BIR FISILTI (WSPR) MACERASI ve ESP_WSPR

2019 yazında sevgili arkadaşım Google ile dijital haberleşme sistemleri üzerinde araştırma yaparken WSPR diye oldukça ilginç bir amatör dijital haberleşme protokolüne rastladım.
Bu protokolün en önemli özelliği amatör haberleşme standartlarına göre QRP yani çok düşük güçle çok uzaklara ulaşmasıydı. Bunu yaparken tek yönlü yani sadece verici olarak çalışıyor ve alan istasyonun kullandığı özel yazılım ile alınan sinyalin özellikleri ve gönderen istasyonun çağrı kodu internet üzerinden bir sunucuya ulaşıp oradaki veri tabanında depolanıyordu.
Daha da güzeli verilerin depolandığı sunucunun internet adresi üzerinden çağrı kodunuz ile sorguladığınızda yolladığınız sinyalin hangi istasyonlar tarafından ne şiddette ve kaç bin kilometre uzaktan alınmış, hem tablo olarak hem de bir haritada görebiliyorsunuz.
Açıkçası bu kadar zayıf dijital sinyallerin bu kadar uzağa gidebilmesi bana oldukça ilginç geldi ve fısıltı (WSPR) maceram başladı.
Öncelikle bu fısıltı protokolü neymiş onu öğreneyim dedim. WSPR İngilizcede Weak Signal Propagation Reporter kelimelerinin bas harflerinden oluşan bir protokol. Kısaca WSPR diye anılıyor. WSPR aynı zamanda İngilizcede fısıltı anlamına gelen “whisper” kelimesini andırdığı için düşük gücünden dolayı amatörler arasında fısıltı vericisi olarak anılıyor.

Peki iyi de bu WSPR ne ise yarar? Ve nedir?

WSPR aynı aileden gelen benzer protokoller olan FT8, JT65 vs. gibi çok zayıf sinyaller ile uzağa ulaşmak amacıyla tasarlanmış bir dijital haberleşme protokolü. Tüm bu protokollerin babası Joe Taylor,K1JT isimli Amerikalı bir amatör telsizci.

Joe Taylor Princeton Üniversitesinde görevli bir astrofizikçi ve Nobel ödülü almış bir akademisyen.
WSPR ne ise yarar diye sorduğumuzda bunun en basit cevabi belirli bir banttaki propagasyonun belirli bir saatte ne durumda olduğunu görmenin en etkin yolu diyebiliriz. Diğer bir kullanım amacı da anteninizin seçilen banttaki yayılım ve verimini test etmenin en etkin yollarından biri.

Diyelim yeni bir 20 metre/14 mhz anteni kurdunuz. Anten analizör ile test ettiniz her şey güzel çalışıyor. Ama daha QSO yapmadınız yani anten sınıfı geçmedi. Elinizde de bir 14 mhz 10 mw WSPR vericiniz var. Güldüğünüzü duyabiliyorum 10 mw’ı duyunca. Bu çok normal bir tepki.

Neyse bu 10 mw’lik müthiş çıkış gücünü yeni kurduğunuz anteninize bağladınız ve WSPR vericiniz çalışmaya başladı. Diyelim ki 24 saat boyunca her 2 dakikada bir yollama yaptı. 24 saatin sonunda WSPR vericisini kapattınız ve www.wspr.vk7jj.com veya www.wsprnet.org adreslerinden birine girip parametre ekranında bandınızı seçip yani 20 metre bandını ve çağrı işaretinizi girdiğinizde sizi bekleyen sürprizi görünce 10 mw gücü duyduğunuzdaki gülümsemeniz ciddi bir sevince dönüşecektir. 10 mw çıkış gücü ile 1500 ile 2000 km uzağa ulaşmak her amatör telsizciyi sevindirir. Tabii bu sizin anteninizin verimli çalıştığına dair önemli bir kayıt da olacaktır.

Tabii bunun tersi de mümkün! Anteniniz verimsiz veya ayarsız da olabilir. Bu durumda ulaştığınız uzaklıklar ve sizi duyan amatör telsizciler göreceli olarak azalır.

WSPR nasıl çalışır?

WSPR sinyallerini yollamak için bir PC ve bir amatör radyo vericisine ihtiyacınız var.
PC’nizin ses kartı girişi vericinizin mikrofon/Kulaklık girişine bağlamanız gerekli ki WSPR yazılımı vericinizi kullanarak verisini yollayabilsin. Doğal olarak bir de seçtiğiniz banda ayarlı bir anten sisteminiz olması şart.
PC yani bilgisayarınız üzerinde Joe Taylor,K1JT tarafından yazılmış WSJT-X programı çalışır. Bu program WSPR ile birlikte FT4, FT8, JT9, JT65, QRA64, ISCAT, MSK14MSK144 dijital protokollerini de destekler ve çözer.
WSJT-X yazılımı ile uğraşmak veya daha fazla bilgi edinmek için aşağıdaki linki ziyaret etmenizi öneririm.

WSPR

Dünya’daki amatör telsizcilerin bir kısmı WSPR qrp vericileri ile yollama yaparken diğer bir kısmı da WSJT-X programı ve PC’leriyle amatör telsizlerini bağlayıp WSPR gibi dijital protokolleri dinlemeye çalışmaktadırlar.
Bu alma ve gönderme grupları wsprnet.org sitesi tarafından veri tabanına kaydedilir ve biz amatör telsizcilere bu siteye ulaşıp yolladığımız veya aldığımız WSPR sinyallerini inceleme imkânı tanır.

WSJT-X programı kullanılarak dinlenmiş ve çözülmüş WSPR verisi WSJT-X’in üzerinde çalıştığı bilgisayarın internet bağlantısı üzerinden wsprnet.org sitesine otomatik olarak aktarılır ve kaydedilir. Her bir kayda SPOT denmektedir.

Yukarıda bir adet SPOT’a örnek olarak YM2KA ANTRAK 200 mw WSPR vericisinin WSPRnet.org veri tabanınca kaydedilmiş bir QSO’sunu inceleyelim.

İlk kolon UTC yani gönderinin alındığı tarih ve zaman.

2. kolon TX Gönderen istasyon yani YM2KA

3. kolon txGrid ise nereden göndermenin yapıldığı yani maidenhead grid locator konumu (Ankara için bu veri KM69). Maidenhead Grid location- Maidenhead konum belirleme sistemi ile daha fazla bilgi edinmek isterseniz: https://en.wikipedia.org/wiki/Maidenhead_Locator_System

4. kolon RX gönderiyi alan istasyonun çağrı kodu.

5. kolon rxGrid alan istasyonun maiden head grid locator bilgisi yani gönderdiği konum.

6. kolon haberleşmenin alındığı frekans ki burada 14.097184 Mhz yani 20 metre bandı.

7. kolon W gönderme yapan istasyonun rapor ettiği watt cinsinden çıkış gücü ki ANTRAK Wspr 200 mw çıkış gücünde yani 0.2 W.

8. kolon SNR alinan sinyalin SNR yani (signal to noise ratio) gurultu oranı.

9. kolon drift sinyalin alış esnasında ne kadar kaydığı. Bu hızlı haberleşmelerde pek olan bir şey değil ama WSPR son derece yavaş bir haberleşme protokolü ve bir komple paketin göndermesi toplam 110 saniye sürdüğü için frekans kayması olabilir gönderme esnasında. Bu da bize verici osilator veya PLL’imizin ne kadar istikrarlı çalıştığını gösteriyor bir anlamda.

10. kolon Km yani her iki istasyonun birbirine olan uzaklığını veriyor. Burada YM2KA sinyali 3002 km’ye ulaşmış 0.2 Watt ile. Burada örnek olarak http://wspr.vk7jj.com/ sitesindeki parametre tablosunu kullandım. Bu sitede çıkış gücü watt cinsinden gösteriliyor. Wspr sitesinde ise dBm yani desibel metre cinsinden ifade edilir.

11. kolon Km/Watt kolonu bize teorik olarak watt cinsinden alınan verilere göre ne kadar uzağa ulaşabileceğimizi belirtiyor.

12. kolon ise SpotQ yani alınan sinyalin veri tabanı SPOT kayıt numarası.

Buraya kadar çok ilginç gelmişti Google da araştırınca ve WSPR neymiş fikir edindim. Tabii simdi bu öğrendiklerimi deneyip en azından bir WSPR haberleşmesi yapmam lazım da ufak bir sorun var! New York da bir apartman katında oturup HF antenim ve HF vericim olmadan bu denemeyi nasıl yapacağım.
Başlangıç olarak diğer amatör telsizciler nasıl bu isi pratik şekilde çözüp ne ile yollama yapıyorlar diye araştırmaya başladım.

WSPR Verici Araması

Google da WSPR transmitter diye arayınca karsıma üç şey çıktı: Silicon labs firmasının SI5351A direk dijital frekans sentezörü, Arduino ve GPS alıcısı! Ve gördüm ki PC ve kallavi bir HF telsizine ihtiyaç olmadan düşük güçlü WSPR vericisi yapmak mümkün.

Büyük bir sevinçle önce Arduino WSPR programlarını indirdim ve incelemeye başladım.

Şunu öğrendim:

1- WSPR son derece istikrarlı bir zaman saati gerektiriyor. Hassasiyet 1 sn veya daha az olmalı ve kaymamalı.

2- Maiden Head Grid locator verisini yani yollama yaptığım konumu belirlemek için bir GPS alıcısına ihtiyaç var.

3- SI5351A çıkışı kare dalga olduğu için bolca harmonik üretiyor. Bunu bastırmak ve sinyali sinüs cikis sinyaline çevirmek için tüm amatör telsizciler 7 noktalı alçak geçiren filtre kullanmışlar. Beni bilen bilir hayatta en sevmediğim eleman bobindir! En çok bu kısım beni korkuttu.

WSPR Çalışma Tekniği

Şimdi birazda WSPR’in çalışma tekniğini inceleyelim. WSPR verisi üç ana bilgiden oluşur. Çağrı işareti, konum, güç. Çağrı işareti toplam 6 karakterden fazla olamaz. Konum için Maiden Head Grid Locator verisinin ilk dört karakteri kullanılır. Bu da bize 100 kilometre karelik alanda bir konum verir. Güçte dBm cinsinden yollanır yani tüm gönderilen bilgi 50 bitlik bir dizidir.

Çıkış gücünüz en fazla 5 watt olabilir. WSPR çok yavaş bir haberleşme protokolü. Gönderim hızı 1.46bps ve tum datanın yollanması yaklaşık 110 saniye alıyor.

Her WSPR vericisi ve alıcısı çift sayılı dakikanın başında yollamaya başlar ve 110 saniye sonra göndermeyi bitirir. Bu zaman senkronu her SPOT’un başlangıç ve bitişinin verici ve alıcılar ile senkron olmasını sağlar.
Tabii burada çok detaya girmek istemiyorum. WSPR veri haberleşmesinin protokolü üzerine daha fazla bilgi edinmek isterseniz aşağıdaki siteyi öneririm.
http://physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/doc/WSPR/WSPR-main.html

Yukarıdaki bilgilerin ve Google üzerindeki bilgilerin ışığında New York’ta sadece C sınıfı yani VHF ve UHF lisansı olan, şehir içinde çok katli binalarla çevrili bir apartmanda oturan, anten dikemeyen (izin yok), HF cihazı olmayan, olsa da lisansı kullanmaya yetmeyen bir amatör telsici olarak bir portatif WSPR vericisi yapmaya soyundum! Hadi hayırlısı!

ANTRAK WSPR Vericisi

Bu arada Ekim 2019 ayında Türkiye’yi ve Antrak’ı ziyaretim sırasında sevgili TA3AS Serdar Ulukonakcı ile epey bir uğraştık Antrak için alıp götürdüğüm hazır kit WSPR vericisini çalıştırırken. Verici güzel çalışmasına rağmen GPS kilitlenme sorunları yaşadık. GPS sinyali iyi alınmadığı durumlarda hem zaman senkronu hem de konum bilgisi şaşıyordu ve verici gönderme yapamıyordu. Kısaca GPS direk gökyüzünü görmeliydi.

Dönüşte uçakta epey bir kafa yordum bu gps konusuna. GPS WSPR vericisinin en önemli elemanı. GPS’in iki önemli görevi var. İlki uydulardaki atom saatini kullandığı için çok hassas bir zaman osilatörü. İkincisi ise konum verisini alıp Arduino’nun konuma karşılık gelen Maiden head grid locator konum bilgisini üretmesini sağlayan eleman. İyi de benim apartman katında etrafım kulelerle çevrili iken bu gps nasıl hassas çalışacak? Bu sorunu çözemedim.

ESP8266 ve NTP(Network Time Protocol) Sunucular:

ESP8266 Espressif firmasının ürettiği içinde tüm wifi protokolü ile ARM işlemcisi olan bir modül.
https://www.espressif.com/en/products/hardware/esp8266ex/overview
Bu modül ile WIFI routeriniza bağlanabilirsiniz ve internet üzerinden haberleşebilirsiniz.

Bu da nereden çıktı dediğinizi duyar gibiyim!
Ben ESP8266 ile yaklaşık 2015 yılında tanıştım ve bugüne kadar bir alay wifi üzerinden kontrol ve sensor uygulaması ile uğraştım bu modülü kullanarak. En güzel tarafı Arduino ile çalıştırdığınız her program bu modül üzerinde de çalışabilir.

Bu modül ile WSPR vericisinin ortak iki özelliği var:

Birincisi bu modül ile internet üzerindeki zaman sunucularına ulaşabilirsiniz. Böylece ESP8266 içerisindeki zaman saatini istediğiniz kadar hassas tutabilirsiniz. Internet üzerinde bir alay NTP server var. NTP – Network Time Protocol – sunucular çok hassas atom saatleri ile networkler arasında zaman senkronizasyonu yapmak için kullanılır.

WSPR vericisinde çok hassas bir zaman senkronu istiyor.

İkincisi ise WSPR verici programları Ardunio ile yazılmış çoğunlukla. ESP8266 da Arduino ide ile programlanabiliyor.

Bu benim Amerikalıların deyimiyle “eureka moment” yani ampulümün yandığı andı. ESP8266 ve NTP sunucu kullanırsam GPS’e gerek kalmadan wifi üzerinden oturduğum yerden WSPR verisi yollayabilirdim teorik olarak!
Tabii iki önemli sorunu halletmem lazım daha havaya çıkabilmek için.

1- General lisans almak. Yani C sınıfından, A sınıfına geçmek.

2- BIr anten edinmek (!) ki en önemli sorun bu, anteni nereye kuracağım? Neyse bu sorunu en sona bırakıp öncelikle devreyi yapıp laboratuvar şartlarında çalıştırmaktı amacım.

ESP WSPR:

Böylece ANTRAK deyimiyle yeni maymun yani yeni merakıma ve macerama başladım. Öncelikle bir SI5351A modülü edindim ki bunlar oldukça ucuz olarak www.aliexpress.com da mevcut. Hatta Türkiye’de www.direnc.net ve www.N11.com da var. yaklaşık 5 dolar kadar.

ESP8266 içinde WEMOS D1 mini modülü elimde vardı onu kullandım. WEMOS D1 mini modülü de www.aliexpress.com veya yukarıda yazdığım Türkiye’deki sitelerden temin edilebilir. Herhangi bir ESP8266 NODEMCU modülü de kullanılabilir.

Tabii işin en bela tarafı tüm amatör telsizcilik hayatı boyunca hep dijital ile uğraşmış bendenizin toroid bobin sarıp alçak geçiren filtre yapması!
Neyse onu en son düşünürüz deyip şemasını çizdim devrenin:

Arduino ile çalışmanın en güzel tarafı eğer bir entegre veya modül kullanmak isterseniz ve bu amatörler arasında popüler ise internet üzerinde dünya kadar library’sini yani kütüphanesini bulabiliyorsunuz. Kütüphane olunca da araları birleştirip program yazmak benim deyimimle kes-kopyala-yapıştır programcılığı oluyor!

Yıllarca PIC işlemciler üzerinde programlama ile uğraşıp her entegre için kendi kütüphanemi yazdığım geceler boyu uykusuz kaldığım günlere göre Arduino ile uğraşmayı bu KES-KOPYALA-YAPISTIR felsefesi yüzünden çok seviyorum. En azından daha fazla uyuyorum.

SI5351A kütüphaneleri

İlk iş olarak SI5351A kütüphanelerini bulup Arduino üzerine ekledim.
https://github.com/etherkit/Si5351Arduino

Kullandığım SI5351A Arduino kütüphanesi NT7S Jason Mildrum tarafından yazılmış ve genelde bütün Arduino WSPR vericileri bu kütüphaneyi kullanıyor.
Delikli pertinaksta devreyi kurmaya başladım. Tabii Alçak geçiren filtrede taşa çarptık. Hemen bir internet araştırması sonunda QRP Labs’i buldum.
https://www.qrp-labs.com/lpfkit.html

İşin ilginci, QRP Labs Türkiye’de Muğla Dalyan’da yasayan bir İngiliz amatör telsizciye ait.

Buradaki filtre detaylarını kullandım. Hatta bir adet 14 mhz, bir adet 28 mhz filtre de ısmarladım.

Ben 20 metre/14 Mhz bandını seçtim. Bunu seçme sebebim anten boyutu nispeten daha küçük ama propagasyon şartları daha yüksek frekanslı bantlara göre daha iyi olması.

Sonuçta ilk low pass filtremi sarıp devreyi monte ettim:

Toroid bobinler AMIDON firmasının T37-6 tipi. L1 ve L3 bobinleri 0.30 mm’lik telden 16 sarım. L2 bobini ise 0.30 mm’lik telden 17 sarım. Tel çapı çok kritik değil. Çok zor olmadığını gördüm bu toroid bobin işinin. Korktuğum kadar yoktu.

Toroid detayları aşağıdaki linkte:

http://www.amidoncorp.com/t37-6/
İlk etapta basit bir program yükleyip 14 mhz de osiloskop ile sinyal çıkışını görmek istedim.

İlk önce basit bir Arduino programı ile SI5351 çalışıyor mu diye kontrol ettim. Tabii bu program aynı zamanda alçak geçiren filtrede iş görüyor mu onu görmek için bir yol.

Frekans olarak WSPR 20 metre bandının ortasını seçtim. 14.097100 Mhz. WSPR band genişliği 6 hz kadar. Tüm band ise 200 hz. Frekans kararlığının iyi olması gerekiyor. SI 5351 A bu acıdan çok iyi bir entegre. Tabii aşırı soğuk ya da sıcakta kayıyor frekansı TCXO kullanılmadığı için bu ucuz Çin yapımı modüllerde. Genelde fena değil.

Osiloskopta görüldüğü gibi sinyal çıkışı tatminkâr bir sinüs dalga.
Böylece ilk ve en önemli kısım yani sinyal üretme ve alçak geçiren filtre testi bitmişti.

Dev bir adım

Amatör telsizcilik için küçük ama hayatında hiç alçak geçiren filtre yapmamış olan ben için büyük bir adım!
Daha sonra gene Google’da araştırma başladı. Bu sefer ESP8266 ve WSPR için yazılmış Arduino kodu avına çıktım. Ve buldum bir tane. İtalyan amatör telsizci IW5EJM Marco’nun yazdığı Arduino programı hemen hemen istediğim her şeyi yapıyordu. Marco’ya ne kadar teşekkür etsem azdır. Bu yazılımı alıp kes-yapıştır-kopyala programcılığımla adapte ettim ve çalıştı! Evdeki wifi router’a bağlanıp NTP server datasını alıp WSPR sinyallerini kusursuz 20 m/14 mhz bandında yollayabiliyordu yazılım. Tabii anten yerine 50 ohm’luk dummy load’a!
Şimdi sıra deneme yapmaya yani havaya çıkmaya gelmişti ve sorunlar başladı bu noktada.

Amatör Telsiz Lisansı

Öncelikle, 20 metre bandında yollayabilmek için Amerikan General Amateur Licence sınavına girmem lazım. Neyse birkaç gece çalışarak bu sınavı geçtim.

Birinci engel kalkmıştı. Simdi en önemli engel olan anten vardı. Anten için iki seçeneğim var: Ya bir mobil anten alıp arabamın üstüne mıknatıslayıp arabamdan yollayacağım ya da manyetik loop anten yapıp onunla kapı önünden parktan evden filan WSPR sinyalini göndereceğim.

Bir Amatör Telsizci Dosttan Yardım Aldım

Amatör telsizci arkadaşım Çağlar Akgüngör, KD2RCP bu manyetik loop anteni oldukça başarılı bir şekilde yaptı ve ilk denemeleri onunla onun Astoria Queens NY apartman katından onun call sign’ı ile yaptık ve 2000 kilometre uzaklığa, Alabama eyaletine apartmanın mutfağından ulaştık.

Ben o aralar henüz lisansımı A sınıfına yani General’e yükseltmemiştim. Şimdi lisansımı da alınca başladım anten arayışına ve mobil 14 mhz whip antende karar kildim. Anten olarak bu anteni kullandım.

Mobil Anten İle QSO

https://www.ebay.com/itm/AMPRO-20-Metre-14-MHz-HF-MOBILE-ANTENNA-/222290748856
Bir Cumartesi whip anten ve ESP_WSPR ile portatif bir mobil istasyon oluşturarak New Jersey eyaletinde bir parkta kendi çağrı kodumla ilk ESP_WSPR denememi yaptım. WIFI bağlantısını telefonumu WIFI hotspot olarak kullanarak gerçekleştirdim. Sonuçları ve ulaştığım lokasyonları görünce aklım durdu! 10 mw’lik bir verici ile 2148 km uzağa mobil vertikal anten ile ulaşmıştım. Şehir içi dışında hiç QSO yapmamış, tüm amatör telsizcilik hayatı boyunca hep VHF/UHF el telsizi kullanmış ve 144 mhz altına hiç inmemiş 40 yıllık bir dijital elektronik amatörü olarak bu benim için müthiş bir adım oldu. Verici de konuşan ben değil yazılım olsa da teknik olarak bu benim kendi çağrı kodumla ilk HF QSO’m! :)

Field day WSPR istasyonum:

ESP_WSPR ucuz olması ve GPS gerektirmemesi acısından oldukça verimli bir WSPR vericisi. Bu vericinin yazılımı dünyadaki birçok amatör telsizcinin emeği ile bir araya geldi. Özellikle IW5EJM Marco’nun yazılımı olmasaydı beni epey uğraştırırdı. Ben biraz kesip biçtim kopyaladım ekledim. Bir iki sorunu vardı onları hallettim. Wspr Arduino kütüphanelerini ve yazılımlarını yazan dünya amatörlerine ne kadar teşekkür etsem azdır. Ben şahsen paylaşım yazılımcılığını (open source software) gönülden destekliyorum. Arduino bu felsefenin başını çeken harika bir araç.

Bu yazının ikinci kısmını kaçırmayın!

Bu yazının ikinci kısmında ESP_WSPR nasıl yapılır programlanır ve kullanılır anlatmak istiyorum. Böylece bilgiyi paylaşmış esp8266 ile WSPR vericisi yapmak isteyen amatör telsizcilere yol göstermiş olmaktan mutlu olacağım.

Sevgiyle kalın.
Barbaros Arusoğlu, eski TA2CBA şimdiki WB2CBA, New York, ABD 12/12/2019