home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ham Radio 2000 / Ham Radio 2000.iso / ham2000 / packet / ms_art1 / 1st.art next >
Text File  |  1995-03-15  |  19KB  |  406 lines

  1.  
  2.                      PACKET RADIO  METEOR SCATTER
  3.  
  4.   Proposal of a QSO protocol in Packet  Radio that  allows the exploitation
  5.   also of minor Meteor Burst that continuously arrive into  the atmosphere,
  6.   and presentation of a program for PC's that handles such a protocol.
  7.  
  8.  
  9.   Up to now OMs have  done Meteor  Scatter QSOs  only during  the arrive of
  10.   major  meteor beams,  with exhausting  call in  SSB or   with complicated
  11.   modifications to tape recorders for CW.
  12.  
  13.   I the professional practice, on the contrary, since many years, there are
  14.   communication systems that exploit not only  the major  meteor beams, but
  15.   also the  continuous arrival  of micrometeors, 24 hours  a day,   for the
  16.   collection  of meteorological  datas from  remote  zones  or  for sending
  17.   telegrams to mobile military units.  (1)
  18.  
  19.   These systems work in the band of 45  MHz at  baud rate  around 4000 Baud
  20.   and PSK coherent modulation.  Reference (1) reports a medium waiting time
  21.   for sending a message of 2 minutes, where a station uses 1 KW and a 5 el.
  22.   Yagi, and the other 300 W and a simple dipole.
  23.  
  24.   With diffusion of Packet Radio between OMs it is now possible also for us
  25.   to take advantage of the opportunities given by meteors at any time.
  26.  
  27.   I will describe here  a simple  protocol suitable  for QSOs  both on sked
  28.   that random, the hardware composition of the  RIG and  a PC  program that
  29.   allows an easy performance of Meteor Scatter traffic.
  30.  
  31.  
  32.     THE PROTOCOL
  33.  
  34.   Meteor bursts arrive in a random way: it is extimated in 50000 per second
  35.   the  number of  micrometeors  that  every  second  enter  the terrestrial
  36.   atmosphere, and these produce connection between stations  up to  2000 Km
  37.   apart, meanly  for few  hundreds of  milliseconds.  To  take advantage of
  38.   such short  connections it  takes to  alternate transmission   periods to
  39.   reception ones.
  40.  
  41.      Similarly to  the traditional  way, and  taking into  account the high
  42.   transmission speed, I propose to try 15 or 30  seconds intervals.   If 15
  43.   seconds is chosen, a  station will  transmit, for  instamce, in intervals
  44.   1..15 and 31..45 of the minute, the other in intervals 16..30 and 46..60.
  45.   Of course both will listen when not transmitting.
  46.  
  47.   If  30 seconds  intervals are  chosen then  a station  will transmit from
  48.   second 1 to 30, the other from second 31 to 60.
  49.  
  50.    I  will call  "Odd Windows"  intervals 1..15,  31..45 and  1..30 ; "Even
  51.   Windows" will be, of course, the others.
  52.  
  53.   In the normal Packet Radio QSO it  is used  the CONNECTED  mode, i.e.  at
  54.   the beginning TNCs exchange SABM and UA frames and at the end  they close
  55.   exchanging DISC/UA.   During the  QSO,  besides,  Information  frames are
  56.   confirmed by RR.
  57.  
  58.  
  59.  
  60.  
  61.  
  62.  
  63.  
  64.   This kind of protocol, though very reliable, is far beyond purposes of MS
  65.   QSOs, in  which the  target is  to  exchange  few  words  with  the other
  66.   station.
  67.  
  68.     The  protocol I  propose, therefore,  uses only  UI frames (Un-numbered
  69.   Information) how it can be done manually going  in CONVERSE  MODE without
  70.   having established previously a connection.
  71.  
  72.   If an UI Frame mets the right meteor it is  reflected, it  is received by
  73.   the addressee and shown on his display.  What is needed more ?
  74.  
  75.   The message to be transmitted is inserted into an UI frame.  The UI frame
  76.   is transmitted so many times as it is possible in the chosen Window.
  77.  
  78.     Let's suppose to CQ with the following message:
  79.  
  80.                          CQ MS DE I2KFX JN45po MONZA
  81.  
  82.   made of 27 characters.  The UI frame will be 48 bytes long  due to having
  83.   added initial and final Flags,  CRC, transmitter  and receiver  call, and
  84.   control fields as required by AX.25 protocol.  Using 1200 Baud this frame
  85.   will be transmitted 46 times in 15 seconds ( or 92 times  in 30 seconds).
  86.   Speeds around 2400 Baud are  considered preferable  (1), so,  if sometime
  87.   2400 baud  PSK modems  will be  available, probability  of transmitting a
  88.   message will increase, or the waiting time for  sending the  same message
  89.   will decrease.  By the time I think that  1200 Baud  should be sufficient
  90.   for starting  experiments, without  having to  use expensive   modems and
  91.   without havig to expand the transmitted band  beyond the  typical 3500 Hz
  92.   of SSB transceivers.
  93.  
  94.  
  95.  
  96.  
  97.      THE PROGRAM
  98.  
  99.   For managing a QSO in the  way previously  described it  is necessary the
  100.   help of a computer; it is difficult, infact,  for humans,  be sincronized
  101.   at the second and write on the keyboard at the right speed.  So I wrote a
  102.   program on my PC that allows reception, message  editing and transmission
  103.   in the chosen windows.  The mane of the program is "MS".  Figure  1 shows
  104.   the screen during operations.
  105.  
  106.  
  107.  
  108.  
  109. ───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
  110.                    Packet Radio  Meteor Scatter           by I2KFX     V. 1.0
  111. ───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
  112. IR2VA-2=>FF6KO-5   RR r0 1
  113.  
  114. IR2VA-2=>IK1HGI   RR r3 1
  115.                                            ╔═════════╗
  116. IR2VA-2=>FF6KO-5   RR r0 1                 ║Receiving║
  117.                                            ║ Window  ║
  118. IR2VA-2=>IK1HGI   RR r3 1                  ╚═════════╝
  119.  
  120. IR2VA-2=>IK1HGI   RR r3 1
  121.  
  122. IR2VA-2=>IK1HGI   RR r3 1
  123.  
  124. ───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
  125.                                                     ╔═════════════════════╗
  126. CQ MS  CQ MS  de  I2KFX   qth Monza  JN45po         ║Transmitting Window  ║
  127.                                                     ╚═════════════════════╝
  128. ───────────────────────────────────────────────────────────────────────────────
  129. ┌──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┐
  130. │  TX OFF       Odd  30 Sec         I2BJS                             16:46:11 │
  131. │                                                                              │
  132. │    F1         F2        F3          F4         F5                       F10  │
  133. │ TX on/off  Odd/Even  15/30 Sec.  Dest.Call  Beac.Text                   EXIT │
  134. └──────────────────────────────────────────────────────────────────────────────┘
  135.  
  136.  
  137.  
  138.  
  139.  
  140.   The screen is divided in 3 parts.  The upper one is the Receiving window:
  141.   every frame correctely received by  the TNC  is shown  here.  The various
  142.   kinds of frames are decoded; besides UI and I frames are  listed together
  143.   with the  information EVEN  or ODD  depending on  the Transmission Window
  144.   set.
  145.  
  146.   The intermediate part is used for editing messages to be sent.  A message
  147.   is accepted when terminated with a Carriage Return.   If the transmission
  148.   is  permitted then  the message  is sent  to the   TNC depending   on the
  149.   transmission window set.  
  150.  
  151.  
  152.  
  153.  
  154.   The bottom part is the "Control Pannel".  All operation  are activated by
  155.   Function Keys.  The Control Pannel  always shows  settings, time  and the
  156.   purpose of function keys.   For instance,  F2 and  F3 allow  to chose the
  157.   length of the transmission window ( 15 or 30 Sec.)  and if  it has  to be
  158.   EVEN or ODD.
  159.  
  160.   Transmission mode  is activated  by F1.   Please don't  do it  if you are
  161.   tuned at 144.675 FSK if you want avoid maledictions and anathemas.
  162.  
  163.  
  164.    THE STATION
  165.  
  166.  
  167.   The typical station is here shown.                          │ │ antenna
  168.                                                               ├─┼──────┐
  169.                                                               │ │      │
  170.                                                                        │
  171.     ┌─────────┐                                                        │
  172.     │         │       ┌───────┐    ┌───────────┐    ┌───────────┐      │
  173.     │         │       │       │    │   Modem   │    │   TX/RX   │      │
  174.     │    PC   ├───────┤  TNC  ├────┤           ├────┤           ├──────┘
  175.     │         │       │       │    │   PSK     │    │    SSB    │
  176.     │         │       └───────┘    └───────────┘    └───────────┘
  177.     └─────────┘
  178.  
  179.  
  180.                            [see FIG2.GIF]
  181.  
  182.   The PC, the transceiver and the antenna do not need here explanations.
  183.   The TNC and the Modem require, on the contrary, some consideration.
  184.  
  185.   The TNC must be able to go in KISS mode.
  186.  
  187.   KISS stays for " Keep it simple, stupid !   ".  Many  commercial TNCs are
  188.   now able of going in KISS mode.  Owners of TNC1 or TNC200 can  find easly
  189.   the EPROMS with loader: the KISS software is loaded into the  TNC via the
  190.   RS232 at the beginning.  The  TCP/IP package  includes files  for burning
  191.   EPROMS and the file to download into  the TNC.   As alternative  it is in
  192.   circulation the WA8DED21C EPROM that incudes already KISS.
  193.  
  194.  
  195.  
  196.  
  197.    What is the KISS mode and why it is so useful ?
  198.  
  199.   In the KISS mode, the most of the functions of the packet  radio are done
  200.   by the  computer.  The  TNC deals  only with  frames reception  and their
  201.   transfer to  the computer  in  a  simple  format.   When  transmission is
  202.   required the computer sends to the TNC the content  of the  message.  TNC
  203.   adds the CRC, flags and stuffing bits and sends  the so  built HDLC frame
  204.   to the TX when the channel is free.   All the  operation of  decoding and
  205.   interpretation of received frames, the set up of  transmission frames and
  206.   their sequence are handled by the program that runs in the computer.
  207.  
  208.   This  technique allows  to write  complex applications  without having to
  209.   change TNC EPROMS: see, for instance, the TCP/IP program  that implements
  210.   a complete network in accord  with ARPA  protocols up  to the application
  211.   layer, and  the MONAX25  package that  allows the  analysis of   an AX.25
  212.   channel doing statistics on the number of retransmissions per station and
  213.   other interestings computations.
  214.  
  215.  
  216.   The MODEM is, by the way, the most qualifing aspect  of the  system, so a
  217.   special attention is devoted to this subject.
  218.  
  219.     FSK or PSK ?
  220.  
  221.   The FSK modulation  is available  on all  TNCs, it  is, by  sure, easy to
  222.   implement and it is by now of common  use, but  it is  not ideal  for DX.
  223.   You might have noticed that to receive correctly the  normal Packet Radio
  224.   signals   quite strong   are necessary.    Besides, using   FM modulation
  225.   threshold becames  worst and  it is  a waste  to use  25 KHz  of band for
  226.   transmitting 1200 Bits per second.  Particularly FSK is  strongly damaged
  227.   by propagation on multiple paths  ( echos  from buildings  for instance )
  228.   and  demodulator in  use are  not of  coherent type,  i.e.  they   do not
  229.   rebuild  the carrier.   It happened  to me  not to  be able  to  decode a
  230.   station arriving to my receiver 9+20 and cure the problem just moving the
  231.   antenna of few centimeters : if a  reflected ray  arrives to  the antenna
  232.   just 10 dB under the principal one, FSK is hopeless damaged.
  233.  
  234.   PSK modulation bewares much better : it resists to echos up to 3 dB under
  235.   the principal signal ( this is told in environments normaly well informed
  236.   ).  Besides Costa's Loop PSK demodulators are  very efficient,  ( if well
  237.   designed ) because they rebuild the carrier and can  lock in  + or  - 200
  238.   Hz.  This last characteristic allows to  use SSB  instead of  FM with all
  239.   advantages of channel occupancy and threshold.
  240.  
  241.  
  242.  
  243.  
  244.   Loacally we have tested few  demodulators.  The  one which  gave the best
  245.   results was published by Japaneese OMs in connection with OSCAR 12 packet
  246.   operations.  (See the diagram included ).   This demodulator  allows QSOs
  247.   even with S0 [ Es Zero!!  ] signals.
  248.  
  249.   To have the best from this demodulator it takes to implement  a couple of
  250.   modifications of which I will speak ahead.  I would  like now  to compare
  251.   the Japaneese design with the widespread PSK demodulator published on Ham
  252.   Radio by G3RUH.
  253.  
  254.   The design of G3RUH is an admirable example of  simplification, but works
  255.   only with robust signals free from noise.  The reason is that, wanting to
  256.   do all in 'Digital' , the signal coming from the receiver must be squared
  257.   soon at   the input.    This clipping   operation  performs   actually  a
  258.   'decision' in an unsuitable point.  The decision on ONES and on ZEROS has
  259.   to be taken by the only Costa's Loop, besides, to  reduce the intersimbol
  260.   error, the signal has to be filtred by the right  filter, adapted  to the
  261.   signal characteristics.
  262.  
  263.   As I was saying the circuit that gave the  best results  was published by
  264.   the JAS-1  Committe of  J.A.R.L.  In   this circuit   there is   a single
  265.   decision point (U5) and the  signal is  properly filtred  by the previous
  266.   Bessel filter.
  267.  
  268.   I did mention before that it takes to do a couple  of small modifications
  269.   to the  Japaneese demodulator  in order  to use  it efficiently   both in
  270.   terrestrial QSOs and in Meteor Scatter.
  271.  
  272.      The  first modification  consists in  reducing the  DC gain  of the U9
  273.   operational amplifier that drives the 4046 VCO.  In the  original diagram
  274.   there is no DC connection between the output (pin  8) and  the input (pin
  275.   9): this does the DC  gain equal  to the  open loop  gain of  the Op.Amp.
  276.   (which is very big and unpredictable).  If the gain of U9  is not reduced
  277.   the error voltage that  drives the  VCO, in  absence of  received signal,
  278.   fluctuates.  This can be noticed by the fact that  the nedle  of the tune
  279.   indicator is not stable in the  central position,  but oscillates  on the
  280.   right and on the left randomly.   [see FIG1.GIF]
  281.  
  282.   In such a situation, at  the arrival  of a  packet the  lock is difficult
  283.   because, for the ramdom fluctuations, the frequency of  the VCO  could be
  284.   very far from the frequency  of the  (suppressed) carrier  of the signal.
  285.   This produces a random lost of packets.
  286.  
  287.         This problem  is not  present with  OSCAR 12  signals because there
  288.   transmission  is continuous  and lock  is never  lost (   as far   as the
  289.   operators keeps compensating Doppler effect ).
  290.  
  291.  
  292.  
  293.  
  294.  
  295.  
  296.   As it can be seen the 330K resistor is  changed to  33k, the  220k one is
  297.   changed to 22K and the 10nF capacitor is now 100nF.  Besides it  is added
  298.   a 1M resistor in place of the JP U-Link.  Doing so the DC  gain is stable
  299.   and given by the ratio 1M/33K.
  300.  
  301.  
  302.  
  303.  
  304.  
  305.  
  306.   Another left thing in the J.A.R.L. diagram is the TNC block with the DCD
  307.   (Data Carrier Detect) in presence of other signals on the channel.
  308.  
  309.   This function is essential for not transmitting on other peolpe's signal,
  310.   producing so a collision that damages transmitted and on the air packet.
  311.  
  312.   It takes, so, to do a circuit that  generates the  DCD signal  to take to
  313.   the TNC.  Fig.3 shows the one that I have built here: the  DCD is  the OR
  314.   of  the negated  LOCK and  a  signal  coming  from  the  level indicator.
  315.   Infact, as happens in the HF Packet Radio, the channel can be busy but by
  316.   a signal that does not lock the demodulator,  and it  is a  wasted packet
  317.   the one transmitted on a busy channel.    [see FIG3.GIF]
  318.  
  319.  
  320.   The  modulator part  is very  easy, but  needs a  1600 Hz  clock that is,
  321.   infact, the carrier modulated  by datas.   Such a  clock can  be obtained
  322.   with  a programmable  divider, using  the TNC  signal from  the baud rate
  323.   generator.  For instance 4800/3=1600.
  324.  
  325.  
  326.  
  327.  
  328.  
  329.     THE QSO
  330.  
  331.   Let's examine, at last, the final goal of all this writing : the QSO.  It
  332.   takes to be at least in two, and it takes to agree on  some argument; the
  333.   frequency, first of all.  Frequency must be precise  at least  in +  or -
  334.   100  Hz, just  to have  some margin  respect to  the locking  band of the
  335.   demodulator (+-200 Hz).
  336.  
  337.  
  338.  
  339.      It shouldn't  be too  difficult with  modern techniques  to reach this
  340.   precision in the 144 MHz  band.  What  the two  have to  agree is  how to
  341.   mesure the  stated frequency.   Let's suppose  that 144.150  MHz has been
  342.   selected (it would be nice  to use  this frequency  for random  MS Packet
  343.   Radio QSOs ), but how to tune the transceiver ?  If 144.150 is set on the
  344.   tuning knob of a well calibrated transceiver, the mode USB and the TNC is
  345.   set to CALIBRA to the microphone input will arrive a 1600 Hz from the PSK
  346.   modulator.  In antenna there will be a signal at 144,151,600  Hz which is
  347.   +1600 Hz respect to the (suppressed) carrier of the  TX.  For  this kinds
  348.   of shifts it is easy not  to met  on the  air.  I  propose, so,  to use a
  349.   counter for tuning the transceiver.  The procedure should be  as follows:
  350.   connect a well calibrated counter to the  TX output  via some directional
  351.   coupler (mind not to burn the counter !!  ), with the TNC in normal AX.25
  352.   mode give the command CALIBRA (do not  go in  double..  leave  calibra in
  353.   its default mode as for PSK 1s or 0s produce the  same 1600  Hz ), adjust
  354.   the tuning knob to read 144.150.000 and it is done.  Now it  remains just
  355.   to load KISS on the TNC, MS on the PC and...good luck !
  356.  
  357.   In a QSO on sked it takes to agree on the legth of the window  and on who
  358.   uses the Odd Window and who uses the Even one.
  359.  
  360.   In random CQ I suggest to use 15 Sec.  Odd Window.  It is implied that PC
  361.   time has to be properly adjusted before starting the operations.
  362.  
  363.  
  364.  
  365.  
  366.   CONCLUSIONS
  367.  
  368.   I think I said all, now it remains nothing  else but  to experiment.  Who
  369.   has ideas and hints is kindly invited to contact me, I am QRV  for skeds,
  370.   experiments and chats.
  371.  
  372.   I was forgetting..the program MS is not for sale... it is free for who
  373.   wants it ( Just SASE+floppy or equivalent). I will try to distribute it
  374.   also via BBSs or INTERNET
  375.  
  376.   Hope CUAGN so, in MS 144 MHz, 28 MHz or, let's hope, some time in 50 MHz!
  377.  
  378.   My address is :
  379.                   Pino Zollo I2KFX
  380.                   Via Negrelli,21
  381.                   20052 Monza
  382.                   ITALY
  383.  
  384.                   tel. xx39.39.833431
  385.                   Packet  i2kfx@ik2xkb.ilom.ita.eu
  386.                   E-Mail  i2kfx@vnet.ibm.com
  387.  
  388.   Interesting readings:
  389.  
  390.   (1) Meteor-burst communications bounce signals between remote sites.
  391.       Electronics December 29, 1982
  392.  
  393.   (2) Reports on W3IWI experiments in PSK a 28MHz on ASR AMSAT and
  394.       riported by mamy BBS.
  395.  
  396.  
  397.  
  398.  
  399.  P.S.
  400.  
  401.  On the PSK demodulator the LM324 can be replaced with TL084 or better
  402.  similar devices.
  403.  
  404.  The tuning indicator meter can be replaced with different sensibility one...
  405.  it is a Volt-meter, just adjust the series resistor.
  406.