Imaginez : votre émetteur délivre seulement quelques dizaines ou centaines de milliwatts. Pas de grosse modulation, pas de voix, pas même un échange de messages. Pendant près de deux minutes, il émet quatre minuscules variations de fréquence presque confondues.
Et pourtant, quelques instants plus tard, votre indicatif apparaît sur une carte : reçu à 500, 2 000, parfois 10 000 km.
Bienvenue dans le monde du WSPR, probablement l’un des modes numériques qui illustre le mieux ce que l’on peut faire lorsqu’on remplace la puissance par… du traitement du signal.
Mais comment cela fonctionne-t-il réellement ?
WSPR : une balise plutôt qu’un mode de QSO
WSPR signifie Weak Signal Propagation Reporter, que l’on pourrait traduire par « système de compte rendu de propagation par signaux faibles ».
Le protocole a été développé par Joe Taylor, K1JT, prix Nobel de physique et radioamateur, également à l’origine de plusieurs modes numériques pour signaux faibles.
Contrairement au FT8 ou au FT4, le WSPR n’a pas été conçu principalement pour réaliser des QSO. Son objectif est beaucoup plus simple : envoyer suffisamment d’informations pour qu’une station distante puisse dire :
« J’ai entendu telle station, située approximativement ici, émettant avec telle puissance. »
Un réseau mondial de stations d’écoute collecte ensuite ces réceptions, appelées spots, ce qui permet de visualiser presque en temps réel l’état de la propagation.
Le voyage d’un spot WSPR. Une émission de quelques milliwatts peut être reçue à plusieurs milliers de kilomètres, décodée par une station distante puis transmise à WSPRnet. Le réseau mondial de récepteurs transforme ainsi de minuscules signaux en un formidable outil d’observation de la propagation.
Seulement trois informations à transmettre
Pour aller loin avec très peu de puissance, une première solution consiste à ne transmettre que le strict nécessaire.
Un message WSPR classique contient essentiellement :
l’indicatif — le locator Maidenhead — la puissance
Prenons un exemple :
F4LER JN18 20
Le premier champ identifie la station.
JN18 donne sa position géographique avec une précision suffisante pour une expérience de propagation.
Enfin, 20 indique la puissance déclarée en dBm.
Cette unité peut sembler inhabituelle au début :
| dBm | Puissance |
|---|---|
| 0 dBm | 1 mW |
| 10 dBm | 10 mW |
| 20 dBm | 100 mW |
| 30 dBm | 1 W |
| 37 dBm | ≈ 5 W |
Notre exemple indique donc une émission de 100 mW.
Ce message extrêmement court va maintenant subir toute une série de transformations avant d’arriver à l’antenne.
De l’indicatif aux bits
WSPR ne transmet évidemment pas directement les caractères « F », « 4 », « L », « E », « R » sous forme ASCII.
L’indicatif, le locator et la puissance sont compactés suivant les règles du protocole afin de réduire au maximum le nombre de bits nécessaires.
Pour le message WSPR classique, les informations utiles tiennent dans seulement 50 bits.
C’est remarquablement peu.
Mais ces 50 bits ne peuvent pas simplement être envoyés tels quels. Avec quelques milliwatts et un signal parfois enfoui dans le bruit, la moindre erreur ferait perdre le message.
WSPR va donc ajouter de la redondance.
Ajouter des bits pour mieux résister au bruit
Cela peut sembler paradoxal : nous venons de compresser le message pour économiser des bits… et nous allons maintenant en ajouter !
La raison est fondamentale.
Le WSPR utilise un codage correcteur d’erreurs, ou FEC (Forward Error Correction). Le principe consiste à introduire une redondance organisée permettant au récepteur de retrouver le message même lorsque certaines informations reçues sont incertaines.
Le WSPR classique utilise notamment un code convolutif de taux 1/2.
Il applique ensuite un entrelacement : les informations codées ne sont pas simplement envoyées dans leur ordre initial. Elles sont réorganisées afin qu’une perturbation momentanée de la liaison n’endommage pas une partie trop concentrée du message.
Nous n’entrerons pas ici dans les mathématiques du codage convolutif — cela mériterait un article à lui seul — mais retenons l’idée essentielle :
le WSPR sacrifie du débit pour gagner énormément en robustesse.
Pourquoi 162 symboles ?
Après compression, codage, entrelacement et ajout des informations nécessaires à la synchronisation, une transmission WSPR-2 est constituée de 162 symboles.
Et c’est ici qu’apparaît le deuxième chiffre de notre titre : les quatre tons.
Chaque symbole peut prendre l’une de quatre valeurs.
WSPR utilise une modulation appelée 4-FSK (4 Frequency Shift Keying).
Plutôt que de modifier l’amplitude ou la phase du signal, l’émetteur choisit simplement entre quatre fréquences extrêmement proches.
On peut les imaginer ainsi :
Ton 0 → f
Ton 1 → f + 1,4648 Hz
Ton 2 → f + 2,9296 Hz
Ton 3 → f + 4,3944 Hz
L’espacement entre deux tons n’est donc que d’environ 1,465 Hz !
Le signal complet n’occupe ainsi qu’environ 6 Hz de spectre en tenant compte de la modulation.
Les quatre tons de la modulation WSPR. Chaque symbole est transmis en choisissant l’une de quatre fréquences espacées d’environ 1,4648 Hz et pendant environ 0,683 seconde. Le signal WSPR n’occupe ainsi qu’environ 6 Hz, une largeur de bande extrêmement faible qui contribue à permettre la détection de signaux très faibles noyés dans le bruit.
À l’échelle d’un récepteur SSB réglé sur quelques kilohertz, c’est minuscule.
Et c’est précisément l’une des clés du WSPR.
De l’indicatif aux 162 symboles WSPR. Le message contenant indicatif, locator et puissance est compacté, protégé par un codage correcteur, entrelacé et combiné avec la synchronisation avant d’être transmis sous forme de 162 symboles 4-FSK. À raison d’environ 0,683 seconde par symbole, l’émission complète dure près de 110,6 secondes, à l’intérieur d’un créneau de deux minutes.
Pourquoi presque deux minutes ?
Chaque symbole WSPR dure environ 0,683 seconde.
Avec 162 symboles :
162 × 0,683 ≈ 110,6 secondes
Une transmission dure donc environ 1 minute et 51 secondes.
Les émissions sont organisées dans des créneaux synchronisés de deux minutes, commençant sur les minutes UTC paires.
Voilà donc expliqué le « 2 minutes » de notre titre.
À l’heure où certains modes numériques réalisent des échanges en quelques secondes, 110 secondes peuvent paraître interminables.
Mais WSPR ne cherche pas la vitesse.
Il cherche la sensibilité.
Le récepteur dispose d’un temps considérable pour analyser une quantité minuscule d’informations contenue dans une bande passante extrêmement étroite.
Le véritable secret n’est pas la propagation
Une précision est importante.
Un signal WSPR de 100 mW ne se propage pas mieux qu’un autre signal de 100 mW placé sur la même fréquence et utilisant la même antenne.
L’ionosphère ignore totalement qu’il s’agit de WSPR !
Le véritable exploit se produit dans le récepteur.
Supposons que vous essayiez d’entendre quelqu’un qui chuchote au milieu d’une foule. C’est extrêmement difficile.
Maintenant, imaginez que vous sachiez :
- exactement à quel moment cette personne va commencer à parler ;
- dans quelle petite zone elle se trouve ;
- approximativement ce qu’elle va vous dire ;
- et que vous puissiez écouter pendant presque deux minutes.
Le problème devient beaucoup plus facile.
C’est exactement ce que fait le décodeur WSPR.
Comment peut-on décoder un signal sous le bruit ?
Voici l’un des aspects les plus spectaculaires du WSPR.
Les logiciels peuvent décoder des signaux présentant des rapports signal/bruit très négatifs.
On rencontre couramment des spots à :
–15 dB, –20 dB, –25 dB…
et parfois encore plus bas dans de bonnes conditions.
Cela ne signifie pas que la puissance du signal est « négative ».
Le SNR, ou rapport signal/bruit, compare le niveau du signal au niveau du bruit dans une bande passante de référence.
À l’oreille, un tel signal peut sembler totalement absent. Sur un waterfall, il peut être à peine visible.
Mais le logiciel, lui, ne cherche pas à « écouter » comme nous.
Il effectue une analyse numérique du signal, recherche la structure temporelle et fréquentielle attendue, exploite la synchronisation connue et évalue les quatre positions fréquentielles possibles de chaque symbole.
Puis le processus utilisé à l’émission est parcouru en sens inverse :
signal reçu → symboles → désentrelacement → décodage correcteur → données → indicatif, locator et puissance.
Comment WSPR retrouve un signal sous le bruit. Le décodeur recherche d’abord le signal au bon instant et à la bonne fréquence, puis analyse successivement les 162 symboles 4-FSK, les désentrelace et exploite le codage correcteur pour reconstruire les données originales. Grâce à la très faible largeur de bande, à la longue durée d’observation, à la synchronisation et au traitement numérique, un message peut ainsi être décodé alors que sa trace est pratiquement invisible sur le waterfall.
Même lorsque certaines décisions sont incertaines à cause du bruit, la redondance introduite par le codage permet au décodeur de retrouver le message le plus probable.
Voilà une bonne partie de la « magie » du WSPR.
Pourquoi l’heure de votre ordinateur est-elle importante ?
Puisque WSPR sait approximativement quand une émission doit commencer, la synchronisation temporelle constitue une information supplémentaire précieuse pour le décodeur.
Les périodes WSPR-2 sont alignées sur des créneaux de deux minutes.
Une horloge d’ordinateur fortement décalée peut donc compromettre les décodages.
C’est pourquoi une station WSPR doit disposer d’une heure système correctement synchronisée, généralement par NTP, ou par une référence GPS dans certaines installations autonomes.
Le récepteur connaît alors trois éléments précieux :
quand chercher, où chercher en fréquence et quelle structure rechercher.
De votre antenne à une carte mondiale
Une station WSPR de réception peut être extrêmement simple :
antenne → récepteur ou SDR → ordinateur → logiciel → Internet
Des logiciels tels que WSJT-X décodent les transmissions.
Lorsqu’un message est correctement identifié, la station réceptrice peut envoyer automatiquement un spot vers les serveurs WSPR.
Celui-ci indique notamment qui a été reçu, par quelle station, sur quelle bande, avec quel rapport signal/bruit et avec quelle dérive de fréquence.
Les informations accumulées par des milliers de stations constituent alors une formidable base de données sur la propagation radio.
Une balise de quelques milliwatts devient ainsi une véritable sonde de l’ionosphère.
WSPR n’est donc pas un concours de distance
Il est évidemment amusant d’émettre avec 100 mW et de découvrir quelques minutes plus tard un spot à plusieurs milliers de kilomètres.
Mais réduire WSPR à un concours du type « qui ira le plus loin avec le moins de milliwatts ? » serait passer à côté de son principal intérêt.
WSPR permet notamment d’observer l’ouverture et la fermeture d’une bande, de comparer les performances de deux antennes, d’étudier les différences entre propagation diurne et nocturne ou encore de suivre l’évolution d’une liaison pendant plusieurs jours.
Il permet également des expériences étonnantes avec des balises autonomes et des pico-ballons, où la faible consommation électrique et la possibilité d’être reçu à très grande distance sont particulièrement intéressantes.
Et surtout, WSPR permet de faire quelque chose que les radioamateurs adorent :
mesurer plutôt que supposer.
Vous pensez que votre nouvelle antenne fonctionne mieux que l’ancienne ?
WSPR peut contribuer à le vérifier.
Alors, comment quelques milliwatts font-ils le tour du monde ?
Ils ne le font pas toujours.
La fréquence, la propagation, l’antenne, l’heure, le bruit local et quantité d’autres paramètres restent déterminants.
Mais WSPR empile plusieurs avantages particulièrement efficaces :
très peu d’informations à transmettre + transmission lente + bande passante minuscule + quatre tons très rapprochés + synchronisation précise + correction d’erreurs + traitement numérique puissant.
Pris séparément, aucun de ces éléments n’est miraculeux.
Mis ensemble, ils permettent de retrouver des signaux que notre oreille considérerait volontiers comme perdus dans le bruit.
C’est finalement là que réside toute l’élégance du WSPR :
il ne fait pas mieux voyager les ondes ; il est extraordinairement doué pour retrouver les traces qu’elles laissent.
Alors, pour votre prochaine expérience, plutôt que d’ajouter encore quelques décibels à l’amplificateur, pourquoi ne pas essayer l’inverse ?
Baissez la puissance… et regardez jusqu’où quelques milliwatts peuvent encore vous faire entendre.
Pour en connaître davantage sur le protocole !
Pour aller plus loin
- WSPRnet — carte mondiale des spots WSPR
Pour observer en direct les chemins de propagation, filtrer par bande ou indicatif et visualiser les stations reçues dans le monde.
Carte WSPRnet - WSPRnet — base de données des spots
Très intéressante pour aller au-delà de la carte : fréquence, SNR, dérive, puissance déclarée, station réceptrice et distance parcourue.
Base de données WSPRnet - WSJT-X — documentation officielle
La référence pour utiliser WSPR avec WSJT-X. Le guide rappelle notamment le principe du protocole, les séquences de deux minutes et la possibilité de décoder des signaux extrêmement faibles, jusqu’à environ –31 dB dans une bande de référence de 2500 Hz.
Guide officiel WSJT-X - WSPRnet — fréquences utilisées
Pratique pour retrouver rapidement les fréquences USB de référence : par exemple 3,5686 MHz sur 80 m, 7,0386 MHz sur 40 m, 14,0956 MHz sur 20 m et 28,1246 MHz sur 10 m.
Fréquences et carte WSPRnet
