight paths

Andre terrestriske anvendelser Ultralange Ionoscatter forbindelser mellem “store” stationer på 144MHz. Kan være brugbar til overvindelse af atmosfærisk absorbtion på 10GHz og derover.

JT65: EME anvendelse JT65’s evne til at detektere og dekode ekstremt svage signaler, gør det ideelt til EME Største aktivitet via skeds (som CW EME), men stærkt voksende random aktivitet. 144MHz er det mest anvendte bånd. Også aktivitet på 50 MHz, 432MHz, og 1296 MHz indtil videre….

Hvad behøves til at gennemføre EME QSO’er? To enkelt-yagi stationer kan køre hinanden med QRO power. “Brick og yagi” stationer kan køre større stationer ved måne op- og nedgang (ground gain). Enkelt-yagi og et par hundrede watt på 6m kan køre de tunge drenge (W7GJ, ON4ANT) W5UN er blevet hørt på en “Ringo-Ranger” vertical på 2m!

EME muligheder EME er muligt med medium-power, solid-state amps (bricks) og enkelt-yagi uden elevation – sågar barfodet (50W) og 9-element Portabel EME operation er realistisk. DXpedtioner kan have tilstrækkeligt udstyr med til EME Hvis du ikke har en god LNA, aner du ikke hvad du går glip af!

Clock synkronisering Dimension 4 Clock utility: http://www.thinkman.com/dimension4/ Holder computer clock synkroniseret med WWV via internet GPS synkronisering. Manuel justering så godt som uanvendelig.

Her hentes WSJT: WSJT homepage: http://pulsar.princeton.edu/~joe/K1JT/ 5.6Mb download Selvudpakkende .EXE fil— “click-click!” Der medfølger 38-sider manual med mange illustrationer og vejledning (på engelsk) i .pdf format!

Seneste udviklinger JT1 mode opgivet, men... Version 4.9.x har ca 4 dB forbedring i forhold til 4.7! ”snyder” fuldstændig som en ærlig CW operatør! ”kender” de fleste af de mulige kaldesignaler fra en database, og vil, hvis et delvist kaldesignal er dekodet, bruge meget tid og mange ressourcer på ”deep search” for at finde en komplet match