home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ Ham Radio 2000 #1 / Ham Radio 2000.iso / ham2000 / packet / ms_exe / msrel.eng < prev    next >
Encoding:
Text File  |  1994-12-18  |  18.5 KB  |  373 lines

  1.   Subject: Meteor Scatter in Packet Radio
  2.  
  3.            From : Pino Zollo  I2KFX
  4.  
  5.       This paper has been sent to few magazines in Europe for publication.
  6.       The software is available on request.
  7.  
  8.       Report on Meteor Scatter experiments using Packet Radio at 144 MHz
  9.  
  10.  
  11.       ABSTRACT
  12.  
  13.       In this paper I will describe the experiments done  by I2KFX and
  14.       I0VUQ of Meteor Scatter QSO's  using Packet  Radio with  2 phase
  15.       PSK modulation at 1200 Baud.
  16.  
  17.  
  18.       INTRODUCTION
  19.  
  20.             The idea  of using  digital techniques  for Meteor Scatter
  21.       communications is not  original of  Radio Amateurs.   Since many
  22.       years, infact, there are in  service civil  and military systems
  23.       that  use these  technique for  disseminating short  messages on
  24.       wide geographical areas.  (1)
  25.  
  26.       The advent of packet radio has allowed the pratical extention of
  27.       this technique  to radio  amateurs, givig  to  anybody, provided
  28.       with a  minimum of  equipment, the  possibility to  venture upon
  29.       this fascinating activity in the past reserved only  to the most
  30.       powerfull stations end with very patient operators.
  31.  
  32.       The AX.25 protocol was not borne for Meteor Scatter activity, it
  33.       was necessary, so, some  adaptation and  simplification to allow
  34.       frames to met meteors beams  and be  reflected to  ground.  With
  35.       these ideas I started, last year, to write a program for PC able
  36.       to drive a KISS TNC and implement all the actions  that are more
  37.       suitable for the MS technique.
  38.  
  39.       In my  previous article  on DUBUS  3/88 I  reported the details.
  40.       Here I will summarize all the procedures for the benefit  of who
  41.       is new to meteor scatter.
  42.  
  43.       Every day our planet is run over by tons of  debris of different
  44.       dimensions  arriving from  deep space.   When these  debris come
  45.       into the atmosphere they  disintegrate generating  a cylinder of
  46.       ionized air.  This cylinder will last  from few  milliseconds to
  47.       some  minute depending  on the  size of  the stone,  and it will
  48.       reflect radiowaves in the range from 30 MHz to low UHF.
  49.  
  50.       We don't know  the exact  moment of  arrival of  meteors and the
  51.       right position in the sky of the ionized cylinder, so we have to
  52.       transmit continuously in certain windows of time agreed with the
  53.       other station.  For Packet Radio Meteor  Scatter we  have always
  54.       used 15 seconds windows in  our experiments  up to  now, but the
  55.       program allows also 30 second windows.
  56.  
  57.       Ionized air cylinders appear in the range 80 .. 110 Km.  Because
  58.       of the geometry of the earth they allow QSO's up to 2000 Km.  It
  59.       does not exist a minimum distance.  For distances lower than 500
  60.       Km the  antennas should  irradiate also  on the  back to take
  61.       advantage of meteors appearing on the back .  Papers (2) and (3)
  62.       report considerations about the geometry.
  63.  
  64.       I was saying that meteors arrive suddenly, but  something can be
  65.       known in advance: few hundreds of trails have been catalogued by
  66.       astronomers and we know  the point  in the  sky from  where they
  67.       appear  to come  out, we  know, besides,  the period  of days in
  68.       which they arrive into the atmosphere.  (on  DUBUS you  can find
  69.       all these informations)
  70.  
  71.       A special program in BASIC by DL5MCG allows to  compute the best
  72.       period of the day for a QSO between two stations.   During these
  73.       periods meteors arrive almost perpendicular to  the path between
  74.       the two stations.
  75.  
  76.       We saw that  for doing  a QSO  we have  to transmit continuously
  77.       hoping that meteors arrive and bounce the messagge to  the other
  78.       station.   To do  this I  wrote a  program in  Turbo Pascal that
  79.       menages all the operations.   In practice  the program  sends to
  80.       the TNC, in  KISS mode,  the message  to be  transmitted so many
  81.       times as they fit in the time window in use.  In the experiments
  82.       we have always used a 15 seconds window.  A station transmits in
  83.       the first 15 seconds of the minute, then goes in receiving mode.
  84.       The other station transmits in the others 15 seconds and so on.
  85.  
  86.         EXPERIMENTS
  87.  
  88.       Since the mid of May '89 I0VUQ  and I  have started  a series of
  89.       tests to verify the possibility of QSO's using small  powers and
  90.       minor Meteor Showers.
  91.  
  92.       Here follows the description  of the  experiments, the successes
  93.       and the difficulties that we met and the perspectives  of future
  94.       development of this activity that tries to implement the synergy
  95.       between digital techniques and DX in VHF.
  96.  
  97.       Following the publication on  DUBUS and  on Radio  Rivista of my
  98.       article of presentation of the program MS for PC, many OM's were
  99.       interested to start experiments.
  100.  
  101.       The first station  that was ready  was the  one of Alessandro,
  102.       I0VUQ, located in S.Maria Le Mole JN61hs south of Rome.
  103.  
  104.       Alessandro's station is made of a PC,  a TNC2  with EPROM 1.1.6,
  105.       an axternal PSK modem (JARL design).   The TX  is an  IC202 that
  106.       drives a 50 W linar amplifier equipped with a QQE06/40.  A TS820
  107.       is on the receiving side together with a  Datong UC/1 converter.
  108.       The antenna is a 9+9 crossed yagi, the same used for Oscar 13.
  109.  
  110.       My station in Monza (JN45po) is  made of  a PS2/30,  a PK80 with
  111.       EPROM 1.1.4 with KISS loader and an external PSK modem.   The TX
  112.       is an FT201 with an home made  transverter that  drives a Fisher
  113.       linear amplifier.   The output  power was  80 W  due to  the old
  114.       tube.  The RX is a Drake R4B and  a preamplifier  home made with
  115.       N.F.  of 0.9 dB.  Antennas are 2 9+9 crossed yagis  coupled with
  116.       hibrid rings.
  117.  
  118.         Both station use right circular polarization.
  119.  
  120.       The distance between our stations is 507 Km, and the path is all
  121.       over the Appennini chain of mountains.
  122.  
  123.       Before  starting tests  in 144  Mhz we  did verify  that all the
  124.       hardware were ok, so we made qso's on 20 m and also on 40 m when
  125.       the 20 m were closed.  By the way we  found that  PSK modulation
  126.       was excellent even in the mess of the 40 m.
  127.  
  128.       After having verified that all the hardware  was right, doubting
  129.       to be able to make a qso in MS with only 50 W,  Alessandro moved
  130.       his digital equipment to  the site  of the  friend I0NLK.  I0NLK
  131.       does EME with 4 yagis 20 el.  and 500 W.  With  these conditions
  132.       we made the first try, but  we were  not lucky:  there was tropo
  133.       scatter that day.  I0VUQ did decode first a packet, and later we
  134.       could even exchange few words in SSB.
  135.  
  136.         After that time we have always operated from our station and
  137.       we have not found Tropo any more.
  138.  
  139.         In the meantime I had problems with my frequency counter
  140.       locked to the local Medium Waves station.
  141.  
  142.       The major  difficulties that  I have  met at  the beginning have
  143.       been related just at the measure of  the output  frequency.  The
  144.       PSK modem has a locking band of + or -  100 Hz.   If signals are
  145.       weak, on the contrary, we need a better precision: let say  + or
  146.       - 30 Hz.  We must also take  in account  the error  fo the other
  147.       station that could be in the opposite direction.  To have such a
  148.       precision and stability is not so easy not having  a synthesized
  149.       equipment as it is in my case.  First of all it takes to measure
  150.       the effective output frequency sending at the microphone input a
  151.       1600 Hz tone not modulated.  Not having professional instruments
  152.       it remains  only to  use a  standard frequency  extracted from a
  153.       very stable radio emission.   Here in  Italy our  MW and  TV RAI
  154.       stations are  controlled by  a cesium  reference oscillator.  An
  155.       other problem is the natural  drift of  both RX  and TX.   In my
  156.       case I need to warm up  at least  for a  couple of  hours all my
  157.       equipments.  Later, during  operations, I  verify every  half an
  158.       hour that frequency is still correct, and  eventulally  I adjust
  159.       for the drift.
  160.  
  161.         But let's see the tests !
  162.  
  163.       After having missed many appointments with major  showers due to
  164.       QRL, finally on saturday 13th of May we can do a test on  the Nu
  165.       Puscidis, a shower that arrives around the middle of the day.
  166.  
  167.       Nu Pischidis are a poor shower, but we  did try  as well.  After
  168.       one hour from the beginning of transmissions we were starting to
  169.       get discouraged.  I made a phone call to Alessandro for askig if
  170.       he had heard something.  The answer was negative, but we decided
  171.       to go ahead for an other hour.
  172.       Few minutes later, non knowing what to  do meanwhile  the PC was
  173.       regularly transmitting   every 15   seconds, I   concentrated my
  174.       attention  to the  receiver and  I heard  a  strange fluctuating
  175.       noise.  it  was similar  to F1  racing cars  on the  track: uouu
  176.       uouu...what could it be ?  I  tried to  move the  tuning knob of
  177.       the Drake   and suddenly   the green   LED of   the  demodulator
  178.       indicated a  lock.   Almost  immediatelly  I  heard  the printer
  179.       working.  A rapid adjustment  of the  tuning and  others printed
  180.       lines.
  181.  
  182.         You can imagine my happiness ! it was the first message.
  183.  
  184.  
  185.                         I0VUQ=>I2KFX UI
  186.                       Odd 8 <240>: cq ms
  187.  
  188.       It was 11:01 o'clock.  I call at the telephone  Alessandro and I
  189.       read the message to  him.  During  the conversation  the printer
  190.       continues to work.
  191.  
  192.       At this point the  QSO had  to be  finished.  Also  I0VUQ had to
  193.       receive my signals.  We did continue transmissions but he didn't
  194.       receive anything.  In the meantime I check the  frequency moving
  195.       the TX on the RX: it was 140 Hz lower.  Later we discovered that
  196.       the HP counter of Alessandro had not been  calibrated since long
  197.       time so its reading was slightly wrong.
  198.  
  199.       After that day we made others attempts: on the 20th  and 21st of
  200.       May  on the  Omicron Cetidis  and on  the 4th   of June   on the
  201.       Arietids.  In all these tests I have received lots of frames but
  202.       none of mine had been received by Alessandro.
  203.  
  204.        Following this  asymmetric behavior  we started  to analyze the
  205.       phenomena.  First  of all,   during first   tries I0VUQ   had no
  206.       preamplifier.  The signal I used to receive were normally around
  207.       S1: this means that I was at the limit of the  sensitivity of my
  208.       station.  An other matter to take in account is the geographical
  209.       position.  I0VUQ points his antennas towards  Rome, so  he loads
  210.       all the noise  produced bye  the town;  on the  contrary I point
  211.       East of Milan so my idle noise is  much lower.   In the  test of
  212.       the 4th  of June  Alessandro did  use a  preamplifier of unknown
  213.       quality at the bottom of the cable and did modify the connection
  214.       between the two antennas using an hibrid ring  instead of  the T
  215.       connection, nevertheless he could just hear some signal from me,
  216.       but no frame was correctly decoded.
  217.  
  218.        On the  11th of  June we  made another  test fron  11:30 in the
  219.       morning to 16:00  in the  afternoon trying  to exploit  both the
  220.       Arietids and the Zeta Persidis.  Frames did start to arrive with
  221.       a certain advance  respect to  computed times:  at the beginning
  222.       one or two frames in each window, later  in big  quantities.  At
  223.       the 12:41  a shower  did transport  88 frames  with  the message
  224.       "CQMSPSK", but unfortunately nothing  in the  opposite direction
  225.       Monza-Roma.   During  this  test  I0VUQ  did  change  his linear
  226.       amplifier getting 100 W instead of  the previous  50 W.   He did
  227.       also use a preamplifier but installed in the shack at the bottom
  228.       of the cable.  (weather was not good for climbing the tower)
  229.  
  230.       In the meanwhile I started to modify  the program  MS: the first
  231.       version was  in Turbo  Pascal 3.0,   but, shortly   after having
  232.       started tests on air I acquired the new version 5.0  of the same
  233.       Turbo Pascal.  The conversion from 3.0 to 5.0 was quite long and
  234.       painful  because of  many subtle   differences between   the two
  235.       compilers.   Tests had  showed  the  need  of  recording  on the
  236.       printer and on file all the received frames,  so version  2.0 of
  237.       MS did include such improvements.
  238.  
  239.       By the  time JPI  came out  with a  Modula-2 compiler  at a very
  240.       reasonable price and with very interesting characteristics.
  241.  
  242.       The main difference between Pascal and Modula-2, a part from the
  243.       better  syntax  of  the  former,  is  that  Modula-2  implements
  244.       "Coroutines".   Coroutines allow  the implementation   of really
  245.       multitasking  programs.    In   a   multitasking   program  many
  246.       "PROCEDURES" run at the same  time (  depending on  priorities )
  247.       and can exchange each other synchronization Signals.
  248.  
  249.       It was just the right language for MS as many activities have to
  250.       be carried on at the same time.  Of  these 3  are the principal:
  251.       i.e.
  252.             - To receive and decode frames
  253.             - To edit a new message for transmission
  254.             - To run the clock that starts transmissions.
  255.  
  256.       As I received the compiler from the States  I begun immediatelly
  257.       to learn its possibilities and both  for didactic  pourposes and
  258.       for  real operative  needs  I  started  to  re-write  totally MS
  259.       changing completely its structure.
  260.  
  261.       The re-writing of MS was really  a good  school: the implemented
  262.       improvements are really many, starting from a better  hanling of
  263.       the  serial  port:  now  avery  character  that  arrives  to the
  264.       computer starts at  interrupt a  Modula-2 routine.   The running
  265.       clock isn't  any more  a TSR,  but a  normal Modula-2 procedure.
  266.       Besides now there is a complete line editor  for messages  to be
  267.       transmitted.
  268.  
  269.       The added features  are the  possibility to  adjust the computer
  270.       timer and the fact that  every received  frame is  reported with
  271.       the exact  arrival time.   This last  feature is  very useful to
  272.       analyze the  time distribution   of arrival   of frames   in the
  273.       receiving window.
  274.  
  275.       A detailed description of the  program I  will reserve  it for a
  276.       future paper if there will be interest in informatic techniques.
  277.  
  278.         But let's come back to the activities on the radio.
  279.  
  280.       Examinating the various possible reasons for  the poor reception
  281.       at  Alessandro's site  we considered  also a  defect on  the PSK
  282.       demodulator, so, during  a travel  to Milan  for QRL, Alessandro
  283.       took his TNC and Modem for a comparison with mine.
  284.  
  285.       Connecting the two modems to the same radio and supplying them
  286.       with weak signals showed that my modem was quite more sensible
  287.       than the Alessandro's one. A further analysis showed that just
  288.       the decider circuit was not working properly: the heart of the
  289.       demodulator.
  290.  
  291.         So we arrived to summer holidays and Perseids did pass
  292.       meanwhile Alessandro was sailing in Grece and I was swimming on
  293.       the Riviera. (but, you know, there is no pleasure with big
  294.       showers !)
  295.  
  296.         Respective businnes engagements did keep us far from meteors
  297.       until Sunday 22nd of October. It was the time of the Orionids, a
  298.       small shower that has the good idea of arriving at sunrise which
  299.       is also the time of maximum daily arrival of meteors. (3), (4)
  300.  
  301.         At 3 o'clock GMT we were already in the shack worming up the
  302.       equipment. One hour and one half later we started the
  303.       transmission with the usual procedure: 15 seconds window, I0VUQ
  304.       on the ODD window, I2KFX on the even one. Output frequency
  305.       144.160 MHz.
  306.  
  307.         At 4:48:04 I receive the first correct frame. The printer was
  308.       disabled for not awaking the family, but the file recording was
  309.       up and running.
  310.  
  311.       Here follows the first frames received by I0VUQ.
  312.  
  313.  
  314.              4 :40:55 Even I2KFX=>I0VUQ UI  1 <F0> 73 Alex
  315.  
  316.      And here is my first frame:
  317.  
  318.              4:48:4 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> r73alex
  319.  
  320.       At 8:24:11 GMT I receive the last frame after  1450 others, when
  321.       the  transformer of  my linear  amplifier decided   to surrender
  322.       shortcircuiting the plate secondary with the screen grid one.
  323.  
  324.       The QSO was done !!  But what was different from previous trials
  325.       ?  By sure on Sunday morning the noise produced by  Rome is much
  326.       lower than in working days, besides the Alessandro's demodulator
  327.       had been revised.  Furthermore the time  was at  sunrise.  Later
  328.       tests will confirm these suppositions.
  329.  
  330.       Just as axample here are the receved frames during a nice burst:
  331.  
  332.        5:6:37 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  333.        5:6:37 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  334.        5:6:37 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  335.        5:6:37 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  336.        5:6:38 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  337.        5:6:38 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  338.        5:6:38 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  339.        5:6:39 Odd  I0VUQ=>I2KFX UI  1 <F0> tnx fer"bel qso"
  340.  
  341.        Please,  note the  distribution of  frames in  the second: four
  342.       frames in the 37°  and three  in the  38° when  were transmitted
  343.       about 6 frames per second.  This shows how the  mode can exploit
  344.       very short openings.
  345.  
  346.  
  347.       Hoping of having attracted  your interest  on this communication
  348.       technique I invite all Meteorscatters to try.
  349.  
  350.         Remaining QRV for any help many 73 de I2KFX and I0VUQ
  351.  
  352.         Pino Zollo I2KFX
  353.         Via Negrelli,21
  354.         20052 Monza
  355.         ITALY
  356.         tel. xx39.39.833431
  357.         E-Mail i2kfx@vnet.ibm.com
  358.                i2kfx @ ik2xkb.ilom.ita.eu
  359.  
  360.      (1) Meteor-Burst communication bounce signals between remote
  361.          sites.
  362.          W.E. Day     Electronics  29 Dec. 1982
  363.  
  364.      (2) Communicating Via Meteor Burst at Short Ranges.
  365.          J.A. Weitzen IEEE Trans. on Comm. N. 11 Nov. 87
  366.  
  367.      (3) An Analysis of Meteor Burs Communications for Military
  368.          Applications.
  369.          J.O. Oetting  IEEE Trans. on Comm. N. 9 Sept. 80
  370.  
  371.      (4) Radio Propagation by Reflection from Meteor Trails.
  372.          G.R. Sugar   Procedings of the IEEE  vol.52 Feb. 64
  373.