Feld-Hell-Minisender für Bakenbetrieb und editierbare Textaussendungen
im Frequenzbereich von Längstwelle bis zum 2m-Band.

In Bearbeitung
Stand: 15. November 2019

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Abb.1  Musteraufbau des FELD-HELL-Minisenders

Es hat bei mir mehrere Jahrzehnte gebraucht, bis ich auf die Idee kam, mich einmal mit dem am meisten verbreiteten HELLSCHREIBER-Modus zu beschäftigen. Ausschlaggebend hierfür dürfte letztendlich eine im Internet gefundene ARDUINO-Software ( oftmals wird hierfür auch der Begriff "SKETCH" benutzt ) gewesen sein , die den Aufbau entsprechender Sendebaken mit wenig Aufwand erlaubte. Auf der Hardwareseite werden als Hauptbestandteile lediglich ein Arduino-Mikrocontrollerboard mit ATMEL328P-Prozessor und ein Senderbaustein mit Si5351-Chip benötigt. Bei dem von mir realisierten Exemplar wurden ein ARDUINO "Pro-Mini" in der 5V-Version und ein Si5351-Breakout-Board von QRP-LABS [12] verwendet. Abb.2 zeigt das zugehörige Schaltbild, wobei der dort ebenfalls noch erkennbare Bluetooth-Baustein "HC-06" nur erforderlich ist, wenn neben einfachem Bakenbetrieb auch die Möglichkeit zum Aussenden von aussen zugeführter frei editierbarer serieller Textstrings möglich sein soll. Näheres hierzu wird aber weiter unten noch zu beschreiben sein.


Abb,2  Schaltbild der Anordnung zum Aussenden von FELD-HELL-Signalen ( mögl. Frequenzbereich: ca. 10 KHz-225 MHz )

Das ursprüngliche Programm [1] stammte u.a. von Jason Milldrum, NT6S, Mark Vandewettering, K6HX und Robert Liesenfeld, AK6L, brachte aber bei meinen ersten Kompilierversuchen erst einmal nur jede Menge Fehlermeldungen. Verursacht wurden sie offenbar durch Änderungen, die Jason unlängst an seiner Si5351-Library vorgenommen hatte. Durch Anpassung einiger Befehlszeilen liess sich das Problem allerdings relativ schnell beheben. Als Vorteil der neuen Library-Version ist dabei zu werten, dass jetzt auch mit Si5351-Taktfrequenzen gearbeitet werden kann, die vom ursprünglich ausschliesslich unterstützten Standardwert 25 MHz abweichen. So wurde dadurch z.B. eine problemlose Programmanpassung an die bei den QRP-LABS-Bausteinen verwendeten 27 MHz-Quarze möglich.
Eine weitere Programmänderung betrifft den Variablentyp "long", der durch "uint64_t" ersetzt wurde und damit Si5351-Ausgangsfrequenzen von 200 MHz und mehr erlaubt.

Das Ursprungsprogramm sah lediglich einen einfachen Bakenmodus mit EINER darin abgelegten Ausgabezeichenfolge und festen Pausenintervallen vor. Erweitert wurde dieser Sketch jetzt durch eine Version, die eine Anwahlmöglichkeit zwischen vier unterschiedlichen Betriebszuständen erlaubt. Im Einzelnen sind das:

MODE
PORT #8
Schalter S3
PORT #9
Schalter S4
FUNKTION
1
H
H
  Dauerträger
2
L
H
Hell-Bakenbetrieb mit Text 1
 z.B: "TEST DE DJ7OO JN49CX"
3
H
L
Hell-Bakenbetrieb mit Text 2
z.B: "CQ CQ DE DJ7OO JN49CX"
 4
L
L
Hell-Ausgabe von via RxI seriell
eintreffenden Textstrings
Tabelle 1
 WICHTIG: fuer Bakentexte nur GROSSBUCHSTABEN verwenden
 
Zur Übertragung frei konfigurierbarer serieller Texte ist ein Bluetoothmodul "HC-06" vorgesehen. Bei Nutzung der vorgesehenen Datenrate von 9600bps kann es in seiner Lieferkonfiguration ( default ) betrieben werden. Die Texteingabe kann dabei über einen PC oder ein Smartphone mit dort installiertem Terminalprogramm erfolgen. Hierfür war vorher auch einmalig eine Bluetoothkopplung ( Paarung ) mit dem HC-06-Modul durchzuführen.
Wichtig bei der Erstellung auszugebender Texte ist, dass Buchstaben an dieser Stelle nur im GROSSFORMAT eingegeben werden und der Abschluss mit jeweils einem "CR-Zeichen" ( carriage return ) bzw. "\n" zu erfolgen hat. Bei allen mir bekannten Terminalprogrammen ist das jedoch vorwählbar und danach automatisch ausführbar.

Der Minisender arbeitet im Feld-Hell-Modus ( nur Modi 2-4 ), was Amplitudenmodulation bei belegten Bandbreiten um 250 Hz bedeutet und auf der Empfangsseite üblicherweise in einer der auch für SSB-Empfang benutzten Einstellungen aufgenommen werden kann. Zur Decodierung von Feld-Hell-Signalen ist die Abstimmung auf Tonausgaben im Bereich um 1500 Hz einzustellen. Eine kurze MP3-Hörprobe kann hier [9] aufgerufen werden.

NACHBAU UND INBETRIEBNAHME

Beim Nachbau sind nur wenige Besonderheiten zu beachten. Der Umgang mit Arduino-Boards, Einbindung von Libraries und den Prozeduren zum Hochladen von Programmen wird hier als bekannt vorausgesetzt.
Die zum beschriebenen Projekt erstellten Sketches sind hier [10] herunterladbar. Neben einer Standardversion für das 20m-Band ist darunter auch eine Version verfügbar, bei der man über Schalter S2 ( Port #7 ) zwischen Frequenzausgaben auf zwei unterschiedlichen Frequenzen ( im Beispiel im 2m- und im 20m-Band ) wählen kann.
Versuchsweise wurde auch noch eine Variante zur Ausgabe von Wetterdaten im FELD-HELL-Mode erstellt ( siehe Abb.6 ). Hierbei ist parallel zum Si5351 noch ein BME280-Modul [15] anzuschliessen, welches dabei ebenfalls via I2C-Bus gesteuert wird. Der Mustesketch sieht derzeit nur Einkanalbetrieb im 20m-Band vor, wobei das natürlich auf die Bedürfnisse des Anwenders anpassbar ist.
Zur Vereinfachung des Nachbaus wurde ein Platinenlayout gem. Abb.3 entworfen, wobei Dirk Ruffing, DH4YM [2] freundlicherweise den Platinenvertrieb übernommen hat.
Dort sind sie unter der Bezeichnung "DJ7OO_ENC 11_19.lay6" verfügbar. Nach Anfrage versende ich die entsprechende Lay6-Datei aber auch gern via E-Mail. In Einzelfällen bin ich auch bereit, bereitgestellte ARDUINO Pro-Mini ( 5V-Version ) zu programmieren.


Abb.3   passendes Platinenlayout  "DJ7OO_ENC 11_19.lay6"

Wichtig: Während des Programm-Hochladens ist die Verbindung zwischen dem seriellen Ausgang des "HC-06" ( TxD ) und dem UART-Eingang ( RxD ) zeitweilig aufzutrennen. Hierfür sind auf der Platine zwei benachbarte Lötinseln in der Verbindungsleitung vorgesehen. Bei "JP4" erlauben sie ein schnelles Öffnen und Schliessen der entsprechenden Verbindung.

Aus Gründen der Universalität erlaubt das Platinenlayout eine wahlweise Nutzbarkeit aller drei vorhandenen Si5351-Signalausgänge. Bei vorliegender Anwendung wird nur der Ausgang "CLK0" verwendet, so dass dazu die Brücke bei "JP1" zu schliessen ist.
Nachdem sie abhängig von der jeweils benutzten Betriebsfrequenz erfolgen muss, wurde die Dimensionierung und Bestückbarkeit eines Tiefpassfilters weitgehend offen gehalten. Vorgesehen ist an dieser Stelle auch die Verwendung von z.B. Filtern aus der LFCN-Serie von Fa. MCL.

Unschön sind die Abweichungen von gewünschten Frequenzsollwerten, wie sie sich für die Ausgangssignale bei Einsatz der Si5351-Synthesizerbausteine ergeben. Ursache hierfür sind Ungenauigkeiten bei den verbauten Referenzquarzen, deren Qualität nur standardmässig ist. Abhilfe können hierbei aber Korrekturwerte schaffen, die sich dazu im Programmcode ablegen lassen. Zu ihrer Ermittlung gibt es vielleicht elegantere Methoden, aber bei mir wurden sie nur jeweils empirisch  ( sprich: durch Probieren und Annähern! ) ermittelt. Ihrer Ablage dient dabei die Variable "cal". Zur einfacheren Ermittlung der benötigten
Werte kann es hilfreich sein, zeitweise die Betriebseinstellung: "Dauerträger" zu verwenden.
Verständlicherweise verstärkt sich das Problem der Frequenzabweichungen mit zunehmender Ausgangsfrequenz. Im Bereich des 2m-Bandes bin ich dabei durchaus schon auf Abweichungen im Bereich um 50 KHz gekommen, was Korrekturwerte in der Größenordnung von 200000 und mehr ergab. Während positive Werte hierbei einen Versatz in Richtung niedrigerer Ausgangsfrequenzen bewirken, erreichte man mit negativen Werten einen Versatz in die umgekehrte Richtung.


ERWEITERUNGEN

Die mit dem Si5351 erzielbaren Ausgangsleistungen liegen in der Größenordnung von +10dBm (  =10mW ). Nachdem es sich hierbei um Rechtecksignale mit hohem Oberwellenanteil handelt, sollte Antennenbetrieb immer nur mit einem nachgeschalteten Tiefpassfilter ( LPF ) erfolgen, wobei dieses natürlich entsprechend der verwendeten Betriebsfrequenz zu dimensionieren ist. Angaben hierzu findet man z.B. unter [11]. Zur Leistungserhöhung lässt sich eine geeignete PA nachschalten, wobei das benötigte LPF dann an derem Ausgang anzuordnen ist.

TIPP: Interessante Anwendungen für den HELL-Mode ergeben sich auch in Verbindung mit dem neuen geostationären Satelliten "OSCAR-100"

FELD-HELL-SIGNALEMPFANG

Zur Nutzung in Verbindung mit PC's gibt es mehrere geeignete Programme, die nur- oder auch HELL-Funktionalität besitzen. Meine eigenen Erfahrungen beschränken sich dabei allerdings auf "FlDigi" und das Programm von Nino, IZ8BLY [3], welches ausschliesslich verschiedene HELL-Betriebsarten unterstützt. Für den Signalempfang im  FELD-HELL-Mode werden üblicherweise Tonsignale im Bereich um 1500Hz ausgewertet.


Abb.4   Darstellung im Windows-Programm nach IZ8BLY

Besonders auch im mobilen Einsatz ist die Verwendung des HELL-Modes in Verbindung mit den inzwischen weit verbreiteten Smartphones interessant. Bei der Suche nach geeigneten APP's bin ich allerdings auf nur je ein Programm für IOS- [4] und ANDROID-Nutzung [5] gestossen. Während ich über die APPLE-Variante nichts sagen kann, konnte die ANDROID-Version auf mehreren Geräten installiert und praktisch getestet werden. Dabei musste ich allerdings feststellen, dass sie offenbar nur in Verbindung mit Geräten lauffähig war, die ältere Versionen ( bis V5 ? ) des ANDROID-Betriebssystems verwendeten. Ein bekannter OM kam bei seinen Versuchen zu den gleichen Resultaten. Das ist umso bedauerlicher, als es sich hierbei um einen Encoder/Decoder [5] ohne viel Schnickschnack, aber m.E. erstaunlich gut funktionierende Decodierfunktionen handelt ( Abb.5 ). Gute Decodierungen gelingen selbst bei lediglich akustischer Kopplung zwischen RX-Lautsprecher und Smartphone-Mikrofon und das in einem weitgehend unkritschen Frequenzbereich hinsichtlich der Eingangstöne. Eventuell lohnt es sich also, bereits ausrangierte ältere ANDROID-Smartphones noch einmal daraufhin zu untersuchen, ob sie nicht zumindest für genannte Anwendung noch zu gebrauchen sind.


Abb.5  FELD-HELL-Signal Screenprint von ANDROID-Smartphone

Nicht unerwähnt bleiben soll die Nutzbarkeit erwähnter ARDUINO-HELL-APP auch für Sendezwecke in Verbindung mit z.B. SSB-Sendern. Gewünschte auszugebende Zeichenfolgen  lassen sich dabei mithilfe der virtuellen Tastatur in die Kopfzeile des Displays vorschreiben ( siehe Abb.5 ). Durch Betätigung der rechts oben angeordneten ( virtuellen ) Taste lassen sich diese anschliessend als modulierte 1500 Hz-Signale ( Frequenz bei Bedarf auch veränderbar ) im FELD-HELL-Modus ausgeben. Eine aufrufbare MAKRO-Funktion erlaubt bei Bedarf zudem ein Abspeichern häufig benutzter Zeichenfolgen.

Im Internet hatte ich auch das von PY2OHH stammende Selbstbauprojekt für einen einfachen Hell-Decoder auf Arduino-Basis mit TFT-Display gefunden [8], wurde damit aber wegen unzureichender Decodierergebnisse nicht glücklich.


Abb.6  Beispiel für Empfang von Wetterdaten
( CALL, LOCATOR, TEMPERATUR, LUFTDRUCK, HÖHE ).


Abb.7  Unter diesem Namen  gab es Hellschreibergeräte auch schon im WW2.
Geschätzt wurde die Robustheit der Übertragung ( besonders auch im Vergleich zu RTTY ). 

Erfunden wurde das Übertragungsprinzip bereits im Jahre 1929 von dem Kieler Ingenieur Rudolf Hell.

Viele nützliche Infos zum Thema sind u.a. auch auf den folgenden Seiten zu finden:  [6], [7], [13], [14]

 LINKLISTE

[1]  http://appnotes.etherkit.com/2015/08/arduino-feld-hell-beacon-on-the-si5351a-breakout-board/
[2]  https://www.dh4ym.de/
[3]  http://antoninoporcino.xoom.it/Hell/
[4]  https://apps.apple.com/de/developer/black-cat-systems/id301047032#see-all/i-phonei-pad-apps
[5]  https://apkpure.com/de/hellschreiber-feld-hell-rx-tx/feld.hell
[6] 
https://www.nonstopsystems.com/radio/hellschreiber-software.htm
[7]  http://www.banburyares.co.uk/TechGroup/Arduino/HELLSCHEIBER.pdf
[8]  https://www.qsl.net/py2ohh/trx/feldhell/feldhell.html
[9]  http://www.kh-gps.de/HELL_LOG.mp3
[10] http://www.kh-gps.de/Hellschreiber.zip
[11]
https://www.qrp-labs.com/images/lpfkit/gqrplpf.pdf
[12 https://www.qrp-labs.com/synth.html
[13] https://www.nonstopsystems.com/radio/pdf-hell/article-hell-einstieg.pdf
[14] https://www.nonstopsystems.com/radio/pdf-hell/article-digi-betriebsarten.pdf  ( S.44-50 )
[15]
https://shop.watterott.com/BME280-Breakout-Luftfeuchtigkeits-Druck-Temperatursensor

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