RasPager und RasPager Digi
Dipl.-Ing. Christian Jansen DF6EF und Dipl.-Ing. Ralf Wilke DH3WRInstitute of High Frequency Technology, RWTH Aachen University, Melatener Str. 25, 52074 AachenFür Bezugsquellen hier klicken
Einleitung
Die Abdeckung durch Funkrufsender in Deutschland ist nach einem Aufschwung im letzten Jahrzehnt immer noch stark lückenhaft. Grund dafür ist unter anderem die mangelhafte Verfügbarkeit an Sendern, welche das POCSAG Signal ausstrahlen können. Auf der UKW-Tagung 2012 wurde ein Funkrufsender basierend auf Software Defined Radio vorgestellt [1]. Dieser ermöglichte mittels eines Java-Programms, eines Computers mit Soundkarte und eines Funkgerätes einen Funkrufsender aufzubauen. Von dieser Art der Sender wurden mittlerweile einige an verschiedenen Standorten in der Republik in Betrieb genommen. Dennoch ist weiterhin ein 9k6-fähiges Funkgerät sowie Interface-Kabel von Nöten. Der in diesem Paper beschrieben Funkrufsender beinhaltet bereits den Sender sowie einen Raspberry Pi, mit dessen Hilfe die Einbindung des Senders über Hamnet oder Internet in das Verwaltungsnetz möglich ist. Es wird eine Variante für In-House-Betrieb mit kleiner Leistung sowie eine Funkturm-taugliche Lösung im professionellen 19 Zoll Gehäuse vorgestellt. Diese Entwicklung entstand im Rahmen einer Diplomarbeit von Christian Jansen unter Betreuung von Ralf Wilke am Institut für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen Universtiy.
Übersicht des Aufbaus
Der Funkrufsender besteht aus drei Teilen. Ein Raspberry Pi Computer sorgt für die Kommunikation über TCP/IP mit dem Funkrufmaster. Dieser ist ein zentraler Server, welcher die Benutzereingaben zum Versenden von Funkrufen entgegennimmt, ein Warteschlagensystem betreibt und die Funkrufe an alle weiteren Master des Funkruf-Netzes verteilt. Ebenso versorgt der Funkrufmaster die Sender mit Informationen zu den gewünschten Aussendungen. Die hier vorgestellte Lösung verhält sich auf der Netzwerk-Seite wie die etablierten Funkruf-Sender auf Basis des RPC von Adacom. Damit ist diese Software kompatibel und in der bestehenden Server-Infrastruktur lauffähig. Als Sender wird ein ADF7012 verwendet. Dieser stellt einen frequenzvariablen Sender da, der nur geringe externe Beschaltung zur Funktion benötigt. Abbildung 1 zeigt den schematischen Aufbau.
Abbildung 1: Übersicht des Aufbaus
In dieser Variante liefert der Sender ca. 10 mW Ausgangsleistung auf der Funkruf-Frequenz 439,9875 MHz. In Verbindung mit einer kleinen Ansteck-Antenne reicht damit die Ausleuchtung für den Funkamateur zu Hause im beaufsichtigen Betrieb. Es kann also ein Funkruf-Hotspot mit dieser Konfiguration aufgebaut werden. In der Variante für den Einsatz auf Funktürmen folgt dem Sende-Chip eine Endstufe, welche mit aktiver Kühlung die Ausgangsleistung auf nominell 10 Watt erhöht. Bei Bedarf kann diese noch weiter angehoben werden, etwa um Verluste in den Speiseleitungen der Antenne auszugleichen. Hier ist die behördlich genehmigte EIRP nicht zu überschreiten.
Beschreibung des Senders
Ursprünglich war angedacht, den ADF7012 direkt mit der GPIO-Leiste des Raspberry Pi zu verbinden. Über diese Schnittstelle würde sowohl die Konfiguration des Sende-Chips, als auch die zu sendenden Daten übertragen werden. Bei der Entwicklung hat sich allerdings herausgestellt, dass der Raspberry Pi nicht dazu in der Lage ist, die Sendedaten in einem konstanten Takt über einen GPIO-Anschluss auszugeben. Das Betriebssystem belegt in unvorhersehbaren Abständen die CPU und erzeugt dadurch Aussetzer im Takt der zu sendenden Daten. Zur Lösung wurde ein ATMega-8 Mikrocontroller zwischen Raspberry Pi und ADF7012 implementiert, welcher als Buffer nach dem FIFO Prinzip arbeitet. Er nimmt die Sendedaten vom Raspberry Pi asynchron entgegen und schreibt sie in einen Ringbuffer. Mittels seines eigenen Taktgenerators werden die Daten dann mit einer konstanten Rate an den ADF7012 geschickt und ausgesendet. Abbildung 2 zeigt den Aufbau grafisch.
Abbildung 2: Blockschaltbild des RasPagers
Schaltung des Senders RasPager
Die äußere Beschaltung des ADF7012 ist recht einfach. Im Wesentlichen muss das PLL-Filter und das Ausgangsfilter des Senders dimensioniert und bestückt werden. Das Datenblatt des Chips gibt bereits Bauteilwerte für 433 MHz vor, welche an die Sendefrequenz von 439,9875 MHz angepasst wurden. Mittels einer Software des Chip-Herstellers kann das PLL-Filter entsprechen den Anforderungen des POCSAG Protokolls ausgelegt werden. Das Ausgangsfilter dient zur Unterdrückung von Oberwellen und zur Anpassung des Ausgangswiderstandes des Senders an die 50 Ohm Koplanar-Leitung. Diese endet auf einem SMA Stecker, an den eine Aufsteckantenne oder die optionale Endstufe angeschlossen werden kann.
Die Platine wurde als Aufsteck-Variante für den Raspberry Pi entworfen. Alle Datenleitungen und die Stromversorgung werden über die GPIO-Leiste des Computers im Scheckkartenformat realisiert. Bei Verwendung eines Gehäuses ist eine Öffnung für die SMA Buchse zu schaffen. Abbildung 3 zeigt ein Foto der bestückten Platinen und Abbildung 4 das Fertiggerät RasPager.
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| Abbildung 3: Foto der bestückten Platine | Abbildung 4: Fertiggerät RasPager |
Beschreibung der Software
Die alte Java-Software ist bereits überholt. Wir empfehlen die Verwendung von Unipager für die Anbindung an das DAPNET.
Für den ATMega gibt es auch eine neue Software. Es war in der Original-Version in Bug enthalten, der dafür sorgt, dass der Sender 1202 Baud statt 1200 Baud lieferte. Dieses ist nun behoben. Wer updaten möchte, kann sich https://github.com/dh3wr/RasPagerDigi/tree/master/software/AVR%20FIFO anschauen.
Variante für den Einsatz am Funkturm
Für den Einsatz als automatisch arbeitende Amateurfunkstelle werden meist Ausgangsleistungen im Bereich von 10 Watt benötigt. Daher wurde ebenfalls die Variante RasPager Digi entwickelt. Hierbei handelt es sich um einen professionellen 19 Zoll Einschub mit 1 Höheneinheit. Hier ist neben dem RasPager ein Leistungsverstärker-Modul eingebaut, welches die Ausgangsleistung des RasPagers anhebt. Die Kühlung des Moduls erfolgt aktiv über zwei Lüfter. Diese blasen einen Luftstrom von vorne nach hinten durch das Gehäuse an den Kühlrippen vorbei. Dadurch wird auch bei Dauerbetrieb und hohen Temperaturen in einem Geräteschrank die Betriebssicherheit nicht gefährdet. Abbildung 6 zeigt ein Foto des geöffneten Gehäuses. Die nominelle Betriebsspannung ist 12 Volt.
Abbildung 6: Fotos des RasPager Digi in 19 Zoll Technik
Evaluierung
Beim Betrieb von Sendern müssen die gesetzlichen Bestimmungen und Grenzwerte eingehalten werden. Daher wurde das Ausgangsspektrum sowohl des Tischsenders RasPager als auch der Variante für den Einsatz als Basisstation vermessen. Abbildung 7 und 8 zeigen die gemessenen Ausgangsspektren, welche die Anforderungen erfüllen.
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| Abbildung 7: Ausgangsspektrum RasPager | Abbildung 8: Ausgangsspektrum RasPager Digi |
Die thermische Untersuchung zeigt, dass das Gerät für den unbeaufsichtigten Betrieb geeignet ist. Nach 60 Minuten Dauersendung mit Nennleistung 10 Watt hat sich der Kühlkörper bei 25 °C Raumtemperatur auf nur ca. 38 °C erwärmt, wie die Wärmebildkamera in zeigt.
Abbildung 9: Temperaturverteilung auf dem Endstufenmodul nach 60 Minuten Dauersendung
Zusammenfassung
Als verfügbarer Ersatz für die umgebauten kommerziellen Funkrufsender wurde ein Komplettgerät neu entworfen. Auf Basis eines Sender-ICs und eines Kleincomputers vom Typ Raspberry Pi wurde ein Tischsender mit 10 mW Ausgangsleistung vorgestellt. Die Stromversorgung des Senders erfolgt über den Raspberry Pi, ebenso die Konfiguration und die Datenübermittlung.
Für den Betrieb als automatisch arbeitende Station mit großer Reichweite wurde eine Variante mit nominell 10 Watt Ausgangsleistung vorgestellt, die in einem 19 Zoll Gehäuse mit 1 HE ihren Platz findet. Eine Zwangskühlung sorgt für Betriebssicherheit.
Bezugsquellen
Der RasPager wird als Bausatz von CJ-Elektronik vertrieben. Ein Teil des Erlöses dieses Bausatzes geht als Spende an den Verein zur Förderung der Hochfrequenztechnik in Aachen e.V. und wird für Projekte der Amateurfunkgruppe der RWTH Aachen verwendet werden. Damit wird der Amateurfunk in und um Aachen unmittelbar gefördert.
Literatur und Quellen
[1] Ralf Wilke und Michael Delissen, „Funkruf-Sender basierend auf Software Defined Radio“, 57. Weinheimer UKW Tagung, Weinheim, 14.-16.9.2012
[2] Christian Jansen, „Modularer Funkruf-Sender basierend auf Raspberry Pi“, Diplomarbeit am Institut für Hochfrequenztechnik der RWTH Aachen, 4.8.2014
[3] Amateurfunkgruppe der RWTH Aachen, Homepage https://www.afu.rwth-aachen.de,
im Hamnet http://db0sda.ampr.org
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Übersicht
Die Amateurfunkgruppe überwacht automatisiert den Status der Hamnet-Stationen und ihrer angebotenen Dienste im Bereich Mönchengladbach-Köln-Aachen. Dazu wird die bekannte Software Nagios verwendet, die ein etablierter Industriestandard ist. Ein Raspberry Pi fragt zyklisch die Erreichbarkeit der Rechner, Router und Server im Hamnet ab und liefert eine zusammengefasste Auskunft über den Status. Bei Ausfällen kann eine Betreiber/Ansprechperson per Email und Funkruf informiert werden. Wer Interesse hat, diesen Service zu nutzen, ist herzlich eingeladen uns eine entsprechende Email-Anfrage zu schreiben. Nebenfalls wird eine Industrie-Ampel im Instuitut für HF-Technik vom Raspberry Pi angesteuert, welche in den Farben grün/gelb/rot den Netzwerk-Status einfach darstellt. Hierzu bald mehr.
Zugriff auf die Daten per App
Für Android gibt eine eine App, mit der man den Netzwerk-Zustand auf einem mobilen Endgerät bequem anzeigen kann. Sie kann hier aus Google Play bezogen werden. Die Zugangsdaten sind:
Aus dem Hamnet: http://monitoring.db0sda.ampr.org/nagios/cgi-bin/
Aus dem Internet http://monitoring.afu.rwth-aachen.de/nagios/cgi-bin/
Benutzer: anonymous
ACHTUNG UPDATE: Der Pfad ist seit 1.4.2019 anders. Bitte die oben genannten Pfade verwenden.
Es sind mit diesen Daten nur lesende Operationen gestattet. Betreiber von Netzknoten können sich für einen vollständigen Zugang gerne an uns wenden.
Beispiele zur Konfiguration der App
Die Werte bei Username und Password sind entweder individuell zugewiesene Zugangsdaten oder anonymous.
Bei Hostgroup kann man nach Gruppen filtern, falls nur besondere Hostgroups von Interesse sind.
Screenshot von der Kontroll-Oberfläche
Visualisierung mit NagVis
Für das Netzwerküberwachungswerkzeug Nagios gibt es ein grafisches Frontend namens NagVis. Hier können auf beliebigen Hintergrundbildern dynamisch Symbole eingeblendet werden, die über den Betriebszustand eines Gerätes oder eines Dienstes auskunft geben. So kann man direkt graifsch und übersichtlich den Status einer verteilten Installation erkennen und im Fehlerfall direkt das betroffene Gerät finden. Hier ist beispielhaft ein (statischer) Screenshot von NagVis über die Installation auf dem Kraftwerk Weisweiler gezeigt.
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Die Amateurfunkgruppe stellt kostenlos einen Service zur Verfügung, mit dem Hamnet-Router täglich automatisch gesichert werden können. Es werden zur Zeit nur Router der Firma Mikrotik mit dem Betriebssystem RouterOS unterstützt. Die Sicherung erfolg täglich. Dabei wird sowohl die vollständige Konfiguration als auch alle auf dem Router gespeicherten Dateien gesichert. Die Dateien werden in eine Versionsverwaltung (SVN) geschrieben. Damit kann nicht nur die aktuelle Version wiederhergestellt werden, sondern auch alle zuvor existenten Versionen. Sollte eine Fehlfunktion verspätet festgestellt werden, kann somit auch auf eine ältere, evtl. funktionsfähige Variante zurückgegriffen werden. Das Backup erfolgt über das Rechenzentrum der RWTH Aachen. Die Daten werden innerhalb des DFN an mehrere Standorte verteilt gespiegel, so dass ein Verlust der Daten sehr sehr unwahrscheinlich ist.
Wenn Betreiber von Hamnet-Routern an diesem Service teilnehmen möchten, sind folgende Schritte notwendig:
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1. SSH Public Key
zur Identifizierung herunterladen und als Datei mit Namen id_dsa_db0sda.ampr.org.pub speichern.
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2. Mittels WinBox sich als admin auf dem Mikrotik-Router anmelden und Datei per Drag&Drop in die Sektion "Files" kopieren.
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3. Benutzer mit Namen backup anlegen. Das Passwort ist beliebig. Bitte beachten: Die Adresse des Backup-Servers hat sich geändert. Alt: 44.225.56.130. Neu: 44.225.164.2
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4. SSH Identifizierung in Router importieren
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5. Importvorgang kontrollieren
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6. Email an Amateurfunkgruppe schicken und um Eintragung bitten.
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Das Rechenzentrum der RWTH Aachen hat uns freundlicherweise ein /27 Subnetz an Internet-IPs zur Verfügung gestellt. Damit haben wir über 20 statische Internet-IPs, um Relais aus dem Hamnet ins Internet anzubinden. Mögliche getestete Kandidaten sind Echolink, DStar und DMR. Die folgenden Abschnitte sollen eine Übersicht geben, wie dies im Detail geregelt ist.
1. Anbindung über Default-Route
Im einfachsten Fall gibt es eine durchgehende Kette aller Core-Router, deren Ende auf db0sda.ampr.org zeigt. Damit werden an das Internet adressierte Pakete bis zu db0sda nach Aachen geroutet. Dort wartet eine Firewall-Regel auf diese Pakete mit der vorher festgelegten Absender-IP, Protokoll-Art und Port und leitet sie mit einer festgelegte Internet-IP der RWTH Aachen weiter. Dieses wird als scr-nat bezeichnet.
Der Rückweg aus dem Internet zum Relais geschieht über dst-nat, d.h. bei db0sda werden Pakete mit der passenden Internet-IP, Protokoll-Art und Port an die Hamnet-IP weitergeleitet.
2. Anbindung über PPTP Tunnel durch das Hamnet
Wenn es die unter 1. beschreibene Kette von Default-Routern nicht gibt oder die Links sind unstabil, so kann man sich auch über einen PPTP Tunnel duch das Hamnet die Funktionalität von db0sda.ampr.org an jede Stelle des Hamnets holen. Dazu wird auf dem Router, der am anzubindenen Relais steht, ein PPTP Client auf die IP 44.225.164.1 eingerichtet. Endpunkte dieses Tunnels haben die IPs 10.x.y.z, wobei diese zu den jeweils ansässigen 44.x.y.z korrespondieren sollen. So ist eine einfache Zuordnung möglich. Diese Zuordnung geschieht durch die Amateurfunkgruppe der RWTH Aachen. Bei Bedarf bitte Kontakt aufnehmen.
Die Firewall bei db0sda leitet nun aus dem Internet ankommende Pakete an die End-IP des Tunnels weiter. Dort muss auf dem entfernten Router eine weitere Weiterleitung zur Ziel IP des Relais im Hamnet geschehen.
Der Rückweg geschieht daher, dass die default-Router auf dem entfernten Router auf die Start-IP des Tunnels bei db0sda gesetzt wird. Dadurch gelangen Pakete mit Ziel Internet zu db0sda. Dort wartet wieder eine Firewall-Regel, um sie unter der festen RWTH Aachen-IP in das Internet zu bringen.
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Durch freundliche Unterstützung der Meteomedia AG dürfen wir über Amaterfunk vor drohenden Unwettern warnen. Diese Warnungen sind allerdings ohne Gewähr und es lässt sich kein Rechtsanspruch in irgend einer Form gegen uns oder Meteomedia AG ableiten.
Die Warnungen können über zwei Wege empfangen werden:
- Auf den Skypern im Funkruf-Dienst werden die Warnungen in der Rubrik "Unwetter" eingestellt.
- Auf dem Sprachrelais DB0WA 145.7875 MHz kann durch Auswahl des Spracherkennungsmoduls und der Anfrage "Sind Unwetter für Aachen vorhergesagt?" die Warungen in Sprache vorlesen lassen. (geplant, noch nicht aktiv)
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