WSPR Nedir? Nasıl Çalışır?

Bu içeriğimizde, WSPR Nedir? sorusuna derinlemesine bir mühendislik perspektifiyle cevap arıyoruz. Amatör telsizciliğe ve radyo frekansı (RF) haberleşmesine ilgi duyan takipçilerimiz için hazırladığımız bu teknik makalede, zayıf sinyal yayılımı tespiti ve haberleşmesinde devrim yaratan WSPR protokolünü, matematiksel temellerini, veri kodlama şemasını ve çalışma prensiplerini ele alıyoruz.

WSPR veya uzun adıyla “Weak Signal Propagation Reporter” (Zayıf Sinyal Yayılım Raporlayıcısı – telaffuz olarak “Whisper” yani fısıltı), amatör radyo istasyonları arasında son derece zayıf sinyallerle küresel RF yayılım yollarını test etmek ve analiz etmek amacıyla kullanılan özel bir dijital iletişim protokolüdür.

Klasik ses (SSB) veya hızlı dijital (FT8, RTTY) modlardan farklı olarak WSPR, istasyonların dünya çapında kurulu düşük güçlü işaretçi (beacon) ağlarına katılarak gerçek zamanlı yayılım (propagation) haritaları çıkarmasını sağlar. Bir WSPR alıcı-vericisi (transceiver), aldığı sinyallerin sinyal-gürültü oranını (SNR), frekans kaymasını (drift) ve zamanlamasını analiz ederek merkezi bir veri tabanına (WSPRnet) yükler. Böylece, iyonosferin anlık yansıtma durumu ve küresel radyo dalgası yolları milisaniyelik hassasiyetle haritalandırılır.

WSPR, astrofiizikçi ve Nobel Fizik Ödülü sahibi Princeton Profesörü Joe Taylor (K1JT) tarafından 2008 yılında geliştirilmiştir. Joe Taylor, dijital zayıf sinyal haberleşmesinde çığır açan WSJT (Weak Signal Joe Taylor) yazılım ailesinin de kurucusudur. WSPR, açık kaynaklı yapısı sayesinde dünya genelindeki amatör telsizciler ve RF mühendisleri tarafından sürekli optimize edilmekte ve geliştirilmektedir.

Protokol, temelinde MEPT-JT (Manned Experimental Propagation Transmitter – Joe Taylor) modülasyon şemasını barındırır. Birçok ülkede yasal amatör telsizcilik regülasyonları gereği, tamamen otonom çalışan istasyonların kontrol operatörü denetiminde (manned) bulunması zorunlu olduğundan, WSPR yazılımı otomatik döngülerle çalışsa dahi istasyonun fiziksel veya uzaktan canlı denetim altında olması yasal bir gerekliliktir.

Yazı İçeriği

WSPR Nedir: Modülasyonu ve Matematiksel Temelleri: 4-FSK

WSPR, dar bant genişliğinde maksimum verim ve gürültü bağışıklığı elde etmek için 4-FSK (4-Frequency Shift Keying / 4 Frekans Kaydırmalı Anahtarlama) modülasyon tekniğini kullanır. Sürekli zaman ortamındaki WSPR RF sinyali matematiksel olarak şu şekilde ifade edilir:

$s(t) = A \cos \left( 2\pi (f_c + \Delta f_i) t + \phi_0 \right)$

Burada $A$ sinyalin genliğini, $f_c$ seçilen RF bandındaki taşıyıcı frekansını, $\phi_0$ başlangıç fazını ve $\Delta f_i$ ise iletilen sembole bağlı frekans kaymasını temsil eder. 4-FSK modülasyonunda 4 farklı sembol ( $i \in \{0, 1, 2, 3\}$ ) tanımlıdır. Her bir sembol arasındaki frekans farkı (tone spacing) son derece küçüktür:

$\Delta f_s = \frac{12000}{8192} \approx 1.4648 \text{ Hz}$

Sembolün iletim süresi (baud periyodu), frekans farkının tam tersidir:

$T_s = \frac{1}{\Delta f_s} \approx 0.6827 \text{ saniye}$

Bu düşük sembol hızı, WSPR sinyalinin baud oranını (symbol rate) tanımlar:

$R = \frac{1}{T_s} \approx 1.4648 \text{ baud}$

4 farklı tonun oluşturduğu toplam etkin bant genişliği (bandwidth) ise sadece yaklaşık $5.86 \text{ Hz}$ (yaklaşık $6 \text{ Hz}$ ) düzeyindedir. Bu dar bant genişliği sayesinde, normalde $200 \text{ Hz}$ genişliğindeki tek bir standart SSB ses bandı diliminde, birbirine girişim yapmadan aynı anda onlarca WSPR istasyonu eş zamanlı olarak çalışabilmektedir.

Shannon-Hartley Teoremi ve Zayıf Sinyal Kazancı

WSPR’nin asıl gücü, termal gürültü tabanının çok altında kalan sinyalleri dahi çözebilmesinden gelir. Shannon-Hartley teoremine göre kanal kapasitesi $C$ şu şekildedir:

$C = B \log_2 \left( 1 + \text{SNR} \right)$

Burada $B$ kanal bant genişliğini ifade eder. WSPR, veri iletim hızını (kanal kapasitesi talebini) son derece düşürerek bant genişliğini $6 \text{ Hz}$ gibi mikroskobik düzeylere çeker. Standardize edilmiş ses haberleşmesi referans gürültü bant genişliği ( $B_{\text{ref}} = 2500 \text{ Hz}$ ) ile kıyaslandığında, WSPR’nin dar bant filtreleme yoluyla elde ettiği teorik SNR kazancı (bant genişliği daraltma kazancı) şu formülle hesaplanır:

$G_{\text{SNR}} = 10 \log_{10} \left( \frac{B_{\text{ref}}}{B_{\text{WSPR}}} \right) = 10 \log_{10} \left( \frac{2500}{5.86} \right) \approx 26.3 \text{ dB}$

Bu muazzam matematiksel kazanç sayesinde WSPR kod çözücü algoritması, referans ses bandında $-28 \text{ dB}$ SNR değerine sahip, yani insan kulağının duymasının veya klasik telsiz cihazlarının algılamasının imkansız olduğu, gürültünün $600$ katından daha zayıf sinyalleri bile hatasız bir şekilde deşifre edebilir.

WSPR Kaynak Kodlaması ve İleri Hata Düzeltme (FEC) Protokolü

WSPR vericisi, her iletim periyodunda sabit uzunlukta ve sıkıştırılmış bir veri paketi gönderir. Bu paket şu üç kritik parametreyi içerir:

Çağrı İşareti (Callsign): Maksimum 6 karakterden oluşan telsiz çağrı adı (Örn: TA2LSE). Matematiksel olarak sıkıştırılarak $28 \text{ bit}$ içine sığdırılır.
Maidenhead Konumlandırıcı (Locator): Enlem ve boylamı ifade eden 4 karakterli coğrafi bölge kodu (Örn: KN41). $15 \text{ bit}$ içine kodlanır.
İletim Gücü (Power): dBm cinsinden çıkış gücü ( $0 \text{ ile } 60 \text{ dBm}$ arası). $7 \text{ bit}$ içine sığdırılır.

Bu üç verinin birleşimiyle toplam kaynak veri uzunluğu tam olarak $50 \text{ bit}$ elde edilir:

$\text{Payload} = 28 \text{ bit} (\text{Callsign}) + 15 \text{ bit} (\text{Locator}) + 7 \text{ bit} (\text{Power}) = 50 \text{ bit}$

İyonosferdeki sönümlenmeler (fading), faz kaymaları ve statik atmosferik gürültüler altında bu 50 bitin korunması için İleri Hata Düzeltme (FEC – Forward Error Correction) uygulanır. WSPR, son derece güçlü bir konvolüsyonel kodlama (convolutional coding) mimarisi kullanır:

Kısıt Uzunluğu (Constraint Length): $K = 32$
Kodlama Oranı (Code Rate): $r = 1/2$
Üreteç Polinomları (Generator Polynomials): $G_1 = 0\text{xF2C75451}$ ve $G_2 = 0\text{xE5B7ED2B}$

Konvolüsyonel kodlamanın doğası gereği, kodlayıcının durum hafızasını sıfırlamak için veri sonuna $K - 1 = 31$ bit sıfır kuyruk biti (tail bits) eklenir. Böylece toplam sembol sayısı şu şekilde belirlenir:

$\text{Sembol Sayısı} = (\text{Payload} + K - 1) \times \frac{1}{r} = (50 + 31) \times 2 = 162 \text{ kanal sembolü}$

Bu 162 kanal sembolü, ani sinyal kesilmelerine (burst errors) karşı direnç sağlaması amacıyla matris tabanlı bir bit serpiştirici (bit interleaver) algoritmasından geçirilir. Ardından, alıcının frekans kaymalarını algılayıp zaman senkronizasyonu kurabilmesi için bu 162 bite, $162 \text{ bit}$ uzunluğunda pseudo-random (yalancı rastgele) bir senkronizasyon vektörü eklenir. Sonuç olarak elde edilen semboller, 4-FSK formatında RF ortamına aktarılır.

Her bir WSPR iletimi tam olarak $110.6$ saniye sürer ve çift sayılı her dakikanın 1. saniyesinde başlar:

$T_{\text{toplam}} = 162 \text{ sembol} \times 0.6827 \text{ s/sembol} \approx 110.6 \text{ saniye}$

Tek Kart Bilgisayarlar için WSPR Kiti — Tek Kart Bilgisayarlar (SBC) için WSPR Kiti

WSPR Kurulumunda ve İşletiminde Kritik Kontrol Adımları

WSPR istasyonlarının düzgün çalışması ve iyonosferik ölçümlerin doğruluğu için kurulum aşamasında aşağıdaki teknik parametrelere hassasiyetle dikkat edilmelidir:

Milisaniyelik Zaman Senkronizasyonu (NTP/GPS): WSPR alıcı ve vericileri senkronize çalışır. Çift dakikanın başlangıcındaki kayma $\pm 1$ saniyeyi aşarsa sinyallerin çözülmesi imkansız hale gelir. Bilgisayar veya tek kart bilgisayarınızda NTP (Network Time Protocol) veya aktif GPSPPS tabanlı zaman senkronizasyonu mutlaka kurulmalıdır.
Bant Planı Uyumluluğu: WSPR sinyalleri her amatör bandın (Örn: 20m bandında $14.0956 \text{ MHz}$ dial frekansı, $14.0970 \text{ - } 14.0972 \text{ MHz}$ USB aralığı) son derece dar bir diliminde yer alır. Yanlış bant ve frekans seçimi, hem yayılım verilerinin analiz edilememesine hem de diğer dijital haberleşme modlarıyla çakışmaya yol açar.
Çıkış Gücü (QRP ve QRPp): WSPR zayıf sinyalleri analiz etmek için tasarlanmıştır. Güç parametresinin yazılımda dBm cinsinden tam olarak doğru girilmesi gerekir (Örn: $20\text{ dBm} = 100\text{ mW}$ , $30\text{ dBm} = 1\text{ W}$ , $37\text{ dBm} = 5\text{ W}$ ). Gereksiz yüksek güç kullanımı ( $>5\text{ W}$ ), iyonosferik yayılım analiz mantığına aykırıdır ve yerel alıcıları kör edebilir.
Gerçek Zamanlı Spot Analizi: Yayına başladıktan sonra, RF donanımının empedans uyumunu (SWR oranı) ve anteninizin verimliliğini doğrulamak için WSPRnet haritası üzerinden çağrı işaretinize dönen anlık raporları izleyerek sinyal kalitenizi test edin.

Bu makaleden sonra, tek kart bilgisayarlarla donanımsal düzeyde pratik yapmak isterseniz Raspberry Pi ile WSPR Beacon (İşaretçi) başlıklı rehberimizi inceleyebilir ve kendi zayıf sinyal vericinizi hemen kurabilirsiniz.

Yorum yapma özelliği, forum tarafından gelen istek sebebiyle kapatılmıştır. Lütfen tartışmalar ve sorularınız için topluluk forumumuza katılın.

WSPR Nedir: Modülasyonu ve Matematiksel Temelleri: 4-FSK

Shannon-Hartley Teoremi ve Zayıf Sinyal Kazancı

WSPR Kaynak Kodlaması ve İleri Hata Düzeltme (FEC) Protokolü

WSPR Kurulumunda ve İşletiminde Kritik Kontrol Adımları

İlgili Yazılar

Emniyet Kemeri Nedir?

WAAS Geniş Alan Güçlendirme Sistemi Nedir?

UART Nedir?

IPTV Nedir? Nasıl Çalışır? IPTV Yasal mıdır?

Metaverse Nedir?