FT8 ohne Bildschirm: unsere Raspberry-Pi-Station

Wer FT8 macht, kennt das Bild: WSJT-X auf dem Bildschirm, das Decodefenster füllt sich alle 15 Sekunden, man klickt auf einen CQ-Rufer, wartet, klickt den nächsten. Was dabei kaum auffällt: Man trifft in jeder Minute ein Dutzend kleiner Entscheidungen. Diesen nicht, der steckt im Pile-up. Den lieber, der ruft schon zum dritten Mal vergeblich. Nicht auf seiner Frequenz antworten, da drängeln sich schon fünf. Der hat mich offenbar nicht gehört — weiter. Diese Entscheidungen sind das eigentliche Handwerk, und die meisten trifft man nach ein paar hundert QSOs, ohne noch darüber nachzudenken. Genau darum geht es in diesem Projekt: einer kleinen Station am Transceiver dieses Handwerk beizubringen — und jede einzelne Regel an den eigenen Verbindungen nachzumessen.

Ein Vater-Sohn-Projekt von DK9XR und DO3XR. Die Software ist frei verfügbar und darf nachgebaut werden: github.com/simonsorcerer23/ft8-raspi.

Was die Station braucht

Ein Raspberry Pi — bei uns inzwischen ein Pi 5, der von einer SSD startet und ohne Speicherkarte auskommt —, ein Icom IC-705 oder IC-7300 mit einem einzigen USB-Kabel (Steuerung und NF laufen darüber, keine extra Soundkarte), eine Antenne. Ein GPS-Empfänger ist optional und hilft unterwegs mit Uhrzeit und Locator. Die Hardware ist austauschbar; das Interessante ist, was die Software daraus macht.

Ein Funkamateur ist dabei und behält die Station im Blick — nur eben vom Handy aus statt vom Stuhl vor dem Bildschirm. Zum rechtlichen Rahmen steht weiter unten ein eigener Abschnitt.

Die vier Fragen, die man sich am Gerät stellt

Der Rest dieses Artikels ist entlang der Fragen gegliedert, die man beim FT8-Betrieb ständig beantwortet, meist ohne es zu merken: Wen rufe ich an? Wo antworte ich? Wann rufe ich, und wann besser nicht? Wie bringe ich das QSO zu Ende? Für jede davon steht hier, was die verbreitete Faustregel ist, was unsere eigenen Zahlen dazu sagen, und was die Station daraus macht.

1. Wen rufe ich an?

Der Reflex ist, den lautesten CQ-Rufer zu nehmen. Das ist nicht falsch — aber es ist nur eines von vielen Kriterien, und nicht einmal das wichtigste. Unsere Station hat monatelang jeden eigenen Anruf mit seinem Ausgang aufgeschrieben: Kam ein QSO zustande? Ist die Gegenstation verstummt? Hat sie jemand anderen genommen? Wie stark war sie bei uns? Aus diesen Zahlen sind die Regeln entstanden.

Die Signalstärke ist tatsächlich der stärkste einzelne Hinweis — aber sie wirkt anders, als man denkt. Es geht nicht darum, ob wir die Station gut hören, sondern ob sie uns hört. FT8-Verbindungen sind oft unsymmetrisch: Eine große Antenne in ruhiger Lage hört uns mühelos, während wir sie kaum aus dem Rauschen holen — und umgekehrt. Deshalb fragt die Station bei schwachen Rufern zuerst beim PSK Reporter nach, ob dort in den letzten Minuten ein Empfangsbericht für unser eigenes Rufzeichen aufgetaucht ist. Steht dort etwas, ist der Weg belegt und der Anruf lohnt sich trotz schwachem Signal. Steht dort nichts, wird der Rufer übersprungen.

Dazu kommen die Regeln, die jeder DX-Jäger kennt:

• Pile-up meiden. Drängen sich um einen Rufer schon mehrere Anrufer, sinkt die Aussicht für jeden Einzelnen. Die Station zählt mit, wie viele andere gerade denselben rufen, und geht weiter.
• Einsame Rufer bevorzugen. Wer zweimal hintereinander CQ ruft, ohne dass jemand antwortet, hat kein Pile-up und hört aufmerksam zu. Das ist die dankbarste Gegenstation überhaupt.
• Frei werdende Stationen abpassen. Ein RR73 im Band heißt: Diese Station ist im nächsten Durchgang frei. Wer das mitliest, ruft sie an, bevor die anderen ihr CQ überhaupt gesehen haben.
• Wer nie antwortet, wird gemieden. Manche Stationen rufen CQ und beantworten nichts — falsch eingestellt, im Contest-Modus, oder sie hören uns schlicht nicht. Die Station führt darüber Buch und spart sich den vierten vergeblichen Anruf.
• Nicht dieselbe Station dreimal in zehn Minuten. Nach einem Abbruch bekommt jedes Rufzeichen eine Sperrfrist. Sonst hängt man in einer Schleife fest, während nebenan das Band offen ist.
• Weltgegenden nach eigener Erfahrung. Aus dem eigenen Log lässt sich ablesen, in welche Richtungen es zu welcher Tageszeit klappt — und in welche nicht. Aus Kontinenten, in denen unsere Quote unter 5 % liegt, wird ebenfalls nur mit Empfangsbeleg angerufen.
• Grayline und Bandzustand fließen ein, ebenso neue DXCC-Gebiete, neue Locator-Felder und Stationen, die auf einem anderen Band schon einmal geklappt haben — der Empfangsweg ist dann ja bekannt.

Diese Kriterien stehen in einer Rangfolge, die sich von Hand umsortieren lässt:

Eine Ausnahme steht über allem: die Wunschliste. Wer dort steht — eine angekündigte DXpedition, ein fehlendes Land —, wird angerufen, auch wenn er schwach ist und im Pile-up steckt. Das musste erst nachgebessert werden: Seltenes DX ist per Definition schwach und umlagert, also griffen genau bei diesen Stationen alle Sparregeln gleichzeitig. Über sieben Tage rief Z68PX (Kosovo) 16-mal CQ, V51WH (Namibia) war 13-mal zu hören — kein einziger Anrufversuch. Gates, die fragen „lohnt sich das?“, werden für die Wunschliste seitdem übergangen. Gates, die sagen „geht technisch nicht“, bleiben.

2. Wo antworte ich?

Das ist die Frage, an der man erfahrene Operatoren am schnellsten erkennt — und die Software, die es nicht kann.

Ein FT8-Empfänger decodiert den ganzen Durchlassbereich auf einmal. Auf welcher Tonhöhe die Antwort liegt, ist der Gegenstation völlig gleichgültig — sie muss nur lesbar sein. Wer aber dorthin antwortet, wo der Gerufene sendet, landet mitten im Stapel der anderen Anrufer, die alle dasselbe tun. Sechs Stationen auf derselben Frequenz decken sich gegenseitig zu, und der DX liest keine einzige davon. Wer 500 Hz daneben antwortet, steht allein da.

Unsere Station sucht sich diese Stelle selbst: Sie führt über die letzten Durchgänge Buch, welche 100-Hz-Abschnitte belegt sind, und legt ihre Antwort in den ruhigsten. Weil sich das schwer aus dem Bauch beurteilen lässt, laufen bei uns beide Varianten abwechselnd gegeneinander — freie Stelle und Frequenz des Rufers — und werden mitgezählt. Nach den ersten Hundert Anrufen sah es nach Gleichstand aus; mit mehr Daten liegt die freie Stelle inzwischen vorn. Ein paar Hundert Anrufe sind für eine belastbare Aussage aber noch zu wenig, deshalb läuft der Test weiter.

Ein Nebeneffekt dieser Wahlfreiheit hat uns eine ganze Reihe von Stationen zurückgebracht. Die Software hatte eine Sperre für Rufer am äußeren Rand des Durchlassbereichs — unterhalb von 400 und oberhalb von 2600 Hz. Der Grund dafür war das Senden: Eine Antwort ganz unten im Band läuft in die Flanke des Sendefilters, das kostet Leistung und trieb den Pi einmal in eine Notabschaltung. Nur: Seit die Station ihre Antwortfrequenz ohnehin frei wählt, sendet sie dort gar nicht mehr. Die Sperre hielt also Stationen zurück, deren Frequenz für unsere Sendung längst keine Rolle mehr spielte. In fünf Tagen waren das 1018 CQ-Rufe von 161 Stationen — darunter J38DX aus Grenada, der 51-mal vergeblich in unserer Empfangsliste stand. Heute werden sie angerufen; die Antwort geht dabei zwangsweise auf eine sichere Frequenz in der Bandmitte.

3. Wann rufe ich — und wann besser nicht?

FT8 läuft in 15-Sekunden-Takten, abwechselnd. Wer eine Station anrufen will, muss im anderen Takt senden als sie. Das klingt selbstverständlich, ist aber im Decodefenster nicht auf einen Blick zu sehen — und wer sich vertut, sendet exakt dann, wenn die Gegenstation selbst sendet und nichts hören kann. Die Station achtet darauf und ruft nie im Sendetakt des Gerufenen.

Zwei weitere Bedingungen entscheiden noch vor jeder Frage nach Lohnenswertigkeit:

• Zeitversatz. Jeder Decode bringt mit, wie weit die Gegenstation zeitlich neben dem Takt liegt. FT8 verträgt einiges davon — aber wenn jemand zweieinhalb Sekunden zu spät sendet, ist sein eigenes Empfangsfenster schon zu Ende, wenn unsere Antwort ankommt. Er kann uns gar nicht hören, egal wie stark wir sind. Solche Stationen werden übersprungen.
• Selbst CQ rufen, wenn nichts Brauchbares da ist. Wer nur auf CQ-Rufe wartet, verschenkt bei ruhigem Band die halbe Zeit. Die Station ruft dann selbst — und hört sofort auf, sobald wieder ein lohnender Rufer auftaucht. Bleibt das Band tot, werden die Pausen automatisch länger, statt stur weiterzurufen.

Der Rückweg lohnt sich besonders: Wer auf unser CQ antwortet, hört uns nachweislich — und die ersten Zahlen zeigen genau das. Von den Stationen, die uns selbst angerufen haben, kam mehr als die Hälfte zum Abschluss; bei selbst gerufenen Stationen ist es rund jede zehnte.

4. Wie bringe ich das QSO zu Ende?

Ein FT8-QSO hat einen festen Ablauf: CQ, Antwort mit Locator, Rapport, bestätigter Rapport, RR73, 73. Sechs Durchgänge, anderthalb Minuten. In der Praxis hält sich kaum jemand daran.

Am Bildschirm fällt so etwas gar nicht auf — man sieht, was ankommt, und klickt entsprechend. Eine Automatik, die nur den einen erwarteten Fall kennt, lässt die Verbindung dagegen stillschweigend fallen. Und sie sieht dabei nicht einmal falsch aus: Im Protokoll steht „Gegenstation verstummt“, dabei haben in Wahrheit wir geschwiegen.

Wie groß das ist, haben wir erst gesehen, als wir gezielt danach gesucht haben. Über sieben Tage schickten uns 16 Stationen eine Bestätigung, aus der nie ein QSO wurde. EA3GXK wiederholte seine Bestätigung 186-mal, CT1BFP 55-mal — sie saßen jeweils am anderen Ende und warteten auf ein RR73, das nie kam. Aus jedem dieser Fälle wäre ein sauberes QSO geworden; für die Gegenstation stand es vermutlich sogar im Log, während bei uns nichts ankam.

Inzwischen nimmt die Station alle drei Fälle an: Sie schließt ab, wenn der Partner einen Schritt überspringt. Sie schließt ab, wenn er sich wiederholt, weil beide Seiten dann alles haben. Und sie merkt sich ein abgebrochenes QSO zehn Minuten lang — meldet sich der Partner später doch noch, wird der Faden wieder aufgenommen statt bei null angefangen. Seit der Änderung stimmt die Bilanz: Von den sieben Stationen, die uns seither eine Bestätigung schickten, kamen alle sieben zum Abschluss.

5. Besser hören

Alle Auswahlregeln nützen nichts, wenn die Station gar nicht erst erscheint. Bei FT8 entscheidet der Decoder, wen man überhaupt zu Gesicht bekommt — und da ist WSJT-X der Maßstab, an dem sich alles messen lassen muss.

Unsere Station benutzt deshalb zwei Decoder nebeneinander. Der erste ist eine kleine freie Bibliothek, die auf dem Raspberry Pi in Sekundenbruchteilen liefert; so wie sie geliefert wird, verpasst sie allerdings ein Viertel der Stationen, die WSJT-X noch aus dem Rauschen holt. Der zweite ist der Decoder von WSJT-X selbst: Er ist frei verfügbar, läuft bei uns im Hintergrund über dieselben 15 Sekunden Audio, und was er zusätzlich findet, kommt auf die Liste. Gemessen wird mit Referenzaufnahmen, zu denen die WSJT-X-Decodes bekannt sind — nach jeder Änderung wird nachgezählt.

• Laute Signale herausrechnen. Ein starker Nachbar im Band deckt schwache Stationen daneben zu. Die Software baut das starke Signal nach, gleicht es genau ab und zieht es vom Empfangssignal ab. Danach werden Stationen lesbar, die 20 bis 30 Hz neben dem lauten Nachbarn lagen.
• Alle vier Kerne statt einem. Der Decoder prüft pro Durchgang ein paar hundert Kandidatenstellen im Band — Arbeit, die sich aufteilen lässt. Bis vor kurzem lief sie auf einem einzigen Rechenkern. Jetzt teilen sich alle vier die Arbeit, und der gründliche Durchgang dauert nur noch halb so lange.
• Der gründliche Decoder entscheidet jetzt selbst, wem geantwortet wird. Das ist der eigentliche Gewinn. Vorher musste ein schneller Vorab-Durchgang die Sendeentscheidung treffen, weil der gründliche zu lange brauchte — alles, was er zusätzlich fand, kam zu spät und landete nur noch im Logbuch. Das betraf gut ein Drittel aller gehörten Stationen. Heute steht die Entscheidung nach 0,2 bis 0,7 Sekunden, gründlich decodiert, und diese Stationen sind anrufbar geworden.
• Mehrere Versuche bei schwachen Signalen. Wenn die normale Fehlerkorrektur aufgibt, probiert ein zweites Verfahren die wahrscheinlichsten Bitfolgen durch, und vorher wird das Signal noch einmal fein in Frequenz und Zeit nachgestellt. Damit dabei keine erfundenen Rufzeichen entstehen, gilt ein Ergebnis nur mit gültiger Prüfsumme und einem Rufzeichen, das die Station schon kennt.

In Zahlen: Zu Beginn fand unser Decoder 73 % der WSJT-X-Decodes auf den Referenzaufnahmen, nach dem Ausbau 88 %. Mit dem WSJT-X-Decoder als zweiter Meinung sind es 98 %, dazu rund 50 Stationen, die in den Referenzdecodes fehlen. Der gründliche Durchgang kostete auf dem kleinen Rechner 2,2 Sekunden, mit allen vier Kernen noch 1,0 — und im laufenden Betrieb, wo weniger Stationen gleichzeitig im Band stehen als auf den dichten Testaufnahmen, 0,2 bis 0,7.

6. Auf sich selbst aufpassen

Eine Station, die den Sender selbst tastet, muss ihre Grenzen kennen. Vor jedem Sendedurchgang prüft sie eine Reihe von Bedingungen, und wenn eine nicht erfüllt ist, bleibt der Sender aus und das Handy bekommt eine Meldung:

• Die Uhr muss wirklich synchron sein (Internet-Zeit oder GPS). FT8 verzeiht keine halbe Sekunde.
• Der Transceiver muss auf einer eingetragenen FT8- oder FT4-Frequenz stehen, die Antenne muss das Band können, und die Leistung bleibt unter dem, was die Lizenzklasse auf diesem Band erlaubt — für Klasse A und Klasse E getrennt. Im Ausland erkennt die Station per GPS das Land und schlägt den richtigen CEPT-Präfix vor.
• Ein SWR-Wächter schaltet den Sender bei schlechter Anpassung sofort ab. Der NF-Pegel wird automatisch so eingestellt, dass die ALC im grünen Bereich bleibt. Beides misst nur während eigener Sendedurchgänge, damit Abstimmen von Hand am Gerät keinen Fehlalarm auslöst.
• Hat jemand am Gerät gedreht, stellt ein Knopfdruck Betriebsart, Filter und Frequenz wieder her.

7. Der Alltag: Handy statt Bildschirm

• Jedes QSO landet im Hintergrund bei QRZ.com und Club Log — auch dann, wenn das Internet zwischendurch weg war. Die Kopie auf der Station selbst bleibt die verlässliche.
• Zwei Rufzeichen an einem Gerät: DK9XR und DO3XR mit getrennten Logs, Zugängen und Leistungsgrenzen.
• Push-Meldungen aufs Handy nur, wenn es sich lohnt: eine gesuchte DX-Station aus der Wunschliste, eine DXpedition aus dem Kalender, ein Gewitter, das tatsächlich näher kommt.
• Neue Softwareversionen holt sich die Station selbst, wartet dafür das laufende QSO ab und geht bei Problemen auf die vorige Version zurück.
• Findet sie unterwegs kein WLAN, öffnet sie ein eigenes, damit das Handy trotzdem drankommt.

Und ist das erlaubt?

Die Frage kommt regelmäßig, und sie ist berechtigt. Die Amateurfunkverordnung unterscheidet drei Dinge, die leicht durcheinandergehen.

Unsere Station wird besetzt betrieben. Ein Funkamateur ist da, beaufsichtigt sie und kann sie jederzeit vom Handy anhalten. In diesem Fall ist die Automatik ein Werkzeug wie die Auto-Sequenz in WSJT-X, die genauso selbsttätig CQ ruft und auf Anrufe antwortet — nur eben mit mehr Verstand bei der Auswahl.

Etwas anderes ist der unbesetzte Betrieb, und den regelt die Verordnung ausdrücklich:

• Remote-Betrieb (§ 13a AFuV) ist der unbesetzte, fernbediente Betrieb unter „ununterbrochener, mittelbarer und vollständiger Kontrolle“ eines Funkamateurs. Er ist nur Inhabern der Klasse A gestattet. Dazu kommen Pflichten: Schutz vor unberechtigtem Zugriff nach dem Stand der Technik, jederzeitige Abschaltbarkeit auf Anforderung der Bundesnetzagentur und telefonische Erreichbarkeit während des Betriebs.
• Fernbediente oder automatisch arbeitende Amateurfunkstellen (§§ 2, 13 AFuV) — also Relais, Digipeater und Funkbaken, die unbesetzt selbsttätig senden — brauchen eine eigene Rufzeichenzuteilung, eine standortbezogene Verträglichkeitsuntersuchung und dürfen nur am zugeteilten Standort arbeiten.

Wer die Software nachbaut, sollte sich also zuerst über die eigene Betriebsart klarwerden. Technisch bringt die Station einiges mit, was für den beaufsichtigten Betrieb ohnehin sinnvoll ist und bei den Auflagen hilft: Die Oberfläche ist passwortgeschützt, der Sender lässt sich vom Handy sofort abschalten, Leistung und Bänder bleiben in den Grenzen der jeweiligen Lizenzklasse — für Klasse A und Klasse E getrennt —, und ein SWR-Wächter schaltet bei schlechter Anpassung selbsttätig ab.

Das ist keine Rechtsberatung, sondern der Hinweis auf die einschlägigen Vorschriften: § 2, § 13 und § 13a AFuV. Im Zweifel gibt die Bundesnetzagentur Auskunft.

Was uns die Zahlen beigebracht haben

Der Unterschied zu einem Programm, das man bedient, ist nicht die Automatik. Es ist, dass die Station ihre eigenen Ergebnisse zählt und danach handelt. Jede Regel, die heute aktiv ist, hat eine Zahl hinter sich; Regeln, die in der Zählung nichts brachten, sind wieder verschwunden.

Dabei kommen auch unbequeme Ergebnisse heraus. Das lehrreichste: Wir haben eine ausgefeilte Rangfolge von 22 Kriterien gebaut — und dann nachgesehen, wie oft sie überhaupt etwas zu entscheiden hat. Ergebnis: In 91 % aller Anrufe stand genau ein brauchbarer Kandidat zur Wahl. Die ganze Feinsortierung betrifft also jeden zehnten Fall. Was dagegen bei jedem Durchgang wirkt, sind die einfachen Ja/Nein-Entscheidungen: anrufen oder nicht, hier antworten oder dort, weitermachen oder abbrechen.

Das deckt sich ziemlich genau mit dem, was erfahrene Operatoren sagen, wenn man sie nach ihrem Erfolgsrezept fragt. Es ist selten die raffinierte Auswahl. Es ist, nicht in den Stapel zu senden, nicht auf Stationen zu warten, die einen nicht hören, und ein angefangenes QSO auch dann zu Ende zu bringen, wenn die Gegenstation vom Drehbuch abweicht.

Fragen, Ideen oder Interesse am Nachbau: über das Impressum oder direkt über die verlinkte Projektseite.