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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Dans cet article, je décris rapidement l’antenne EFHW (End Fed Half Wave), 5 bandes et surtout comment je l’ai évalué en émission et réception d’une manière automatique avec WSPR en 24H.
Beaucoup de personnes échangent et décrivent l’antenne EFHW, j’ai utilisé la version 80/40/20/15/10m. J’avais envie d’en essayer une.
Elle est composé d’un balun 49:1

d’une longueur de 20m35 de fil puis d’une self de 110µH et 2,39 m de fil. Elle est montée en sloper sur le pylône.
Vous trouverez énormément de description sur internet afin de la construire. je me suis servi de l’article de F1SRC.
Taper EFHW dans votre moteur de recherche préféré vous serez gâté.

Discussion sur le sujet sur avec des mesures et analyse sur le forum de F8BXI

Quelques mesures de ROS pour voir où l’antenne resonne.

Voila qui est pas trop mal, désormais je souhaitais tester l’antenne en 24H et avoir une idée de ses performances. J’ai bien sûre fait quelques QSOs mais c’est difficile d’avoir un retour un peu plus précis.

J’ai découvert le WSPR, certainement tardivement, mais je vous partage ici mon expérience.
En 24H, ce mode m’a permis d’avoir une idée de la performance de l’antenne et de ce qu’elle pourra me permettre de faire.

Le WSPR est un système de balise en envoi et en réception.
Toutes les stations WSPR qui reçoivent transmette les informations sur internet.
Ainsi le bilan vous permettra de savoir quelles stations vous avez reçues et quelles stations vous ont reçu.
Voici la liste des fréquences utilisés en WSPR:
USB dial (MHz): 0.136, 0.4742, 1.8366, 3.5686, 5.2872, 5.3647, 7.0386, 10.1387, 14.0956, 18.1046, 21.0946, 24.9246, 28.1246, 50.293, 70.091, 144.489, 432.300, 1296.500

On obtient une analyse comme ci-dessous depuis le site http://wspr.vk7jj.com:

Remplir le nombre de spots, la période de l’analyse, le mode, la bande, RX call (mettre votre indicatif) vous donnera les station que vous avez entendu et TX call (mettre votre indicatif) les stations qui vous ont entendu.

Cliquez sur Search WSPRnet, vous pourrez ensuite choisir un affichage sous forme de liste (Table) ou l’affichage sur une carte (Map).

Test du 27/09/2021Stations que j’ai reçu record 16833Km

Stations qui m’on reçu avec une puissance de 20W record 18665Km

J’ai fait uniquement les essais sur la bandes des 40m.

Avec quel logiciel on trafique en WSPR?
Il y a un logiciel dédié .
Pour ma part, j’ai utilisé le Wsjtx qui est utilisé pour le FT8 et d’autres modes similaires.
Si votre logiciel est correctement paramétré pour les modes numériques, vous aurez simplement à vous rendre dans le menu Mode et vous retrouverez le mode WSPR
Vous avez juste à vous mettre sur une des fréquences dédiées, puis activer Enable Tx et le tour et joué.

Vous trouverez la documentation pour la configuration sur l’excellent site de ON5VL

Je suis satisfait de ses résultats, et surtout d’un aperçu rapide des capacité de l’antenne en laissant en fonction le matériel pendant 24H.

Je testerai le dipôle rotatif 40m en construction avec les mêmes outils.

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