jueves, 17 de octubre de 2019

Sistema comparador de antenas en tiempo real basado en WSPR

Últimamente tengo bastante abandonado el blog, debido a la falta de tiempo. Muchos proyectos interesantes sobre la mesa, y poco o nada de tiempo para llevarlos a cabo. Hoy voy a rescatar un artículo que escribí allá por noviembre de 2016 para la revista RADIOAFICIONADOS de la URE.
También se publicó y Hans tradujo al inglés en su web de QRP-Labs:
https://qrp-labs.com/ultimate3/u3info/antcomp.html
Espero sea de interés y de utilidad.




Introducción:
Todo radioaficionado que se precie, siempre pretende llegar lo más lejos posible o con la mejor señal, y de ello depende en mayor medida la instalación del sistema radiante.
Queremos siempre tener la mejor antena posible dentro de nuestras limitaciones; económicas, de espacio, de permisos etc… Y para ello nos valemos de nuestros conocimientos sobre antenas para realizar la mejor instalación o la que más se adapte a nuestro QTH y circunstancias.
Con las herramientas de diseño de antenas que existen hoy en día, como el Eznec, el Mna y demás, se pone a nuestro alcance un mundo de posibilidades. Mediante el diseño por software, podemos adaptar a nuestras condiciones, la antena más adecuada o que seguramente rendirá mejor en nuestra ubicación, simplificando así la tarea de elegir entre unas u otras. Ahorrando en costes y tiempo. Sin duda, un gran avance tecnológico al alcance de todos hoy en día.
Aun así, siempre se escucha en nuestras bandas: “…ahora estoy con la antena 1, ahora con la antena 2…¿Cuál te parece que va mejor?”. Todo un clásico en la radio afición. A pesar de haber diseñado y emulado dichas antenas, la duda siempre está ahí. ¿Cuál funcionará mejor?. Y es que cuando ponemos a la señora propagación de por medio, lo que antes era fantástico, ahora no lo es tanto. O quizá lo emulado en el ordenador, no se cumple al 100% en nuestra ubicación por, sabe dios, que motivos. De ahí las susodichas pruebas de batalla que siempre se hacen.
Lo que aquí propongo es un sistema de bajo coste, capaz de emitir en cualquier frecuencia de HF, de manera autónoma (sin ordenador), de forma automática, y usando las dos antenas que queramos comparar en cada transmisión. Estas transmisiones son recibidas al mismo tiempo por cientos de colegas repartidos por todo el mundo. Dichos reportes de señal son subidos automáticamente a una base de datos de internet, la cual podemos acceder, descargar, e interpretar cómodamente cuando queramos.
¿Y si tuviéramos miles de corresponsales por todo el mundo en QRV las 24h del día, dispuestos a pasarnos un reporte s/r con exactitud? Los tenemos!, por ejemplo, usando en nuestras transmisiones la modalidad digital llamada WSPR (whisper). Estos corresponsales suben a internet de manera automática y en tiempo real nuestros reportes a una web y su de datos.
¿Y si tuviéramos un aparato de bajo precio, que fuera capaz de emitir en cualquier frecuencia de HF?. Lo tenemos!! El Kit de QRP Labs U3 por la friolera de 20€:
Con estos dos temas técnicos solventados con creces para este proyecto, solo nos quedaría hacer una cosa, y es que nuestro equipo de HF low cost, transmita primeramente con una antena, y después con la otra en ciclos configurables por nosotros. Estos reportes de señal recibidos por nuestros corresponsales necesitaríamos que estuvieran almacenados en una base de datos que podamos consultar on-line, o descargar para su posterior tratamiento.
La sencilla modificación aquí presentada, logrará que el El Kit de QRP Labs U3 trasmita con la antena que queramos en el momento que queramos según lo configuremos. Así lograremos un transmisor qrp con dos posibles salidas de antena que puede transmitir en WSPR, JT9, Olivia, FSK, CW, QRSS…etc Dado que hoy en día hay muchos radioaficionados que cuando no usan sus equipos colaboran con la comunidad dejándolos en QRV en modos digitales, disponemos de una red enorme de posibles reportes de señal en tiempo real, desde cualquier parte del mundo.
Lo que propongo a continuación es la construcción de un sistema comparador de dos antenas en tiempo real, para transmisión, y que esos reportes los podamos ver al instante en internet, de tal manera que podamos sacar conclusiones sobre el comportamiento de ambas antenas en una misma ubicación. ¿Qué antena es mejor? ¿Qué comportamiento tiene una antena respecto a la otra?, pronto lo sabremos.


Funcionamiento:
Utilizaremos como base, el kit Ultimate3 diseñado por el amigo Hans y comercializado por QRP Labs. Este kit fue comentado hace tiempo en esta revista, y podéis ver una review de la primera versión beta en mi blog: http://ea1cdv.blogspot.com.es/2013/12/transmisor-autonomo-ultimate-3-para.html
Dado que los reportes de señal que queremos obtener han de ser lo más exactos posibles, y poder ser consultados en internet, configuraremos el U3 para su funcionamiento en el modo WSPR que es el que mejor cumple estos requisitos. Este modo (wspr, o también llamado whisper) se basa en una transmisión de una sola trama en modulación FSK, que ocupa un ancho de banda de solamente 1,46hz y que dura 2 minutos exactos. Esta transmisión está sincronizada exactamente con la hora mundial, con lo cual nuestro U3 ha de tener esa exactitud de reloj, o disponer de GPS (muy recomendable, aunque sincronizando el reloj interno podría funcionar también, pero es más engorroso).
Esas tramas que emitimos de 2 minutos de duración, contienen encapsulados los siguientes datos:
Nuestro Indicativo, nuestro QTH Locator y nuestra potencia de salida en tx.
Al emitir nosotros, las estaciones receptoras mandan los datos recibidos automáticamente a la base de datos oficial de WSPR http://wsprnet.org/drupal/wsprnet/spots donde filtrando por nuestro indicativo podremos saber quiénes nos han recibido y con qué intensidad de señal/ruido. Para hacernos una idea ,intensidades de señal de -30 son señales ínfimas, de -15 medias, de -10 aceptables, y de 0 hasta +10 muy potentes. Con la mínima propagación y potencia utilizada, en este caso los 150mW del U3, llegaremos al otro lado del mundo gracias al uso de esta modalidad. Joe Taylor K1JT, premio nobel de física, inventó el WSPR y también el famoso modo digital JT65.
Añadido al Kit U3, utilizaremos el siguiente sencillo circuito auxiliar:
 fig1 “Esquema del circuito de conmutación de antenas”

Este circuito, automáticamente, nos permitirá conmutar entre dos salidas de antena según lo hayamos configurado en el menú propio del Kit Ultimate U3. Este esquema sencillo de conmutación, también nos permite, aparte de sistema de comparador de antenas, utilizar nuestra baliza WSPR con varias antenas según la banda de transmisión utilizada. Por ejemplo si tenemos un dipolo para 40m y 80m, y una Cobweb para 6,10,12,15,17 y 20m, podremos configurar el U3 para que al transmitir en 10, 15 y 20m, por ejemplo, lo haga con la antena 1 (Cobweb en este caso) y con la antena 2, en 40m y 80m con el dipolo correspondiente. En resumen, podremos emitir en cualquier frecuencia o en varias de forma secuencial, haciendo QSY de una antena a otra de forma automática según nos convenga y hayamos configurado previamente por menú. El Ultimate U3 es capaz de emitir en cualquier frecuencia entre 100khz y 60 Mhz con una potencia de unos 150mW (incrementable añadiendo más mosfets y más voltaje). Lo cual es más que de sobra para que nuestra señal llegue a las antípodas en la modalidad WSPR.

Montaje del Circuito:
El circuito es muy sencillo de montar. Tiene pocos componentes y se puede realizar sobre una placa perforada de circuito impreso.
Consta de un micro relé DPDT (5Vdc 2A tipo NA-5W-K), es decir, un relé de doble disparo que por un lado nos conmutará de una antena a otra, y paralelamente nos encenderá un led u otro, para de este modo indicarnos cuál es la antena utilizada en cada transmisión.
  Fig6 “Detalle soladuras placa perforada” 
Fig5 “Detalle de la disposición de los componentes”


Lista de componentes:
Micro Relé 5Vdc 2A tipo NA-5W-K
2 diodos 1n4148 o similar
1 transistor BC548 o similar
1 led rojo
1 led verde
1 condensador de 10uF
1 resistencia de 150 ohm
1 resistencia de 10k ohm
1 trozo de 3cmx2cm de placa perforada
Trozos de cable fino, estaño, tijeras, soldador…etc
Montaremos primero el relé sobre un recorte de placa perforada, y posteriormente el resto de componentes anexos. Los leds irán fuera de la placa mediante cableado, para así poder mecanizarlos en la caja donde mejor nos convenga. La placa se alimentará a +5v, y masa como todo el kit U3. Como se puede observar en el esquema del circuito, la señal de conmutación del relé viene dada por el punto marcado en el esquema como PD4. Esta señal viene de la placa del U3, concretamente de una de las patillas que va al display del kit (consultar guía de montaje del U3 para más detalles del comportamiento del mismo). Esta señal PD4, es configurable desde el menú de configuración individual de cada transmisión del kit U3, pudiéndole forzar a que en una transmisión nos entregue en PD4 una señal de 0 (Antena1 activada), o una señal de 1 (Antena2 activada) según nuestros requerimientos. Estudiando detenidamente el comportamiento del U3 y las señales PDxx, podríamos sin mucha dificultad, activar series de múltiples relés, y ampliar aún más el sistema para otros usos más complejos. 
Fig0 “Montaje completo del sistema comparador de antenas”


Configuración y puesta en funcionamiento:
Una vez tengamos el circuito terminado, probado que conmuta, y conectado a la señal PD4, entraremos en el menú del U3 para configurar nuestras transmisiones en wspr. (Ver Fig2 y Fig3)
Para mejor entendimiento plantearé un ejemplo real que yo he utilizado. Este ejemplo sería válido para cualquier banda que cubra el U3. Antena1 conectada al conector de antena 1, y Antena2 conectada al conector de antena 2 en nuestro U3 ya modificado con dos salidas de antena.
Quiero comparar dos antenas para la banda de 40m. Antena 1 es antena monobanda NVIS, frente a antena 2 que es antena de hilo de 34m de largo en con acoplador en su base, evidentemente acoplada a la banda de 40m.
Antena1: Entramos en el modo menú del U3, y ponemos la frecuencia de tx, el modo wspr, el LPF utilizado (4 en este caso), y el valor de 30db como potencia de salida (Engañará a la web de reportes de wspr diciendo que estamos utilizando 1w, o sea, antena 1). A la derecha del todo hay un valor que pondremos a 0 (indica señal 0 en PD4, led verde encendido). 
Fig2 “Configuración del U3 para conmutar antena 1”

Antena2: Entramos en el modo menú del U3, y ponemos la misma frecuencia de tx que con la antena 1, el modo wspr, el mismo LPF utilizado en antena 1 (4 en este caso), y el valor de 33db como potencia de salida (Engañará a la web de reportes de wspr diciendo que estamos utilizando 2w, o sea, antena 2). A la derecha del todo hay un valor que pondremos a 8 (indica señal 1 en PD4, led rojo encendido). 
Fig3 “Configuración del U3 para conmutar antena 2”

Estos valores marcados en negrita son imprescindibles para que luego al consultar nuestros reportes en la web, podamos distinguir fácilmente si nos están recibiendo las transmisiones de la antena 1 o de la antena 2. En la web de consulta de los datos wspr: http://wsprnet.org/drupal/wsprnet/spots , hay un campo que pone “Pwr” y es el valor 30db el que corresponde con 1w, y 33db con 2w. El valor de 0 u 8 hace que nuestro PD4 active o desactive nuestro circuito automático de conmutación de antenas.
Cuando el U3 esté en modo calibración, o stand by, uno de los leds estará siempre encendido, pero al ponerse en modo transmisión, automáticamente conmutará a la antena que hayamos configurado previamente, indicando mediante el led, cuál de las dos antenas está siendo utilizada en esa transmisión en concreto. 
Fig7 “Transmitiendo con la Antena 1” 
Fig8 “Transmitiendo con la Antena 2”

Esta configuración se puede realizar para cualquier banda, y es válida tanto para la modalidad WSPR como cualquiera de las que es capaz de transmitir el U3: hell, Cw, Fsk, JT9, ópera, etc…
Este valor de configuración de 30 o 33 Db no quiere decir que emitamos con distintas potencias en cada antena, ojo!. Aclarar que siempre estamos emitiendo con la misma potencia, lo único que hacemos es “engañar” a los que nos reciben diciendo que emitimos con 1w o 2w, y así en el listado de reportes saber con qué antena hemos emitido en ese momento. 1w= Antena1, 2w= Antena2


Tratamiento e interpretación de los datos:
Este es un tema importantísimo que da mucho juego, ya que en la correcta interpretación de todos los datos y su posterior procesado residen las conclusiones del comportamiento de ambas antenas, que es el fin de este proyecto. Una de ellas puede ser muy buena en DX, la otra mejor en salto corto, una presentar un pico de señal a 200º donde otra está más atenuada por apantallamientos de edificios, mástiles cercanos, etc…
  Fig9 “Comparando en DX, hilo de 34m acoplado en Antena 1 Vs Cobweb Antena 2, a 6 metros de altura. Reportes recibidos por VK2WD en la banda de 20m a una distancia de 17672 km. Se puede observar la clara superioridad de la Cobweb frente al hilo acoplado.”

Con los reportes automáticos almacenados por los escuchas en la BBDD de WSPR, sabremos de inmediato y en tiempo real cual es la antena utilizada en esa concreta transmisión, la señal con la que nos han recibido, quién, desde donde, a que distancia exacta, y a cuantos grados sale nuestra señal. Por lo tanto un método bastante más efectivo y fiable que la “oreja” o la visión de un S-meter por parte de nuestro corresponsal. Y sobre todo, nosotros solos con nuestra baliza wspr, automáticamente durante las horas que precisemos, y sin dar la chapa a nadie!. 
Fig10 “Comparando en DX, Hilo de 34m acoplado en Antena 2 Vs NVIS Antena 1, a 2 metros de altura. Reportes recibidos por K9AN en la banda de 40m a una distancia de 6859 km. Parece algo superior el hilo, ya que da más número de reportes y muchos superiores a la NVIS. Comparando otras noches y otros reportes de otras estaciones así lo certifican para DX. Sin embargo la NVIS arrasa en distancias inferiores a 1700km.”

Alguien podrá pensar que son 2 minutos de una transmisión con una antena, y luego otros 2 minutos seguidamente después con la otra, con lo cual no serían del todo exactas las condiciones de propagación en ambas transmisiones. Cierto!, existen muchos altibajos que se pueden producir en 2 minutos, pero aun así, y dado que el sistema es totalmente automático, lo podemos dejar “cocinando” durante horas o días, y sacar muy exactas conclusiones mediante un tratamiento estadístico de los datos extraídos. Siendo tratados a posteriori en una hoja de Excel, Access, o cualquier sistema informático de tratamiento de datos.
Vas de excursión al campo, montas tus 2 antenas a testear, y mientras te tomas el aperitivo con los colegas de radio o la familia, el sistema está comparando las transmisiones, y almacenándolas en la BBDD. Con tu móvil a priori puedes ir viendo más o menos el comportamiento de ambas en tiempo real en la web. Finalmente después de un buen día de disfrute de campo , tienes los datos almacenados en la web de WSPR, disponibles para tratarlos más tarde y tranquilamente desde tu casa con gráficas.
Yo en concreto estoy utilizando una Excel programada por mí, con tablas dinámicas en la cual mediante un script y demás herramientas excel, puedo extraer automáticamente los datos de la web de WSPR, obteniendo gráficas individuales y conjuntas en periodos de tiempo de horas, días o semanas. Y ahí sí que puedo ver el comportamiento real de una antena por si sola, o respeto a otra de referencia en la misma ubicación. Mejor sería una web en PHP que tratara esos datos y se pudiera consultar online, sin necesidad de usar una Excel. Pero ni el tiempo disponible ni los conocimientos me llegan para ello aún. Si alguien se anima…. Encantado de colaborar en semejante proyecto, sería muy útil para todos.
Los datos son los que son y en la base de datos WSPR permanecerán almacenados para poder ser interpretados. En la interpretación correcta residen las conclusiones sobre que antena se comporta mejor o peor en esta ubicación respecto a nuestros propósitos. Y con esas conclusiones ya tendremos más claro si cabe, la antena a utilizar para ese próximo contest o esa nueva instalación en el QTH.
Espero que este sencillo montaje os sirva de utilidad a los ya muchos usuarios del Ultimate U3. Si no, también animar a todos aquellos que no lo tienen aún, a hacerse con él, y cacharrear. Esto es la radio afición, un sinfín de experimentación.
73’s

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