WSPR独立信标的制作

这个WSPR到底是什么。..。..

WSPR（发音为‘whisper’）信标是一个低功率无线电发射机业余频段分别为2m至160m或约144MHz至1.8MHz。这里介绍的实现可以支持5个频段，其中我专注于2个频段--20米和40米。我的特殊天线最适合20米和40米。

WSPR协议是由获得诺贝尔奖的普林斯顿物理学家乔泰勒博士开发的。这导致基于PC计算机的应用程序于2008年4月首次发布。计算机（通常是PC）获取一些基本用户信息并使用WSPR协议对其进行编码，从而产生162个四级FSK（频移键控）符号。这些符号，然后从偶数分钟的顶部开始，在110.6秒的时间内缓慢传输。编码的信息包括用户无线电呼号（我的 - G7IYK），用户定位器代码（我的 - IO81）和以dBm为单位的功率级别。所以基本信息如下所示：

WSPR输入信息示例：G7IYK IO81 30

在这个例子中，30dBm相当于50W匹配天线的1W。

以下在编码时，合成的FSK信号仅适合6Hz，WSPR频带仅200Hz宽。因此，PC将输出调制数据作为一系列四个FSK音调。然后将这些音频输入到设置为适当频带频率的业余无线电装置。业余无线电装备随后将数据传输到世界各地。..。..

好 - 很好，有什么意义呢？

世界字面上充斥着WSPR信标和接收器。我在这里展示的项目是一个仅发送信标，但许多（大多数）WSPR设置接收和发送 - 它们是收发器。

这是很酷的部分。..。..

WSPR接收器可以同时解码200Hz频带中的所有消息，导致每两分钟窗口可能有数十个解码消息。此外，WSPR协议可以在大约-28dB的S/N（信噪比）水平下进行解码 - 因此是耳语描述。通常，解码器可以拉出并成功解码来自人耳听不到的噪声的信号。这意味着您的低功率信号可以根据传播条件在很远的距离进行解码。

好的，那么您如何知道谁解码了您的信号呢？

有一个非常酷的网站叫做WSPRnet（wsprnet.org）。该网站显示了全球每个频段的所有WSPR解码活动。运行在全球数千个站点上的WSPR接收器软件将解码后的呼号标记数据推送到wsprnet.org网站，在那里显示它以供任何人查看。您可以将自己或其他任何人的呼号输入到地图页面中，该站点将过滤显示呼号被解码的行星位置，解码时间，解码对象，真实接收功率等级和距离的信息。来自传输源。

你可以这样做只是为了好玩（而且很有趣），或者你可以将它用于像天线开发那样严肃的事情，毕竟WSPR是传播记者。您可以随心所欲地设计和建模天线，但WSPR允许您通过向您显示其他站点能够解码信号的位置来实际查看天线的工作情况。

您也可以使用您自己的解码传输或网站上其他人的解码，以便在任何特定时间看到哪些频段是开放的并且传播良好，并且由于大气条件而关闭。

我附有显示该类型的图像WSPR网站上提供的信息。

那么这个项目究竟是什么呢？

正如我之前提到的，大多数WSPR站由个人计算机和业余无线电收发器组成，接口电缆。接口电缆向PC发送音频信息或从PC接收音频信息，并允许PC在发送和接收之间切换无线电。

大多数人都有PC但业余无线电通常非常昂贵并且有更多功能不是WSPR所需的功能。您可能拥有业余无线电许可证，或者正在考虑申请一个，并且想要使用像WSPR这样的数字模式进行游戏而不是花费在无线电收发器上。

这个项目是独立的WSPR信标配有数据编码器，显示器，GPS接收器和包括低通滤波器的无线电发射器。一旦配置，信标将独立运行，将WSPR序列GPS锁定到每个偶数分钟的顶部。信标还可以通过无线电串行接口连接到PC，使用专用控制应用程序完全配置和下载。信标还预装了引导加载程序，允许嵌入式固件通过相同的PC串行无线连接进行重新编程。

以下是主要项目功能列表。..

独立信标，无需PC连接即可运行

用于数据编码的PIC微处理器和控制

GPS接收器提供准确的传输时序

LCD显示传输数据，时间，模式等。..

用于PIC固件重新闪存的集成引导加载程序

1MHz至40MHz频率合成

输出功率为35dBm或~3.3W

无线发射机每频段切换输出低通滤波

li》

基于无线电的57600波特串行链接到PC进行配置和引导

基于PC的控制和配置应用

基于PC的串行引导加载程序

为什么我设计并构建了这个WSPR信标？

考虑到我有一个基于PC的WSPR站和Yaesu无线电收发器，这是一个非常好的问题。主要原因只是为了好玩，这是一个伟大的项目，我学习了新的技能

硬件和软件：我通常选择包含可能对我来说可能是新功能的项目。作为这个项目的例子，我开发了串行引导程序 - 对于未来的项目非常宝贵，需要将一些RF集成到项目中并使用GPS接收器。..。..更不用说WSPR软件编码器和其他具有挑战性的嵌入式固件任务。

另外，我喜欢编写项目的乐趣;它给人一种完整感 - 不是一个商业产品，而是一个先进的原型。与更广泛的社区共享一个项目迫使人们希望提供更高水平的质量，而不仅仅是简单的替补。通常，记录项目和解释决策的行为导致人们意识到可能有更好的做事方式。

向更广泛的社区发布项目通常会导致其他人想要“去做” ‘在构建设计时，我喜欢在可能的情况下提供支持。将技能传授给他人，看看他们用新技能做什么，这是非常有益的。

有时候一个项目非常受欢迎，而且产量很低的产品可能会短暂出现以产生一些啤酒资金来资助下一个疯狂项目！

最后，社区通常会提供好的和坏的反馈。通常，当建设性时，这种反馈增强了我的知识，并且通常是很酷的新想法的来源 - 很高兴随时提供反馈：）

第1步：有关WSPR协议的更多信息

重要：为了避免任何可能的混淆，我强调WSPR协议不是我的设计，我没有输入设计过程。正如引言中所提到的，WSPR协议是由普林斯顿大学的Joe Taylor博士设计的。

WSPR协议有两种操作模式。第一模式在单次通过中生成编码数据，并且被设计用于单个传输间隔。第二扩展模式生成为两个间隔传输而设计的数据。我的信标项目和以下描述仅详细说明了在一两分钟间隔内传输的第一个单程方法。

有非常详细的WSPR协议描述，这里我提供一个简要说明，旨在帮助澄清后续设计步骤。

1。要编码的数据（非扩展模式）

呼号最多六个字符AZ，0-9和［空格］

标准4位数的Maidenhead定位器

功率级别从0到60dBm

示例序列：G7IYK IO81 30

为什么首先编码。..

好问题 - 为什么要首先编码，为什么不使用说摩尔斯电码来传输字符？

在坚果shell中我们将数据编码为极大提高在非常低的SNR水平下解码消息的机会。恢复性能的这种改进称为编码增益。如果通过对序列进行编码，在某些SNR-XdB处可以恢复未编码的信号，我们可能能够恢复信号 - 例如 - （X + C）dB，其中C是编码增益。在WSPR的情况下，这种编码增益是通过使用具有长约束长度的非递归卷积码对数据进行编码来实现的。

WSPR传输可以在低至-28dB的SNR级别进行解码。

简要介绍编码过程

所以我们从输入数据开始，例如G7IYK IO81 30.

输入组件的无损编码导致呼号为28位，定位器为15位，功率级为7位，因此总共为50位。

将50位打包到11个8位字节的数组中，截断结果为81位。

使用约束长度32，速率1/2卷积码对81位进行编码（FEC，前向纠错添加），得到162位序列。

为了提供突发错误保护，162位是交错的。

交错的162位序列与162位伪随机同步序列合并，产生162个两位值。

调制

162个两位符号中的每一个表示每符号值12000/8192或大约1.46Hz的频移，给出四级FSK调制。发送的符号长度是音调间隔的倒数，或大约0.683秒，因此162个符号的完整消息序列大约需要110.6秒才能发送并占用大约6Hz的带宽。

传输开始否在偶数分钟的顶部之后的一秒钟之后。

第2步：WSPR功能和接口

我想我会首先描述PC应用程序界面和图形用户界面或GUI。虽然WSPR信标独立运行但仍需要PC应用程序初始配置和启动传输序列。

考虑此步骤中的第一张图片。此图显示了首次调用WSPR控制面板后我们有以下字段：

COM端口 - 一个下拉菜单，显示连接到PC的所有当前串行COM端口。一旦选择了COM端口，应用程序将在将来打开应用程序时记住这一点。

打开端口 - 此按钮可打开和关闭COM端口。按钮在显示打开端口和关闭端口之间交替显示，具体取决于端口状态。

Tx消息 - 这些是构成用户消息的三个字段。首先是呼号，然后是梅登黑德定位器，最后是电源。权力从合法权力的下拉列表中选择。呼号和定位器都被解析为合法格式，如果格式不正确，则会变为红色。

频段/频率控制 - “以Hz为单位的频率”字段是从WSPR 200Hz频段开始的偏移。合法的值范围是0到194Hz（200Hz，包括6Hz的传输带宽）。接下来是复选框，指示要覆盖哪些波段。如果检查多个频段，则按照波长顺序按波段顺序进行传输。

因此，如果“20m”和“40m”都被检查和，则“步进Hz”字段为零将发生传输在频带20上的“频率以Hz为单位”字段给出的偏移一两分钟时段，然后在频带40上自动切换到类似的传输一两分钟。循环将持续到用户通过WSPR控制应用程序停止传输或按下停止/启动硬件按钮。

如果“步进Hz”字段为非零，则会发生不同的行为。在这种情况下，传输以0Hz的频率偏移开始，并以“步进Hz”字段给出的频率间隔在频带上进行两分钟的传输周期。一旦到达当前频段的结尾，如果通过复选框选择，则选择下一个频段。如果“Step Hz”字段非零，则忽略“Frequency Hz”字段。

调试窗口 - 此复选框打开并关闭调试控制台窗口。调试窗口通过无线电串行接口显示PC应用程序和硬件之间的所有上行链路和下行链路流量。此外，还会显示许多软件状态和其他有用的调试数据。

发送 - 此按钮使WSPR控制应用程序将Tx消息和其他字段发送到硬件。只有在打开COM端口后才允许发送操作。当每个字段被发送并且硬件确认收到数据时，每个字段从白色变为绿色背景。

硬件报告的当前Tx状态 - 这些字段代表硬件的直接反馈。显示回显的Tx消息。还显示传输电流带和频率偏移。

符号进度条 - 此栏显示当前162 FSK符号传输的进度。

GPS状态 - 显示GPS接收器的状态被锁定或解锁。

GPS时间 - 显示GPS模块报告的当前时间。

当前时间 - 这是GPS模块显示的当前时间。这可能与PC显示的时间不同，因为PC时钟通常不准确。

Tx启用 - 一旦打开COM端口且硬件成功完成配置此按钮启动GPS模块给出的下一个偶数分钟顶部的传输。只有在检测到GPS模块锁定后才会启动传输，如果锁定丢失，传输仍会终止。用户可以通过按下“Tx启用”按钮或按下启动/停止硬件按钮来终止传输。

第二个图像显示按下发送按钮后的WSPR控制面板并且调试控制台已打开。 GPS被锁定并显示时间。按下“Tx Enable”按钮后，传输将在下一个偶数分钟的顶部开始。

第三个图像显示Band Frequency Calibration面板，其中包含以下字段：

每个频段的频率偏移 - 这是+/- Hz的偏移，将应用于DDS模块，以校正由不正确的125MHz参考时钟引起的任何绝对输出频率误差。

每个频段的滤波器位置 - 这是物理硬件位置1-5，其中安装了相应频段的LPF滤波器。

显示WSPR控制的视频正在使用的面板

步骤3：WSPR信标硬件操作

附加视频显示WSPR硬件操作。

第4步：灯塔的结果

在我们进入所有设计细节之前，我认为详细说明信标的结果会很有趣。如果您首先了解设计功能，我认为总是更容易理解设计细节。

所以我设置信标以在20米和40米上传输我的信息。信标在我称之为带扫描模式的情况下运行。在该模式中，信标开始在20m频带的底部发送，并且在每两分钟之后发送间隔自动向上移动频带，在这种情况下以10Hz步长。因此，在频带20内将有二十次传输，因此需要四十分钟才能完成。在遍历频带20之后，信标自动切换到频带40并扫描频带，然后自动返回频带20并再次开始。该操作总共可以在五个频带上执行。

附带的图片和下面的数据来自WSPRnet网站：

以下三张图片展示了欧洲和大西洋到美国的数十个成功解码。

通过无线电串行连接和使用基于PC的WSPR控制面板来完全控制信标。

最远的解码是：KD6RF，距离为7392km或4620miles信噪比为-19dB

步骤5：解码显示欧洲的地图

步骤6：显示美国的解码地图

步骤7：设计，顶级硬件概述

在此步骤中，我将介绍硬件方面的内容。从顶层设计并解释每个组件是什么以及为什么需要它。

我总是通过查看需要解决的问题来开始设计。这通常包括坐着一张纸，一支铅笔和一瓶漂亮的红酒（必不可少），可能还有一些奶酪和饼干。在这个阶段，我们正试图找出问题的范围并得出一套顶级选项。从选项中我们做出设计决策并得出设计解决方案。这是最重要的事情，因此列表可能不会很长或很复杂，但在此阶段做出错误的决定可能会导致设计过程中的大量浪费时间。

顶级范围设计清单和决策过程：

已完成的解决方案必须独立运行，无需外部计算机连接

设计决策：该设计可以单独实现整个WSPR编码过程，也可以使用预先计算的序列进行配置，并简单地调整序列。预加载序列意味着不对用户呼号，定位器或电源进行任何改变，而无需将信标重新连接到主计算机以计算新序列。但是，单独计算WSPR序列需要更多的微处理能力和内存。

我首先使用Microsoft Visual C ++编写了一个编码器，以使其工作。然后我迁移到编码器到C并使用Microchip C18编译器进行编译。我选择的28引脚PIC微处理器通常是PIC18F25K22器件，其内部时钟频率FOSC为64MHz，因此指令执行速率为每秒16兆指令。此处理器上的编码器执行时间约为88us，内存开销很低。

因此决定在PIC微处理器中实现WSPR编码器。

设计决策： WSPR传输必须在偶数分钟的顶部之后不迟于一秒开始。因此，必须存在一些机制以保持对实时的准确跟踪。有两种可能的方法。第一种解决方案是使用实时时钟模块（RTC）。 RTC模块使用正确的时间进行编程，然后自由运行。可以回读时间并编程基于中断的报警。一些RTC模块非常精确，只有几个PPM的漂移，但它们会漂移，因此在某些时候，传输的准确起点将被违反。第二种选择是使用GPS模块提供准确的定时信息。 GPS模块现在非常便宜，随时可用无源嵌入式天线或外部天线连接。

决定使用通过串行链路访问的外部GPS模块。

用户必须能够独立查看关键信息

设计决策：此问题的最简单解决方案是使用LCD显示器。

我选择使用通过IIC接口连接到PIC的20字符4行显示器。

用户必须能够轻松地从主机重新编程WSPR信标

设计决策：编写基于PC的Windows GUI以提供所有必需的配置功能。

我使用用户可选的调试控制台窗口在C＃中编写了Windows GUI应用程序。

PC应用程序需要连接到PIC固件

设计决策：两个明显的连接选择是USB或S erial。我选择的PIC18F25K22有两个串行接口端口，但没有USB控制器。

我选择使用基于无线电的串行连接，允许远程重新配置和监控WSPR信标，无需布线需要。

我使用的串行无线电模块是APC220设备。

用户必须能够更新（重新闪存）PIC固件，无需专业编程器

设计决策：为了更新或重新刷新PIC固件而无需专门的PIC程序员你需要一个bootloader。引导加载程序是PIC上运行的一小块固件，一旦启用，就会与主机通信并协调下载新的应用程序固件并将其闪存到PIC程序存储器中。

我已经有了Microchip USB引导加载程序，我使用带有嵌入式USB控制器的PIC器件修改并用于其他项目。然而，PIC18F25K22没有嵌入式USB控制器。

环顾四周后，我找不到一个能正常工作的串口启动器，或者我很满意。所以我拿了Microchip USB Bootloader固件和基于PC的应用程序并重新编写它们以支持我选择使用的串行无线电链路连接。

信标必须能够生成自己的RF调制信号

设计决策：为了生成所需的频率范围以覆盖大部分HF频段以及所需的调制，我使用了AD9850 DDS（直接数字频率合成）模块，频率范围为0 - 40MHz，足以解决WSPR音调分离问题。

独立的WSPR信标必须能够生成自己的RF功率输出

设计决策：我很早就决定采用RF PA模块，而不是布局我自己的解决方案。有许多不同的带宽和功率。最后，我选择了一个规格为1MHz - 700MHz且RF增益为35dB的PA模块。

在RF PA之后，必须提供低通滤波以抑制二次谐波和其他高频率的不良成分。最初我打算让我自己切换低通滤波器。然而，我从QPR实验室找到了一个非常好的解决方案，因此最初的原型可以节省时间。

以下步骤依次为每个主要硬件组件提供设计详细信息 - 硬件部分随后以原理图结束

步骤8：Microchip PIC18F25K22 PIC单片机

我从事电信电子工程工作近30年，从事家庭项目已超过40年。我的大部分工作时间都是在FPGA和ASIC技术上工作，但后来在软件方面越来越多。

毫无疑问，对家用电子设备电子产品的影响最大的是具有廉价功能的微处理器，如Microchip系列PIC部件和Arduino板上使用的ATMEGA系列。多年前，电路板将使用许多分立芯片构建，例如4000和7400系列部件。然后是简单的可编程CPLD，用于扫描逻辑和后来的FPGA技术。后来，一些FPGA技术拥有像Xilinx MicroBlaze这样的软微处理器。

微控制器技术的主要优势在于大量可用部件 - 数百个。每个部件的核心都有一个微处理器，螺栓固定在各种外围设备上。我甚至试图描述可用的器件范围是毫无意义的 - 我建议您访问Microchip网站并查看器件选项 - 这可能会让人感到困惑。我想说如果你能想到一个项目就很难找不到合适的部分。

很多人使用Arduino平台进行项目工作，这是一个很棒的平台。但是，对我来说，我更喜欢Microchip PIC技术。这是个人偏好，但我喜欢尽可能接近硬件，如果需要，可以绝对控制到时钟周期。 PIC解决方案可能不是Arduino库快速编码的最快路径。然而，对我来说PIC是最好的。..。

往往会发生什么是你喜欢和喜爱的最喜欢的部分的一端。例如，如果我需要USB解决方案，我通常会对PIC18F2550或18F4550这样做。但是，如果我不需要USB，我通常会选择PIC18F25K22或变体。

PIC18F25K22数据手册大约有500页，所以我不会在这里详细介绍 - 下载数据表并有看看。令人惊讶的是，有多少功能包装在一个28针的小包装中，并且价格低于5磅（品脱啤酒和一些零食）的价格低于1磅。

然而，这里只是一些PIC18F25K22的功能，我正在使用的那些：

高性能RISC CPU

32 KB程序存储器

1536字节数据存储器

256字节EEPROM

板载64MHz振荡器

16 MIPS操作

多个硬件中断

GPIO的25个引脚

IIC接口

EUSART接口x 2

多个定时器模块

我已将数据表的前面页附加到更好地了解该器件的功能。

PIC微处理器软件开发和编程

对于PIC的编程，我使用PICKIT3。我发现这是一个优秀的程序员，从来没有遇到过问题。我使用的那个实际上是一个我从eBay拿到大约15英镑并且工作得很好的克隆。

PIC固件全部用C语言编写，我使用的是MPLAB IDE版本8.这是一个旧的版本，但我对它非常熟悉，没有理由升级。我使用Microchip C18编译器进行优化，再次使用旧版本，但如果没有损坏，请不要修复它。..。

步骤9：PIC单片机开发板

我是这些PIC单片机开发板的忠实粉丝。它们非常便宜，价格大约10英镑，并且拥有您开展项目原型所需的一切。该主板具有以下主要功能，可减少开展工作所需的驴工作量：

插座28针PIC插座

5V和3V稳压器

电源连接器

USB连接器

编程标题

电源指示灯

主复位按钮

两个通用按钮

电源开关

反极性保护

原型设计区域

一般来说，对于我购买原型的项目然后，如果需要，可以使用2.54mm接头将原型板搭载到第二块较大的电路板上。在WSPR项目的情况下，我设法将APC220无线电串行接口模块和NEO-7M GPS模块安装到原型板上，然后将所有剩余的模块安装到基板上。基板的所有控制，时钟，数据和电源引脚均可通过2.54mm接头连接。可以随时拔下原型板进行修改或添加其他部件。所有的东西都是使用标准的单芯模拟线和一些去耦电容进行连接，以便进行良好的测量。

步骤10：WSPR信标设计原理图

这一步是我的项目原理图。

基于PIC微处理器的项目的优点是硬件通常很简单，这个项目也不例外。在“过去”中，硬件本来就是大部分工作。如果这个项目在四十年前就可以实现，那么硬件将占用我工作室的一半，并且需要几个月的时间来构建。现在一切都是高度集成的，硬件设计只包括将模块连接到微处理器，所有工作都在软件中。

关于原理图，有几点需要注意：

AD9850是一款非常耗电的设备，从内存消耗约300mW并且变得非常热。这和所有其他悬挂在5V导轨上的东西导致LM7805稳压器需要散热器。它不需要强制空气冷却，但需要散热器。我发现没有散热器，调节器因热保护而开始掉电。

用于RF PA的基于FET的电源开关可以用继电器代替，我碰巧有FET和光电-isolator在车间敲门。

注意GPS模块UART端口上的470R串联电阻。这些是必需的，因为PIC UART端口2与PIC编程引脚共用它的引脚。如果您想连接GPS并仍然使用PIC编程器，则需要这些电阻。

注意LCD显示器端口上的10K上拉电阻。 LCD通过IIR接口控制，需要上拉电阻。

原理图未显示使用的某些去耦电容。我倾向于在每个模块的电源轨上放置一个100nF的去耦电容，以便进行良好的测量。

步骤11：NEO-7M GPS卫星定位模块

这是一个非常酷的小模块。..。..

之前我玩过GPS模块，但这是我第一次真正需要一个模块集成到项目中的愤怒。

如前所述，WSPR传输必须同步到偶数分钟的顶部，因此PIC micro需要访问实时时钟源。我本可以使用预先编程的实时时钟模块然后自由运行。
责任编辑：wv