Cet article décrit la réalisation d’une balise WSPR pour la bande des 20 mètres (14 MHz), construite autour d’un Arduino, d’un synthétiseur DDS AD9851, d’une horloge temps réel DS3231 et d’un amplificateur de puissance utilisant un transistor 2N5109.
L’ensemble délivre environ 900mW HF, une puissance largement suffisante pour obtenir des reports WSPR à l’échelle européenne et souvent mondiale lorsque les conditions de propagation sont favorables.
En entête de l’article, vous avez la vue de l’ensemble, réalisé en partie sur plaque à trous et plaques de cuivre avec pistes faites à la Dremel. (le transformateur d’impédance sur la plaque à trous a été supprimé).
Architecture générale
La chaîne d’émission est composée des éléments suivants :
- Arduino et écran Tft
- Horloge temps réel DS3231
- Synthétiseur DDS AD9851
- Encodeur rotatif
- Filtre de sortie DDS
- Amplificateur driver à transistor 2N5109
- Filtre passe-bas 14 MHz
- Antenne
Connections entre modules :
Module DDS AD9851
Broche AD9851 Broche Arduino Nano Fonction dans le code
W_CLK D7 Clock de transmission
FQ_UD D6 Mise à jour de la fréquence
DATA D5 Données série
RESET D4 Réinitialisation du DDS
VCC 5V Alimentation
GND GND Masse2. Écran TFT ST7735 (Affichage)
Broche Écran Broche Arduino Nano Fonction dans le code
CS D10 Chip Select
DC (ou RS) D9 Data/Command
RES (RST) D8 Reset écran
SDA (MOSI) D11 SPI Data (fixe sur Nano)
SCK (SCL) D13 SPI Clock (fixe sur Nano)
VCC 5V ou 3.3V Selon ton modèle d’écran
GND GND Masse3. Module RTC DS3231 (Heure UTC)
Broche DS3231 Broche Arduino Nano Fonction
SDA A4 I2C Data (fixe sur Nano)
SCL A5 I2C Clock (fixe sur Nano)
VCC 5V Alimentation
GND GND Masse4. Encodeur Rotatif HW-040 (Contrôle)
Broche Encodeur Broche Arduino Nano Fonction dans le code
CLK D2 Interruption encodeur (A)
DT D3 Interruption encodeur (B)
SW A0 Bouton poussoir (Menu)
VCC 5V Alimentation
GND GND Masse
Le contrôleur : Arduino
L’Arduino constitue le cerveau du système.
Ses fonctions principales sont :
- génération des trames WSPR ;
- calcul des fréquences correspondant aux différents symboles ;
- pilotage du DDS AD9851 ;
- synchronisation temporelle.
Le protocole WSPR exige un démarrage extrêmement précis des transmissions. Chaque trame débute au début d’une minute paire (00, 02, 04, etc.) et dure environ 110,6 secondes.
L’Arduino surveille donc en permanence l’heure fournie par le DS3231 afin de déclencher les émissions au moment exact. Il intègre votre indicatif et votre locator que vous aurez juste à indiquer.
Synchronisation temporelle : DS3231
La précision de l’horloge est essentielle pour le WSPR. Le module DS3231 présente plusieurs
avantages :
- oscillateur compensé en température (TCXO) ;
- dérive très faible ;
- stabilité de quelques ppm seulement.
Grâce à cette référence temporelle, les émissions restent correctement synchronisées même sans GPS.
Le DS3231 fournit à l’Arduino : les heures, les minutes et les secondes.
L’Arduino peut ainsi respecter les fenêtres d’émission WSPR avec une précision suffisante pour être décodée par les stations réceptrices.
Génération de fréquence : AD9851
Le cœur RF du montage est le DDS AD9851.
Le DDS (Direct Digital Synthesis) permet de générer une fréquence avec une résolution très fine et une excellente stabilité. Pour le mode WSPR, la modulation utilisée est une FSK à 4 niveaux.
Le logiciel de l’Arduino modifie donc légèrement la fréquence de sortie du DDS selon les symboles à transmettre.
Les décalages de fréquence entre symboles sont extrêmement faibles, de l’ordre de quelques hertz seulement.
Le DDS est particulièrement adapté à cette application grâce à :
- sa grande résolution fréquentielle ;
- sa stabilité ;
- sa simplicité de pilotage.
Filtre de sortie DDS
Comme tout synthétiseur DDS, l’AD9851 produit :
- le signal fondamental ;
- des produits images ;
- des harmoniques liées à l’horloge interne.
Un filtre passe-bas ou passe-bande est donc placé immédiatement après le transformateur d’adaptation.
Son rôle est de :
- atténuer les composantes parasites ;
- améliorer la pureté spectrale ;
- éviter l’amplification de signaux indésirables par l’étage suivant.
Cette étape est essentielle pour obtenir un signal conforme aux bonnes pratiques radioamateurs.
Amplificateur pilote à 2N5109
Après filtrage, le signal est appliqué à un amplificateur construit autour d’un transistor 2N5109.
Le 2N5109 est un transistor RF très apprécié des radioamateurs pour :
- sa linéarité ;
- son faible bruit ;
- sa robustesse ;
- ses excellentes performances HF.
Dans cette réalisation, il est utilisé comme étage driver.
Ses fonctions sont :
- augmenter le niveau du signal DDS ;
- fournir une puissance suffisante pour l’antenne ;
- conserver la qualité spectrale du signal WSPR.
L’étage délivre environ 200 mW. Il pourrait sortir davantage mais j’ai préféré le garder dans sa zone
de confort et cette puissance paraît modeste mais est largement suffisante pour le WSPR.
Le schéma :
Si nous désirez le pousser un peu, réduisez la valeur de la résistance d’émetteur, mais ne passez pas les 70 mA de courant de repos !
(Mesures effectuées derrière le filtre décrit ci dessous)
Filtre passe-bas 14 MHz
Le dernier élément de la chaîne RF est un filtre passe-bas accordé pour la bande des 20 mètres.
Ses objectifs sont :
- éliminer les harmoniques produites par l’amplificateur ;
- respecter la pureté spectrale ;
- éviter les brouillages hors bande.
- Les harmoniques principales apparaissent notamment vers :
- 28 MHz (2e harmonique) ;
- 42 MHz (3e harmonique) ;
- 56 MHz (4e harmonique).
Le filtre assure une forte atténuation de ces fréquences avant l’envoi du signal vers l’antenne.
Performances obtenues
Avec une puissance de sortie de 900 mW, une antenne correctement accordée et une bonne
propagation, cette balise permet :
• une couverture nationale permanente ;
• des reports européens quotidiens ;
• des liaisons intercontinentales lors des ouvertures favorables.
Le réseau mondial WSPRnet permet de visualiser en temps réel :
• les stations ayant reçu la balise ;
• le niveau reçu ;
• la distance parcourue ;
• les conditions de propagation.
Le système constitue ainsi un excellent outil pédagogique pour étudier les phénomènes de propagation ionosphérique. (Filtre calculé avec logiciel SimNEC)
En option :
En laissant l’encodeur rotatif appuyé au démarrage, l’heure se synchronise avec celle du PC et
lorsque l’ensemble est en marche, un contact sur ce même bouton bascule en mode CW (pour futur projet TRX CW).
ATTENTION : Découplage de l’alimentation du DDS OBLIGATOIRE
La qualité du découplage de l’AD9851 joue un rôle essentiel dans les performances globales de l’émetteur. Le DDS fonctionne à partir d’une horloge de plusieurs dizaines de mégahertz et génère des courants transitoires rapides susceptibles d’introduire du bruit sur les lignes d’alimentation. Afin de garantir une bonne pureté spectrale, chaque broche d’alimentation est découplée au plus près du circuit par des condensateurs céramiques de faible valeur (100 nF), complétés par des condensateurs de plus forte capacité (10 µF à 100 µF) assurant le filtrage des basses fréquences. Une attention particulière est portée à la qualité de la masse et à la longueur des connexions afin de limiter les inductances parasites.
Un découplage soigné contribue à réduire les raies parasites, le bruit de phase et les produits de mélange qui pourraient dégrader les performances du signal WSPR transmis.
Les premiers retours :
F4HQJ entendu par :
WESSEX, DL1BAJ, DL6OW-WTM, LA1ZM, LA3JJ, EA1FAQ, OH3LMN/KIWI, OH3CUF,EA8/DF4UE, G4HZX/L, G4HZX, AIRSDR, S58WW, GW0KIG, PA5KT-15, PA0RDT, M7IAF, IW3HBX, G0TCD,G4ZFQ, PD2RPS, PC7A, PA1JMS, PA2JH, PI4RSZ, PA0SLT/4, PA0SLT/5, SM4GTV, DG8MAR, PD0OHW, G4WNC-1, SP8MK, DL0PF, KS0TRADE, G3VGZ, M9PSY-1, OE3GBB, GM0DHD, M0WMG, G0KTN, M9PSY, OE3GBB/P, OE3GBB/Q, G4WNC-2, G4AHG, SM0ECF, DP0POL, PI4THT, DL1XH, OE2WNL, G8LCO, OE5MMP, DL4RU, VO1CBL, DC1RDB, DK7MI, G4LCM, WD4ELG, G0BZB-SWL, LA3FY/2, 9A1FER, OE1ELW/8, YU1DGH, LA5VX, G4HDS, DK8FT/A, DK8FT, SV1BTL, DG7SFI-2
Conclusion
Cette réalisation démontre qu’il est possible de construire une balise WSPR performante avec des composants simples et peu coûteux (Environ 30 euros).
L’association d’un Arduino, d’un DDS AD9851 et d’une horloge DS3231 permet d’obtenir une excellente stabilité temporelle et fréquentielle. L’amplificateur à 2N5109 fournit une puissance de 900 mW suffisante pour explorer les capacités remarquables du mode WSPR.
Au-delà de son intérêt expérimental, ce type de balise constitue un formidable outil pour l’étude de la propagation HF, tout en illustrant les possibilités offertes par les techniques modernes de synthèse numérique de fréquence appliquées au radioamateurisme.
Tous les renseignements et le code Arduino sont dispo librement…..
Bonne réalisation. F4HQJ (et Claude)
Vous pouvez contacter Frédéric à l’adresse ci-dessous:
