HAM大学:利用业余无线电建立一个远程数据网络

HAM大学:利用业余无线电建立一个远程数据网络

业余无线电爱好者F4HDK使用易于装配的硬件,通过IPv4向300公里外发送数据,下面来看看他是怎么做到的吧。

数据链路可以在中程UHF波段工作,但为了获得最佳效果,需要使用定向天线。

HAM大学:利用业余无线电建立一个远程数据网络

我(F4HDK)作为一名爱好者和制作者已经有15个年头了。我(F4HDK)喜欢发明和钻研一些低级的东西。2013年,我(F4HDK)研究了一项名为的协议,该协议用于通过业余无线电链路建立数据网络。NBP是在2000年代发展起来的,它可能会取代古老的,后者自1980年代中期以来一直用于数字链接。我相信可以用现代的设计来创建一个更好的协议,它将更容易使用,是一种更为廉价的物理实现。

我花了6年的时间,但是结果就是做出来了一个新的分组无线电(NPR),然后我选择使用我的呼号F4HDK作为笔名来发表。它支持现在的通信通用标准–因特网的IPv4,并支持在通用的70cm UHF业余无线电频段上500kb/s的速度传输数据。

诚然,500kb/s的传输速度不如流经业余网络(如欧洲Hamnet或美国AREDN)的每秒兆比特的速度快,后者使用的频率和Wi-Fi一样是千兆赫。但它仍然比AX.25链路通常使用的1.2kb/s要快,而且70厘米的带宽允许长距离链路–即使是有障碍物阻止视线的传输。

一开始,我考虑为上行和下行链路连接使用不同的频段:下行链路连接将使用最初为数字卫星电视开发的DVB-S标准。上行链路将使用FSK(移频键控)的变化来编码数据。但是,同步上行链路和下行链路所涉及的复杂性太高。然后,我试着用一个带有现场可编程门阵列(FPGA)的软件定义无线电。我有一些FPGA的经验,因为在以前的一个项目中,我使用Altera Cyclone 4 FPGA实现了一个完整的自定义CPU。我们的目标是用FPGA来完成所有的调制和解调,但是同样的方法太复杂了。我几乎浪费了两年时间陷入了一个死胡同。

调制解调器主要是一个附加在无线电收发信机上的微控制器

HAM大学:利用业余无线电建立一个远程数据网络

然后,在那些“为什么我没有想到”的早期时刻之一,我转向了ISM(工业、科学和医学)芯片。这些收发信机被设计用来在窄带中工作,这些频带最初被分配用于非通信目的,例如RF加热。但是,ISM波段在通信中也很流行,因为使用它不需要执照。在非洲、欧洲和北亚,在70厘米的无线电频段内有一个ISM频段,频率为434MHz,所以商用的ISM芯片可以用于这个频率

为DMR无线电链路设计的放大器将信号放大到所需的电平

HAM大学:利用业余无线电建立一个远程数据网络

收发信机是围绕着工作在434MHz的Si 4463 ISM芯片的屏蔽模块

HAM大学:利用业余无线电建立一个远程数据网络

我选择了以Si 4463[PDF]ISM收发信机为基础来构建我的硬件:它便宜、灵活,可以在许多模块和突破板上使用,它可以处理每秒1兆字节的原始数据速率。它是为短程应用而设计的,因此芯片的无线电部分不是最优的,但它可以工作。为了达到合理的距离,你需要一个放大器来提供更多的RF功率。在我的NPR计划中,我需要一个放大器,它可以在发射和接收之间快速切换。

我发现了一些可用的外部20W放大器,用于为欧洲开发的数字移动无线电(DMR)标准设计的手持台,该标准于2005年获得批准。在DMR标准中,无线电设备必须能够在60ms内处理完整的发送/接收周期。我为NPR设定了一个80ms的最短循环周期。

ISM收发信机连接到使用ARM Cortex CPU的Med Nucleo STM 32 L432KC微控制器上。

HAM大学:利用业余无线电建立一个远程数据网络

这个微控制器依次连接到一个以太网接口,它负责运行NPR协议的所有细节。任何连接的PC或网络都将无线链路看作是另一个IPv4连接,不需要安装特定的NPR软件。可以通过此链接或通过USB连接配置NPR调制解调器。该硬件的总成本约为80美元

NPR调制解调器可以通过这个链接配置,也可以通过USB连接配置。硬件的总成本约为80美元,可在Funtronics在线购买组件。如果你想从头开始构建一个调制解调器,详细说明和NPR协议软件可以从我的获得。

NPR协议基于轴与辐条模式,其中中央调制解调器链接几个客户端调制解调器。目前可以有多达7个调制解调器,虽然我计划扩大到15个。理论上,客户端调制解调器与中央调制解调器之间的最大距离为300公里。这是因为NPR使用时分多址[TDMA]技术,中央调制解调器和客户端各自以相同的频率但在不同的时间进行传输,中心调制解调器指示每个客户端何时可以发送,并对调度进行调整,以考虑到由于距离而造成的时间延迟。完整的发送/接收周期在80ms到200ms之间,具体取决于所选择的调制类型和数据速率。

NPR协议的创建对我来说是一个非常有趣的项目:决定如何在无线电帧中分组和安排数据,以及NPR调制解调器应该如何相互交互。但又过了两年,是时候停止独自工作了,所以我和法国当地的业余无线电社区分享了NPR。到2018年底,我们开始在现实环境中进行测试。我们已经达到了80公里的距离,我现在得到了全球业余社区的帮助,特别是在德国。目前,NPR主要用于访问现有的本地高速业余无线电网络,这些地方无法获得2.4GHz和5.6GHz信号所需的视线无线电链路。

虽然它是可用的,但我首先要承认,NPR是一项年轻的技术,可能还不完全成熟。除了增加中央调制解调器可以支持的客户端数量之外,我还考虑了一些增强功能,比如增加对QoS(服务质量)优先级的支持,以便NPR可以用来传输数字语音;允许直接传输以太网帧;并区分上行和下行链路频率。

这篇文章将发表在2019年11月的印刷版《利用业余无线电建立一个远程数据网络》上。