Немного о WSPR, или как далеко можно передать сигнал мощностью 1Вт?
В настоящее время заметен подъем интереса к беспроводным технологиям, что становится особенно актуальным в эпоху «интернета вещей», «умных домов», смарт-гаджетов, различных датчиков и устройств. Действительно, мало кто захочет сверлить стену и тянуть провод к датчику температуры за окном, куда проще если данные будут передаваться по радио. Решений тут много, например одной из последних разработок является LoRa, трансмиттеры этой системы способны передавать данные на несколько километров при мощности в 10–100 мВт.
Как далеко можно передать радиосигнал? Это пожалуй, наиболее интересный вопрос, который поднимался задолго до появления термина IoT как такового. Наиболее комплексно на этот вопрос попытался ответить Joseph Hooton Taylor, американский астрофизик и лауреат Нобелевской премии, создав в 2008 году программу Weak Signal Propagation Reporter (WSPR). Идея программы проста — передать сигнал, несущий минимум информации, который за счет этого может быть декодирован на максимально большом расстоянии.
Как это работает? Подробности под катом. Как оказалось, WSPR ни разу не описывался на geektimes, пора восполнить этот пробел.
Структура сигнала
WSPR — это максимально простой цифровой сигнал, передающийся со скоростью всего лишь 1.4648 бод (да, лишь чуть больше 1 бита в секунду). Для передачи используется частотная модуляция (4-FSK) с разносом частот 1.4648Гц, так что ширина полосы сигнала всего лишь 6Гц. Передаваемый пакет данных имеет размер всего лишь 50 бит, к нему также добавляются биты коррекции ошибок (non-recursive convolutional code, constraint length K=32, rate=½), в итоге общий размер пакета равен 162 бит. Эти 162 бит передаются примерно за 2 минуты (кто-то еще будет жаловаться на медленный интернет?:).
Сам 50-битный пакет содержит минимальный набор данных, достаточных для использования радиолюбительскими станциями: позывной передающей станции, квадрат местоположения станции (так называемый grid locator) и мощность сигнала. Более полное описание, включая дистрибутивы под Win/MacOS и Linux, также исходные тексты программы для приема-передачи, доступны по адресу http://physics.princeton.edu/pulsar/k1jt/wspr.html.
Благодаря узкополосному сигналу, система получилась весьма чувствительной. Минимальный уровень сигнал/шум для декодирования составляет –28 dB, что превосходит даже прием азбуки Морзе тренированным оператором. И наконец самое интересное — был создан сайт http://wsprnet.org, куда автоматически отправляются принятые данные, и любой желающий (в том числе владелец станции или принявший сигнал) может посмотреть статистику и визуализацию на карте принятых данных.
Использование для приема
Для приема сигналов WSPR достаточно иметь приемник с возможностью приема однополюсной модуляции (Tescun PL-660, Sangean ATS-909x, Sony ICF-SW7600 и др). Использовать WSPR довольно просто — достаточно соединить приемник с линейным входом звуковой карты и выбрать ее в программе как источник сигнала. Далее в настройках необходимо указать местоположение в виде grid locator, узнать который можно на сайте https://www.qrz.com/gridmapper. Можно использовать оригинальную версию WSPR, но лучше использовать более новую WSJT, интерфейс которой более удобен.
На этом практически все настройки закончены. Необходимо настроить приемник на выбранную частоту (список частот можно посмотреть на сайте), включить программу, и можно идти пить чай. Минут через 15 можно проверить окно программы, которое должно выглядеть примерно так: 
Если в программе был введен позывной принимающей станции и был установлен флажок «Upload to server», то зайдя на страницу http://wsprnet.org/drupal/wsprnet/map и введя этот позывной, можно увидеть графическую карту приема, а зайдя на http://wsprnet.org/drupal/wsprnet/spots, можно посмотреть более подробную текстовую информацию.
Использование для передачи
Для передачи необходимы радиолюбительский трансивер (например Yaesu 857) и радиолюбительская лицензия (при получении которой выдается и позывной станции). Сервер wspr не проверяет правильность лицензий и позывного, владелец станции решает этот вопрос самостоятельно.
В остальном, принцип тот же: радиостанция подключается к компьютеру, сигнал формируется через звуковую карту. Каждый сеанс передачи длится 2 минуты, через какое-то время можно зайти на сайт и посмотреть статистику.
Результаты
Для проверки я попросил знакомого, имеющего соответствующий трансивер, сделать 3 теста:
1) Прием сигналов на частоте 7.038МГц на случайную антенну (кусок провода).
2) Прием сигналов на той же частоте на настроенную антенну
3) Передача сигналаПрием на случайную антенну
Это самый неэффективный способ с точки зрения качества приема. Уровень сигнала минимален, к тому же антенна принимает много помех от домашних электроприборов. Программа была запущена примерно на 15 минут, результат был сразу виден в виде карты на сайте: 
Максимальная дальность приема составила около 700 км, что в принципе не так уж плохо.Прием на настроенную антенну
Следующей была испытана на прием антенна magnetic loop, настроенная на ту же частоту. Антенна magnetic loop — это практически единственная антенна, способная работать и на прием и на передачу, которая может быть размещена в квартире, ее размер составляет 1–2 м.
Результат работы программы за 10 минут: 
Разница очевидна — за меньшее время было принято больше станций, ну и максимальная дальность приема примерно вдвое больше.
Интересно проанализировать результаты в текстовой форме: 
Красной чертой было отделено время переключения одной антенны на другую. Видно, что при мощности передачи 1 Ватт, средняя дальность приема на комнатную антенну составляет около 500 км. Особняком стоит результат в 1488 км при мощности 0.1Вт, но мы не знаем правда ли это — к сожалению, программа не проверяет введенные пользователем значения (можно указать 1Вт, а передавать на 100Вт, проверить это невозможно), может тот оператор просто ошибся при вводе параметров.
Передача сигнала
Наконец, последним тестом была передача сигнала с этой же комнатной антенны. Передаваемая мощность была выбрана в 1 и 2Вт. Результаты показаны на карте и в таблице: 
Как можно видеть, дальность при мощности 1Вт составила 275 км, принял сигнал только один оператор. При 2Вт картинка уже поинтереснее — максимальная дальность составила аж 1200 км.
Конечно, комнатные антенны в городских условиях весьма несовершенны по эффективности. За городом, в условиях чистого эфира с минимальным количеством помех, можно принять куда более слабые сигналы.
Заключение
Как можно видеть, wspr представляет собой весьма интересный инструмент, позволяющий наглядно изучать прохождение радиоволн и сравнивать качество антенн. Интересно и то, что вся система работает за счет энтузиастов и сообщества, кто-то передает сигналы, кто-то принимает, а за счет большого количества участников, результаты получаются весьма интересны и наглядны.
Возвращаясь к вопросу заголовка, как далеко можно передать данные с 1Ваттом мощности. Достаточно далеко, как показывает поиск по базе сайта, на примере радиолюбителя с позывным OE3MUC. Вот его карта передачи с мощностью 1Вт: 
Конечно, это еще и вопрос наличия хороших и качественных направленных антенн, но тем не менее, весьма интересно — с мощностью всего лишь 1Вт (т.е. гипотетически такой передатчик можно запитать прямо от разъема USB), можно безо всяких интернетов и кабелей передать данные через океан из Австрии в Австралию на 15000 км. Есть над чем задуматься…
