WSPR för att jämföra antenner/vågutbredning

[SM2OWW]

Läste för något/några år sedan att Bengt, SM7EQL, använt WSPR för att jämföra antenner och studera vågutbredning. Det lät väldigt intressant och jag tänkte genast införskaffa en sådan WSPR-sändare, dock var det out of stock och det under så lång tid att jag till slut glömde hålla koll på om det gick att få tag på några.

Men, så dök det plötsligt upp en annan intressant WSPR-sändare! Tyvärr funderade jag en dag för länge, när jag väl skulle beställa så var det out of stock Men det som var bra var att man kunde ange sin e-post och få en notis när de åter fanns på hyllan, det gick inte mer än ett par dagar så fick jag mail och jag gjorde genast en beställning av två stycken.

Så, med ZackTek 80to10 öppnades en intressant värld! Den sänder på 80, 40, 20, 17, 15, 12 och 10 m med en uteffekt på ca 23 dBm.

Jag började med att fixa en "fåfänge signal", SG2OWW, (godkänd och betald men i skrivande stund inte med i SM-callbook) som jag nu använder på den ena av dessa WSPR-sändare. Den är via 10 meter RG58, vilket får ses som försumbar dämpning, ansluten till en GPM-1500 och sänder 24/7 på 80, 40, 20, 17, 15, 12 och 10 m i vad som kallas Band Coordinated Schedule. Uteffekten är som sagt var på ca 23 dBm, eventuellt tänkte jag lägga till en dämpning på 3 dB, men å andra sidan är GPM-1500 inte någon bra antenn så det kanske behövs 23 dBm för att kompensera det. På den andra sändaren har jag min vanliga signal och använder den för jämförande tester.

Det finns hur mycket sidor som helst ute på nätet att använda för att bearbeta de loggar som skapas av alla mottagare som loggar dessa "fyr-signaler" från WSPR-sändare. Ett bra ställe att börja med är www.wsprnet.org där det finns en hel del information samt länkar till 3rd party sidor/verktyg för att utföra dessa studier. Det går även att ladda ner data om man själv vill använda "rådata" för egna beräkningar.

Har bland annat jämfört min 80 m samt 40 m dipol mot GPM-1500 både vad gäller kortaste och längsta distans samt högsta och lägsta SNR under olika tider på dygnet. Denna jämförelse kan enkelt utföras på wspr.rocks/head2head

Nedan bilder från head2head med max distans respektive max SNR mellan SG2OWW GPM-1500 samt SM2OWW dipol 80 m för natten 23-24 / 1 - 2023.

 

[SM5FLM]

Vad visar diagrammen?. Fonten svårläst.
Och hur många milliwatt motsvarar 23 dBm?

 

[SM7SEK]

Vad visar diagrammen?. Fonten svårläst.
Och hur många milliwatt motsvarar 23 dBm?

200 mW

 

[SM2OWW]

För att se bilderna tydligt bör man öppna upp dom på en enhet med bra skärmstorlek.

X-axeln är tiden, bakvänt! 0.0 längst till höger är klockslaget som diagrammet skapades och det klockslaget står under tidsaxeln.
Y-axeln är det som "mäts", dvs i ovanstående fall är det Max Distans respektive Max SNR

Det går även att skapa Google KML filer som visar live senaste timmens aktivitet, detta finns på WSPR GoogleEarth Visualizer.

Jag har skapat en KML med Sender SG2OWW och Receiver % för varje band och sedan laddat in dom i Google Earth, jag kan då slå på/av visning för respektive band och se live för senaste timmen med uppdatering var 30:e sekund!

Så här såg det ut för en stund sedan med data för sändning på alla band.

 

[SM7EQL]

Ja det är ett effektivt system för att utvärdera antenner. Jag har använt WSPRLite från Sotabeams sedan 2019. Skaffade 5 stycken för att kunna jämföra identiska antenner på olika geografiska platser här i regionen med olika markegenskaper. Ungefär samma sak kan göras med hjälp av Reverse Beacon Network men WSPR-sändarna är betydligt bekvämare att använda. Det finns flera olika sätt att bearbeta datan, antingen laddar man ner hela databasen för en period och sorterar ut den datan man vill bearbeta, eller så använder man de verktyg som Sotabeam erbjuder osv. Finns nog ganska många möjligheter nu om man gräver lite på nätet.

Det första jag gjorde var att koppla upp två WSPR-sändare med exakt samma uteffekt till en combiner som sedan matade en antenn. Syftet här var att få en känsla för hur stora avvikelser man kunde räkna med. Teoretiskt skall två sändare ge exakt samma SNR-värde hos alla stationer vid alla tillfällen om uteffekten och antennen är exakt de samma. I praktiken tillkommer olika felkällor och okända faktorer som t ex att en av frekvenserna kan vara mer störd än den andra eller att sändarna inte sänder i exakt samma time-slots.



Så här ser uppkopplingen ut. 6 dB dämparna tillsammans med port-port isolationen i combinern säkerställer att sändarna inte ser varandra och att uteffekten från den ena sändaren inte påverkas av den andra. För att kompensera för dämpningen i varje kanal 6+3 dB så använde jag en förstärkare för att få upp uteffekten till ca +23 dBm i relaterat till antennens matningspunkt. Nu kan så klart vilken effekt som helst användas. Lägre effekt ger färre träffar och når inte så långt som högre effekt gör. Men i mitt fall tyckte jag det var intressant att se hur +23 dBm till 80 m dipolen presterade.

Sändarna fick stå igång ett antal dagar och en del av datan som samlades in visas i diagrammet nedan.



Man kan se att de flesta, ca 4250 spottarna för de båda sändarna SK7LT och SK7OB som sänt i random tidsluckor och med 10 Hz frekvensskillnad visar 0 dB differens i mottaget SNR-värde. Ca 480 spottar visar en avvikelse på ca -1 dB och 510 spottar +1 dB. Några få spottar visar stora avvikelser +/- 3 dB. Så man kan säga att ju fler spottar man samlar in och medelvärdesbildar ju mindre differenser mellan två antenner kan man mäta. Uppkopplingen ovan användes alltså enbart som en sanity check för att verifiera mätmetoden som sådan.

Med detta sagt så får man ett hum om systemets mätnoggrannhet och det blir väldigt tydligt att om man nöjer sig med ett fåtal spottar så blir spridningen så stor att resultatet blir oanvändbart.

Max registrerat förbindelseavstånd kan också användas som jämförelseparameter så som OWW gjort. Det är en bra metod om man vill optimera en antenn eller som i många av mina mätningar reda ut hur stor skillnaden är om t ex en vertikalantenn monteras en bit ut i saltvatten, precis i vattenbrynet, 10 m in på stranden, 100 m in på stranden osv. Gör man en sådan mätning med t ex 3-5 sändare som får stå igång några dagar så blir det övertydligt hur fantastiskt mycket bättre en vertikal i vattenbrynet eller en bit ut i havet går jämfört med en exakt likadan antenn på land. Plockar man in spottar från DX-distanser t ex USA, Sydamerika, Nya Zeeland så vinner de havsbaserade antennerna med ca 6 dB på 7 MHz och 10 dB eller mer på 14 MHz.

Sådana här tekniska experiment förbrukar mycket tid men möjligheterna att utforska och prova sina antennkonstruktioner är närmast obegränsade och för min egen del tycker jag nog att denna sidan av hobbyn ger mig mer än att köra radio och skriva in signalrapporter som jag vet är helt falska och som lästs av på icke kalibrerade S-metrar osv.

 

[SM6VJE]

EQL

Varmt tack!

Liknar min inställning till FT8, lite tråkig mod men den ger en påtaglig visuell representation av kondsen på exempelvis pskreporter.info

Jag brukar jämföra jonogram, magnetogram och soldata med var jag hörs för att få en känsla för vad jag kan uppnå med mina 5w

Men håller med dig, nästan roligare att bedriva vetenskap isf tråkqson

 

[SM7EQL]

Men håller med dig, nästan roligare att bedriva vetenskap isf tråkqson

Det var som allra roligast de första 5-10 åren när man hela tiden byggde upp och förbättrade sin station och antenner. Det mesta var ju "outforskat" på den tiden och allt skulle provas. Så här i backspegeln kan jag dock konstatera att ju högre effekt, ju bättre grejor och större antenner man skaffat sig ju fortare blir man blasé på allt. Sitter ju här med 1 kW, bra grejor överlag och 20 mb 4 ele Yagi i masten ute på landet. Inga störningar massor av fritid. Kan bara konstatera att jag når hela världen precis när jag vill och med jättesignaler. Går det inte på 20 mb så går det på 40 mb.

Det som då återstår blir ju nån sorts jakt på allt möjligt. Inte bara det ursprungliga DXCC där jag och många andra var jätteglada för ett nytt land som kunde bockas av i SSAs DXCC-lista. Numera skall ju alla länder köras på alla band och alla moder bara för att kunna hävda sig på en lista och komma högt upp i glansen. Så varje land eller DX-pedition skall då köras ca 32 ggr tyckte jag nån sa. Av tillgänglig tid så stjäler dessa glupska jägare med stort ha-begär kanske 31 tidluckor som någon annan hade behövt bättre för att få ett nytt land på ett (1) band och en (1) mode. Å andra sidan så är väl ett sådant beteende bara ett naturligt resultat av att allt som behöver göras och hinnas med redan är gjort och man försöker in i det sista finna och dra ut nya halmstrån ur hobbyn.

Jag kör dock fortfarande radio på gammalt sätt men får väl ändå erkänna att det ofta tar emot och den där magiska uppskruvade känslan man hade som helt grön tonåring och nybörjare för länge sedan är borta. Men för oss som gillar det radiotekniska och innehar lödkolv så finns det fortfarande mycket att göra även om "allt superviktigt" hunnits med att bygga, inte bara en gång utan flera gånger. Otaliga sändare, otaliga PA-steg, ännu fler antenner. Ibland vaknar man upp och inser med fasa att dagarna ägnas åt nån sorts meningslösa rep-övningar när ännu en mottagare skruvas ihop, om inte helt identisk med föregångarna så i alla fall en likadan. Möjligen 0,1 dB bättre brusfaktor och kanske bättre ljud i en något annorlunda koppling. Same same but different.

WSPR-sändarna används periodvis för att kolla konditionerna och klura ut vilka tider de olika banden är öppna. Mer bekvämt än att ropa CQ och köra vanliga QSO. Vill man sen kommunicera med någon så är e-mail och mobiltelefon vida överlägset radio. Inga störningar och man kan prata i lugn och ro utan att andra lägger sig i samtalen. Nåväl i övrigt är amatörradio en bra hobby och det finns hela tiden något att sysselsätta sig med.

 

[SM6VJE]

När jag körde ZL så var det som att gå över en gräns, så mycket längre kommer jag inte

I övrigt håller jag med dig, försöker ofta få tag på specialstationer, fyrhelgen är höjdpunkten på året

 

[SM0BRF]

När jag körde ZL så var det som att gå över en gräns, så mycket längre kommer jag inte

Häng på. ZL på 60m FT8 varje morgon med QRP. Vi är några stycken i vardera änden. Ett exempel från i morse. SNR-värden till vänster och tider i UTC.

 

[SM0FKI]

Jag är en entusiastisk WSPR:are med en WSPRLite 200mW på 80-6m. Att bli spottad i ZL är rätt otroligt med tanke att jag har rätt enkla antenner. Jag håller med -EQL mfl att WSPR är det perfekta instrumentet för att utvärdera antenner. Väldigt lätt att göra grafer och statistik. Tyvärr är WSPR:arna inte jämt fördelade över jorden men det blir rätt bra ändå. Synd att SotaBeams inte har WSPRlite i lager längre men det finns ju andra lösningar. Jag har även kört FT-817 + RaspberryPi vilket fungerar mycket bra och ger RX oxo.

 

[SM7EQL]

Tyvärr är WSPR:arna inte jämt fördelade över jorden men det blir rätt bra ändå.

Ett annat problem är att många WSPR-mottagarna (de flesta troligen) har små ineffektiva antenner och en hög lokal störningsnivå. Så det blir därför svårt att värdera hur pass bra konditionerna egentligen är mätt i absoluta mått. Dock fungerar WSPR-systemet toppenbra för relativa mätningar där t ex två antenner jämförs eller för sådana mätningar som BRF redovisade.

Det är samma sak med Reverse Beacon Network, där de flesta använder små antenner i en störd radiomiljö som ger dåliga SNR-värden eller inga värden alls.

Det finns några enstaka stationer, bl a en HB9 och en LX (glömt signalerna nu) som har extremt bra mottagning. HB9-stationen har sin mottagare en bit upp i Alperna långt utanför civilisationen med en fritt monterad antenn. Jag har vid flera tillfällen sänkt uteffekten i 1 dB steg tills endast några få stationer hör signalerna. Uteffekten har då varit i häradet -27 dBm. Trots så låg sändareffekt har signalerna snappats upp både i HB9 och LX på 14 MHz några timmar varje dag ungefär samma tid ca 20 dagar i månaden. Någon enstaka dag med relativt bra SNR som då skulle medge ytterligare sänkning av effekten kanske 3-6 dB. -30 dBm motsvarar 1 mikrowatt uteffekt. Inte mycket men när konditionerna är bra och när lokala störningar inte finns så behövs "ingen effekt" för att nå fram.

Problemet med dåliga antenner framgår också tydligt om man går igenom de hundratals SDR-mottagarna runt om i världen som finns publika på nätet. Man ser direkt redan i vattenfallsdiagrammet hur störningsmiljön ser ut. Läser man i beskrivningen för resp SDR-mottagare så framgår det att väldigt många använder korta aktiva antenner och whips. Sannolikt är de flesta antennerna också monterade nära huset och tar därför upp en massa rassel från hemelektronik m m. Det finns ett fåtal SDR-motagare som försetts med bra antenner och som placerats helt störningsfritt. Jämför man en bra och en dålig mottagare i samma geografiska område så blir det tydligt att skillnaden på mottagna stationer är enorm. Den ena hör inget alls medan den andra hör allt med bra styrka.

Det finns därför goda skäl att tro att precis samma problem är orsaken till att aktiviteten eller konditionerna på banden upplevs vara dålig. Vi vet säkert att de allra flesta signalerna som kan höras vid varje tillfälle på en bra antenne i helt störningsfri radiomiljö är mycket svaga och ofta ligger nära brusnivån. Det gäller för kortvåg såväl som 144 MHz. Bara ett fåtal signaler är starka och når upp över S7-S9 nivå. Om då den lokala störningsnivån ligger extremt högt kring S3-S4 vilket torde vara mer regel än undantag för de som bor i tätbebyggt område, villakvarter etc så betyder det att alla signaler som är ca 18-24 dB över det atmosfäriska grundbruset maskeras och inte kan höras. En och annan har lokala störningar som är starkare än så uppemot S7 kanske mer.

Allt detta förklarar också varför våra föregångare på 30-talet kunde köra hela världen med enkla sändare om bara någon enstaka watt till enkla antenner och där mottagaren var en en-rörs återkopplad sak. En sådan mottagare har dock den känslighet som behövs och hör i princip lika bra som de moderna superdupertransceivrarna vi har idag. Begränsningen ligger till största delen i radiomiljön med lokala störningar som det stora problemet. Ibland även bredbandiga störningar som kommer in via rymdvågsutbredning. Sammansatt "radiodimma" från miljarder störkällor i Europa når oss i Sverige via första jonosfärhoppet. Det finns lite olika uppskattningar om att sådana störningar som vi inte riktigt kan identifiera mer än som ett ökat bredbandigt grundbrus är kanske 10 dB starkare idag jämfört med före andra världskriget. En NATO-rapport har behandlat ämnet för ett antal år sedan. AOM har mer info om detta.

 

[SM0AOM]

Det finns lite olika uppskattningar om att sådana störningar som vi inte riktigt kan identifiera mer än som ett ökat bredbandigt grundbrus är kanske 10 dB starkare idag jämfört med före andra världskriget. En NATO-rapport har behandlat ämnet för ett antal år sedan.

För några år sedan pratade jag med en amatör med anknytning till ett tyskt universitet, har tyvärr glömt signalen, som uppskattade att brusnivån stigit med ungefär 6 dB per årtionde de sista 30-40 åren. Samma uppfattning hade professor Geoffrey Gott G3MUO, som är en av upphovsmännen bakom den modell för beläggningen av HF-spektrum som togs fram i slutet av 80-talet.

Den ökande brusnivån rent allmänt har medfört att man fått modifiera täckningsberäkningar och frekvensplaner för bl.a. civilflygets HF-kommunikationer. Dessutom har denna utveckling lett till att kraven på mottagardynamik numera är ganska modesta, på 80-talet ansåg man ganska allmänt att 90-95 dB krävdes för att klara de flesta situationer, medan idag man sannolikt klarar sig med 70 dB, orsakat av att brusgolvet höjts, det finns ett mindre antal starka sändare och de kvarvarande rätt ofta använder dåliga antenner.

 

[SM0HEV]

Här finns lite material om man vill förstå matematiken bakom jämförande WSPR-mätningar

[2209.08989] Simple HF antenna efficiency comparisons using the WSPR system

 

[SM7EQL]

Intressant papper om antennmätningar Jens.

Som du skriver så är det inte helt enkelt att mäta via rymdvåg med de utbredningsvariationer m m som förekommer. De första antennmätningarna jag gjorde före 2019 var med hjälp av Reverse Beacon Network (RBN). Alla mätningar var jämförande med en av antennerna som referens. SNR värdena användes i början rakt av utan den omräkning till dB du visar i ditt papper. I försöken via RBN användes två IC-706MKIIG som sändare inställda för +40 dBm mätt vid antennernas matningspunkter. Senare i försöken via RBN justerades sändareffekten ner till den antenn som var mest effektiv så att SNR-värdena från de olika mottagarna visade samma medelvärde för båda antennerna. Inställningen kunde ta någon timma eller så innan värdena visade lika. Skillnaden i effekt räknades om till dB och blev slutresultatet.

Med WSPRLite-sändarna som införskaffades 2019 så har jag behållit den metoden. Båda sändarna +23 dBm har matat antennerna via 1 dB stegdämpsatser. Dämparen på den antennen som visade högsta SNR-värden ökades succesivt tills samma medelvärde erhölls medelvärdesbildat över tid. Skillnaden kunde då avläsas direkt på dämpsatsen.

Det har gjorts otaliga mätningar under årens lopp både mot en specifik WSPR-mottagare och flera mottagare i ett avgränsat geografiskt område. Det som tydligt kunde konstateras är att på vissa avstånd kunde referensantennen vara bättre medan på andra avstånd och i andra riktningar så vann den provade antennen. Mätvärdena var hyfsat stabila från dag till dag. En sak som man inte riktigt har koll på är mottagarantennernas egenskaper när det gäller dess vertikaldiagram. Vissa WSPR-mottagare har lågt hängande horisontella antenner medan andra har vertikaler. Utbredningen kan ju ske via olika antal jonosfärhopp så att den skillnad man ser på dämpsatsen defakto kan vara påverkad av mottagarantennernas egenskaper. Särskilt om referensantennen och den provade antennen har helt olika vertikaldiagram.

I de flesta mätningarna hämtade jag hem data från ett kluster med ett tiotal stationer i nordöstra USA och en handfull stationer från Australien / Nya Zeeland.

Som sagt, det är svårt att mäta exakt och sen kan mätvärdena presenteras på många olika sätt. De antenner jag fokuserat mest på har varit olika typer av portabelantenner lämpliga för DX-peditioner. Referensantennen har varit en kvartvågs GP med fyra radialer med matningspunkten 1/4 våglängd över marken fritt placerad.

 

[SM0BRF]

Jag tycker att SDR-mottagarna, tex kiwisdr.com/public runt om i världen är överlägsna när det gäller att jämföra antenner. Man får signalstyrkan i mottagaren presenterad direkt i dBm i "S_meter extension". Bara att växla antenner och kolla eller jämföra med grannen. Eller vrida antennen och kolla strålningsdiagrammet.

 

[SM7EQL]

Ja det är också ett toppenbra hjälpmedel. Jag har använt Kiwi-mottagarna för att jämföra hur jag går ut på 80 och 40 m med andra stationer från EU.

 

[SM0FKI]

Kör 0dBm/1mW på 15m med min 5/8 vertikal antenn för 6m. Får -16dB SNR av OE9GHV!
Jag borde alltså kunna sänka effekten ytterligare med 13dB dvs till -13dBm/50uW. Spännande

 

[SM7EQL]

Ja det var OE9GHV jag provade med tidigare. Han har även en publik Kiwi-SDR som du kan kolla och lyssna på dig själv. Det finns några bilder på hans antenn och lada där han har sin remote-station på QRZ.COM

http://kiwi.oe9.at:8075/?f=1000/-4000,4000amz10

GHV hör ca 6-10 dB bättre än andra av det lilla fåtal som har en "bra radiomiljö" i Europa. När jag labbade med detta under en period för något år sedan så kunde jag också notera att merparten av WSPR-mottagarna i Europa låg i häradet 20-25 dB sämre än vad OE9GHV presterade. Det kan stämma ganska bra med att de som upplever att deras grundbrus kring S3 är relativt lågt i praktiken ändå hör ca 18-20 dB sämre än om de hade bott på ett helt störningsfritt ställe långt bort från civilisationen och S-metern stått kvar på S0.

 

[SM0FKI]

Blev just spottad på 15m av OE9GHV med -13dBm/50uW med ett SNR -29dB...
Ska bli intressant och se hur det utvecklar sig under dagen. LX1DQ rapporterar -27dB

Någon som har lyckats med ännu lägre effekt?

 

[SM7EQL]

Det tycks gå en "magisk gräns" kring -30 dBm (1 uW) sändareffekt för WSPR mot OE9GHV och LX1DQ. När jag senast provade på 14 MHz kom jag ner till -27 dBm. Tidvis med skapligt SNR som troligen skulle medge en ytterligare sänkning till -30...33 dBm.

För ca 20 år sedan gjorde jag och SM3BDZ (SK) en lång rad liknande experiment på 1,8 MHz och 3,5 MHz. Jag sände bärvåg med långsamt FSK 50/50 % ca 500 Hz skift till min dipol på 28 m höjd i matningspunkten. Gränsen där BDZ säkert kunde detektera bärvågen med örat låg kring -30 dBm sändareffekt kring midnatt vid flera tillfällen. Vid mer normala konditioner behövdes ca 10 dB högre uteffekt.

Sen kan man använda ljudkortet i datorn tillsammans med lämpligt program för att skapa smala filter ner till några få millihertz. Då finns ytterligare många dB att hämta hem t ex med extremt långsam telegrafi (QRSS). Det är vad som används på 137 kHz och även på andra ännu lägre frekvenser.

I England har det gjorts många försök på "1 kHz bandet" där man med bara några watt sändareffekt lyckats kommunicera 10 km eller så. På sändarsidan användes två jordspett separerade 20-50 m och likadant på mottagaren. QRSS och avkodning med datorn. Mer "markvåg" än så här blir det nog inte.

QRSS kan naturligtvis användas även på kortvåg. Har aldrig provat själv men varit på väg flera gånger...

Söker man på t ex QRSS så poppar det upp hur mycket som helst...

Exempel: https://lf.u01.de/