WSPRing Around the World

Le radioamateurisme serait beaucoup moins intéressante si nos canaux de communication étaient toujours prévisibles et fiables. En fait, nous ne savons souvent pas où dans le monde nos signaux peuvent être captés. Si les caprices de l'ionosphère et la propagation en MF et HF vous fascinent, vous apprécierez sûrement l'utilisation de WSPR et son site web associé, WSPRnet.org.

WSPR (prononcé "whisper") est un acronyme pour "Weak Signal Propagation Reporter" (Reporter de Propagation des Signaux Faibles). Avec un programme informatique de ce nom et un émetteur-récepteur SSB standard, vous pouvez participer à un réseau mondial de stations à faible puissance échangeant des transmissions de type balise pour explorer les chemins de propagation potentiels. La plupart des stations participantes transmettent ainsi que reçoivent, bien que l'activité d'écouteur ondes courtes (SWL) soit également courante. En principe, et avec la bénédiction des dieux de la propagation, tout le monde peut capter et être capté par tous les autres qui sont actuellement actifs avec WSPR sur la même bande.

Lorsqu'une image globale de toutes ces connexions devient disponible, les choses deviennent particulièrement intéressantes — et c'est le but de WSPRnet. La plupart des stations utilisant WSPR sont configurées pour télécharger automatiquement leurs rapports de réception vers une base de données centrale sur WSPRnet.org, en temps réel. En dirigeant votre navigateur vers WSPRnet, vous pouvez obtenir des rapports presque instantanés sur l'endroit et la force du signal avec lesquels vous êtes reçu, et voir les résultats tracés sur une carte du monde.

Dans le jargon radioamateur d'aujourd'hui, WSPR est un autre mode de carte son. Ses exigences de configuration sont similaires à celles, par exemple, du PSK31. WSPR transmet et reçoit, mais il ne supporte pas les types normaux de conversation en direct. Au lieu de cela, il envoie et reçoit des transmissions spécialement codées, de type balise, visant à établir si des chemins de propagation spécifiques sont ouverts. Les transmissions transmettent un indicatif, l'emplacement de la station et le niveau de puissance en utilisant un format de données compressé avec une forte correction d'erreur avant (FEC) et une modulation par déplacement de fréquence (FSK) à quatre tons et bande étroite. La FEC améliore grandement les chances de réception et réduit les erreurs à un taux extrêmement faible. La largeur de bande du signal est seulement de 6 Hz, ce qui, avec un partage de temps aléatoire, assure que des dizaines de signaux WSPR peuvent tenir dans un minuscule segment de 200 Hz de chaque bande amateur. Le protocole WSPR est efficace avec des rapports signal sur bruit aussi faibles que -28 dB dans une bande passante de 2500 Hz, soit environ 10 à 15 dB en dessous du seuil d'audibilité. Sur la plupart des bandes, les niveaux de puissance typiques de WSPR sont de 5 W ou moins — parfois beaucoup moins. Vous serez étonné de découvrir où vos signaux QRP sont captés, dans des coins reculés du monde.

FONCTIONNEMENT DE WSPR

WSPR peut être téléchargé gratuitement sur www.physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/. Des fichiers d'installation pré-packagés sont disponibles pour Windows et Linux ; le programme peut également être compilé pour Macintosh, FreeBSD et d'autres systèmes d'exploitation. WSPR est un logiciel "open source", et son code source est maintenu dans un dépôt public à developer.berlios.de/projects/wsit/.

Comme tous les modes de carte son, WSPR nécessite des connexions audio entre votre ordinateur et votre émetteur-récepteur radio. En bref, la sortie audio de la carte son va à l'entrée audio de l'émetteur-récepteur, et la sortie audio de la radio va à l'entrée de la carte son. Vous pouvez utiliser le contrôle VOX pour la commutation émission/réception (T/R), mais si vous préférez une commutation par touche dure, vous aurez besoin d'un port série ou d'un adaptateur USB-série. Une connexion série peut également fournir un contrôle CAT pratique pour la plupart des émetteurs-récepteurs modernes. Si vous utilisez d'autres modes de données comme le PSK31, vous avez probablement déjà les connexions nécessaires en place. Votre émetteur-récepteur SSB doit être réglé pour utiliser la bande latérale supérieure (USB).

Le fonctionnement de WSPR est largement automatisé. Les transmissions synchronisées dans le temps durent un peu moins de deux minutes, commençant nominalement une seconde après le début d'une minute UTC paire. Les intervalles de réception et de transmission alternent de manière pseudo-aléatoire de sorte qu'en moyenne, un pourcentage spécifié (typiquement 20 à 25 %) des intervalles de deux minutes est utilisé pour l'émission. Il est important que l'horloge de votre ordinateur soit précise à la seconde près. Les fréquences d'exploitation conventionnelles pour WSPR sont résumées dans le Tableau 1. De nombreux détails supplémentaires sur le fonctionnement de WSPR, y compris des instructions de démarrage étape par étape, sont donnés dans le Guide de l'utilisateur de WSPR 2.0, qui — grâce à un certain nombre d'utilisateurs bilingues — est maintenant disponible en anglais, français, allemand, italien, japonais, polonais, portugais et russe à l'adresse www.physics.princeton.edu

En fonctionnement normal, l'écran principal de WSPR ressemble à quelque chose comme la Figure 1¹. À la fin de chaque intervalle de réception de deux minutes, le décodeur logiciel recherche tous les signaux WSPR détectables dans une bande passante de 200 Hz et affiche les résultats dans un spectrogramme en cascade, une fenêtre de texte défilante et une carte de bande défilante. Le spectrogramme couvre une plage de fréquences d'environ 220 Hz ; les trois derniers chiffres de la fréquence reçue, en Hz, sont affichés sur l'échelle verticale à droite. Le temps s'écoule de gauche à droite dans le spectrogramme, la largeur totale couvrant environ une demi-heure. Sur un écran d'ordinateur typique, chaque intervalle de deux minutes correspond à une bande d'environ 1 cm de large dans le spectrogramme. Les moments de vos propres transmissions sont indiqués par de fines lignes verticales vertes. Par exemple, au moment où la Figure 1 a été réalisée, des transmissions avaient été effectuées à 22 h 04, 22 h 16 et 22 h 24 UTC.

Chaque signal WSPR décodé produit un texte indiquant l'heure UTC, le rapport signal sur bruit en dB (dans une bande passante de référence de 2500 Hz), le décalage temporel DT en secondes, la fréquence en MHz, le taux de dérive en Hz/minute et le message décodé. Les décalages temporels supérieurs à environ +2 secondes indiquent une erreur d'horloge significative à l'émetteur ou au récepteur, ou possiblement les deux. Les dérives de fréquence apparentes supérieures à +1 Hz par minute peuvent généralement être attribuées à l'émetteur et devraient être corrigées si possible. (Bien sûr, la dérive du récepteur peut également contribuer aux dérives mesurées, mais cette condition est facilement reconnaissable car presque tous les signaux sembleront dériver de la même quantité.) Une bonne stabilité de fréquence est essentielle à la sensibilité remarquable de WSPR, car les filtres logiciels utilisés pour le décodage ne font qu'environ 1,5 Hz de large.

WSPRnet

Le site web WSPRnet.org est écrit et maintenu par Bruce, W1BW. Il fournit un dépôt central pour les rapports de réception WSPR ("spots") et offre une interface utilisateur simple pour interroger la base de données, un outil de cartographie et de nombreuses autres fonctionnalités pratiques. Par défaut, la carte mondiale montre toutes les stations WSPR ayant rapporté ou décodé des signaux au cours de la dernière heure, et illustre les chemins de propagation ouverts entre elles. La carte peut être zoomée et déplacée, et vous pouvez définir divers critères pour déterminer exactement quels spots sont inclus. Le site WSPRnet propose également des comptages par bande des stations ayant rapporté des signaux au cours de la dernière heure, une fonction de chat pour de brèves communications entre opérateurs, une interface vers la base de données historique remontant à mars 2008, et un certain nombre de résumés statistiques des données. Un exemple de la page d'accueil de WSPRnet est montré dans la Figure 2. Cette capture d'écran particulière, prise en août 2010, mentionne que la base de données WSPR contient plus de 32 millions de spots. Récemment, une moyenne de 300 à 500 stations, dispersées dans le monde, ont soumis environ 50 000 à 100 000 rapports WSPR chaque jour.

La Figure 3 est un exemple typique de la carte mondiale de WSPRnet, dans ce cas pour la bande des 30 mètres. Vous pouvez spécifier des critères de sélection qui limitent la carte à une bande particulière, un intervalle de temps plus long ou plus court, ou des spots impliquant un indicatif particulier. Vous pouvez cliquer sur un indicatif pour voir quelles autres stations entendent et sont entendues par cette station. Les étiquettes rouges sur la carte indiquent les stations (ou SWL) fonctionnant en mode réception uniquement.

Protocole et logiciel WSPR

Le protocole WSPR était à l'origine nommé MEPT_JT, ce qui signifiait "Manned Experimental Propagation Tests, by K1JT" (Tests de propagation expérimentaux avec opérateur, par K1JT). La partie "Manned" du nom rappelait que selon les règles de la FCC, une station de transmission (à quelques exceptions très spécifiques près) doit toujours être surveillée. Dans la pratique actuelle, tout le monde appelle simplement ce mode WSPR.

Le protocole WSPR est conçu pour faire une seule chose, et la faire très bien. Les messages consistent normalement en un indicatif standard, un localisateur de grille de 4 caractères et le niveau de puissance en dBm (décibels par rapport à 1 milliwatt). Ces informations sont compressées en 50 chiffres binaires, puis encodées à l'aide d'un code convolutif avec une longueur de contrainte K = 32 et un taux r = 1/2. Chacun des 162 bits résultants est utilisé comme le bit le plus significatif d'un "symbole de canal" de deux bits à transmettre en utilisant une modulation par déplacement de fréquence à 4 tons à 1,46 bauds. Le bit le moins significatif est défini par une séquence pseudo-aléatoire connue du logiciel à la fois à l'émetteur et au récepteur, et est utilisé pour établir une synchronisation précise du temps et de la fréquence.

Les codes convolutifs avec de longues longueurs de contrainte ont l'avantage important que les erreurs de décodage non détectées sont rares. Ces codes sont trop complexes pour être décodés avec l'algorithme de Viterbi bien connu et très efficace, donc le décodeur WSPR utilise à la place l'algorithme dit "séquentiel". Les détails complets du protocole WSPR et de son implémentation dans le programme WSPR seront publiés ailleurs. WSPR est sous licence GNU General Public License, et son code source est librement disponible pour tous.

Études de propagation

La base de données WSPRnet représente une source riche de données expérimentales pour les études de propagation. Pour fournir un exemple simple, nous avons interrogé la base de données pour obtenir tous les spots de K1JT, WB3ANQ et W1BW postés par VK6DI sur la bande des 30 mètres. Il se trouve que ces quatre stations utilisaient WSPR plus ou moins 24 heures sur 24 entre le 20 mars et le 12 avril 2009. VK6DI était une station en réception seule, K1JT fonctionnait principalement à 5 W, WB3ANQ à 1 W et WI1BW à 100 mW. Toutes les stations utilisaient des antennes dipôles simples. La Figure 5 montre les rapports signal sur bruit rapportés par VK6DI pour chaque station américaine, triés par heure de la journée (par intervalles de 15 minutes) puis moyennés sur la période de trois semaines. Comme prévu, les signaux de 5 W de K1JT commencent généralement un peu plus tôt et sont légèrement plus forts que les signaux de plus faible puissance de WB3ANQ et WI1BW, mais sinon, les données pour les trois stations sont remarquablement cohérentes. À ce point bas du cycle des taches solaires, chaque station a bénéficié à la fois d'une propagation en trajet court et en trajet long sur 30 mètres du nord-est des États-Unis à l'Australie occidentale, la plupart des jours — même au niveau de puissance de 100 mW. En fait, les signaux WSPR de WB3ANQ et W1BW de moins de 10 mW ont également été décodés par VK6DI, presque à l'autre bout du monde. Vous pouvez sûrement penser à de nombreuses autres façons fascinantes d'explorer les phénomènes de propagation en utilisant la base de données WSPRnet.

Conclusion

Les radioamateurs ne cessent de trouver de nouvelles façons de repousser les frontières de la communication sans fil, explorant les merveilles du spectre électromagnétique et l'extraordinaire variété d'interactions entre les ondes électromagnétiques et l'environnement terrestre. Conçu avec des motivations de loisir et de plaisir, WSPR a contribué à intégrer certains progrès techniques récents du monde professionnel et scientifique dans la radio amateur, offrant ainsi des avantages éducatifs pour la nation et le monde, ainsi que de nombreuses heures de plaisir pour les expérimentateurs techniquement curieux. Nous espérons que vous prendrez autant de plaisir à utiliser WSPR que nous en avons pris, tout en enrichissant vos connaissances et votre compréhension de la propagation radio et des techniques modernes de communication.

De nombreuses personnes ont contribué au développement de WSPR et de WSPRnet — en effet, trop pour toutes les citer ici — mais nous tenons particulièrement à remercier VA3DB et G4KLA, qui ont travaillé sans relâche pour assurer la portabilité de WSPR vers les systèmes d'exploitation GNU/Linux, FreeBSD et OS X, ainsi que G4ZOD et OZ1PIF, qui ont passé d'innombrables heures à nous aider à identifier et à éliminer les bugs dans le logiciel.

Joe Taylor a été licencié pour la première fois sous l'indicatif KN2ITP en 1954, et a depuis détenu les indicatifs K2ITP, WAILXQ, WIHFV, VK2BJX et K1JT. Il a été professeur d'astronomie à l'Université du Massachusetts de 1969 à 1981, et depuis, il est professeur de physique à l'Université de Princeton. Il a reçu le prix Nobel de physique en 1993 pour la découverte du premier pulsar en orbite. Il chasse le DX de 160 mètres jusqu'aux bandes micro-ondes.

Bruce Walker est licencié depuis 1991 et a détenu les indicatifs NIIKV, WTIM et W1BW. Il est diplômé en physique du MIT et a passé la majeure partie de sa carrière dans le domaine du calcul scientifique haute performance, actuellement au Broad Institute de Cambridge, MA. Ses principaux intérêts radio sont actuellement l'exploitation à très faible puissance (QRPp) sur HF et les radios définies par logiciel (SDR).

Tableau 1
Fréquences conventionnelles pour l’activité WSPR

Fig. 1 — Apparence typique de l'écran principal pendant le fonctionnement de WSPR.

Fig. 2 — La page d'accueil de WSPRnet.

Fig. 3 — La carte mondiale de WSPRnet montrant les spots postés sur 30 mètres pendant une période typique d'une heure.

Fig. 4 — Moyenne mobile sur sept jours du nombre de stations participantes par jour, de début 2008 à mi-2010.

Fig. 5 — Rapport signal/bruit (S/N) moyen rapporté par VK6DI (Australie occidentale) pour K1JT, WB3ANQ et W1BW (tous situés dans le nord-est des États-Unis) pendant les mois de mars et avril 2009, sur la bande des 30 mètres, en fonction de l'heure de la journée.

Remarque

Soyez toujours conscient de l'environnement radio dans lequel vous prévoyez d'opérer en vous référant à The
Consultez le guide des fréquences de l'opérateur et écoutez, écoutez et écoutez encore. Les autres occupants ne sont pas toujours facilement détectables, mais ils vous entendront probablement. Ne faites aucune supposition :

Traduction francaise du ..PDF de Taylor & Walker / Whispering Around the World par Joe Taylor, K1JT and Bruce Walker, W1BW