Cette balise a été conçue pour émettre automatiquement des trames WSPR sur la bande radioamateur des 20 mètres.
Elle fait suite à la V1.0 qui elle n’était pas connectable.

Présentation

Le projet repose sur un ESP32U qui assure la gestion générale de la balise :
Génération des trames WSPR, programmation des émissions, affichage, interface utilisateur et serveur Web.

Une horloge DS3231 permet à la balise de fonctionner de manière totalement autonome, sans nécessiter de connexion Internet permanente.
Le Wi-Fi reste une fonction optionnelle destinée principalement à la configuration et à la synchronisation de l’heure.

La chaîne générale est :
ESP32U → Si5351 → filtre passe-bas →  amplificateur RF → filtre passe-bas de sortie

ESP32U – Le contrôleur principal

L’ESP32U constitue le cœur de la balise.

Il assure notamment :

• la génération du message WSPR ;
• le pilotage du Si5351 ;
• la lecture de l’horloge DS3231 ;
• le calcul des créneaux d’émission ;
• la gestion de l’écran TFT ;
• la lecture de l’encodeur KY-040 ;
• la gestion du contact CW manuel ;
• la mémorisation des paramètres ;
• la connexion Wi-Fi optionnelle ;
• le fonctionnement du serveur Web.

Si5351 – Générateur RF

Le Si5351 génère directement le signal RF utilisé pour l’émission.
Il est piloté par l’ESP32 via le bus I²C.

Pour le WSPR, l’ESP32 fait varier très légèrement sa fréquence afin de produire les quatre tonalités FSK du protocole WSPR.

Le niveau de sortie du Si5351 peut être sélectionné par logiciel :
2 mA / 4 mA / 6 mA / 8 mA et dans mon montage, le réglage 4 mA a notamment été testé.

Après filtrage et sur une charge de 50 Ω, nous avons mesuré environ +5 dBm.

Filtre passe-bas après le Si5351

Le signal brut produit par le Si5351 est de nature numérique et contient donc de nombreuses composantes harmoniques.

Un filtre passe-bas 20 mètres est installé après le générateur.

Son rôle est de conserver essentiellement le fondamental autour de 14 MHz et d’atténuer les harmoniques supérieures.
La mesure effectuée après ce filtre montre une belle sinusoïde d’environ 1,12 Vpp sur 50 Ω.

Amplificateur RF

Un premier amplificateur a été réalisé autour d’un 2N5109.

Son rôle est d’amplifier les quelques milliwatts provenant du Si5351 pour obtenir une puissance RF suffisante pour l’émission WSPR.

Les essais ont montré qu’il était possible d’obtenir plusieurs centaines de milliwatts, mais également que l’étage devenait sensible à la charge présentée par le filtre de sortie.

Un courant de repos d’environ 60 mA a notamment été testé avec un échauffement raisonnable du transistor.

Un nouvel étage utilisant un 2N3866 est également étudié afin d’obtenir une puissance de l’ordre de 300 mW avec une bonne stabilité. C’est ce dernier qui a été retenu.

Filtre passe-bas de sortie

Un deuxième filtre passe-bas est prévu après l’amplificateur RF.
Il est indispensable, même si un filtre est déjà présent après le Si5351.

En effet, l’amplificateur RF peut lui-même recréer des harmoniques. C’est le même que celui trouvé dans la V1.0

La chaîne devient donc :

Si5351 → LPF  → amplificateur → LPF → antenne

Le filtre final doit notamment réduire les composantes à :

• 28 MHz : deuxième harmonique ;
• 42 MHz : troisième harmonique ;
• Ainsi que les harmoniques supérieures.

DS3231 – Horloge temps réel

Le DS3231 fournit à la balise une horloge précise et indépendante.

C’est particulièrement important pour le WSPR, car les émissions doivent commencer sur des créneaux temporels précisément définis.

La présence du DS3231 permet à la balise de continuer à fonctionner même si :

• le Wi-Fi est absent ;
• la box Internet est arrêtée ;
• Internet est indisponible.

Le Wi-Fi n’est donc pas nécessaire au fonctionnement normal de la balise.

L’heure peut également être synchronisée par NTP lorsque le Wi-Fi est disponible.

Écran TFT ST7735 128 × 160

L’écran couleur ST7735 constitue l’interface principale de la balise.
L’affichage a été spécialement conçu pour rester lisible sur ce petit écran.

Il indique notamment :

• QRZ
• Locator
• La fréquence d’émission ;
• L’heure UTC ;
• La puissance WSPR programmée ;
• L’heure du prochain créneau d’émission.

Pendant une transmission WSPR, un écran spécifique indique que la balise est en émission.

Le programme a également été optimisé pour éviter le clignotement de l’écran lors de la mise à jour de l’heure.

Encodeur KY-040

Le KY-040 permet de commander localement la balise sans ordinateur ni téléphone.

La rotation de l’encodeur permet de parcourir les différentes options du menu et son bouton-poussoir permet de sélectionner une fonction.

Il permet notamment d’accéder aux réglages d’émission et aux fonctions principales de la balise.

Contact CW manuel

Une entrée supplémentaire de l’ESP32 est réservée à un contact CW.

Lorsque ce contact est fermé, la balise peut produire une porteuse RF continue.

Cette fonction est particulièrement utile pour :

• contrôler la fréquence ;
• régler l’amplificateur RF ;
• régler les filtres ;
• mesurer la puissance ;
• effectuer les mesures à l’oscilloscope ;
• tester l’antenne.

Elle évite d’avoir à attendre une trame WSPR pour effectuer les réglages RF.

Interface Web Wi-Fi

Le Wi-Fi est volontairement optionnel.

Lorsque la balise réussit à se connecter au réseau Wi-Fi, son adresse IP est affichée pendant environ 3 secondes au démarrage.

Il suffit ensuite d’entrer cette adresse dans le navigateur d’un ordinateur, d’une tablette ou d’un smartphone connecté au même réseau.

La page Web permet notamment :

• De visualiser l’état de la balise ;
• De modifier l’indicatif ;
• De modifier le locator ;
• De régler la fréquence ;
• De régler la puissance WSPR déclarée ;
• De modifier l’intervalle entre les transmissions ;
• De régler manuellement le DS3231 ;
• De synchroniser l’horloge par NTP ;
• D’appliquer une correction au Si5351 ;
• D’activer ou désactiver les transmissions ;
• De consulter le compteur de trames ;
• De consulter la température du DS3231 ;
• De redémarrer l’ESP32.

Les paramètres importants sont mémorisés dans la mémoire non volatile de l’ESP32.

Fonctionnement sans Wi-Fi

L’une des caractéristiques importantes du projet est son autonomie.

Une fois configurée, la balise peut fonctionner simplement avec :

ESP32U + DS3231 + Si5351 + écran + étage RF

Le DS3231 fournit l’heure et l’ESP32 détermine automatiquement les prochains créneaux d’émission.

Le Wi-Fi peut donc être indisponible sans empêcher les transmissions WSPR.

Après avoir branché le montage sur mon antenne « en V » à 1,80m du sol, les repprts sont arrivés sur le site WSPR.MAP.

Architecture générale

La balise complète peut être résumée ainsi :

DS3231
↓
ESP32U
↓
Si5351
↓
Filtre passe-bas 20 m
↓
Amplificateur RF
↓
Filtre passe-bas 20 m de sortie
↓
Charge 50 Ω / antenne

Objectif final

L’objectif est d’obtenir une petite balise WSPR 20 mètres d’environ 300 mW, autonome, stable en fréquence et suffisamment propre spectralement pour être raccordée à une antenne.

Le choix d’une puissance relativement faible est parfaitement adapté au principe du WSPR : Ce mode est précisément conçu pour permettre la détection de signaux extrêmement faibles sur de très longues distances.

La priorité du projet n’est donc pas d’obtenir la puissance maximale, mais d’obtenir une émission stable en fréquence, correctement synchronisée et spectralement propre.

Voici le tableau de câblage complet de la balise WSPR 20 m F4HQJ avec :

• ESP32U
• Si5351
• DS3231
• ST7735 128×160
• KY-040
• Contact CW manuel

Alimentation

Toutes les masses doivent être reliées ensemble.

Si5351

Découplage :

• 100 nF entre VCC et GND
• 10 µF entre VCC et GND

au plus près du module.

DS3231

Le DS3231 partage le bus I²C avec le Si5351.

Découplage :

• 100 nF
• 10 µF

Écran ST7735

KY-040

Ajouter :

• 100 nF entre + et GND

Contact CW manuel

Configuration :

GPIO26 —- contact —- GND

L’entrée est configurée en :

INPUT_PULLUP

Sortie RF

Découplage alimentation ESP32

Au plus près de l’ESP32 :

Découplage alimentation driver RF

Sur le +13 V :

+13V

│

470µF

│

100nF

│

RFC

│

Collecteur

Le 100 nF doit être au plus près du transistor.

Résumé des GPIO utilisés

Télécharger le fichier WSPRV2_ESP32.ino

Bonne réalisation. F4HQJ

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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 200mW 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 :

1. Arduino et écran Tft
2. Horloge temps réel DS3231
3. Synthétiseur DDS AD9851
4. Encodeur rotatif
5. Filtre de sortie DDS
6. Amplificateur driver à transistor 2N5109
7. Filtre passe-bas 14 MHz
8. 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  Masse

   2. 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 Masse

   3. 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 Masse

   4. 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.

Fichier .ino téléchargable ici

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)

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Il faut comprendre que nous échangerons en CW, mais le son entendu sera transporté par une trame numérique à la norme Wifi et non pas un signal tout ou rien de quelques hertz de bande passante.

1/ La carte ESP32U

Attention, le « U » est important dans la commande, il correspond au connecteur IPEX présent sur la carte, il nous permettra d’utiliser tout un tas d’antenne 2,4 Ghz !

Avec cette carte, nous allons émettre avec un protocole spécifique (ESP-Now)   propre au constructeur  Espressif ».

 La puissance de sortie maximum est de 100 mW soit 20 dbm, largement suffisant pour espérer faire un QSO d’une dizaine de kilomètres avec une yagi.

Il existe deux possibilités (logicielles) pour faire communiquer deux cartes ensemble. Le mode peer to peer (seule les deux cartes pourront communiquer entre elles via une adresse MAC propre)  ou le mode Broacast où là, plusieurs cartes pourront être utiliser.

Lorsque vous utilisez l’IDE Arduino pour téléverser le code, ne pas oublier d’appuyer sur le petit bouton « boot » de la carte jusqu’à ce que l’opération commence. Une mise à jour de votre logiciel Arduino sera nécessaire afin d’inclure les cartes ESP32.

2/ L’amplificateur pour fournir du son.

 Cet élément n’amène aucune observation particulière mise à part qu’ il est branché sur le 5 volts de l’ESP32, la sortie HP est indépendante du montage (masse non commune au reste).

3/ L’écran Oled

Toujours à un prix euh…. intéressant dirons nous, il sera alimenté sur la sortie 3,3V de l’ESP32.

4/ Le reste des courses, un petit condensateur chimique de 470 uf ou moins pour l’alimentation de l’ESP32, deux plaques à trous et deux potentiomètres de 10 kohms, 4 LED avec 4 résistances de 220 ohms,

5/ Les connections. Elles sont identifiables dans le code, mais les voilà sous forme d’un tableau (Merci Gemini !!)
Détail du matériel:

Pour le montage, rien de bien compliqué, les GPIO de la carte sont clairement indiquée à coté de la PIN correspondante, le câblage est donc sans surprise et sans aucune difficulté.

J’ai effectué quelques dizaines de tests, j’ai enfin trouvé le code magique. Le lendemain, j’ai fait un test  avec un OM radioamateur situé à environ 10 km du QRA et là, miracle, cela a été un franc succès ! Superbe qso CW réalisé sur 2,412 Ghz d’une pureté rare, j’en ai perdu ma CW tellement la qualité était au rendez vous !

A mon retour de ce test, je devais passer à la version finale et améliorée. J’ai laissé tomber les breadboards pour faire le montage sur plaque à trous et j’ai décidé de rajouter un petit écran pour afficher la puissance du signal reçu…

Voici la version finale dans son boitier (profilé alu et impression 3D).

Ces petits modules peuvent parfaitement être utilisés pour s’entraîner au QSO CW, avec deux opérateurs dans une pièce différente mais également pour tester des antennes 2,4 Ghz.

Ces petites cartes ouvrent la portes à des tonnes de projets !! La version Phonie vient d ‘être finalisée et fera l’objet d’un futur article.

Un prochain test sera effectué avec une distance d’environ 20 km…

Le fichier ino pour l’ESP32 est disponible ici

Video du premier  QSO CW :
https://www.youtube.com/shorts/tpQjiUSWQt0

Une version Phonie a également été réalisée.

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Conclusion:

C’est avec grand plaisir que j’ai publié cet article, je peux d’ores et déjà annoncé qu’il y en aura d’autre, car je sais que l’OM bricole sans cesse et qu’il m’en a envoyé 2 :).

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