Auteur : radiotelescopelavillette

Cohérence et QO100

Le contexte :

L’AMSAT-Brazil a organisé le 16 mars 2020 une expérimentation QRPp de FT8 sur QO100.

Daniel Estévez@ea4gpz 3:54 PM · 21 mars 2020 a envoyé ce tweet. En cours FT8 pour l’expérience AMSAT-BR QO-100 QRPp. Je n’ai aucune idée de l’EIRP, mais je suis actuellement à peu près au seuil de décodage avec ma parabole RX de 1,2 m. Mon signal à 1 kHz est à peine visible sur la cascade.

Cohérence et QO-100

Traduction *** de la publication de Daniel Estévez EA4GPZ / M0HXM le

Mon tweet sur l’ expérience AMSAT-BR QO-100 FT8 QRPp a donné lieu à une discussion très intéressante avec Phil Karn KA9Q , Marcus Müller et d’autres sur les modes de signal faible spécialement conçus pour le canal de communication QO-100 , qui est AWGN bien qu’avec une certaine dérive de fréquence (principalement en raison des horloges de référence imparfaites utilisées dans les stations au sol typiques).

En gros, la conversation est passée de la constatation que FT8 n’est pas aussi efficace en termes d’EbN0 à l’idée d’utiliser quelque chose comme BPSK cohérent avec un CCSDS Turbo code r = 1/6, puis à observer qu’il n’y avait peut-être pas assez de SNR pour qu’une boucle de Costas fonctionne, donc une porteuse résiduelle devrait être utilisée, et finalement se demander si une porteuse résiduelle pourrait fonctionner.

Il existe plusieurs problèmes différents qui peuvent être définis dans ce contexte. Pour moi, le plus intéressant et le plus difficile est de savoir comment transmettre certaines données avec le moins de CN0 possible. Dans un monde idéal, vous pouvez toujours réussir à transmettre un signal plus faible simplement en transmettant plus lentement (maintenant ainsi la constante Eb / N0). Dans le monde réel, cependant, il existe certains paramètres physiques variant dans le temps du signal que le récepteur doit suivre (que ce soit la phase, la fréquence, la synchronisation d’horloge, etc.). Afin de détecter et de suivre ces paramètres, une certaine puissance de signal minimale est nécessaire au niveau du récepteur.

Cela signifie que, dans la pratique, en fonction du canal physique en question, il existe une limite CN0 inférieure à laquelle la communication sur ce canal peut être établie. Dans de nombreuses situations, la conception d’un système qui tente de s’approcher de cette limite est une question difficile et intéressante.

Un autre problème qui peut être posé est de savoir comment transmettre certaines données avec le moins Eb / N0 possible, se rapprochant ainsi de la capacité Shannon du canal. Cependant, les gens qui font du DVB-S2 sur le transpondeur à large bande ne le font pas si mal du tout à cet égard. En effet, en transmettant plus rapidement (et en augmentant la puissance, pour garder le Eb / N0 raisonnable), les problèmes de dérive de fréquence deviennent complètement gérables.

Dans tous les cas, si nous devons discuter de ces questions, il est important de caractériser la dérive de fréquence typique des signaux à travers le transpondeur QO-100. Ce message contient quelques brèves expériences à ce sujet.

Pour mesurer la dérive de fréquence typique sur le transpondeur QO-100, j’ai décidé d’enregistrer la balise CW inférieure du transpondeur NB à l’aide de ma station au sol. La balise est transmise à Bochum en utilisant comme référence un GPSDO Z3801A très stable . Ma station utilise actuellement le DF9NP GPSDO que j’ai mesuré ici . Ce GPSDO est un VCTCXO discipliné par un récepteur GPS uBlox, donc ses performances à court terme sont typiques d’un TCXO.

Je pense que des résultats peut-être d’un ordre de grandeur meilleur pourraient être obtenus avec un bon GPSDO basé sur OCXO, comme le Vectron que j’ai utilisé ici , mais je ne voudrais pas concevoir un système de communication qui nécessite une horloge extrêmement stable. Certes, FT8 et d’autres modes fonctionnent bien avec le DF9NP GPSDO, donc je pense qu’il est préférable de l’utiliser à la place du Vectron pour cette expérience.

La balise CW transmet une porteuse continue d’une durée de 12 secondes après chaque message. J’ai fait un court enregistrement de la balise qui comprend trois de ces porteuses. L’enregistrement peut être téléchargé ici au format complex64 1ksps . La figure ci-dessous montre une cascade de l’enregistrement dans inspectrum . La fréquence de «tremblement» est d’environ 10 Hz.

Balise inférieure QO-100 CW

Temps de cohérence

J’ai sélectionné 11 secondes de chacune des occurrences de la porteuse et les ai traitées dans ce cahier Jupyter pour mesurer le temps de cohérence. La technique que j’ai utilisée est basée sur la méthode suivante pour trouver le temps de cohérence d’une porteuse en bande de base. Si { x k }, 0≤ k < L est la représentation discrète en bande de base de temps de cette porteuse, pour chaque décomposition L = M N nous définissons P N = 1 Ml = 0 M −1∣∣∣∣1 Nk = 0 N x N l + k∣∣∣∣2 comme la puissance moyenne après l’accumulation cohérente de N échantillons. En traçant P N, nous pouvons trouver un point où P N commence à diminuer avec l’augmentation de N

. Cela indique la durée à laquelle la cohérence est perdue.

Étant donné que la porteuse CW n’est pas en bande de base dans cet enregistrement, mais plutôt à une fréquence autour de -50 Hz, je détecte d’abord la fréquence moyenne de chaque porteuse en utilisant une FFT, puis je la décale vers la bande de base en utilisant cette fréquence. La figure ci-dessous montre le temps de cohérence, comme décrit ci-dessus. Chacune des traces représente l’un des trois porteurs. Le vert est le dernier, qui est clairement vu dériver davantage dans la cascade.

Une version sérieuse de cette expérience utiliserait un enregistrement beaucoup plus long et ferait la moyenne des résultats sur de nombreuses occurrences de la porteuse de 12 secondes, plutôt que d’examiner seulement trois occurrences. Cependant, pour une estimation approximative, je pense que cela suffit et nous pouvons dire que le temps de cohérence pour une station TCXO typique est de l’ordre de 50 à 100 ms.

Serrure PLL

La deuxième partie de l’expérience consiste à essayer de verrouiller une PLL sur le support à différents niveaux de CN0. La porteuse a été enregistrée avec un CN0 élevé, donc des valeurs plus faibles de CN0 peuvent être simulées en ajoutant du bruit gaussien blanc. J’ai sélectionné la dernière occurrence de porteuse, car c’est la pire, et je la joue en boucle continue dans GNU Radio en utilisant ce diagramme . Fait intéressant, la discontinuité de phase et de fréquence au point de bouclage ne semble pas poser de problème avec la PLL.

J’ai mis le signal à l’échelle pour que la porteuse ait une amplitude un. Cela permet d’ajouter facilement du bruit pour définir le CN0 souhaité. Le signal est filtré passe-bas sur une bande passante réglable et verrouillé avec une PLL de bande passante réglable.

Pour aider à examiner les performances de la PLL, j’utilise une version sans bruit du signal et j’utilise la phase de la PLL fonctionnant sur le signal bruyant pour verrouiller le signal sans bruit. Cela montre très bien la gigue PLL.

La simulation PLL peut être vue dans la figure ci-dessous. Pour une bande passante PLL CN0 élevée et relativement élevée de 5 Hz, la gigue PLL (comme on le voit sur le signal sans bruit) est faible. Le signal d’origine (en bleu dans le tracé de fréquence) semble étalé en fréquence, tandis que la sortie de la PLL est verrouillée.

Simulation PLL: CN0 élevé

Si nous réduisons le CN0 à 20 dB, la gigue PLL est considérable, comme on peut le voir à la fois sur la sortie de fréquence PLL et dans la constellation du signal sans bruit. Pour juger de l’effet de la gigue PLL, je fais une moyenne cohérente du signal sans bruit (après avoir utilisé la sortie de la PLL pour le verrouiller) et je calcule sa puissance. Dans ce cas, il est de 0,8, nous avons donc perdu 20% de la puissance du signal en raison de la gigue PLL.

Simulation PLL: 20 dB CN0

Pour essayer d’améliorer les choses, nous pouvons réduire la bande passante du filtre passe-bas à 10 Hz (tout élément inférieur coupera parfois le signal, car il dérive en dehors de la bande passante) et réduire la bande passante PLL à 1 ou 0,5 Hz. Il en résulte la figure ci-dessous, dans laquelle la situation s’améliore et nous obtenons une puissance de signal de 0,9.

Simulation PLL: 20 dB CN0 avec une bande passante étroite

Cependant, la réduction de la bande passante à 0,5 Hz est aussi faible que possible. En effet, si nous augmentons le CN0 en maintenant les paramètres de bande passante, nous obtenons la figure ci-dessous, qui montre approximativement la même gigue PLL. Cela signifie que la gigue n’est pas causée par le bruit thermique dû au faible SNR, mais plutôt par la contrainte de boucle due à la faible bande passante de la boucle.

Simulation PLL: CN0 élevé avec une bande passante étroite

Si nous gardons un CN0 élevé mais réduisons encore la bande passante de la boucle à 0,3 Hz, nous obtenons de mauvais résultats, comme indiqué ci-dessous. Une réduction supplémentaire de la bande passante entraînera la perte totale du verrouillage de la boucle.

Simulation PLL: CN0 élevé avec une bande passante très étroite

Cependant, 20dB CN0 est encore très élevé pour ce que nous avons en tête. Pour mettre les choses en perspective, dans l’expérience AMSAT-BR, nous jouions avec des signaux FT8 à -22 dB SNR à 2,5 kHz. Il s’agit d’un CN0 de 12 dB. Si nous voulons faire un peu mieux que FT8 avec un signal porteur résiduel, nous devons penser à une puissance porteuse de 10 dB CN0 ou moins, car nous avons encore besoin de puissance pour les données.

Les résultats à 10 dB CN0 avec une bande passante de boucle de 0,5 Hz peuvent être vus ci-dessous. La boucle perd parfois son verrouillage et la gigue est vraiment mauvaise. La puissance du signal est d’environ 0,6. Il semble donc que ce soit aussi loin que nous puissions pousser le système.

Phil Karn a mentionné l’article Residual Versus Suppressed-Carrier Coherent Communications . Ce document contient des formules utiles concernant le moment de choisir un système de transporteur supprimé ou un système de transporteur résiduel, quelle est la fraction de puissance optimale à allouer pour le transporteur résiduel et quand une boucle PLL ou Costas peut-elle maintenir le verrouillage.

La règle pour le verrouillage PLL est que la boucle SNR ρ doit être supérieure à 7 dB, où ρ = C N 0 B L. Ici B L désigne la bande passante de la boucle en Hz. Cela correspond à mes résultats expérimentaux. Pour B L = 0,5 Hz, nous avons ρ = 7dB

lorsque CN0 = 10 dB.

Le défi

Avec ces résultats à l’esprit, je pense que je peux justifier comme contestant l’idée d’essayer de transmettre des données à très faible CN0 via le transpondeur QO-100. Pour garder les choses raisonnables et concrètes, supposons que nous voulons transmettre à peu près le même débit binaire net que FT8, qui est de 7,2 bits par seconde.

Un -22 dB en signal SNR FT8 à 2,5 kHz a un Eb / N0 de 3,4 dB. On peut peut-être se demander si les signaux estimés par WSJT-X comme ayant un SNR de -22 dB ont vraiment ce SNR ou si le SNR réel est quelque peu supérieur. Cependant, dans tous les cas, en essayant d’utiliser une meilleure modulation et FEC, on peut essayer de descendre à 1dB Eb / N0, voire moins.

Un signal Eb / N0 de 1 dB à 7,2 bits par seconde a un CN0 de 9,6 dB. Voilà le défi. De toute évidence, une approche de transporteur résiduel ne fonctionnera pas, et le BPSK cohérent de transporteur supprimé ne fonctionnera pas non plus.

*** Traduction Google, relue par f6bvp

Décodage balise QO-100

Patrick F1EBK nous indique comment procéder pour décoder la balise de QO-100 sous Linux avec le navigateur Firefox sur le site WebSDR du BATC.

Daniel Estévez EA4GPZ / M0HXM a programmé un décodeur Gnuradio sous Linux. Cet article illustre la démarche suivie.

La procédure à suivre pour décoder la balise de QO-100 sous Windows est décrite dans cette autre page.

grafcet Gnuradio
Modification par F1EBK pour capturer une source audio

Pour effectuer une installation complète de GNUradio et du décodeur gr-satellites sous Ubuntu suivez cette procédure.)

Balise QO-100 BPSK 400 bauds

Une version simplifiée du grafcet GNUradio est également disponible comme indiqué dans la rubrique « Au jour le jour » du 12 mai 2020.

Ci-dessous, à la suite de la capture de la balise, vous trouverez le compte-rendu résumé. Notez que les parties en italiques correspondent aux messages de débogage qui signale quand le code auto correcteur Reed-Solomon a échoué.

2020-04-18 07:18:45 Packet number 0 N HI de Qatar-OSCAR 100 (DK0SB) In order to coordinate potential emergency communications during the actual or any other crisis, the following frequency will be assigned as international emergency frequency on QO-100 NB Transponder: Downlink: 10489.860 MHz Uplink: 2400.360 MHz SSB channel: max. 2.7kHz bandwidth All users on QO-100 are encouraged to monitor this frequency, but keep it clear for emergency traffic!

Reed-Solomon decode failed (1st decoder). gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb1 – writing tag at sample 18173 gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb0 – writing tag at sample 18174 2020-04-18 07:19:11

2020-04-18 07:19:11 Packet number 1 K HI de Qatar-OSCAR 100 (DK0SB) Reed-Solomon decode failed (1st decoder). gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb0 – writing tag at sample 28334 gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb1 – writing tag at sample 28333

2020-04-18 07:19:36 Packet number 2 L HI de Qatar-OSCAR 100 (DK0SB) Transponder is open for general use since 2019-02-14. Enjoy the Narrow Band (NB) and Wide Band (WB transponders. Follow the guidelines and keep transmiter power below beacon. For more information visit: http://amsat-dl.org/   QO-100 was brought to you by Es’hailSat, QARS and AMSAT-DL. Good Luck and Good DX via the first geostationary P4-A satellite

Reed-Solomon decode failed (1st decoder). gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb1 – writing tag at sample 38493 gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb0 – writing tag at sample 38494

2020-04-18 07:20:02 Packet number 3 M HI de Qatar-OSCAR 100 (DK0SB) 2020-02-14: Celebrating 1 year of QO-100 New bandplan with extended transponder range active now. New beacons (and new LEILA ground station) currently experimental. New beacon frequencies: CW now F1A on 10489500 Middle Beacon AMSAT PSK 10489750 Experimental Beacon 10490000 currently also F1A CW

Reed-Solomon decode failed (1st decoder). gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb1 – writing tag at sample 48653

2020-04-18 07:20:27 Packet number 4 N HI de Qatar-OSCAR 100 (DK0SB) In order to coordinate potential emergency communications during the actual or any other crisis, the following frequency will be assigned as international emergency frequency on QO-100 NB Transponder: Downlink: 10489.860 MHz Uplink: 2400.360 MHz SSB channel: max. 2.7kHz bandwidth All users on QO-100 are encouraged to monitor this frequency, but keep it clear for emergency traffic!

Reed-Solomon decode failed (1st decoder). gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb1 – writing tag at sample 58813 gr::log :DEBUG: correlate_access_code_tag_bb0 – writing tag at sample 58814 2020-04-18 07:20:52

Patrick F1EBK a utilisé la technique de DL4PD qui est de placer un ‘streamer audio‘ à l’écoute du serveur de son ‘Pulseaudio’ de linux. La réception est réalisée simplement par ‘Firefox’ qui est connecté sur le site du BATC et qui fourni le signal reçu à Pulseaudio. Le streamer audio est celui fourni par Daniel Estévez (EA4GPZ), mais un peu modifié par votre serviteur : Quand je lançais le streamer, j’ai deux erreurs de paramètres sur la source du signal, et sur la destination du flux. Dans sa doc, EA4GPZ indique que la source peut être indiquée dans la commande qui démarre le streamer sous la forme : ./audio_streamer.py –device=pulse. Seulement ça ne fonctionne pas ! J’ai trouvé la solution en bricolant le grafcet, et j’ai trouvé que je n’avais plus d’erreur si je mettais des apostrophes devant et derrière ‘pulse’ ! J’ai appliqué la même modification sur l’adresse de destination, mais j’ai remplacé localhost par ‘127.0.0.1’ (ca n’a aucun intérêt sauf de ne pas solliciter le serveur de noms !). J’ai donc placé ces 2 modifications directement dans le .grc, et maintenant, je lance le streamer simplement avec la commande : ./audio_streamer Pour le décodeur, j’ai utilisé le qo100 que j’ai ‘compilé’ avec le compagnon sans aucune modification, et qui est lancé dans une autre console avec la commande : ./qo100.py

17/04/20

Aujourd’hui une importante étape a été franchie avec le succès du décodage de la balise BPSK du satellite QO-100 à 400 bauds. Les caractéristiques de la balise sont donc assez proches de celles des balises de détresse retransmises par les satellites du système COSPAS-SARSAT. C’est pourquoi, dans un premier temps, nous nous sommes engagés dans la programmation d’un décodeur pour le signal de QO-100 qui présente plusieurs avantages. La balise en milieu de bande transmet de façon permanente et sur fréquence fixe car issue du satellite géostationnaire donc sans mouvement apparent et donc aucun effet Doppler. La balise de QO-100 est également transmise en BPSK à 400 bauds. Étant donné que l’antenne du radiotélescope est bloquée au zénith, il n’est pas possible de l’orienter en direction de QO-100 qui est à 29° au-dessus de l’horizon. La « petite antenne » parabolique de 130 cm prévue pour les liaisons avec QO-100 au radio club F4KLO n’a malheureusement pas été installée avant les mesures de confinement. Mais le transpondeur bande étroite de QO-100 est retransmis sur Internet via le WebSDR du BATC. C’est via ce lien que nous pouvons recevoir le signal de la balise et l’enregistrer dans un fichier .wav

Pour le décodage nous avons choisi d’utiliser gr-satellites de GNU radio (branche next) développé par Daniel Estévez qui a écrit une série de décodeurs pour de nombreux satellites et en particulier pour QO-100. Nous développerons ce sujet dans une page dédiée. Vous trouverez à cette adresse la documentation en anglais sur sa librairie gr-satellites : https://gr-satellites.readthedocs.io/en/latest/

Voici le résultat obtenu par N5FXH à partir du fichier son avec l’ hexadécimal suivi de l’ASCII correspondant.

0000: 4d 20 48 49 20 64 65 20 51 61 74 61 72 2d 4f 53
0010: 43 41 52 20 31 30 30 20 28 44 4b 30 53 42 29 20
0020: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0030: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0040: 32 30 32 30 2d 30 32 2d 31 34 3a 20 43 65 6c 65
0050: 62 72 61 74 69 6e 67 20 31 20 79 65 61 72 20 6f
0060: 66 20 51 4f 2d 31 30 30 20 20 20 20 20 20 20 20
0070: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0080: 4e 65 77 20 62 61 6e 64 70 6c 61 6e 20 77 69 74
0090: 68 20 65 78 74 65 6e 64 65 64 20 74 72 61 6e 73
00a0: 70 6f 6e 64 65 72 20 72 61 6e 67 65 20 61 63 74
00b0: 69 76 65 20 6e 6f 77 2e 20 4e 65 77 20 20 20 20
00c0: 62 65 61 63 6f 6e 73 20 28 61 6e 64 20 6e 65 77
00d0: 20 4c 45 49 4c 41 20 67 72 6f 75 6e 64 20 73 74
00e0: 61 74 69 6f 6e 29 20 63 75 72 72 65 6e 74 6c 79
00f0: 20 65 78 70 65 72 69 6d 65 6e 74 61 6c 2e 20 20
0100: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0110: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0120: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0130: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0140: 4e 65 77 20 62 65 61 63 6f 6e 20 66 72 65 71 75
0150: 65 6e 63 69 65 73 3a 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0160: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0170: 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0180: 43 57 20 6e 6f 77 20 46 31 41 20 6f 6e 20 31 30
0190: 34 38 39 35 30 30 20 20 20 20 20 20 20 20 4d 69
01a0: 64 64 6c 65 20 42 65 61 63 6f 6e 20 41 4d 53 41
01b0: 54 20 50 53 4b 20 31 30 34 38 39 37 35 30 20 20
01c0: 45 78 70 65 72 69 6d 65 6e 74 61 6c 20 42 65 61
01d0: 63 6f 6e 20 31 30 34 39 30 30 30 30 20 20 63 75
01e0: 72 72 65 6e 74 6c 79 20 61 6c 73 6f 20 46 31 41
01f0: 20 43 57 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
0200: 5b b4

2020-04-17 13:43:26 Packet number 4 L HI de Qatar-OSCAR 100 (DL50AMSAT) Transponder is open for general use since 2019-02-14. Enjoy the Narrow Band (NB) and Wide Band (WB transponders. Follow the guidelines and keep transmiter power below beacon. For more information visit: http://amsat-dl.org/ QO-100 was brought to you by Es’hailSat, QARS and AMSAT-DL. Good Luck and Good DX via the first geostationary P4-A satellite.

Nous allons pouvoir passer à la deuxième phase qui sera de développer un décodeur pour les balises 406 MHz retransmises par les satellites SARSAT suivis par la station SatNOGS 484 de Dimension Parabole.

Dans la troisième phase nous essaierons de décoder les balises 2400 bauds des satellites LEOSAR et MEOSAR.

Balise QO-100 : une fréquence internationale d’urgence sur le satellite

Cette page décrit la procédure de décodage sous Windows de la balise 400 bauds BPSK au centre de la bande du transpondeur du satellite QO-100.

Daniel Estévez EA4GPZ / M0HXM a programmé un décodeur sous Linux. Rendez-vous sur cette page pour lire le mode d’installation rédigé par Patrick F1EBK d’après son expérience.

La balise de QO-100 nous indique que la fréquence 10489,860 MHz est réservée aux urgences internationales actuelles et futures sur le transpondeur du satellite géostationnaire radioamateur QO-100.

Cette fréquence d’urgence sur 10489,860 MHz correspond à une fréquence de montée vers le satellite sur 2400,360 MHz en Bande Latérale Unique (BLU, 2,7 KHz).

Annonces faites sur la balise de télémesures du satellite

La fréquence d’urgence est sur 10489,860 MHz (montée vers le satellite sur 2400,360 MHz) en Bande Latérale Unique (BLU, 2,7 KHz).

Pour décoder la balise de télémesures BPSK 400 bauds située au milieu de la bande du transpondeur de QO-100 deux logiciels sont nécessaires :

  • Téléchargez l’archive Ao40Rcv204.zip sur la page de AE4JY (dézipper et installer l’exécutable pour Windows).
  • VB-CABLE est un utilitaire de câble virtuel audio. Tous les signaux sonores en entrée sont dirigés vers la sortie au choix.
  • Ce pilote est nécessaire quand on se connecte sur le site de retransmission du transpondeur à bande étroite ou bien si on utilise un récepteur SDR (Software Defined Radio) pour recevoir les signaux de télémesures. Sélectionner l’entrée « Input Source » de AO40Rcv sur « CABLE Output (VB-Audio Virtual« . Sélectionner également sur l’icône haut-parleur du PC « Cable Input Virtual Cable » en bas et à droite de l’écran. A ce moment on n’entend plus le son dans le haut parleur.

Placer le curseur de votre navigateur sur la balise centrale « Mid Beacon » a 10489748,50 MHz en mode USB (2,7 KHz). Un simple clic sur l’étiquette suffit.

Centrage du navigateur Firefox sur la fréquence de la balise BPSK 400 Bauds

Analyse du signal BPSK 400 bauds avec le logiciel AO40Rcv

Porteuse balise QO-100 BPSK 400 bauds non modulée
Balise BPSK modulée par les « data » à 400 bauds

Les touches de fonction F1 à F8 permettent de passer rapidement de l’affichage de la balise aux données décodées page par page. Mais comme il s’agit d’un programme prévu pour le satellite AO-40, les données de température, navigation, puissance etc.. ne correspondent pas au satellite QO-100. Seuls les bulletins et les valeurs hexadécimales reçues sont correctes.

Touche F8 : données brutes transmises par la balise 400 bauds de QO-100
Boîte aux lettres touche F7 : données traduites par le logiciel AO40Rcv

Les spécification techniques de la balise QO-100 sont compatibles avec celles du satellite AO-40 :

– Version texte

– Version PDF

– Version Zip (contenant plusieurs textes)

OSCAR-40 FEC Telemetry by James Miller G3RUH

Codage auto correcteur (FEC)
Décodage avec le code auto-correcteur (FEC)

– Proposal for a FEC Coded AO-40 Telemetry Link by Phil Karn KA9Q

Spectrogrammes à haute résolution de la Galaxie à la Villette

Spectrogramme haute résolution de la raie hydrogène galactique

Le radiotélescope de la Villette opéré par l’association Dimension Parabole vient de capturer les signaux radio de la raie hydrogène neutre lors des transits de la Galaxie pendant 23h30 min en plus haute résolution. L’image présentée a été calculée par Rémi F6CNB/N5CNB.

L’adjonction d’un nouveau récepteur RSPduo qui possède une meilleure résolution d’échantillonnage sur 14 bits a permis de réaliser une mesure plus précise que précédemment des signaux radio.

La méthode d’analyse des signaux et de construction des images est décrite dans cette page.

Le spectrogramme haute résolution correspond a une numérisation de l’intensité des signaux radio sur 14 bits à la fréquence d’échantillonnage de 2 Millions d’échantillons par seconde. Les FFT (Fast Fourier Transform) pour passer du domaine temporelle au domaine fréquentiel sont calculées sur 4096 points ce qui procure une précision en fréquence de 500 Hz par échantillon de fréquence. 4096 spectres de fréquence sont moyennés toutes les minutes. La fréquence centrale des signaux radio est sur 1420 MHz.

Les caractéristiques du SDR utilisé en monocanal

Caractéristiques des nouveaux filtres passe-bande utilisés
Intensité des signaux reçus avec le récepteur RSPduo
Spectrogramme sur environ 37 heures d’observation

Les signaux capturés par l’antenne sont moyennés différemment en fonction du SDR en raison de fréquences d’échantillonnage différentes.

Pour le RSP2Duo : acquisitions pendant 60s à 2048 kHz toutes les 120 s, FFT sur 4096 moyennées sur 60 secondes.
Pour le mini LimeSDR : acquisitions pendant 25s à 2500 kHz toutes les 60 s, FFT sur 4096 points moyennées sur 25 secondes.

Spectrogramme animé à partir des observations du 5 au 8 octobre 2019

Observation quotidienne comparative avec deux SDR et compilation animée des dernières observations

Activation de la réception du radiotélescope

La réception du radiotélescope a été activée le dimanche 21 juillet 2019 après 33 ans d’arrêt.

Sur la base d’informations reçues récemment de la présence d’un préamplificateur à transistor à effet de champ MOS-FET, le plus performant à l’époque de la conception du radio-télescope (température de système de 150° K, facteur de bruit 1,8 dB), l’équipe du projet « le chant des étoiles » a injecté une tension continue de 10~15 V dans le câble coaxial à destination de la cavité équipée du dipôle de réception au foyer primaire de l’antenne (photo ci-dessous).

La confirmation de la présence d’un dispositif électronique en amont des 7 mètres de câble coaxial a alors été apportée par la mesure d’un courant de 100 mA délivré par l’alimentation continue réglable entre 10 et 18 Volts. Sept mètres c’est la distance entre le dipôle source et l’armoire radio sur la plateforme où ont été effectuées les mesures.

Rémi F6CNB/N5CNB a ensuite utilisé un analyseur de spectre 500 KHz-1,6 GHz pour mesurer le signal reçu par le dipôle. L’analyseur injectait au même moment un signal dans un autre câble coaxial relié à un dipôle situé au centre du réflecteur parabolique. Ce dipôle visible sur la photo a été conçu dès le début pour l’étalonnage de la réception.

La figure suivante montre le niveau de signal mesuré alors que le préamplificateur n’était pas alimenté par une tension continue.

Niveau du signal mesuré à -63 dB entre 1000 et 1500 MHz lorsque le préamplificateur est coupé
Le gain du préamplificateur est proche de 20 dB à 1400 MHz (60-40 dB))

Le dispositif injecteur (bias tee) est conçu de manière à permettre simultanément l’alimentation du préamplificateur et le passage des signaux radio vers le récepteur installé au bout de 15 mètres de câble coaxial. Nous avons branché à ce niveau un récepteur SDR précédé d’un préamplificateur KU LNA 133BH avec un gain de 28 dB et un facteur de bruit de 0,7 dB à 1440 MHz. Le signal mesuré par le SDR est alors de -77,3 dB tel qu’illustré sur la figure suivante quand le préamplificateur MOS-FET n’est pas alimenté.

Lorsque le préamplificateur est alimenté, le signal monte à -64,6 dB. On trouve donc un gain de seulement (77,3 – 64,6) 12,7 dB. Si on ne place pas le préamplificateur devant le SDR on n’enregistre aucune différence de niveau de signal quand on alimente le préamplificateur MOS-FET. Ceci s’explique probablement par la perte (estimée par différence 28-12,7 ) de 15,3 dB dans le parcours des 15 m de câble coaxial et compensée par le deuxième préamplificateur. Un meilleur résultat sera obtenu en plaçant le deuxième préamplificateur le plus près possible de la source, mais surtout en remplaçant le vieux préamplificateur MOS-FET par un de meilleur performance.

Le WebSDR en ligne sur le serveur montre les signaux reçus en temps réel par le radiotélescope.

Ci-dessus signaux captés par le radiotélescope de la Villette et diffusés par WebSDR en temps réel
Le tout premier spectrogramme des signaux captés sur 24 heures

Le radiotélescope de la Villette a livré la première image radio ci-dessus issue de l’analyse spectrale des signaux enregistrés pendant 24 heures du 30 au 31 juillet 2019. Nous avons depuis fait des progrès dans la construction des images, mais les deux taches violettes se révélerons être en fait des signaux recueillis lors des transits de la Galaxie dans l’axe du radiotélescope.
Rémi F6CNB/N5CNB a calculé le spectrogramme minute par minute des signaux radio reçus entre 1419,50 et 1421,50 MHz. Chaque pixel de l’image représente l’énergie du signal intégré sur 3906 Hz pendant 60 secondes. Le temps est représenté sur l’axe vertical et les fréquences sur l’axe horizontal. L’étalonnage des couleurs n’est pas encore précisé. Du fait que le radiotélescope est immobilisé en position verticale, la rotation de la Terre provoque un effet de balayage de la voûte céleste d’un angle de 0,25 degrés par minute. L’axe vertical de la figure correspond donc également à 360 degrés et chaque pixel équivaut à 0,25 degrés. L’angle d’ouverture de l’antenne de 10 m de diamètre est proche d’1 degré à 1420 MHz. Donc une succession de quatre pixels en vertical sur l’image couvrent globalement la même région du ciel sur quatre minutes. Lire l’article consacré à cette « première lumière » capturée par le radiotélescope de 33 ans à la Villette.

Nouvelle carte de pilotage F1CJN/F1EBK/KBF

Schéma fonctionnel de la commande à distance du radiotélescope

Le tiroir en cours de câblage des alimentations

Le radiotélescope est pilotable à distance par un logiciel d’astronomie pour le diriger vers une cible dont on veut observer l’activité radio. Deux applications ont été testées :  Stellarium et Cartes du Ciel (Skychart). Nous avons développé un pilote logiciel qui met en relation l’application cliente et l’interface qui commande les moteurs. Au départ cette interface était une carte KK6MK-F1EHN. Cependant elle n’était pas totalement adaptée aux pilotage du radiotélescope du fait du trop faible nombre de commandes disponibles par rapport aux possibilités des trois moteurs de la parabole. C’est pourquoi Patrick F1EBK et Alain F1CJN (du Radio Club F6KBF, Maisons-Lafitte) ont étudié une nouvelle carte interface aux possibilités plus étendues à base de micro contrôleur Arduino. Les sept commandes incluses permettent d’activer le moteur d’Ascension Horaire en vitesse lente ou rapide vers l’est ou vers l’ouest, le moteur de déclinaison vers l’horizon ou vers le zénith et le moteur de poursuite. Des commandes additionnelles sont également prévues pour couper l’alimentation électrique des moteurs, mettre en fonction des préamplificateurs, etc…

Le tiroir de commande équipé de la carte de simulation pendant les essais

Le tiroir de commande est situé sur la plateforme du radiotélescope, dans une armoire indépendante de l’armoire radio. Ce tiroir héberge les alimentations électriques, la carte de pilotage avec son micro contrôleur Arduino, une carte de multiplexage. Pendant la phase de vérification, une carte supplémentaire effectue une simulation des mouvements de l’antenne en réponse aux commandes à distance. Voir la page simulation du site.

Etude de la nouvelle carte de pilotage à distance du radiotélescope

La carte définitive sur circuit imprimé est entièrement compatible avec l’ancienne interface tant pour le connecteur que pour le protocole logiciel des commandes à distance. En attendant la réparation des moteurs, la parabole étant fixée avec des cales, nous avons étudié un simulateur pour vérifier le bon fonctionnement du logiciel pilote de commande des moteurs et de lecture des codeurs optique absolus des deux angles ascension horaire et déclinaison. La deuxième version du simulateur est constituée d’un micro ordinateur RaspBerry Pi équipé d’une carte interface série parallèle 32 bits. Par programme, les douze sorties de chaque codeur sont positionnées afin de coder des valeurs des angles d’ascension horaire et de déclinaison selon les ordres de déplacement transmises au simulateur par le pilote INDI (Instrument-Neutral-Distributed-Interface control protocol (INDI).

Ancienne carte et prototype de la nouvelle carte de contrôle distant

Pendant que l’antenne est immobilisée pour permettre la réparation de l’ensemble moteur et réducteurs de déclinaison, le développement du logiciel de commande à distance se poursuit avec la mise en œuvre d’un simulateur.

Dans une première phase de mise au point du logiciel et de la vérification du dessin de la nouvelle carte interface équipée du micro-contrôleur Arduino, des roues codeuses simulaient les valeurs des codeur optiques de position angulaires Ascension Droite et Déclinaison.

Carte KBF de contrôle à distance du radiotélescope

Vidéo de la nouvelle carte interface de télécommande étudiée par Patrick F1EBK et Alain F1CJN du Radio Club de Maisons-Lafitte et Dimension Parabole. Les commandes reçues par la carte sont affichées ainsi que les positions angulaires de l’antenne, l’état des vitesses activées et des commandes optionnelles.

La commande des moteurs de l’antenne passe par une carte de multiplexage qui route les commandes entre le tableau de commande locale et la commande à distance.

Ancienne carte de multiplexage des commandes
Nouvelle carte de multiplexage en développement

A simulation for Radio Telescope Training

When the radio télescope du Parc de La Villette rehabilitation is completed it will be possible to perform a remote control via Internet connexions. Using an astronomy software like « Stellarium » or « Skychart » it will be possible to connect the radio-telescope and choose a specific « radio source » then click on GoTo to ask the antenna to move toward the specified target and to perform a follow up while the Earth is slowly rotating. Then it will be possible to record the signal from the radio source in order to perform scientific observations.

For the present time, while the antenna motorization is being repaired, it is still possible to play with the telescope. By using a dummy telescope software, antenna movements are achieved by simulating telescope response to astronomy applications. The server transmits target coordinates to the software driver who computes necessary motors activation. The driver receives in turn the antenna position information from the simulator software as if the radio-telescope was actually moving. This information is sent back to the client astronomy software that displays telescope movement as if the antenna was actually moving.

Here is how to perform training with radiotelescope. Download and install Skychart astronomy software (4.3 beta version works well for this simulation). Select a folder newer than older than 2019-12-16 and choose the version according to your specific Operating System (Windows 32 or 64 bits, Linux, Mac OS). On menu bar click on « Télescope » and « Paramètres du Télescope« . Click on menu « Setup » and in General menu select english language. Then select menu Setup and Observatory. In « Name » enter « La Villette« . Select it in « Favorite« . Enter latitude 48 degrés, 53 minutes, 38 secondes, N; longitude 02 degrés, 23 minutes, 18.3 secondes, E. Click on Country timezone then select « France » in the list. Click on « Apply » then « OK« . On main menu click on « Telescope« , validate « INDI driver » and click on « Use the internal INDI gui panel« . On main menu click on « Telescope« , « Connect telescope« . In INDI server host enter the Internet telescope address www1.f4klo.ampr.org. The server port is 7624 by default. Click on « Load INDI configuration » and on « Get« . In the window on line « Telescope name » should appear : « Radiotelescope – La Villette ». Click on « Connect ».

Alt/Azimutal coordinate sky chart

The red square should turn yellow then green. In the same window click on INDI gui. A new window will open. Arrange and widen the windows down. On the sky map menu click on « Telescope » , « Track telescope ». Now you may select a « source » target by click twice on an object and then click in menu « Telescope » on « Slew« . The telescope may refuse to move if the source is out of view. By clicking on numbers in the right or using the mouse wheel it is possible to zoom. Once the antenna reached the target, the telescope switch to tracking mode. A demonstration of all commands explained previously may be visualized on this video : http://f6bvp.free.fr/VP/Film1.mp4

Despite the radiotelescope antenna is immobilized toward zenith, signals form Milky Way are received on a daily basis. By configuring Date and Time according to your computer and selecting « Use system time and Auto refresh every« , then you can let the chart move fast from menu and see the time when the Milky Way will cross the radio-telescope bean toward zenith on equatorial chart view twice a day.

Sky Chart (Azimutal coordinates)

Let us know your remarks and observations. Wishing you a happy training with radio-telescope F4KLO simulation !

Antenne Parabolique

L’antenne parabolique

Diamètre de l’antenne parabolique : 10 mètres.

Les mailles du grillage sont de 11-12 mm.

F/D = 0,40

Ouverture du lobe de l’antenne  : environ 1° (sur la fréquence de la raie hydrogène atomique HI 1420,4 MHz ).

  • Gain théorique +40 dB. (rendement 0,55)

La source 1420 MHz (probablement) surmontée du préamplificateur

Les dipôles sont visibles à l’intérieur de la cavité

La monture de l’antenne est une Monture équatoriale

Les trois moteurs :

  • moteur de poursuite monophasé : 25 tours/minute, 0,25°/min
  • moteur horaire triphasé (380V / 2,5 A – couple 300 Kg / cm :
    • grande vitesse : 180 tours/min, 30° /min, petite vitesse : 45 tours /min, 6° /min, AH de -4 heure à + 4 heure
  • moteur de déclinaison triphasé, 45 t /min, 6° /min, DEC de -30° à +55°

Angle Horaire :

– Plage angulaire : ± 750 environ (d’une butée à l’autre), soit ± 65°, soit ± 4h.
– Le 0 est positionné au Sud, *mais* les angles positifs sont vers l’Est, et les angles négatifs (modulo 4096) sont à l’Ouest.


Déclinaison


– Plage angulaire : +710 à -246 (modulo 4096), soit -21.6° à 62.4° environ, soit une étendue totale de l’ordre de 84°.
– Le 0 est positionné à 90° de la poutre d’angle horaire, ce qui signifie que lorsque l’on est plein Sud (AH = 0), le 0 correspond à une élévation de 41° environ (90° – notre latitude). Toujours dans cette position d’AH, l’élévation équivalente minima est donc de 20° environ, et la maxima à 100° environ (au delà du zénith). Le signe des angles du codeur suit celui des déclinaisons : positif vers la « verticale » et négatif vers « l’horizontal ».

Codeurs optiques :

Des codeurs optiques sont solidaires de chacun des axes de rotation de l’antenne. Ils transmettent les valeurs absolues des angles d’ascension droite et de déclinaison selon le code Gray sur 12 bits (0 – 4095).

Parabole à la déclinaison de zéro degré, avec boitier du codeur de déclinaison sur l’axe.
Parabole à la déclinaison de zéro degré, avec boitier du codeur de déclinaison sur l’axe.
Lecture du codeur optique d’Ascension Droite pendant un mouvement de poursuite

Schéma de principe du système de réception (non contractuel)

Les possibilités d’observation du radiotélescope :

Ce document de l’OBSPM (Observatoire de Paris Meudon) décrit ce qui peut-être réalisé en radioastronomie à l’aide de cet instrument. Il est déjà ancien mais n’a certainement rien perdu de son actualité !

https://radiotelescopelavillette.files.wordpress.com/2018/05/possibilitesinstrument.pdf

Earth – Moon – Earth (EME)

Another part of Stars Song project will consist in sending and receiving radio signals in telegraphy or telephony (Single Side Band) or digital signals toward the Moon. CAMRAS WebSDR in diffusing such radio signals sent by radioamateurs and reflected by the Moon. La Villette radiotelescope antenna should be equipped with a source cavity adapted to Earth-Moon-Earth (EME) frequency band around 1296 MHz. We are thinking of using digital transceiver (Transmitter – Receiver) Lime SDR, a device that has been selected by European Space Agency.

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All these operations are achieved by capturing radiowaves signals using a Software Defined Radio (SDR) receiver. Receiver is driven by a software driver that is presently under development by INDI developers.  Using INDI API for both sky objects targetting and recording will simplify development of both parts of our project, radioastronomy and hamradio communications.

Present SDR market has a few TRX (transmitter and receiver) offers such as LimeSDR. The choice of TRX model for EME (Earth Moon Earth, EME) is not yet fixed. LimeSDR mini will soon be tested. A driver for LimeSDR is still under beta test in INDI library.

For those who are not afraid by physics and mathematical formulas a thesis about theory and practice of 1296 MHz Earth – Moon – Earth communication system can be downloaded from here.

Here is the thesis abstract :

« The task of designing, building and characterizing an Earth–Moon–Earth(EME) communication system in the 1296 MHz amateur radio band hasbeen successfully accomplished. Using the radar equation and thermal noisetheory, in conjunction with measured and estimated system parameters, thelunar echo signal to noise ratio (SNR) has been estimated 5.4+1.2/−1.6dB (2σ) in a 100 Hz bandwidth. The results of empirical long-term averaged SNRmeasurements are within the boundaries of this estimate, thus adding toits validity. Additionally, measurements of the libration-induced Dopplerspread of the lunar echoes show good agreement with theoretical predictions.Further experiments should be conducted however, in order to asses therepeatability of the results. Improvements to the system and measurementmethods should also be considered. The report focuses on both theory andpractice and apart from the above, additional attention is given to the topicof low noise figure (NF) measurements due to the systemic importance ofthe LNA NF parameter. »

A site dedicated to EME bouncers

Listen to EME signals here

ON0EME moon beacon