QO-100 der erste geostationäre Amateurfunkumsetzer

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Dieser Artikel soll vor allem eine systematische Übersicht zum Thema darstellen, einzelne Projekte bitte in anderen Artikeln oder im Forum unterbringen.

Durch günstige Umstände (ein hochrangiger Politiker des Staates Qatar ist Funkamateur) wurde auf dem TV-Satelliten Es'Hail-2 auch eine kleine Amateurfunk-Nutzlast untergebracht. Der Satellit einschließlich des Umsetzers wurde in Japan von Mitsubishi gebaut und im November 2018 von SpaceX auf seine geostationäre Position transportiert, etwa drei Erddurchmesser senkrecht über dem Äquator. Seit Februar 2019 ist der Amateurfunkumsetzer nutzbar. Wikipedia-Artikel dazu

Erster Einstieg über Webradio

BATC-Webempfänger Cornwall IO70JB für Breit- und Schmalband
Dolianova auf Sardinien (JM49OJ)
Belgien (JO21FB)
Brasilien (GG56TV)
Südafrika (KG43AR)
Russland (KO92SO)
Russland (KO91OH)

Schmalband-Empfang

Empfangsantenne

Für den Empfang ist eine übliche Satellitenschüssel geeignet. Ein Durchmesser von 60cm reicht aus, aber 80-90cm bieten mehr Reserve. Exotischere Antennenformen wie Hornantennen wären auch denkbar. An der Schüssel wird wie üblich ein LNB (low-noise-block) angebracht. Zum LNB unten mehr.
Ein größerer Durchmesser bringt für den Empfang wenig, die Kurve für den Rauschabstand geht bald asymptotisch in eine Horizontale über.
Anders sieht es für den Sender aus, hier ersetzt ein größerer Durchmesser fehlende Sendeleistung. Einfach beschaffbar sind noch Offset-Schüsseln bis 2,40m Durchmesser. Beispiel: OP240L bestehend aus zwei Halbschalen mit 1,20*2,40m Der Transport dürfte nicht ganz billig sein. Im Vergleich zu 125cm ist der Gewinn um 6,3dB höher, entsprechend einer vierfach höheren Sendeleistung - bei kleinerem Öffnungswinkel und höheren Anforderungen für Befestigung und Ausrichtung.
Man kann dieselbe Schüssel auch zum Senden verwenden, dazu werden mehrere "Dual-Band"-Antennenspeisungen angeboten, siehe unten. Durch die niedrigere Sendefrequenz ist auch die Ausrichtung dafür einfacher, der Öffnungswinkel ist größer.

Ausrichten der Antenne

Die Antennenrichtung und Drehung des LNB (ein paar Grad abweichend von der senkrechten Montage!) für den eigenen Standort kann man hier berechnen lassen:
Satlex.de Rechner für Azimut- und Elevationswinkel für 25,8° Ost
Die erforderliche Genauigkeit hängt vom Schüsseldurchmesser ab. Ein billiger "Satellitenfinder" hilft nicht, da die Empfangsfeldstärke viel geringer ist als z.B. von Astra 19,2°Ost. Ein RTL-SDR kann die Breitbandbake im Spektrum darstellen, damit lässt sich die Antenne auf Maximum ausrichten.

Hier Lyngsat-Eshail-2 sind die vom Satelliten übertragenen TV-Kanäle aufgelistet. Leider ist deren Antennenkeule auf Nordafrika ausgerichtet, in Europa dürfte davon zu wenig Feldstärke ankommen, um sie anzupeilen.

Zur Bestimmung der horizontalen Richtung kann man einen Kompass benutzen, der allerdings von Metallteilen in der näheren Umgebung beeinflusst wird. Genauer ist ein Satellitenbild des Standorts von Google-Earth, auf dem man gut sichtbare Ziele in Satellitenrichtung sucht, Bäume, Schornsteine oder ähnliches. Zur vertikalen Ausrichtung ist an der Schüsselhalterung oft eine Skala angebracht, die aber sehr grob unterteilt ist. Außerdem muss die Antennenhalterung genau senkrecht stehen, was mit einer Wasserwaage geprüft wird. Man kann auch zunächt auf einen bekannten TV-Satelliten ausrichten und versuchen, die Schüssel danach um den Differenzwinkel zu drehen. Und schließlich gibt es dazu natürlich noch Apps für das Smartphone.

Antennenpolarisation

Wegen der unterschiedlichen Polarisationen von QO-100 für die beiden Signalrichtungen hier ein paar allgemeine Bemerkungen dazu: Die Wahl der Polarisation hat eher praktische Gründe als physikalische. Für den VHF/UHF-Mobilfunk ist eine vertikal rundstrahlende Stabantenne üblich, für den Weitverkehr dagegen horizontal polarisierte Langyagi-Antennen. Auf Kurzwelle wählt man nach Steilstrahlung oder flacher Abstrahlung aus, je nach Entfernung.

Besonders wichtig ist die Polarisation für die Strecke Erde-Mond-Erde, da hier physikalische Phänomene zu Polarisationsdrehungen führen, und wenige Zehntel dB Unterschied über Erfolg oder Misserfolg entscheiden können. Die "UKW-Berichte" boten schon Mitte der Siebziger eine Umschaltbox für Kreuzyagi-Antennen an, die neben den vier üblichen auch noch zwei linear 45 Grad geneigte Stellungen anbot. Man konnte so schnell die momentan günstigste Polarisation herausfinden. Artikelreihe von Terry Bittan DJ0BQ UKW-Berichte 3/1973 und 1974 und 1975 , hier die Schaltung für 6 Positionen in Bild 8.

Für die Verbindung zu QO-100 könnte der Platzbedarf der Antenne am Satelliten eine Rolle gespielt haben. Die zirkulare Polarisation zum Satelliten hin bewirkt, dass der Standort auf der Erde keinen Unterschied ausmacht. Für die lineare Polarisation der Strecke zur Erde muss dagegen das LNB je nach Standort unterschiedlich gedreht montiert werden.

Entscheidend ist, dass die Polarisation auf beiden Seiten gleich gewählt wird. Egal welche man nimmt gilt: Diese ist optimal, eine ("orthogonal" dazu) hat sehr hohe Verluste, abhängig von den Ausbreitungsbedingungen. Alle anderen Polarisationen haben (nahe dem Rauschpegel) einen Verlust von bis zu3 dB (halbe Leistung).

Eine linear polarisierte WiFi-Antenne ist somit als Sendeantenne nicht die optimale Lösung, eine zirkulare Antennne der richtigen Drehrichtung ist die bessere Lösung, daher der folgende Absatz:

Dual-Band-Antennenspeisung

Wichtig ist, dass der Empfänger nicht vom Sendesignal gestört oder sogar beschädigt wird. Der Senderausgang sollte vor allem die vier- und fünffache Frequenz (9,6 / 12 GHz) mit einem Tiefpass unterdrücken, da diese in dem Empfangsbereich des LNB fallen. Die Strahlenkeule muss näherungsweise übereinstimmen. Außerdem muss man die unterschiedlichen Polarisationen einhalten, zum Senden immer RHCP (right-hand-circular-polarized), was sich durch die Spiegelung an der Schüssel umdreht, das heißt die Speiseantenne muss LHCP sein. Zum Empfang vertikal für den Schmalbandbereich und horizontal für den Breitbandbereich. Letztere können im LNB über die Betriebsspannung umgeschaltet werden, 18V=H 14V=V, (Merkregel "H"öhere Spannung = "H"orizontal) Wenn man die 18V (nur Breitbandempfang) nicht hat, kann man auch das LNB um 90 Grad drehen, dann vertauschen sich beide Polarisationsebenen.

OM6AA Leistungsteiler und Koaxkabel
OM6AA zirkulare Polarisation
Helix von DM2CMB

Zwei Hornstrahler ineinander:
Dual-Feedhorn von OM6AA aus Prag - Hersteller dazu
Die Koaxkabel sind jeweils um Lambda/4 unterschiedlich (für 13cm Wellenlänge mal Verkürzungsfaktor sind das jeweils etwa 22-25 mm Unterschied).
Der Leistungsteiler ist ein kommerziell gefertigtes Teil von e-meca.com
zwei Kabeltypen wurden getestet:
LMR195 (Verkürzungsfaktor 80 %) und SM141FEP (Verkürzungsfaktor 71 %)

Hornstrahler für 3cm und Patchantenne für 13cm:
Bauvorschlag von DJ7GP - Hersteller dazu
"POTY" (Patch Of The Year) G0MJW, PA3FYM, M0EYT - Ergänzungen dazu von HB9PZK - Bausatz von PE1CKK

LNB (Hornstrahler) für 3cm und Helixantenne für 13cm:
Auf den Abbildungen sieht man den korrekten Windungssinn der Helix für QO-100 "LHCP".
Eine lange Helixantenne ohne Schüssel muss entgegengesetzt gewickelt sein. Die Polarisation ist nicht umschaltbar. Dafür hat man (wie auch die Patchantenne) eine einzige Einspeisung ohne Leistungsteiler. Eine Kreuzyagi oder das oben genannte Prager Doppelhorn haben zwei bis vier Einspeisepunkte, die über Leistungsteiler und Kabelstücke unterschiedlicher Länge gespeist werden.
Bauvorschlag Günter DF2GB
Bauvorschlag von Rainer DM2CMB im TV-Amateur Nr 194 S.5-8
Im AMSAT-Forum finden sich noch weitere Beispiele.

LNB

Ältere LNBs mit dielektrischem Resonator sind wegen zu großer Drift für QO-100 nicht geeignet. Leider schreiben die Hersteller das nicht in die Spezifikationen. Daher gibt es einige Listen von PLL LNBs, aber unter derselben Bestellbezeichnung kann auch unterschiedliche Hardware angeboten werden, es gibt hierfür keine Garantie:
UHF-Satcom PJM, southern GB
BATC-Wiki
Pascal F4DAV

Frequenzstabilität

Auch hier ist die nötige Genauigkeit auf der hohen Empfangsfrequenz kritischer als beim Sender. Das gilt vor allem für den Schmalbandbereich. Ein SSB-Signal das ständig wegläuft macht kein Vergnügen. Eine Drift von 100 Hz während eines Funkgesprächs ist noch tolerierbar. Auf 10 GHz bezogen sind das 0,01ppm (parts-per-million) oder die achte Stelle, was für übliche Quarzoszillatoren nicht einhaltbar ist.
Vier Möglichkeiten bieten sich an:

  • Temperaturkompensierter Quarzoszillator (TCXO temperature compensated crystal oscillator),
  • Beheizter Quarzoszillator (OCXO oven controlled crystal oscillator)
  • GPS-nachgeregelter Quarzoszillator (GPSDO GPS-disciplined oscillator)
  • Rubidium-Frequenznormal

Für den Empfang gibt es noch die Möglichkeit, den Empfänger durch Kontrolle der Bake ständig nachzuregeln, bisher vorhandene Lösungen:

Die Idee zur Driftkompensation stammt von Moe Wheatley AE4JY damals für den AO-40.
Simon bittet vor dem Download um eine Spende für Hundefutter jetzt oder morgen oder irgendwann...

Die Drift zwischen den beiden RTL-SDR kann so allerdings nicht ausgeregelt werden.

Empfang mit RTL-SDR

Die preisgünstigsten Empfänger sind USB-Sticks für DVB-T oder DAB in Verbindung mit einem PC oder dem Raspberry Pi.
Eine "Luxusausführung" von rtl-sdr.com mit TCXO und abschirmendem Metallgehäuse
Es gibt auch billigere chinesische Nachbauten, aber dort wurde bei der Abschirmung geschlampt, das Gehäuse ist nicht gut kontaktiert.
Der RTL-SDR hat auch den Vorteil, dass man die Empfangsfrequenz in weitem Bereich wählen kann. Man braucht keinen Empfangsumsetzer vom LNB in ein Amateurband, um einen SSB-Transceiver zu benutzen.

Es gibt einige Empfangsprogramme für Windows:

  • SDR-Console - wie oben geschrieben besonders empfohlen wegen der Driftkompensation

und viele weitere, eine Link-Liste auf rtl-sdr.com nennt folgende:

  • SDR# (oder SDR-sharp)
  • HDSDR
  • SDR-RADIO.COM
  • Linrad (Windows/Linux/Mac)
  • CubicSDR (Windows/Linux/Mac)
  • SDRUno
  • OpenWebRX (Python Based)
  • cuSDR
  • PowerSDR
  • QtRadio (Windows/Linux)
  • Multimode (GNU Radio)
  • QuestaSDR
  • QIRX SDR
  • SeeDeR

Software für Linux, Mac, Raspi, Android:

  • GQ-RX - Tutorial dazu basiert auf GNU-Radio
  • WebRadio (Linux)
  • Sdrangelove (Linux)
  • Natpos (Linux)
  • ShinySDR (web interface, runs on Mac, Linux, Raspi...)
  • RFAnalyzer (Android)
  • Kukuruku (Browser Based)

außerdem noch gelistet:einige Bezahlprogramme mit freien Testversionen und Spezialprogramme.

In der Liste fehlt noch SDRangel für Windows und Linux:
"SDR Rx/Tx software for Airspy, Airspy HF+, BladeRF, HackRF, LimeSDR, PlutoSDR, RTL-SDR, SDRplay RSP1 and FunCube"

Echokompensation

nur so eine Idee...
Die reine Laufzeit des Signals über 2* 38000 km bewirkt eine Verzögerung von etwa einer Viertelsekunde. Dazu kommen noch Verzögerungen vor allem durch digitale Filter, beim Webradio noch dessen Rechenzeit und die Laufzeit durch das Web.

Für Telefonsignale benutzt man schon lange eine sogenannte Echokompensation, um störendes Echo zu unterdrücken. Für QO-100 könnte man ähnliches versuchen, das Mikrofonsignal um die Laufzeit verzögert vom Empfangssignal amplituden- und phasenrichtig zu subtrahieren. Man könnte Zwischenrufe laut hören, während die eigene Aussendung, die eher stört, leiser wäre. Da allerdings dazu das SSB-Signal genau auf Schwebungsnull eingestellt werden müsste, könnte nur ein DSP mittels "adaptivem Filter" das verzögerte Signal als Musterfunktion benutzen. Einfache Lösungen mit analoger Technik sind hier überfordert.

Schmalband-Sender

Im Schmalbandbereich sind alle üblichen Amateurfunk-Betriebsarten bis zu 2700 Hz Bandbreite erlaubt, also SSB, CW und digitale Modi. Bandplan hier unterteilt in CW / schmale Digimodes bis 500Hz / Digimodes / mixed modes / SSB only. FM ist also nicht zulässig, da zu breit. Zur Erzeugung dieser Modulationen im 13cm-Band gibt es mehrere Möglchkeiten:

  • klassisches SSB-Funkgerät und Transverter
  • Aufbereitung der analogen oder digitalen Modulation zum I/Q-Signal und Hochmischen mit einem I/Q-Modulator

oder spezielle Hardware wie

u.ä. die schon eine Hochfrequenzerzeugung enthalten

Zur SSB-Erzeugung gibt es drei klassische Methoden:

  • Filtermethode (ein Mischer)
  • Phasenmethode (zwei Mischer, auch z.B. in einem I/Q-Modulator-IC enthalten)
  • "dritte Methode" nach Weaver (vier Mischer)

Für die Umsetzung ist eine hohe Startfrequenz günstiger, da die Filter zur Unterdrückung der Oszillator- und Spiegelfrequenzen unkritischer sind. Also eher 70cm als 2m oder Kurzwelle.

Anbieter fertiger Transverter werden unten in der Liste zu 13cm-Sendern nochmal aufgeführt:

daneben gibt es noch einige Bauvorschläge oder Bausätze.

Einen interessanten Umsetzer hat Holger Eckardt DF2FQ im "Funkamateur" 9/2019 veröffentlicht. Durch Anwendung der Phasenmethode für die Umsetzung erreicht er auch vom 2m- (oder 10m-) Band ausgehend eine gute Unterdrückung von LO und Spiegelfrequenz auf einer winzigen Platine. Im Inhaltsverzeichnis des Heftes ist ein Foto der Platine (Mitte erste Seite) abgebildet.
DIe Schaltung besteht aus einem typischen I/Q-Modulator-IC ADRF6703 mit zwei Mischern, LO-Phasenschieber und PLL-VCO. Angesteuert mit einem PIC12F629 und 26 MHz TCXO. Über serielle Schnittstelle in 1 MHz-Stufen abstimmbar. Am Eingang der zweite Phasenschieber, je nach Bestückung für ein 2m oder 10m SSB-Signal, ein Doppel-T LC-Filter. Einzige Filtermaßnahme am Ausgang ist ein Murata SAW-Filter SF2173E . Störunterdrückung für 2m 60 dB, für 10m immerhin noch 47 dB. Ausgangsleistung 50mW bei 38 dB Zweiton-IM-Abstand. Bei großer Nachfrage will er bestückte Platinen auflegen.

Breitband-Empfang (Digital-TV)

MiniTiouner

Ein spezieller Empfänger nur für Amateur-TV mit einem NIM-Satellitentuner Serit FTS-4334L Wikiseite der BATC dazu , dessen Empfangsdaten über USB-Verbindung im PC unter Windows dargestellt werden. Viele Messmöglichkeiten neben dem normalen Empfang und eine einstellbare Samplerate bis herunter auf 88 kS/s bietet bisher kein anderer Empfänger.
Im Minitiouner ist noch keine 14/18V Umschaltung für die Polarisation des LNBs vorgesehen, und keine digitale Umschaltung nach DiSEqC-Protokoll enthalten, wie sie normale Satellitentuner bieten.
Teilbausätze werden aus Steuergründen nur an BATC-Mitglieder verkauft, die "Cyber-Mitgliedschaft" mit e-mail-Bezug der Clubzeitschrift kostet jährlich 8 Pfund (siehe unten).
Der französische Amateurfunkclub REF bietet auch zwei Teile an, derzeit aber ausverkauft:

Wiki der britischen BATC
Windows-Software MiniTioune dazu - Anmeldung erforderlich, wird derzeit nicht weiterentwickelt
Einige Screenshots der MiniTioune-Software mit 88kS/s.

aktuelle alternative Software Open Tuner dazu ohne Anmeldung
die Seite des südafrikanischen Open Tuner Autors Tom ZR6TG
Download von Github

Durch geringere Bandbreite sinkt der Aufwand für Sendeleistung und Schüsselgröße erheblich. Wie man sieht ist dennoch immer noch eine gute Auflösung erreichbar. Maximale Bandbreite (4 MHz) und die hier verwendeten 125 kHz (Faktor 32) machen theoretisch 15 dB Unterschied in den Anforderungen. Statt 100 W und 2,4 m könnten dann z.B. 10 W (-10 dB) und etwa 1,2m (-6dB) ausreichen.

RTL-SDR mit SDRangel

Auch mit einem RTL-SDR kann man das breitbandige TV-Signal ansehen: Anleitung zu DATV-Empfang mit SDRangel

TV-Satellitenempfänger

Die meisten Satellitenempfänger können die niedrigen Bitraten von QO-100 nicht verarbeiten, aber es gibt Ausnahmen. Der Empfangsbereich der meisten Satellitenempfänger beginnt für den direkten Empfang zu weit oben, um QO-100 einzustellen. Hier kann man bei einigen Typen tricksen, z.B. durch Eingabe einer falschen LO-Frequenz.
OCTAGON SF8008 Anleitung für den QO-100-Empfang

Eine andere Lösung des Frequenzproblems ist ein Empfangsumsetzer , hier zum gleichzeitigen Umsetzen des Breitbandbereichs auf 1340 MHz und des Schmalbandbereichs auf 144 MHz.

Breitband-Sender

Raspberry Pi als digitaler Videomodulator

Für den Raspberry Pi gibt es eine Software RPI-DATV, die aus zwei GPIO-Ausgängen direkt das (digitale) I/Q-Basisbandsignal für DVB-S liefert. Eine bitratenabhängige Tiefpassfilterung vor dem Modulator ist daher nötig. Eingang ist entweder eine Raspi-Kamera oder ein Video-Digitalisierer am USB-Anschluß. Für Testzwecke gibt es sogar eine direkte Ausgabe eines kompletten Sendesignals im 70cm-Band, den sogenannten "ugly"-Modus. Man muss nur ein Stück Draht als Sendeantenne an einem GPIO-Pin anschließen, und kann das Signal z.B. mit dem Minitiouner empfangen. Bedienung über Touchscreen am Raspi. Eine fertig programmierte SD-Karte kann im BATC-Shop erworben werden. Aus steuerrechtlichen Gründen muss man dazu Mitglied im BATC werden, ein Jahr aus Deutschland kostet 8 bzw. 30 Pfund (CQ-TV Zeitschrift-Abo per e-mail/gedruckt).
Die Software auf Github
Wiki der BATC

I/Q-Modulator

Um ein I/Q-Basisbandsignal auf 2,4 GHz umzusetzen (oder SSB dort direkt nach der Phasenmethode zu erzeugen), gibt es seit etwa 20 Jahren komplette I/Q-Modulator-ICs, vor allem von Analog Devices.
Eine Schaltung mit AD8346 aus dem Jahr 2002 , Kapitel 6
Tabelle von AD zu I/Q-Modulatoren davon 13 Typen für 2,4 GHz brauchbar

Das Portsdown-Projekt

Ein britisches Projekt, Sender für digitales Amateurfernsehen, nicht nur via QO-100, sondern auch terrestrisch. Es gibt zwei Versionen, "2018" war noch mit einem speziell entwickelten Sender aufgebaut, "2019" benutzt einen "Lime-SDR mini". Die Sampleraten reichen von 88 kS/s bis 4 MS/s, dazu proportional steigt die nötige Sendeleistung, um QO-100 zu erreichen. Für das Maximum wird ein 100W-Sender mit einer 2,40m-Schüssel empfohlen.
Portsdown 2018
Portsdown 2019

Das DATV-Express-Projekt

ähnlich Portsdown aber ein Windows-PC statt Raspi
es unterstützt unterschiedliche Senderhardware:

  • DATV-Express hardware Tx board
  • LimeSDR-USB Tx/Rx board from Lime Micro
  • LimeSDR-mini Tx/Rx board from Lime Micro
  • PLUTO-ADALM Tx/Rx board from Analog Devices

Sendeendstufe

Es gibt noch wenige Endstufen für das 13cm-Band zu kaufen, hier ein paar Fundstellen:
Diskussion im AMSAT-Forum mit Auflistung
20 Watt-PA von Rene PE1CMO - Datenblatt zum verwendeten Doppeltransistor BLM2425M7S60P
20 Watt-PA von Hristiyan LZ5HP aus Sofia, Bulgarien laut DL7UKM auch ein Ampleon-Transistor BLP9G0722-20G
20 Watt-PA von Fred F6BVA, nur Bauvorschlag - Datenblatt zum verwendeten MW7IC2725
10W-PA von Michael Kuhne DB6NT und komplette Umsetzer mit 20W
13cm-PAs 0,9W von Ewald DK2DB (nur noch Abverkauf) - die Transistoren FLU10 werden nicht mehr hergestellt
13cm-PAs von Dirk Fischer DK2FD - und ein Schmalbandumsetzer für QO-100 für einen 2m oder 70cm-SSB-TX
Es gibt auch WLAN-Leistungsverstärker aus China, aber der Zoll beschlagnahmt sie oft, weil sie hier für WLAN nicht zulässig sind. Beim Bestellen daher verlangen, dass "Ham-Radio" oder ähnliches auf das Etikett geschrieben wird.
Zu älteren Bauanleitungen dürften die Transistoren nicht mehr lieferbar sein:
1986 in DUBUS mit BFQ34/BFQ68
1992 in DUBUS mit MGF-0904/0905
1994 in der CQ-DL mit CGY50/CLY5/CLY10

Ausgangstiefpass

Vor allem für Duo-Band-Antennen sollten Harmonische des Senders gut unterdrückt sein, da sie den Empfänger stören könnten.
Hier kommen vor allem koaxiale "tubular low pass filter" infrage.
Man kann sie kaufen, beispielsweise

oder selbst bauen. Dazu gibt es ein paar Anleitungen im Web.

Links

QO-100 im Forum

Es'hail2 - erster geosationärer Amateurfunk-Satellit
QO-100 und Schmalband-Digimodes
Präziser HF- Generator mit ADF4351... (speziell für QO-100)

QO-100 im Web

AMSAT-DL zum Thema
AMSAT-Forum
Tobias DL4TMA
Hans OE8HSR

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