WSPRing ao Redor do Mundo

Você ficaria impressionado com o que é possível fazer hoje em dia com apenas alguns watts.

por Joe Taylor, K1JT, e Bruce Walker, W1BW

O Rádioamadorismo seria muito menos interessante se nossos canais de comunicação fossem sempre previsíveis e confiáveis. Na verdade, muitas vezes não sabemos em que parte do mundo nossos sinais poderão ser copiados. Se as variações da ionosfera e a propagação em MF e HF o fascinam, você certamente apreciará usar o WSPR e seu site associado, WSPRnet.org.

WSPR (pronuncia-se “whisper”, "sussuro" em português) é a sigla para Weak Signal Propagation Reporter (Relatório de Propagação de Sinais Fracos). Com um programa de computador com esse nome e um transceptor SSB padrão, você pode participar de uma rede mundial de estações de baixa potência que trocam transmissões semelhantes a balizas para testar possíveis caminhos de propagação. A maioria das estações participantes transmite e recebe, embora a atividade de radioescuta (SWL) também seja comum. Em princípio — e com a ajuda dos deuses da propagação — todos podem copiar e ser copiados por todos os outros que estejam ativos com WSPR na mesma faixa.

Quando uma visão global de todas essas conexões se torna disponível, a coisa fica especialmente interessante — e esse é o propósito do WSPRnet. A maioria das estações que utilizam WSPR está configurada para enviar automaticamente seus relatórios de recepção para um banco de dados central em WSPRnet.org, em tempo real. Ao acessar o WSPRnet com seu navegador, você pode obter relatórios quase instantâneos de onde e com que intensidade seu sinal está sendo recebido, além de visualizar os resultados plotados em um mapa-múndi.

No jargão atual do rádio amador, o WSPR é mais um modo de placa de som (sound card mode). Seus requisitos de configuração são semelhantes aos do PSK31, por exemplo. O WSPR transmite e recebe, mas não suporta conversas normais no ar. Em vez disso, envia e recebe transmissões codificadas especiais, semelhantes a balizas, destinadas a determinar se determinados caminhos de propagação estão abertos. As transmissões incluem indicativo, localização da estação e nível de potência, utilizando um formato de dados comprimido com forte correção antecipada de erros (FEC) e chaveamento por deslocamento de frequência de quatro tons (FSK) em banda estreita. A FEC aumenta significativamente as chances de recepção correta e reduz os erros a um nível extremamente baixo. A largura de banda do sinal é de apenas 6 Hz, o que, juntamente com o compartilhamento de tempo aleatório, permite que dezenas de sinais WSPR caibam em um pequeno segmento de 200 Hz de cada faixa de rádio amador. O protocolo WSPR é eficaz com relações sinal-ruído tão baixas quanto –28 dB em uma largura de banda de 2500 Hz, cerca de 10 a 15 dB abaixo do limiar de audibilidade. Na maioria das faixas, os níveis típicos de potência do WSPR são de 5 W ou menos — às vezes muito menos. Você ficará surpreso ao descobrir que esses sinais de potência extremamente baixa podem ser copiados em cantos distantes do mundo.

Operação do WSPR

O software WSPR pode ser baixado gratuitamente em www.physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/. Arquivos de instalação estão disponíveis para Windows e Linux; o programa também pode ser compilado para Macintosh, FreeBSD e outros sistemas operacionais. O WSPR é software de código aberto (open source), e seu código-fonte é mantido em um repositório público em developer.berlios.de/projects/wsjt/.

Como todos os modos de placa de som, o WSPR requer conexões de áudio entre o computador e o transceptor. Em termos simples, a saída de áudio da placa de som vai para a entrada de áudio do transceptor, e a saída de áudio do rádio vai para a entrada da placa de som. É possível usar controle VOX para chaveamento de transmissão; se preferir chaveamento direto (hard-keyed), será necessária uma porta serial ou adaptador USB-serial. Uma conexão serial também pode fornecer controle CAT da maioria dos transceptores modernos. Se você já utiliza outros modos digitais como PSK31, provavelmente já possui as conexões necessárias. Caso contrário, há interfaces disponíveis de diversos fornecedores. O transceptor SSB deve estar configurado para operar em banda lateral superior (USB).

Embora as regras da FCC exijam que você esteja presente na sua estação para operar o WSPR, a operação em si é amplamente automatizada. As transmissões sincronizadas no tempo duram um pouco menos de dois minutos, começando nominalmente um segundo após o início de um minuto UTC par. Os intervalos de recepção e transmissão se alternam de maneira pseudoaleatória, de modo que, em média, uma porcentagem especificada (normalmente entre 20% e 25%) dos intervalos de dois minutos é utilizada para transmitir. É importante que o relógio do seu computador esteja preciso dentro de aproximadamente um segundo.

As frequências convencionais de operação do WSPR estão resumidas na Tabela 1. Muitos outros detalhes sobre a operação do WSPR, incluindo instruções passo a passo para inicialização, são apresentados no Guia do Usuário do WSPR 2.0, que — graças a vários usuários bilíngues — está atualmente disponível em inglês, francês, alemão, italiano, japonês, polonês, português e russo em www.physics.princeton.edu/pulsar/K1JT/wspr.html.

Tabela 1

Frequências Convencionais para Atividade WSPR

Em operação normal, a tela principal do WSPR se parece com a mostrada na Figura 1. Ao final de cada intervalo de recepção de dois minutos, o decodificador do software procura todos os sinais WSPR detectáveis dentro de uma faixa passante de 200 Hz e exibe os resultados em um espectrograma em cascata (waterfall), em uma janela de texto com rolagem e em um Mapa de Banda (Band Map) também com rolagem. O espectrograma cobre uma faixa de frequência de aproximadamente 220 Hz; os três últimos dígitos da frequência recebida, em Hz, são exibidos na escala vertical à direita. No espectrograma, o tempo flui da esquerda para a direita, e a largura total da tela corresponde a cerca de meia hora. Em uma tela típica de computador, cada intervalo de dois minutos corresponde a uma faixa com cerca de 1 cm de largura no espectrograma. Os horários das suas próprias transmissões são indicados por linhas verticais verdes finas. Por exemplo, no momento em que a Figura 1 foi produzida, haviam sido realizadas transmissões às 2204, 2216 e 2224 UTC.

Cada sinal WSPR decodificado gera um texto exibindo o horário UTC, a relação sinal-ruído em dB (em uma largura de banda de referência de 2500 Hz), o deslocamento de tempo DT em segundos, a frequência em MHz, a taxa de deriva em Hz por minuto e a mensagem decodificada. Deslocamentos de tempo superiores a aproximadamente ±2 segundos indicam um erro significativo no relógio do transmissor ou do receptor — ou possivelmente de ambos. Derivas aparentes de frequência maiores que ±1 Hz por minuto geralmente podem ser atribuídas ao transmissor e devem ser corrigidas, se possível. (Naturalmente, a deriva do receptor também pode contribuir para as derivas medidas, mas essa condição é facilmente reconhecida porque quase todos os sinais parecerão derivar na mesma proporção.) Uma boa estabilidade de frequência é essencial para a notável sensibilidade do WSPR, pois os filtros de software utilizados na decodificação têm apenas cerca de 1,5 Hz de largura.

Figura 1 — Aparência típica da tela principal durante a operação do WSPR.

WSPRnet

O site WSPRnet.org é mantido por Bruce, W1BW. Ele fornece um repositório central para relatórios de recepção (“spots”), e uma interface simples para consulta ao banco de dados, mapas interativos e diversos recursos adicionais. Por padrão, o mapa mundial mostra todas as estações que reportaram ou foram decodificadas na última hora, ilustrando os caminhos de propagação abertos entre elas. O mapa pode ser ampliado e deslocado, e você pode definir diversos critérios para determinar exatamente quais spots serão incluídos. O site do WSPRnet também oferece contagens de estações que reportaram na última hora, faixa por faixa, um recurso de chat para comunicações breves entre operadores, uma interface para o banco de dados histórico desde março de 2008 e diversos resumos estatísticos dos dados. Um exemplo da página inicial do WSPRnet é mostrado na Figura 2. Essa captura de tela específica, feita em agosto de 2010, menciona que o banco de dados do WSPR contém mais de 32 milhões de spots. Recentemente, uma média de 300 a 500 estações, espalhadas pelo mundo, tem enviado aproximadamente 50.000 a 100.000 relatórios WSPR por dia.

Figura 2 — A página inicial do WSPRnet.

A Figura 3 é um exemplo típico do mapa-múndi do WSPRnet, neste caso referente à faixa de 30 metros. Você pode especificar critérios de seleção que limitem o mapa a uma faixa específica, a um intervalo de tempo mais longo ou mais curto, ou a registros (spots) envolvendo um determinado indicativo. É possível clicar em um indicativo para ver quais outras estações estão recebendo e sendo recebidas por aquela estação. Rótulos vermelhos no mapa indicam estações (ou SWLs) operando apenas no modo de recepção.

Figura 3 — O mapa global do WSPRnet com os spots registrados na faixa de 30 metros durante um período típico de uma hora.

Protocolo e Software WSPR

O protocolo WSPR foi originalmente chamado MEPT_JT (Manned Experimental Propagation Tests, by K1JT). O termo “Manned” lembrava que, segundo as regras da FCC, uma estação transmissora deve estar sempre assistida. Atualmente, o modo é simplesmente chamado de WSPR.

O protocolo foi projetado para fazer uma única coisa, e fazê-la muito bem. As mensagens normalmente contêm indicativo padrão, localizador de grade de quatro caracteres e potência em dBm (decibéis relativos a 1 miliwatt). Essas informações são comprimidas em 50 bits binários e codificadas com um código convolucional de comprimento de restrição K = 32 e taxa r = 1/2. Cada um dos 162 bits resultantes é utilizado como o bit mais significativo de um “símbolo de canal” de 2 bits, a ser transmitido por meio de chaveamento por deslocamento de frequência de quatro tons (4-FSK) a 1,46 baud. O bit menos significativo é definido por uma sequência pseudoaleatória conhecida pelo software tanto no transmissor quanto no receptor, e é utilizada para estabelecer uma sincronização precisa de tempo e frequência.

Códigos convolucionais com comprimentos de restrição longos têm a importante vantagem de que erros de decodificação não detectados são raros. Esses códigos são complexos demais para serem decodificados com o conhecido e altamente eficiente algoritmo de Viterbi, por isso o decodificador do WSPR utiliza, em vez dele, o chamado algoritmo “sequencial”. Os detalhes completos do protocolo WSPR e de sua implementação no programa WSPR serão publicados em outro local. O WSPR é licenciado sob a GNU General Public License, e seu código-fonte está livremente disponível para qualquer pessoa.

Figura 4 — Média móvel de sete dias do número de estações participantes por dia, do início de 2008 até meados de 2010.

Figura 5 — Relação sinal/ruído média relatada por VK6DI (Austrália Ocidental) para K1JT, WB3ANQ e W1BW (todos no nordeste dos EUA) durante março e abril de 2009 na banda de 30 metros, plotada em função da hora do dia.

Estudos de Propagação

O banco de dados do WSPRnet representa uma rica fonte de dados experimentais para estudos de propagação. Para apresentar um exemplo simples, consultamos o banco de dados para obter todos os spots de K1JT, WB3ANQ e W1BW registrados por VK6DI na faixa de 30 metros. Acontece que as quatro estações estavam operando WSPR praticamente 24 horas por dia entre 20 de março e 12 de abril de 2009. VK6DI era uma estação somente de recepção; K1JT operava principalmente com 5 W, WB3ANQ com 1 W e W1BW com 100 mW. Todas as estações utilizavam antenas dipolo simples. A Figura 5 mostra as relações sinal-ruído reportadas por VK6DI para cada estação dos EUA, organizadas por horário do dia (em intervalos de 15 minutos) e depois calculadas como média ao longo do período de três semanas. Como era esperado, os sinais de 5 W de K1JT normalmente começavam a aparecer um pouco mais cedo e eram um pouco mais fortes do que os sinais de menor potência de WB3ANQ e W1BW, mas, fora isso, os dados das três estações são notavelmente consistentes. Nesse período de baixa atividade do ciclo de manchas solares, cada estação desfrutou tanto de propagação por caminho curto quanto por caminho longo na faixa de 30 metros, do nordeste dos Estados Unidos até a Austrália Ocidental, na maioria dos dias — mesmo no nível de potência de 100 mW. De fato, sinais WSPR de menos de 10 mW, tanto de WB3ANQ quanto de W1BW, também foram decodificados por VK6DI, quase na metade da circunferência do globo. Certamente é possível imaginar muitas outras maneiras fascinantes de explorar os fenômenos de propagação utilizando o banco de dados do WSPRnet.

Conclusão

Radioamadores continuam encontrando novas maneiras de desafiar as fronteiras da comunicação sem fio, explorando as maravilhas do espectro eletromagnético e a extraordinariamente ampla gama de interações entre as ondas eletromagnéticas e o ambiente terrestre. Concebido com motivações recreativas e de hobby, o WSPR ajudou a trazer alguns avanços técnicos recentes do mundo profissional e científico para o Rádio Amador, proporcionando, assim, benefícios educacionais para a nação e para o mundo, além de muitas horas de prazer para experimentadores com inclinação técnica. Esperamos que você se divirta utilizando o WSPR tanto quanto nós e que, ao mesmo tempo, amplie seu conhecimento e compreensão sobre propagação de rádio e técnicas modernas de comunicação.

Muitas pessoas contribuíram para o desenvolvimento do WSPR e do WSPRnet — de fato, tantas que seria impossível listá-las todas aqui — mas gostaríamos especialmente de agradecer a VA3DB e G4KLA, que trabalharam incansavelmente para ajudar a garantir a portabilidade do WSPR para os sistemas operacionais GNU/Linux, FreeBSD e OS X, e a G4ZOD e OZ1PIF, que dedicaram inúmeras horas ajudando-nos a identificar e eliminar erros no software.

Joe Taylor foi licenciado pela primeira vez em 1954 e posteriormente foi professor na Universidade de Massachusetts e na Universidade de Princeton. Recebeu o Prêmio Nobel de Física em 1993 pela descoberta do primeiro pulsar binário.

Bruce Walker é radioamador licenciado desde 1991, formado em física pelo MIT e atua na área de computação científica de alto desempenho. Seus principais interesses incluem operação de baixíssima potência (QRPp) em HF e rádios definidos por software (SDR).

Esta matéria foi originalmente publicada na Revista QST Magazine de Novembro de 2010 e pode ser lida no original, em inglês, clicando aqui