Introductie tot EME
ON5RR, Marc Kleyn
9 november 2007
ON7EH, Michel Spelier
Agenda: • • • • •
Waar staat EME voor? Propagatie/effecten + remedies De keuze van de mode: klassiek of digitaal (CW, SSB, JTxx) De QSO-afwikkeling: rapport en periode De 2 meest populaire banden: 2m en 23cm, daarna 70cm/µwave/6m
• Voorbeelden: ON5RR (microwave) en ON7EH (2m) • Wat zijn de vereisten? Tx+PA , Rx+LNA, coax, Az/El-rotoren, maanvolg-SW/HW • Trends: DSP en Software Defined Radio
Waar staat EME voor ? • • •
EME staat voor aarde-maan-aarde of moonbounce Een communicatievorm die gebruik maak van de maan als passieve reflector Wetenswaardigheden: – komt op in het oosten, gaat onder in het westen – haalt zijn hoogste elevatie er tussenin (in België max. ong. 60°) – de hoek ingenomen door de maanschijf bedraagt ong 0.5° – Een EME-verbinding is sowieso een DX-verbinding, daar de overbrugde afstand twee maal ong. 380.000km bedraagt. – Bij militaire testen in de US, op 110MHz, net na WOII. – De eerste verbinding (op 23cm) tussen de Eimac ARC W6HB en W1BU. (1960)
•
25 jaar geleden beschouwde men EME als de “old timer mode” bij uitstek, nà men “alles” meegemaakt had via de terrestriële modes. Vandaag kan dit als instapmode voor elk goed uitgerust VHF-station dmv. de digitale mode JT.
Propagatie/effecten? (Overzicht) Voorspelbare
Onvoorspelbare
Padverliezen
Faraday rotatie
Ruimtelijke polarisatie Libration fading Grondversterking
Stabiele ionosfeer
Doppler effect
Weersomstandigheden
Hemelruis
Stoor/ruisbronnen
Propagatie/effecten? (1) De padverliezen (aarde-maan-aarde) nemen toe met stijgende frequentie:
Verschil: -2dB: Ap/Pg -10dB: 2m/70cm -11% in grootte
Propagatie/effecten? (2) Libration fading: doordat het maanoppervlak ruw is en nooit echt als spiegel werkt is het signaal nooit continu, maar onderhevig aan “pieken en dalen”. Zie ook: http://www.qsl.net/oe5jfl/2_70_23.htm
Op 23cm, 100Hz BW, Pg
S/N>25dB
Tx ‘dah’
>10dB
Rx ‘dah’
Propagatie/effecten? (3) -Faraday rotatie: door de invloed van het aardmagnetisch veld verandert de polarisatie van en naar de maan verschillende keren. ( ~ 1/f²) Zo is het mogelijk dat de maanpropagatie naar bepaalde delen van de wereld ‘super’ is terwijl er niks van andere werelddelen hoorbaar is. -een stabiele ionosfeer Aurora (noorderlicht) geeft aanleiding tot sterk fluctuerende signalen
Propagatie/effecten? (4) -Weersomstandigheden kunnen de sterkte van de echo’s beïnvloeden... Wind kan de mooie uitlijning vd antenne(s) verstoren Sneeuw kan de VSWR vd antenne(s) veranderen
-Een steeds wijzigende declinatie (+ of - ) maakt dat de maan telkens op een andere azimuth opkomt en neergaat. Die andere azimuth kan een ruisbron verbergen. (huis) Bij voldoende hoge elevatie is dit effect minimaal!
Propagatie/effecten? (5) -Ruimtelijke polarisatie: al naargelang de positie op de aardbol wijzigt de waargenomen polarisatie op aarde. Dit effect kan worden berekend door de betere tracking programma’s.
De aarde
Stoorbronnen in het V/UHF-gebied (1) Huishoudelijke, industriële, medische ea. apparatuur (bijv. PC’s) stralen Door tot hoog in het VHF-gebied en kan het klein-signaalwerk belemmeren. Verschillen van 8dB werden begin 2006 waargenomen over 360° op het QTH in Machelen. De situatie wordt er niet meer beter op...
De oorsprong ligt op 0dB, elke ring: +2dB
Naburige HF/V/UHF zenders kunnen de goede werking van de Rx of LNA verstoren. (filters zijn dan noodzakelijk) Indien de antenne niet naar “open veld” kijkt is het werken via de maan kijkend naar de horizon (zonder elevatie= tropostation) zeer moeilijk onmogelijk. Gewoonlijk is bij een elevatie van 10- 20° de omgevingsruis/storingen al voldoende verzwakt. Het “EME-en” in de stad of in de buitenwijken van grote steden is door deze stoorbronnen problematisch.
Stoorbronnen in het V/UHF-gebied (2) De aanwezigheid van ruisbronnen: De zon is de ergste van alle: -ze is zeer heet in termen van ruistemperatuur en kan zwakke maar ook sterkere EME-signalen maskeren . -ze biedt wel een unieke manier van Az/El positiebepaling en calibratie.
Doppler shift: De maan is permanent in beweging tov de aarde en doppler-effecten zijn dan ook immer aanwezig. Dit is belangrijk en te compenseren bij: -echotesten -luisteren na een CQ-call gebruik je RIT… -het aanroepen van een station Maximum waarneembare doppler shift op de verschillende populaire banden:
Doppler shift Bij maansopgang
2m
70cm
23cm
+300Hz +800Hz +2.5kHz
Bij maansondergang -300Hz -800Hz -2.5kHz
Hemelruis (sky noise) (1) De plaats van de maan aan de hemel bepaalt de hoeveelheid hemelruis (uitgedrukt als effectieve temperatuur) die mee ontvangen wordt. Deze maanpositie wordt uitgedrukt in RA. (“Right Ascension” in uren) Deze parameter is cyclisch (net als de declinatie) en heeft een periode van iets meer dan 27dagen. De minimale hemelruis temperatuur voor de verschillende banden: (bij R.A. van 8 +/- 2 uur )
Hemelruistemp (K)
144 MHz
432 MHz 1296MHz
Minimum
165
10
0.7
Maximum
3230
231
16.5
Bovenstaande is de oorzaak dat: -het ruisgetal van een 2m LNA minder kritisch is dan de eerste trap van een 23cm LNA om zwakke signalen te horen als je naar de hemel kijkt. -“Horizon-EME” enkel mogelijk is op 2m en niet op hogere banden. De bijdrage van de hemelruis in de totale padverliezen >> maan-aarde afstand
Hemelruis (sky noise) (2)
Grondversterking op VHF Door een stom toeval werd grondversterking op 144 MHz vastgesteld op het QTH in de richting NO/ZO. (vlakke akkergrond) Dit fenomeen treedt op als het rechtstreekse en het via de grond gereflecteerde signaal van de maan met mekaar in faze treden. Er is dan een signaal-versterking tot 6dB mogelijk. (in vermogen) De vertikale hoofdlob vd antenne wordt in kleinere lobben opgesplitst met versch. minima en maxima. Het gevolg vd maxima: -100W klinkt als 400W -1 yagi klinkt als 4 yagi’s
Pdirect Preflect
Oplossingen voor de padverliezen (1) • De winst van een yagi toe met de boomlengte! 144MHz
Ant boom lengte (m)
λ(m)
432MHz
winst (dBd) λ(m)
winst (dBd)
4
1.92
~11.6
5.76
~15.5
5
2.4
~12.5
7.2
~16.2
-3dB openingshoek (°)
-3dB openingshoek ifv de antennewinst 60 50 40 30 20 10 0 7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
Antennewinst (dBd)
17
18
19
20
21
22
Oplossingen voor de padverliezen (2) • Of met de diameter van de parabool antenne! 1296MHz
η=0.55
Parabool diam (m) winst (dBd)
-3dB angle
2320MHz winst (dBd) -3dB angle
2
24
8.1
28.9
4.6
3
27.5
5.4
32.5
3
4
30
4.1
35
2.3
5
31.9
3.2
36.9
1.8
6
33.5
2.7
38.5
1.5
7
34.8
2.3
39.8
1.3
Let op de kleiner wordende openingshoeken met hogere antennewinsten. Wat voor mechanische (uitlijnings-) problemen kan zorgen.
Oplossingen voor de polarisatieverliezen (1) Hoe groot zijn de polarisatieverliezen? Tx
Tx
Rx
Θ=27° : -1dB
Θ= 45° : -3dB
De invloed van een niet-uitgelijnde Tx en Rx-polarisatie is verre van verwaarloosbaar…!
Rx
Oplossingen voor de polarisatieverliezen (2) * op 2m: -het gebruik van een kruisyagi: zodoende heb je de keuze tussen de volgende lineaire polarisaties: H of V en/of + of -45° polarisatie -het gebruik van circulair zenden: “scheelt op de electriciteitsteller” daar samen te stellen uit H en V -mechanische rotatie van de antenne *op 23cm en hoger: Afspraak: “Linksom voor zenden en rechtsom circulair voor ontvangen.”
Wanneer een poging wagen? Voor wat betreft de voorspelbare propagatie-parameters bij EME vindt men dit bij de betere tracker-software samengevat in de parameter DGRD of degradatie. (zie verder) Deze groepeert de aarde-maan afstand en de hemelruis. Des te lager de waarde, des te beter. Deze DGRD-waarde fluctueert met het: -jaar -maand -dag -moment
EME-contestweekends zijn speciaal gekozen dagen van goede EME propagatie en lenen zich bij uitstek tot eerste pogingen.
Met wie een poging wagen? Sked of random? Op 2m: RN6BN: 64 x 15 HV: http://www.73.ru/ IK3MAC: 24 x 23el H + 24x 10el V W5UN: 32 x 17 H + V ant systeem KB8RQ: 24 x 14 H + V ant systeem RU1AA: 16x 15HV Een QSO is mogelijk met 1 antenne van 6m lang en 100W. Op 70cm: DL9KR of de vele stations aktief op de band met grote parabolen. Een QSO is mogelijk met 1 antenne van 7m lang en 100W.
De keuze van de mode: CW of JTxx CW/SSB
JTxx
Type
“Analoog”
“Digitaal”
Basisopstelling:
Tx/Rx
Tx/Rx + PC voor de decodering
Interface:
man–man of oor-brein
man-machine
Bandplan:
EU-US:~144.040-.060 JA: ~ .070-.090
EU-US: ~144.100-.150 JA: ~ .070-.090
Antennebalans:
4 x 4, 2 x 8, 1 x 16
1 x 4 !! (Pout: 300W)
JT65 (°1993) is merkelijk ‘beter’ dan CW (m.a.w. ideaal voor kleine stations en mensen met gehoorstoornissen of oudere operatoren) : 10 à 15dB gevoeliger!! Zie op JT homepage: http://physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/
JT65 in een notedop -benodigd: stabiele transceiver met standaard USB-bandbreedte en eenvoudige, zelf te bouwen interface tussen de PC-geluidskaart en de zend resp. ontvanger. -één periode duurt 1 minuut; 1minuut zenden, 1 minuut ontvangen -een tijdsreferentie (bijv. DCF77, GPS, Dimension 4,…voor een fout < 1sec) Langs Tx-zijde: -een JT65-boodschap bevat de boodschap en synchronisatie-info -heeft FEC (forward error correction) ingebouwd: 6 bits/symbool voor in totaal 64 toontjes + de sync tone = 65 toontjes -de sync toon zit verweven in de boodschap en wordt ongeveer de helft van de tijd uitgezonden. Speciale codes worden gebruikt voor O, RO, R en 73 (TMO) Langs Rx-zijde: -op het einde van een periode, zoekt de decoder naar het sync patroon, binnen bepaalde marges van tijd en frequentie teneinde, de boodschap correct weer te geven op het scherm. Gebruikt de krachtige Reed-Solomon decoder.
De QSO-procedure • Sked vs. Random • Doppler shift compensatie • TMO / RST Rapport
• 70/23cm: 2.5 minuten Periode 1 2 3 4 5 6
T : calls slechts gedeeltelijk ontvangen M : volledige calls ontvangen O : Goed signaal, niets te missen R : bevestiging dat call en rapport goed werden ontvangen
----- op 2m: 2 minuten sequentie
2 minuten / 1.5minuten ZS6AXT de ON5RR ON5RR de ZS6AXT ZS6AXT de ON5RR ON5RR de ZS6AXT RO RO RO RO RRRRRRR
30 seconden
MMMMMMM OOOOOOOO de ON5RR de ZS6AXT
•
Sequentie: normaliter begint het oostelijke station in de eerste periode (geteld vanaf het uur)
•
Mogelijke uitgewisselde rapporten voor een compleet QSO : (te vermelden op de QSL-kaart) -TMO: O/O, M/O, O/M -RST
JT65B-QSO in een notedop – met UT2XQ (1)
JT65B-QSO in een notedop – met UT2XQ (2)
JT65B-QSO in een notedop – met UT2XQ (3)
Meest populaire EME-loggers Voor de: -digitale modes: http://www.chris.org/cgi-bin/jt65emeA http://www.on4kst.com/chat/start.php -CW: http://www.chris.org/cgi-bin/cw-eme http://www.on4kst.com/chat/start.php
Populaire tracker-programmas (1)
Moonsked van GM4JJJ: (werkt op de meeste OS’s) http://www.gm4jjj.co.uk/MoonSked/moonsked.htm Bevat de interessante DGRD-voorspelling net als de voorspellingen: W5LUU: http://www.vhfdx.net/w5luu.html
Populaire tracker-programmas (2)
EME2007 pakket van VK3UM: (Windows) EME planner + calculator + stralingsmeter http://www.sm2cew.com/download.htm
Populaire tracker-programmas (3) F1EHN: http://www.f1ehn.org/ incl. HW
ON7EH – 144 MHz •
Eerste EME-contact met 1 antenne met K1WHS (24x 14el boomers) in 1980. (op een ladder in de tuin tussen de huizen- 1x 20el eigenbouw boomer)
•
In 1992 4x 17el M2 op 18m zelfdrager met ladder. (WAC in 1992!) Sporadisch aktief tot in 1996, bouwvergunnings-problemen: mast niet officieel vergund. Resultaat (allemaal in CW): 127 initials (verschillende stations) vermogen: 800W (BIPT OK)
•
Verhuis in 2003 naar nieuw QTH, kleine mast in tuin geweigerd. Ontdekking van ground gain bij het horen van JH5FOQ (4 antennes van 10m lang) tijdens een CW-contest met een 4x4el op het balkon.
•
Sindsdien regelmatig aktief tijdens wedstrijden en tijdens lage degradaties in CW en in JT65B met 12 el langs het huis en 250W. 100 initials in JT65B in 10 maanden, vnl. bij maansopgang. (steeds zonder elevatie)
ON7EH – 144 MHz 4x4el Flexa yagi op het balkon
ON7EH – 144 MHz 12el M2 aan • 12el M2 de aanachterkant de zijkantvan vanhet hethuis huis
Blokschema
Meer info op de ON7EH webpage:
http://users.skynet.be/on7eh/
1296 MHz / 23 cm EME • 3 jaar voorbereiding : – zoeken schema’s / bezoek 23cm EME op’s – ontwerp en bouw parabool – bouw sequencer – ombouwen LT23S (RX/TX split, PA) – eindtrap 2C39 – vinden componenten (coax, coaxrelais, voorversterker,…) – antennesturing
Blokschema 1296 MHz Transco Y
HEMT
GaAs
7/8 + 1/2 coax
0,33/36dB
RX 7/8 + 1/2 coax
Transco Y TX
TX OZ9CR
2C39
RX 1296/144 Transverter
6m, f/D=0.43 144/28 Transverter
AZ: 12 bit EL: 12 bit
EME TRACKER
SEQUENCER
AZ/EL motor
TS830S
VFO820
TX/RX KEY MIKE
23 cm Station DSP
• Eerste contact op 26 oktober 1996 (40W out) • Evolutie Tx/Rx station : – PA 2 x 2C39 (100/120 W)…. Eigen echo’s – PA 6 x 2C39 (250/300 W) – DSP op PC – vervangen TS700 met TS830S + Mutek 144/28 – installeren Xtal filters in TS830S – experiment met circulaire voedhoorn (+2.7 dB) – inkorten mast (12m naar 7m)
De antenne : 6 m, F/D 0.43
• •
24 Al ribben 10x10x0.8 kippengaas
• 12 m mast, nu nog 7 m
Het station…
1996/1997
23 cm PA : OZ9CR Voor
• Nieuwe PA
Na
23 cm voedhoorn
• •
VE4MA, short type Circulaire polarisatie
• Hybriede koppelaar • Transco Y relay • Voorversterker : HEMT+GaAs (0.33dB NF / 36 dB Gain)
Gebruik van DSP • Filteren van audio door DSP box of PC Onderdrukken ruis Banddoorlaatfilters Notch filter • Gebruikte programma’s : K6STI DSP-Blaster AF9Y FFTDSP4.2 Hamview Spectran • Zelf experimenteren …. FFT / DSP software
Voorbeelden DSP programma’s AF9Y
DSP Blaster
Resultaten na 10 jaar 23cm EME? • • • •
Meer dan 100 initials gewerkt WAC (Juli 1998) 27 verschillende DXCC landen 11 Firsts ON - DX 4X, CT, HA, I, JA, NL, OH,¨PY, S59, VK, ZS
Nieuwe uitdaging : 13 cm EME • • • • • • • •
Volgens bandplanning : 2304 / 2320 / 2424 MHz Minder dan 30 amateurs actief in de wereld Technologisch moeilijker Hergebruik schotel, coax relays, coax kabel Nieuwe hoorn (met circulator) Nieuwe voorversterkers Nieuwe PA Nieuwe transverter (meerdere LO)
Blokschema 2304 / 2320 MHz Transco Y
GaAs
GaAs
Mar6
7/8 + 1/2 coax
0,7/35dB
RX 7/8 + 1/2 coax
Transco Y TX
TX 2x YD1304
PHI192060
RX
2304-2320/144 Transverter
6m, f/D=0.43 144/28 Transverter
AZ: 12 bit EL: 12 bit
EME TRACKER
SEQUENCER
AZ/EL motor
TS830S
VFO820
TX/RX KEY MIKE
13 cm Station DSP
13 cm PA : 2 x PHI1920-60 • Ombouw versterker GSM basisstation (Siemens) • met 1.5 W drive 80 W out • Volledig Solid State • 2304 / 2320 MHz
13 cm Hoorn, met circulator • VE4MA ontwerp • circulariteit af te regelen met vijzen, gebruik makende van helix antennes
13 cm Preamp(s) • GaAs Fet • GaAs Fet • Mar 6 0.7 dB NF/ 35 dB Gain • Transco Y relay
Eerste test …. • Kunnen de maan niet vinden … • Uitlezing AZ/EL & sturing motoren niet precies genoeg • Effe rekenen … schotel Openingshoek (-3dB) op 1296 : < 3° 2304 : < 1.5° Gain op 1296 : 33 dBd 2304 : 39 dBd • Bouw automatische tracking (OE5JFL)
OE5JFL EME tracker •
• • • • • • • • •
Berekening positie van Maan, zon, Cygnus, Sagittarius, Cassiopeia, Taurus A, Leo, Aquarius Geen PC nodig Az en El controle voor alle ruisbronnen Enkele verbinding tussen controller en encoders Vele types van encoders aan te sluiten Stapgrootte/gevoeligheid kan worden gekozen Correctie AZ en EL mogelijk Mogelijkheid om relais aan te sturen (op/neer, links/rechts) Real time clock Audio meter via RS232 op PC
• Eerste geslaagde verbinding : 23 dec 2000 • Reeds 6 initials gewerkt • 5 DXCC • 2 First ON-DX W, SM
• Verbeteren ontvanger
De shack, na 5 jaar EME-en
Wat nu op 13 cm EME? • Bouw RX 2424 (JA stations) • Bouw lage ruis voorversterker
Familiefoto : 13 en 23 voedhoorns
Luisteren naar de sterren ? • Gebruik station als radiotelescoop • Ruisbronnen : Zon / maan warme aarde / koude hemel sterrenbeelden pulsars waterstoflijn
Enkele geluiden • Luisteren op 400 / 450 / 1410 MHz • Gebruik spectrumanalyser of panoramische ontvanger • Zonneruis … 18 dB op 1296 14 dB op 2304 • Maanruis … 0.3 dB op 1296 0.2 dB op 2304
Nieuwe locatie : Tollembeek
Vragen / antwoorden
