621 total views,  1 views today

LoRa (Long Range) er en radioteknologi som byr på mange anvendelser for radioamatører, men den må brukes i overensstemmelse med myndighetenes regelverk. Denne artikkelen gir en teknisk forklaring på modulasjonen og protokollene brukt i LoRa, og en presentasjon av hvordan LoRa-maskinvare kan koples opp konfigureres av et program skrevet i MicroPython. Den nødvendige konfigurasjonen for å operere i tråd med regelverket blir forklart, dessuten et enkelt eksperiment for å måle rekkevidden av LoRa-signaler.

(c) Anders Fongen, november 2024

Innledning

Innen digital transmisjon er det en lovmessig sammenheng mellom bitrate, båndbredde og signal/støy-forhold (SNR), uttrykt i Shannons Lov. Dersom anvendelsen av kommunikasjonskanalen ikke trenger høy bitrate, kan man klare seg med lav effekt (lavere SNR) eller liten båndbredde. Slike anvendelser er radioamatørene kjent med gjennom FT8 og WSPR.

LoRa er en kommunikasjonsteknolog som benytter den samme lovmessigheten ved å bruke radiosignaler med lang rekkevidde (lav SNR) , lav bitrate (opptil 22 kbit/sek) og lav utstrålt effekt (lavt strømforbuk). LoRa er utviklet med tanke på Internet of Things, med trådløs kommunikasjon mellom sensorer o.l. utstyrt med batteristrøm. En LoRa-radio er en liten og billig integrert krets som konfigureres og styres av en mikrokontroller (Arduino, ESP32, Raspberry Pico eller tilsvarende).

Resten av artikkelen vil hovedsaklig ha et teknisk fokus på modulasjon som brukes i LoRa, samt forklare hvordan en LoRa-radio kan koples opp og programmeres. Underveis vil relevante myndighetskrav bli diskutert, og erfaringer noen enkle eksperimenter bli presentert.

Kommunikasjon i bredt spekter (Spread Spectrum)

Tradisjonell radioteknologi har bestrebet seg på å sende ut radioenergi i et lite frekvensområde, slik at ulike sendere kan sende “side om side” i spekteret. Modulasjonen som er brukt i slike anvendelser (f.eks. kringkastingsradio) er følsom for annen radioenergi i samme frekvensbånd (forstyrrelser). Dette forholdet krever myndighetskontroll med bruk av frekvensspekteret, og overvåking av at bestemmelsene overholdes.

En alternativ måte er å spre radioenergien over et større frekvensspekter, på en måte som gjør kommunikasjonen mer robust mot forstyrrelser fra andre radiokilder, og som lar flere kommunikasjonskanaler benytte samme frekvensområde. På engelsk kalles slik modulasjon Spread Spectrum (SS).

Sentralt i SS-modulasjon er at hver overførte bit skal være representert på flere frekvenser, slik at et forstyrrende smalbåndssignal ikke skal hindre biten å bli overført. Vi finner SS-modulasjon i Bluetooth (som benytter såkalt frekvenshopping) og 3G (som benytter CDMA).

LoRa bruker SS-modulasjon ved å sende en samling bits i et symbol som representeres ved et signal som endrer frekvens fra lav til høy over en bestemt tidsperiode. Dette kan høres ut som fuglekvitter på en vanlig SSB-mottaker og kalles for “chirp”. Offisielt kalles denne typen modulasjon for Chirp Spread Spectrum.

Illustrasjonen ovenfor viser radioenergien i et chirp med tidsaksen horisontalt og amplituden vertikalt. Et chirp har ingen fase- eller amplitudemodulasjon, og informasjonen i det overførte symbolet avgjøres av hvilken frekvens chirp’et starter og slutter på. Mer om dette siden.

Båndbredde, symbolrate, spredningsfaktor

Den fysiske utformingen av et chirp bestemmes som nevnt av informasjonsinnholdet i symbolet som overføres i chirp’et, og tidsforløpet av overføringen bestemmes av signalets båndbredde, samt en parameter som kalles spredningsfaktor.

Informasjonen som overføres i et chirp kalles et symbol, og antall chirp som sendes pr. sekund kalles Symbolraten. Symbolraten (SR) er bestemt av båndbredden (BW) og spredningsfaktor (SF) på denne måten:

F.eks. vil en båndbredde på 62,5 kHz og spredningsfaktor 8 gi:

Koderate, og overførte bits pr. sekund (bitrate)

Antall bits overført i et symbol angis av spredningsfaktoren. SF=8 betyr at hvert symbol inneholder 8 bits. Dersom, i tråd med eksemplet over, symbolraten er 244 pr. sekund, blir brutto bitrate 1952 bits pr. sekund.

Men LoRa inkluderer også noen såkalt feilkorrigerende bits i datastrømmen, for å kunne detektere og endog rette opp overføringsfeil i noen utstrekning. Jo flere slik feilkorrigerende bits som legges inn, desto større og flere bitfeil kan rettes opp. En LoRa-radio konfigureres til en koderate (code rate, forkortet CR) skrevet f.eks. 4:5, som betyr at for 5 overførte bits er 1 bit satt inn for feildeteksjon/-retting, 4 bits er nyttedata. Mulige verdier for CR er 4:5, 4:6, 4:7, 4:8.

CR=4:5 betyr at netto bitrate er 80% av brutto, og regneeksemplet ovenfor gir en netto bitrate på 1952*0.8=1562 bits pr. sekund.

Her er en online kalkulator for å beregne netto bitrate. Den følger nettopp de regnereglene som nå er forklart.

Symbolverdien

Som nevnt overføres en gruppe bits med et symbol, et antall som tilsvarer verdien av spredningsfaktoren (SF). Verdien av dette er symbolet er derfor i området 0 til 2^SF-1.

Et chirp vil starte på en frekvens, gå til høyeste frekvensen i båndbredden, fortsette fra laveste frekvens og avslutte på den samme frekvensen som den startet med. Symbolverdien representeres av den frekvensen som chirp’et starter og slutter på. Dette forløpet vil bli vist med en radiomottaker litt senere i artikkelen. Figuren nedenfor viser denne modulasjonsteknikken med frekvens langs vertikalaksen og tidsforløpet langs horisontalaksen (kilde).

Frekvensområdet som rommer chirp’ens båndbredde må derfor deles opp med 2^SF antall “punkter”, hver av dem vil representere en bestemt symbolverdi.

Hvordan ser/høres dette ut i praksis

Vi kan sette opp en LoRa-sender med en båndbredde og spredningsfaktor som gjør at radiosignalet blir hørbart med en SSB-mottaker, og som gir et bilde i et “vannfall” som illustrerer chirp-modulasjonen.

Vi velger å sette opp senderen (måten dette skjer på vil vises senere i artikkelen) med BW=7800 Hz, SF=12. Dette gir en SR=1,9 pr. sekund, og en sendevarighet for hvert symbol på 525 millisekunder.

Med en bredbåndsmottaker og et “vannfallsdisplay”, i dette tilfellet RTL-SDR radio og Linux-programmet Gqrx (i Windows kan programmet SDR# gjøre samme jobben), kan vi motta LoRa-sendingene og studere dem i vannfallet. Slik vises LoRa-sendingene i mottagerprogrammet:

Lydsignalet som følger med er fra Gqrx-programmet som demodulerer som et SSB-signal. Forløpet i vannfallet viser omtrent det som allerede er forklart:

• Chirp’ene opptrer omtrent 1,9 ganger pr. sekund.
• Bortsett fra 2 chirp’er i starten av sendingen går alle lyder fra lav til høy frekvens.
• Chirp’ene starter på ulike frekvenser, de skaper ikke et regelmessig sagtakk-mønster.

For å studere signalforløpet mer nøyaktig, lar vi Gqrx-programmet demodulere som et FM-signal og lagre det demodulerte signalet som en lydfil. Da vil frekvensen omsettes direkte til en amplitude, så vi kan studere frekvensforløpet med et lydredigeringsprogram, i dette tilfellet Audacity (finnes også for Windows). Sendingen som er vist i videoen over presenteres på denne måte i Audacity:

Vertikalaksen representerer her frekvensen, og den horisontale aksen tidsforløpet. De forskjellige delene av sendingen er ikke forklart i denne artikkelen, så kun i korthet starter sendingen med et “hode” av 6 up-chirps og 2.25 down-chirps. Området som vises i lyseblått er eksempel på et symbol som starter og slutter på samme frekvens, og som alltid endrer seg fra lav til høy frekvens, men “vrenger seg” fra høyeste til laveste frekvens. Det er også mulig å se nederst i vinduet at varigheten av det lyseblå området er 523 millisekunder, meget nære den verdien som vi beregnet ovenfor.

Tilkoplingen mellom LoRa-radioen og en mikrokontroller.

Bildet under viser en LoRa-radio t.h. med kretsen Semtech SX1278. Den har ingen betjeningsfunksjoner, kun tilkoplingspunkter for en kontroller som kan konfigurere og styre radioen gjennom elektriske signaler. Normalt vil disse tilkoplingspunktene forbindes til en mikrokontroller, som er en liten datamaskin som kan knyttes til en skjerm, knapper, andre datamaskiner, og som kan programmeres. Bildet nedenfor viser disse komponentene montert på et breadboard, med nødvendige ledningsforbindelser. Et breadboard er velegnet for eksperimentering fordi det er lett å gjøre endringer underveis og mulig å demontere komponentene siden for bruk i andre eksperimenter.

Sammenkoplingen mellom mikrokontrolleren og LoRa-radioen skjer gjennom en SPI-buss, som gjør sammenkoplingen enkel og med få kontaktpunkter. En SPI-buss kan kople kontrolleren (master) til flere ytre enheter (slaver) i tillegg til LoRa-radioen, f.eks. et display eller en GPS-mottaker. Figuren under viser hvordan en slik forgrening kan gjøres. I tillegg må LoRa-radioen ha strømtilførsel og en antenne.

Det finnes også enheter hvor mikrokontrolleren er fabrikert sammen med en LoRa-radio, da er det enklere å sette opp et eksperiment eller en prototyp.

Oppsett for programmering

For å styre LoRa-radioen trenger mikrokontrolleren et program som kommuniserer med LoRa-radioen gjennom SPI-bussen. Mange slags mikrokontrollere kan brukes til dette formålet, og de programmeres med ulike verktøy og ulike programeringsspråk. Den kontrolleren som brukes i dette eksperimentet er Raspberry Pico. Den er utstyrt med støtte for SPI-buss og kan programmeres i programmeringsspråket “MicoPython”, som er mye lettere å arbeide med enn f.eks. C. Figuren under viser de nødvendige ledningsforbindelser mellom mikrokontrolleren og LoRa-modulen:

Raspberry Pico har tildels like funksjoner på flere tilkoplingspunkter, så flere muligheter finnes enn hva som vises på bildet. Det vesentlige er at de fire ledningene som hører til SPI-bussen (MISO/RX, MOSI/TX,SCK,GND), 3.3 v spenningsforsyning og avbruddsline (mellom GP20 og DIO0) er koplet til.

Programvaren i mikrokontrolleren må dessuten vite hvilke porter den skal bruke for å betjene LoRa-radioen, så det må være samsvar mellom disse opplysningene og den oppkoplingen som er valgt.

Programmet som skal utføre de ønskede sende- og mottaks-operasjoner gjennom en LoRa-kanal må skrives inn i programmeringsverktøy. Her finnes flere å velge mellom, men vi anbefaler Thonny, som er enkel i bruk og godt tilpasset mikrokontrollere som Raspberry Pico. PCen med Thonny koples til Raspberry Pico med en USB-kabel, og oppsettet av Thonny for å komme i gang med programmering er godt beskrevet på nettet, og vil ikke forklares her.

Biblioteksmodul for LoRa-programmering.

I dette eksperimentet har vi benyttet en LoRa-modul med Semtech SX1278. Programmeringseksemplet under gjelder for kretser med betegnelsen SX127X. En del LoRa-moduler benytter kretser med betegnelsen SX126X, som krever et annet programmeringsbibliotek og en litt annen programmeringsmetode.

LoRa-radioen er komplisert å sette opp, så vi overlater disse operasjonene til programvare som andre har skrevet, kalt en biblioteksmodul. Modulen som er brukt i dette eksperimentet kalles lora.py og den kan hentes herfra. Den skal lagres i mikrokontrollerens minne, det gjøres via Thonny.

Vi vil dog anbefale en liten endring i lora.py. Erstatt linje 56-57 på denne måten for å få en sikrere oppstart av LoRa-radioen:

#        while self._read(REG_VERSION) != 0x12:
#            time.sleep_ms(100)
#       The two commented lines are changed into
        v = self._read(REG_VERSION)
        while  v != 0x12:
            sleep_ms(100)
            v = self._read(REG_VERSION)
#           raise Exception('Invalid version or bad SPI connection')

Programmet som vi selv vil skrive må gjøre følgende:

1. Beskrive hvilke tilkoplingspunkter på Raspberry Pico som skal brukes for å styre LoRa-radioen.
2. Sette opp LoRa-radioen med de ønskede parametrene (frekvens, båndbredde, spredningsfaktor m.m.)
3. Beskrive sending og mottak av brukerdata i henhold til anvendelsen av utstyret.

Under vises et bilde av Thonny som har et lite program kalt hello_send.py. Alt programmet gjør er å sende en “Hello world”-melding hvert 5. sekund.

Testprogrammets enkelte deler

Her vil testprogrammets deler vises og forklares i kommentarsetningene:

# Importere nødvendige biblioteksmoduler
from time import sleep
from lora import LoRa
from machine import Pin, SPI

# Deklarere hvilke tilkoplingspunkter for SPI
# Merk av dette er GP-tallene, ikke pin-nummer
SCK  = 18
MOSI = 19
MISO = 16
# Chip select
CS   = 17
# Receive IRQ
RX   = 20

# Setup SPI-bussen med riktige parametre
spi = SPI(
    0,
    baudrate=10000000,
    sck=Pin(SCK, Pin.OUT, Pin.PULL_DOWN),
    mosi=Pin(MOSI, Pin.OUT, Pin.PULL_UP),
    miso=Pin(MISO, Pin.IN, Pin.PULL_UP),
)
spi.init()

# Beskrivelse av LoRa-parametrene
lora = LoRa(
    spi,
    cs=Pin(CS, Pin.OUT),
    rx=Pin(RX, Pin.IN),
    frequency=433.660,
    bandwidth=20800,
    spreading_factor=10,
    coding_rate=8,
    preamble_length=4,
    crc=True,
    tx_power=17
)

# Nå er alt klart for sending og mottak
c = 0
while True:
    print(c," Sending a message")
    c = c+1
    lora.send('Hello world!')
    sleep(5)

For å motta meldinger gjennom lora.py må vi skrive litt ekstra kode for å håndtere det forholdet at meldinger kan mottas når som helst, og vi trenger å skrive en event handler for slike hendelser. Den viste handleren nedenfor viser kun meldingsinnholdet på konsollet, i praksis vil det være omfattende programlogikk der.

# Receive event handler
def handler(x):
    print("received:",x.decode())
    beep(0.2) # Metoden beep er ikke vist her

# Set handler til å kalles ved mottatte LoRa-meldinger
lora.on_recv(handler)

# Put module in recv mode
lora.recv()

# Loop forever
while True:
    pass

Demonstrasjonsvideo av LoRa-kommunikasjon

I videoen nedenfor vises bruk av disse enkle programmene for å overføre meldinger gjennom LoRa. Dette er også oppsettet som er brukt for å anslå rekkevidden til signalet, som beskrevet senere i artikkelen.

Lovlig bruk av LoRa innenfor myndighetenes regelverk

Bruk av radiosendere er strengt regulert i Norge, og det er på sin plass med noen vurderinger om hvordan LoRa-sendinger kan foregå på lovlig vis. Det er to regelverk som kommer til anvendelse: Fribruksforskriften, som stiller krav til radiosendinger for allmenheten, og Forskrift om radioamatørlisens, som angir krav til radiosendinger for personer med radioamatørlisens (radioamatørlisens tildeles personer som har bestått en såkalt lisensprøve).

La oss først ta for oss vilkårene i Fribruksforskriften, siden den vedkommer alle. Kapittel IV (§11) lister opp en del frekvenser som kan brukes, med oppgitt maksimal utstrålt effekt, båndbredde og sendetid.

Seksjon (1) angir et frekvensområde med maksimal utstrålt effekt på 25 mW (14 dBm), og et minimumskrav til båndbredden på 600 kHz. Dette er større enn maksimal båndbredde for LoRa, noe som må forstås dit hen at LoRa ikke kan benyttes.

Seksjon (2) angir et frekvensområde med maksimal utstrålt effekt på 500 mW (27 dBm) en maskimal båndbredde på 200 kHz, ingen krav til minimums båndbredde. Det er derimot krav til automatisk kontroll av utstrålt effekt, og det er ikke klart om LoRa kan møte dette kravet. Med LoRas standardverdier for båndbredde vil det være 125 kHz som er maksimalt tilatt.

Seksjonene (3)-(6) Påbyr alle mobile/nomadiske stasjoner å være “under kontroll” av et aksesspunkt. Siden LoRa ikke baserer seg på bruk av aksesspunkt slik som f.eks. Wlan gjør, er dette kravet ikke mulig å etterkomme.

Med en litt “lempelig” tolkning av bestemmelsene i seksjon (2) later det til at frekvensene 865,6–865,8 MHz, 866,2–866,4 MHz, 866,8–867,0 MHz og 867,4–867,6 MHz kan benyttes med 125 kHz båndbredde, og med utstrålt effekt en del lavere enn 500 mW (for å kompensere for kravet til automatisk effektkontroll). Merk at kravet om maksimal sendetid på 2,5-10 prosent ikke kan konfigureres i LoRa-radioen, men må besørges av overføringsprotokollene i den aktuelle anvendelsen. Også at det er LoRa-radioen av betegnelsen SX1276 som kan operere i dette frekvensområdet.

For brukere med radioamatørlisens gjelder §7 i Forskrift om radioamatørlisens, som angir maksimal båndbredde og utstrålt effekt for de ulike frekvensbåndene. Det eneste aktuelle frekvensbånd for LoRa er 432-438 MHz, hvor maksimal kanabåndbredde er 30 kHz. Det er mulig å konfigurere LoRa for en båndbredde på 20,8 kHz. NRRL’s (Norsk Radio Relæ Liga, landsorganisasjonen for radioamatører) båndplan angir området 433,600-434,000 MHz som egnet for digital dataoverføring, og da med utstrålt effekt opptil 300 W.

Med en ny bestemmelse gjeldene fra 1.november 2024 tillater myndighetene nå en båndbredde på 200 kHz i dette frekvensområdet. Anbefalte frekvenser for to slike kanaler er 433,775 MHz og 433,900 MHz. Radioamatører kan derfor benytte disse to frekvensene til LoRa med en båndbredde på 125 kHz og utstrålt effekt opptil 300 watt.

Begge typene LoRa-radioer (SX1276 og SX1278) kan operere på 433 MHz. For å oppnå høyere effekt enn 100 mW må et ekstra forsterkertrinn benyttes.

Merk at det finnes LoRa-moduler som ikke tillater konfigurasjon av båndbredden, bl.a. E32-modulene fra Ebyte. Disse er fast konfigurert til 500 kHz båndbredde og er uegnet for å operere på lovlige vilkår.

Hvorfor er dette robust?

LoRa kan sende over lange distanser med relativt lav effekt fordi den sender med lav bitrate og sprer radioenergien over mange frekvenser. Dette gir mottakeren mulighet til å bruke mer tid på å analysere det mottatte signalet og eliminere bakgrunnsstøy, og forstyrrelser fra andre kilder vil ikke hindre bit-overføringen med mindre hele båndbredden blir forstyrret.

Med ulike verdier av skaleringsfaktoren SF kan det gjøres en avveining mellom rekkevidde og bitrate. En økning av SF med 1 vil halvere symbolraten og gi mottakeren dobbelt så mye tid til å analysere signalet (gi en forbedret følsomhet med 2,5 dB) , men også gi en tilnærmet halvering av bitraten.

Et praktisk eksperiment ble gjennomført hvor et 100 mW signal ble sendt ut via en enkel mobilantenne satt på husveggen, og mottageren ble plassert i en bil koplet til en mobilantenne på biltaket (se bilde). Med denne konfigurasjonen (BW=20,8 kHz, SF=10) fikk mottakeren mottatt feilfrie meldinger i kupert terreng opptil 15 km avstand. Programmene brukt til dette eksperimentet er de samme som vist i videoen tidligere i artikkelen.

Interessante anvendelser for radioamatører

LoRa kan neppe løse andre oppgaver enn f.eks. bruk av AX.25-modulasjon (1200 bits per sekund i en smalbåndskanal) mellom UHF-radioer, men kan derimot løse oppgaver med enklere og billigere utstyr med mye lavere vekt og lavere strømforbruk.

En nærliggende LoRa-anvendelse er lokasjonstjenesten APRS, som kan vise et kart med posisjonen til APRS-sendere i et stort område. Vanligvis brukes hele VHF-radioer til dette formålet, men med LoRa blir dette utstyret så billig og lite at det kan bygges inn i halsbåndet til en jakthund, eller på et modellfly.

LoRa er også velegnet for å bygge mesh-nett (hvor LoRa-stasjonene vidersender sendinger for andre) for formidling av meldinger m.m. Prosjektet Meshtastic er et eksempel på et slikt system.

Men vel så viktig er den muligheten mikrokontrolleren og bruk av MicroPython skaper til å designe egne protokoller og egne systemer for synlighet og samarbeid. Med det programmeringsverktøyet og biblioteksmodulen som her er vist, er det relativt enkelt å eksperimentere med egendesignede protokoller for innovative og nyskapende anvendelser.

 640 total views

Due to planned maintenance, the electric power in my neighbourhood was disconnected for hours today. That offered the opportunity to study the effect of background noise emitted from electric appliances.

(c) Anders Fongen, Oct 2024

When listening to the radio on the HF band, one can hear a lot of background noise which reduces the clarity of the reception. The emitters of the noise can be near or far away, which is interesting to distinguish, since the sources near you can be eliminated, most easily by packing your radio gear and drive somewhere else, to your cabin or into the mountains.

The neighbourhood which I live in had a power outage today, due to planned and announced maintenance. The affected area was small and included only 32 households (see map below). This disconnection gave me an opportunity to study the effect of radio spectrum noise (particularly in the HF region) from this area. The Xiegu G90 was powered by a battery and conncted to the outdoor antenna, then tuned to the 20 meter band in USB mode.

I enjoyed the clarity of the reception and had a few QSOs before the electric power was expected to return. The radio display was filmed that moment when these 32 households again was able to power their cable modems, dimmers, plasma TVs, routers etc., and the difference in the receiver conditions was remarkable, which can be seen in the 20 seconds clip below.

Please observe the waterfall display as the power returns, and how excellent signals become completely drowned in the elevated noise floor, totally invisible in the waterfall.

After the power had returned I also switched off the main circuit breaker in the house to informally identify how much of the noise was coming from my own home. Hmm, quite a lot, since I have two wireless routers, ethernet switches, and dozens of wifi-connected house appliances. They are, like appliances in my neighbours’ house, essential for the daily life of our home, and cannot be switched off anytime.

From this experiment, I now realize how much the reception quality can be improved by taking the radio gear somewhere else (my home town is surrounded by mountain areas easily accesible by car) and operate a mobile/portable configuration.

 517 total views

Dette blir en kort artikkel om en app (Android og IOS) som tilbyr en meldingsutveksling over alle slags radioer som har et talesamband.

(c) 2024 Anders Fongen

Appen heter Rattlegram, og gjør én eneste jobb: Konverterer tekstmeldinger til et lydsignal, og omvendt. Den enkleste måten å demonstrere appen på er å legge to enheter (Android eller IOS) side om side og la begge kjøre appen. Det som skrives inn på den ene enheten, vises på den andre, og vi hører klart lydsignalet om bærer innholdet av meldingen. Man kan også eksperimentere med ulik avstand mellom enhetene og varierende bakgrunnsstøy for å danne seg et inntrykk av hvor robust kommunikasjonen er.

Merk allerede nå at mobilenheten aldri bruker sine radiosendere: Ingen WiFi, Bluetooth eller 5G. Ingen av eksperimentene her forutsetter mobildekning på stedet.

Det neste trinnet i eksperimenteringen er å sende via to transceivere som hver er innen hørevidde for sin enhet som kjører rattlegram. Først tester vi med noen lisensfrie UHF-radioer fra Biltema, for å vise at radioamatørutstyr ikke er påkrevet for å utveksle tekstmeldinger. For å sende en melding holdes sendeknappen (PTT) på radioen inne mens sendefunksjonen på appen aktiveres. På mottagersiden ligger radioen og Andoid/IOS-enheten ved siden av hverandre og trenger ingen betjening for å motta meldinger.

Her er en video hvor dette blir demonstrert:

Siden forsøker vi det samme eksperimentet med to VHF-transceivere for amatørbåndet (144 MHz), og oppnår det samme resultatet.

Fordelen med “ubetjent” mottak av meldinger

Hva er nå fordelen med en slik meldingsutveksling fremfor ganske enkelt å sende talemeldinger? Den mest opplagte fordelen er at mottageren trenger ikke å være betjent, men kan samle opp meldinger til neste gang operatøren kommer innom og sjekker displayet. En annen er muligheten for å sende komplisert tekstinnhold, f.eks. en url, og innhold fra copy&paste uten behov for bokstavering over et talesamband. En tredje er at sendte og mottatte meldinger blir lagt i en liste som fungerer som en logg over meldingsutvekslingen.

Et tenkt brukstilfelle er slik: Operatørene har alle radioene stand by i lyttemodus, og med Rattlegram på en mobil ved siden av. Dersom operatøren må forlate radiostasjonen for et stund, vil mobilenheten i mellomtiden samle opp mottatte meldinger og vise dem i listen. En stasjon A som anroper stasjon B uten å få svar, kan derfor følge opp med en Rattlegram-melding med innholdet “Gjør et oppkall når du er tilbake” eller lignende.

Parrot-funksjonen: Digipeater

I et tredje eksperiment ble “parrot”-funksjonen i Rattlegram undersøkt. Med denne funksjonen aktivert vil mottatte meldinger sendes ut igjen etter noen sekunder. En lik funksjon forvisser avsenderen om at meldingen er korrekt mottatt, og den gjør det mulig med indirekte overføring av melding via en digipeater (på en fjelltopp el.lign) mellom parter som ikke har direkte radiokontakt.

En slik funksjon forutsetter at radiosenderen kan sende ubetjent, uten at noen trykker inn PTT-knappen. Appen har ingen mulighet for å styre en PTT-funksjon, så radioen må settes opp med VOX-kontroll (sending starter når mikrofonen detekterer lyd). Radioen kan fortsatt være akustisk koplet til mobilenheten (se bilde), men i dette eksperimentet måtte følsomheten på radiomikrofonen settes til høyest følsomhet, og mobilenheten måtte stille høyttaleren på full styrke og plasseres nærmest mulig radioens mikrofon.

Et annet alternativ er å kople en kabel mellom radio og mobilenheten, muligens via et eksternt lydkort som koples til mobilenhetens USB-port med en OTG-kabel. Her er det en del plunder som venter, så det kan kreve litt prøving og feiling før dette fungere som ønsket. En kablet konfigurasjon er vist i videoen nedenfor, og i dette tilfellet ble det valgt å bruke to radioer for henholdsvis sending og mottak. En opplagt fordel med en kablet forbindelse er at operasjonen blir lydløs og mindre følsom for annen støy i rommet.

Her vises en video som demonstrerer digipeater-konfigurasjon av Rattlegram:

Systemdiagram

På bildet nedenfor vises et slags systemdiagram, hentet fra Ribbit-prosjektet, som står bak Rattlegram-appen. Den viser hvordan to mobilenheter (uten bruk av 5G, WiFi eller BT) kan utveksle meldinger gjennom radioer (akustisk koplet eller kablet) med direkte link mellom seg, eller via en talerepeater eller digipeater. Skissen viser også en mulighet for å bruke mobilenhetens egen 5G-radio, men det er ikke implementert i denne versjonen av Rattlegram.

Hvilke radioforbindelser virker/virker ikke?

Rattlegram benytter en såkalt OFDM-modulasjon og såkalt feilrettende koder for å gjøre overføringen robust og effektiv. Det oppnås en bitrate på noe over 2 kbit/sekund, noe er veldig bra. Men erfaringene med ulike radioer og modulasjonstyper viser at mikrofon og høyttaler bør være av god kvalitet med god lydgjengivelse.

• En DMR-link er sterkt komprimert og gir kun forståelig tale med dårlig lydkvalitet, og viser seg ikke å fungere for Rattlegram, noe som ikke er overraskende.
• En FM-link i VHF- (145 MHz) og UHF-båndet (433 MHz) virker, som vist i eksperimentvideoene.
• En FM-link via en lokal VHF/UHF crossband-repeater fungerer fint, som ventet
• En FM-link via en “offentlig” VHF-repeater fungerte ikke, skyldtes muligens for svakt signal
• Overføring via en HF-link fungerer fint med FM- eller USB-modulasjon på frekvensene 7-29 MHz. De to HF-transceiverne sto like ved hverandre, så en link med “realistisk” signal-støy forhold ble ikke testet.

 675 total views,  3 views today

Med dette utstyret kan man trene på sending og mottak av morsesignaler sammen med andre. Hver deltaker trenger en Micro:Bit (version 2), og programvaren finner du nederst på siden.

Med morsealfabetet kan du sende og motta tekst ved å overføre korte og lange pipesignaler. På 1800-tallet kom telegraf-tjenesten i gang i Norge, fra nord til sør ble ledninger trukket som kunne overføre elektrisk strøm for dette formålet. Den gang fantes ikke radio, og heller ikke elektronikk som kunne overføre et talesignal. Profesjonelle operatører som var trent i bruk av morse sørget for at telegrammer ble sendt og mottatt, skrevet ned på papir med vanlige bokstaver og levert til mottakeren med bud.

Etter hver ble radiosenderen oppfunnet, men fortsatt uten muligheter for å overføre tale. Morsesignaler var også her i vanlig bruk mellom skip og til landstasjoner.

Da radioene ble utviklet til også å overføre tale, fortsatte allikevel morsesignaler å være i vanlig bruk. Det viste seg at et system med pipetoner var lettere å oppfatte når det var dårlig radioforbindelse, og man trengte mindre effekt for å få frem meldingene. En radiosender med mindre effekt er lettere og billigere, og egner seg i bærbart utstyr.

Mens profesjonell bruk av morse mellom skip og landstasjoner ble avviklet i år 2000, er det fortsatt mange radioamatører som bruker morse, og det er egne frekvensbånd som brukes til dette formål. Bruk av morse er

• morsomt, fordi det krever øvelse
• lett å kombinere med selvbygget radioutstyr
• effektivt, signalene når over lange avstander med lav effekt og enkle antenner

Morsetrening

Morsealfabetet er lett å være, det finner du mange steder på nettet. Her ser du en slik tabell hvor de korte pipesignalene er vist som prikker, de lange som streker.

Det er grunner til at du ikke anbefales å pugge morse som prikker og streker, fordi det kommer til å hindre deg i å oppfatte signalene som bokstaver og ord når hastigheten øker. Det er mye bra programvare gratis tilgjengelig som trener deg i nettopp dette.

Men det er også viktig å trene morse sammen med andre, hvor dere kan sende til hverandre på skift og lage en faktisk samtale. Slik trening vil lære dere å bruke de vanligste forkortelsene, be om repetisjon av deler av meldingen ved behov osv. Dessuten er det morsommere å lære noe nytt sammen med andre. Om du allerede er radioamatør med tilgang til en radiostasjon kan du øve med virkelige radiosendere, i motsatt fall må du bruke andre overføringsmekanismer, som f.eks.

• En internet taletjeneste (Messenger, Zoom, Skype m.fl.)
• Lydsignaler i luft

I begge disse tilfellene ovenfor trenger du en morsenøkkel og en “piper” som avgir et pipesignal når du trykker ned spaken på morsenøkkelen. Som du ser her er en morsenøkkel ganske dyr, men du kan selvsagt lagt din egen fordi det er bare en enkel elektrisk bryter.

Alt i ett med Micro:Bit v2

Micro:Bit er en mikrokontroller som inkluderer en del brytere, sensorer, radio, lamper og lydgivere og koster ca kr.400,- (version 2 kreves for dette formålet). Den kan programmeres og brukes til mange formål, og vi har laget programvare slik at den kan brukes til morsetrening. Programmet er gratis og kan lastes ned fra denne siden via en link lenger ned.

• Bruker knappene på kretskortet som morsenøkkel
• Brukere lydgiver og lamper på kretskortet for å vise/spille morsesignaler
• Bruker den innebygde radioen for at flere deltakere kan sende og motta signaler
• En “virkelig” morsenøkkel kan koples til kretskortet om ønskelig

Med Micro:Bit v2 og den nødvendige programvaren har en gruppe med deltakere alt de trenger for å sende og motta morsesignaler over radio (men med kort rekkevidde, opp til ca 10 meter).

Innlasting av programvaren

1. Last ned filen CWtransceiver.hex
2. Kople MicroBit til PC med en USB-kabel
3. Nå vil det vises en ny “disk” i FileExplorer, kalt MICROBIT
4. Kopiere CWtransceiver.hex til denne “disken” (drag and drop i FileExplorer)

For å teste at programvaren er riktig installert, trykk ned Button A (på venstre side av kretskortet. Da skal du høre en pipetone.

Bruksanvisning for morsetreneren

1. Du kan bruke treneren alene for å øve sending av morsetegn. Da bruker du Button A for å lage pipelyd.
2. Om flere Micro:Bit-enheter er i nærheten av hverandre, vil signaler som sendes på en enhet spilles av med pipelyder også på de andre enhetene. Der vil også led-lampene på kretskortet lyse opp i samme takt.
3. Om du berører touch-sensoren (på forsiden av kretskortet like ved USB-kontakten, den har to prikker med en oval rundt), vil LED-displayet skiftevis vise “P” og “S”. Om du vil sende morse slik som vist ovenfor (kalt “Straight Key”) skal det vises en “S” i displayet. Dersom det står en “P” i displayet vil Button A og Button B utgjøre en såkalt paddle keyer. Dette er en mer effektiv måte å sende morsetegn på, men den krever litt øvelse for å beherske. Demonstrasjonsvideoen i starten viser hvordan den kan brukes.
   * Button A gir en serie med prikker mens den holdes nede
   * Button B gir en serie med streker mens den holdes nede
   * Begge knappene nedtrykket gir en serie med skiftevis prikk og strek
   * Mens Button A holdes nede, kan Button B gis et kort trykk. Da vil streken bli sendt ferdig, deretter en prikk før strekene igjen blir sendt. Tilsvarende gjelder i motsatt retning.
4. Om du ønsker å endre hastigheten på prikker og streker i “P” (paddle keyer) innstillingen gjør du som følger:
   * Hold Button A nede slik at du hører en serie prikker bli sendt.
   * Snu kretskortet på høykant til høyre (slik at Button A er øverst). Da vises en høyrepil i LED-displayet og du hører at hastigheten på prikkene øker. Rett opp kretskortet når hastigheten er passe. Tilsvarende senkes hastigheten om du snur kretskortet til venstre (da vises en venstrepil).

 2,662 total views,  1 views today

Good news: The QYT KT-8900 and KT-8900D radios are well suited for running an Allstalink node. The configuration menu REP-M (#43 on KT-8900, #51 on KT-8900D) allows two radios to make a repeater by connecting a cable between the two microphone connectors (RJ45 plugs). The configuration feeds a RPT-CTLR signal when the squelch opens (or subtone received) through the mic connector which is wired to the PTT on the other radio.

The RPT-CTLR is effectively a COR signal which can be wired to the DMK URI for Allstarlink operation, and no modification to the radio circuit board is necessary. As a proof of concept, I sacrificed an ethernet cable and soldered a DB25 plug on it according to the wiring shown on the picture. This works as expected and with good sound quality. The KT-8900D offers much radio for the money, and I believe it should be interesting for use in private Allstarlink nodes.
The RPT-CTLR is active low, so you need to set “carrierfrom=usbinvert” in simpleusb.conf

After 3 hours operation on 95% duty cycle, the radio is only lukewarm, using low output power (10w)