V tomto textu bych česko-slovenské radioamatérské komunitě rád představil projekt New Packet Radio (a taky trochu okrajově i síť Hamnet) a proč mě to zaujalo natolik, že jsem se po letech rozhodl udělat si licenci, navrhnout vlastní PCB a začít s NPR experimentovat.
V textu se podíváme na historii, technické parametry i praktické využití NPR a snad se mi podaří vás motivovat natolik, že společně NPR rozšíříme v ČR/SR. Tak pojďme na to.
Když jsem začal letos konečně uvažovat o radioamatérské licenci, bylo to hlavně kvůli digitálním módům a HAM datovým sítím. Povídat si s cizinci na krátkých vlnách mě jako introverta nikdy moc nelákalo (i když to se třeba časem změní, nedávno jsem objevil mód M17).
Líbí se mi, že místo hlasového spojení používají moderní radioamatéři digitální/datové přenosy, často s obdivuhodnou efektivitou v omezené šířce pásma. Jenže většina dostupných módů (AX.25, APRS, FT8, …) je stavěná na velmi nízký bitrate, často jen na přenos několika bajtů textu za minutu.
Pak je tady (zatím málo známý a rozšířený) projekt NPR, který si klade za cíl vytvořit otevřenou, IP-kompatibilní a vysokorychlostní rádiovou síť pro radioamatéry. Není to žádná černá skříňka plná patentů – je to plně open-source řešení postavené na běžně dostupných součástkách a otevřeném firmware, jehož autorem je francouzský radioamatér F4HDK. To mě velice zaujalo a jako někdo, kdo studoval telekomunikace na VUT FEKT a profesně se zabývá vývojem pro IoT, mě ta kombinace jednoduchosti, otevřenosti a zvoleného technického řešení opravdu zaujala.
Chvilku jsem si o NPR četl a shlédl všechny dostupné Youtube videa, prošel si originální dokumentaci, mrkl na firmware, a pak to na pár měsíců odložil stranou. Až mě letos v únoru vyprovokoval Twitter příspěvek od OK2AWO, který se pochlubil prvním plánovaným Hamnet spojem v Česku.
Dali jsme se do řeči a při tom padla zmínka o NPR. Tentokrát jsem už neváhal, spustil KiCAD a začal navrhovat vlastní verzi desky. Chtěl jsem vše dostat na jeden kompaktní plošný spoj, bez zbytečných kabelů a kupovaných PCB modulů, připravený rovnou k použití. Použil jsem rádio modul od NiceRF (stejně jako původní autor), ale zbytek obvodu jsem složil ze samostatných součástek, pasivy velikosti SMD 0402 a vše co nejvíc kompaktní.
Výsledkem byla první revize A, jejíž prototypy mě dorazily začátkem dubna. Sdílel jsem je tehdy na Twitteru a měl z nich obrovskou radost – konečně rádio, které mluví IP. Jelikož jsem v té době ještě neměl licenci, tak jsem spojil dva modemy koaxiálním kabelem RG-58, dvěma atenuátory a snížil vysílací výkon na minimum. A po pár dnech přepisování firmware a ladění to fungovalo! Jeden modem jsem připojil k lokální síti, druhý k laptopu a začal testovat. Přenosová rychlost cca 400-500 kbps když se nastaví maximální šířka pásma 1MHz a kolem 100-120 kbps při 200 kHz.
Zbytek tohoto textu bude hlavně o tom, co New Packet Radio je, jak funguje a proč si myslím, že by o něm měla česká a slovenská HAM komunita rozhodně vědět. V dalších částech se podíváme na moje vlastní PCB návrhy, první měření a jaké možnosti tahle technologie přináší.
Co je to Packet Radio?
Packet Radio patří mezi nejstarší digitální módy, které se v radioamatérském světě rozšířily už v 80. letech minulého století. Zjednodušeně řečeno se jedná o přenos datových paketů po rádiovém kanálu, nejčastěji pomocí protokolu AX.25 – to je radioamatérská verze známějšího X.25. Paketový provoz byl oblíbený zejména na VHF (144 MHz) a UHF (440 MHz) pásmech, často v konfiguraci s 1200 nebo 9600 bps. Na HF (3,5 až 28 MHz) se packet rádio používalo také, ale na mnohem pomalejších 300 bps. Typické využití sahalo od jednoduché výměny zpráv, přes e-mailové BBS systémy až po experimentální síťování.
V dobách před masovým rozšířením internetu bylo packet rádio průkopníkem datové komunikace – radioamatéři si stavěli TNC (terminal node controller) moduly, připojovali je k počítačům a přes rádio sdíleli po síti zprávy, soubory i přístup k serverům. Uživatelé mohli například přes rádiový BBS systém odesílat a přijímat zprávy podobné dnešním e-mailům.
S nástupem internetu a mobilních dat začal význam packet rádia upadat. Nízká přenosová rychlost, složitá infrastruktura a náročná konfigurace přestaly být konkurenceschopné. AX.25 zůstal prakticky beze změn po několik dekád, a i když některé aplikace jako APRS (Automatic Packet Reporting System) ho stále využívají, jeho role je spíš doplňková.
A právě zde se otevírá prostor pro nový přístup – The New Packet Radio (NPR). Tento projekt si klade za cíl nahradit starý AX.25 moderním, otevřeným a hlavně IP-kompatibilním řešením. NPR umožňuje radioamatérům vytvořit plnohodnotnou TCP/IP síť přes rádio. Na rozdíl od klasického packet rádia tak lze připojit běžné počítače, routery nebo IoT zařízení bez nutnosti složitých převodníků a překladů mezi různými protokoly.
Co je to New Packet Radio?
New Packet Radio, zkráceně NPR, je projekt francouzského radioamatéra Guillaume F4HDK, který na něm začal pracovat kolem roku 2018. Jeho cílem bylo umožnit přenos IP paketů přes amatérská UHF pásma s použitím běžně/snadno dostupných komponent. Hlavní motivací byla snaha překonat limity klasického Packet Rádia a vytvořit moderní protokol pro připojení poslední míle sítě Hamnet (o tom za chvíli).
NPR je rádiový protokol pro obousměrnou IP síť po rádiu s master/slave topologií, kde je jeden řídicí uzel a několik podřízených jednotek (maximálně 7). Vše běží na 440 MHz pásmu, které je v EU běžně dostupné v rámci radioamatérské licence, a k modulaci používá GFSK, respektive GMSK (Gaussian Minimum Shift Keying).
Zařízení může fungovat buď jako master (AP), který řídí přístup ostatních k rádiovému kanálu, nebo jako slave (klient), který čeká na přidělení časového slotu, než začne komunikovat. Každé zařízení má přiřazenou IP adresu v rámci lokální sítě (např. 192.168.4.0/24) a pomocí DHCP se připojuje stejně jako jakékoliv jiné IP zařízení.
Tabulka níže ukazuje v čem se NPR liší od klasického paket rádia.
| Vlastnost | Klasické packet rádio (AX.25) | New Packet Radio (NPR) |
|---|---|---|
| Rychlost přenosu | 1.2–9.6 kbps | 50–500 kbps (v závislosti na šířce pásma) |
| Protokolová vrstva | AX.25 (linková vrstva) | IP (L3), UDP, TCP, DHCP |
| Směrování | Manuální, často point-to-point | Plná IP síť, směrování jako v LAN |
| Hardware | TNC modul, často s RS-232 | MCU + rádio modul s ethernetem |
| Softwarová otevřenost | Částečná (?) | Plně open-source (HW i FW) |
| Praktické použití | BBS, APRS, messaging | LAN bridging, IoT, VoIP, SSH, MQTT |
| Šířka pásma | 3 kHz | 200 kHz až 1 MHz |
| Modulační schéma | AFSK, GFSK | 2GFSK, 4GFSK |
| Frekvence | VHF (144 MHz), UHF (440 MHz) | UHF (440 MHz) |
NPR je navrženo radioamatérem pro radioamatéry, takže plně respektuje všechna pravidla: v odesílaných datech se pravidelně opakuje radioamatérská značka, přenos je nešifrovaný, konkrétní frekvence i zabraná šířka pásma se dá nastavit uživatelem podle potřeby a v případě, že žádný klient nekomunikuje, master se přepne do „sleep“ režimu a přestává vysílat. Spojení mezi body by nemělo být trvalé, ale pouze dočasné, v jedné síti (na jedné frekvenci) může být maximálně 7 klientů a jeden master a maximální vzdálenost jednoho spoje (limitovaná protokolem, ne vysílacím výkonem nebo anténou) je 300 km.
Protokol využívá time division multiplex (TDMA), tedy podobně jako mobilní sítě 2. generace (GSM). To znamená, že master sítě vyhradí jednotlivým klientům časové okno, ve kterém může komunikovat. To umožňuje, aby více klientů komunikovalo s masterem obousměrně na jedné frekvenci. Protokol (a stávající implementace firmware) také umožňuje provozovat master v duplexním módu, kdy se použijí dva dohromady spojené a správně nakonfigurované modemy s duplexerem a jednou anténou. Master pak může přijímat a vysílat v jeden okamžik na dvou frekvencích a klienti zůstávají v simplex režimu a přepínají mezi frekvencí pro příjem a vysíláním.
Master může používat všesměrovou anténu (a případně i dostatečně výkonný zesilovač; vhodné jsou zesilovače pro DMR) a klienti (slaves) by naopak měli používat směrové antény, například typu Yagi. Tím se zabrání problémům s šířením signálu z více směrů (multi-path issues).
V tabulkách níže jsou popsány dostupné modulace pro NPR a odpovídající rychlosti a šířky pásma.
| Modulace 2GFSK | 11 | 12 | 13 | 14 |
|---|---|---|---|---|
| Datová rychlost [kbps] | 100 | 180 | 300 | 500 |
| Využitelná rychlost [kbps] | 71 | 120 | 190 | 300 |
| Šířka pásma [kHz] | 200 | 360 | 600 | 1000 |
| Symbolová rychlost [kS/s] | 100 | 180 | 300 | 500 |
| Modulace 4GFSK | 20 | 21 | 22 | 23 | 24 |
|---|---|---|---|---|---|
| Datová rychlost | 100 | 200 | 360 | 600 | 1000 |
| Využitelná rychlost | 68 | 130 | 220 | 330 | 470 |
| Šířka pásma [kHz] | 100 | 200 | 360 | 600 | 1000 |
| Symbolová rychlost [kS/s] | 50 | 100 | 180 | 300 | 500 |
Pro zájemce o podrobnější informace doporučuji tyto zdroje:
- NPR New Packet Radio projekt na Hackaday.io,
- úvodní seznámení s projektem a
- podrobný uživatelský manuál.
K čemu je to dobré?
(aneb nápady, které možná někdo z vás zrealizuje)
NPR umožňuje přenášet běžné IP pakety – a to otevírá dveře ke spoustě malých a elegantních aplikací, které nepotřebují vysoký bitrate ani trvalou konektivitu. Zde je pár nefiltrovaných a neotestovaných nápadů, které jsem dal dohromady a o kterých si myslím, že jsou (alespoň teoreticky) realizovatelné:
1. Digitální pošta – BBS a Winlink styl
- Lokální BBS server dostupný přes NPR. Uživatel se připojí, stáhne nové zprávy, odešle vlastní a odpojí se.
- Klony starších systémů jako FBB nebo moderní varianta Winlink-like, ovšem zcela open-source a bez internetu.
2. Sběr dat ze senzorů
- Meteostanice, environmentální čidla nebo dokonce jednoduché APRS-like body posílající periodicky data.
- Přenos např. jednou denně – během 10–20 sekund se pošle celý denní log.
3. Audio relace přes NPR
- Mumble server optimalizovaný na nízký bitrate (např. OPUS 8 kbps) nebo M17 reflector s kodekem codec2, případně klasické SIP.
- Krátké hlasové relace (push-to-talk), například denní setkání radioamatérů nebo funkce záznamníku.
- Skupinový hlasový chat pro lokální skupiny.
4. Mikro-sociální síť pro HAMy
- Federovaný Mastodon nebo Pleroma klon běžící čistě v rámci NPR/Hamnetu.
- Omezené příspěvky, nízké nároky, ale čistě rádiová síť bez závislosti na internetu.
- Chat nebo sdílení statusů mezi jednotlivými NPR uzly.
5. Vzdálený přístup k SDR přijímačům
- Zpřístupnit IQ streamy by bylo složité, možná nemožné, ale kontrolní rozhraní přes NPR je podle mě reálné.
- Připojení k SDR přijímači přes web nebo SSH, vyhledání frekvence, přesměrování audia přes Hamnet, případně přepínání antén.
- Vhodné pro remote QTH s přístupem do Hamnetu a NPR jako přístupovou bránou.
6. Data, logy, firmware – distribuce souborů
- Lokální server (např. Raspberry Pi) připojený k NPR masteru nabízí logy, firmware, mapy, soubory ke stažení.
- Klienti si stáhnou aktuální soubory a odpojí se – něco jako “ham FTP” přes rádio.
7. Telemetrie z mobilních nebo přenosných zařízení
- Přenos polohy, napětí baterie, statistik ze zařízení v terénu (balóny, sondy, vozidla).
- V kombinaci s GPS a MQTT lze přenášet drobná data do nadřazeného systému.
8. Experimentální DNS a jiné služby
- Lokální DNS resolver připojený k NPR, který vrací IP adresy v rámci subnetu.
- MQTT nebo UDP spojení pro Meshtastic (v HAM režimu bez šifrování) nebo jiné LoRa sítě.
NPR modem revize A
Jak už jsem zmiňoval v úvodu, na začátku letošního března jsem se pustil do návrhu vlastního NPR modemu. Chtěl jsem vytvořit kompaktní a čisté řešení, které nebude vyžadovat žádné další moduly, kabely ani složité pájení – zkrátka vše na jednom plošném spoji, připravené rovnou k osazení a provozu.
Vycházel jsem z původního návrhu NPR od F4HDK, ale místo modulární a DIY koncepce (oddělená STM32 vývojová deska, DC/DC měniče na PCB, rádio na samostatném modulu apod.) jsem vše integroval na jedno PCB. Jedinou výjimkou je rádio NiceRF SA4463F30, které zůstává jako modul a pájí se na PCB jako SMT součástka. Díky tomu mohla deska zůstat dvouvrstvá (a tedy levná) a návrh v KiCAD jsem zkrátil na minimum času.
Cíle návrhu
- Kompaktní rozměry: plošný spoj má minimální rozměry vhodné i pro zabudování do krabičky nebo sloupek k anténě.
- Strojové osazení: tím se zvýší spolehlivost, mohu použít SMD součástky velikosti 0402 a nebudu trávit hodiny pájením.
- Napájení přes USB-C: DC/DC měnič dodává 3.3 V pro STM32 i Wiznet.
- Procesor STM32F103: pro tento MCU byl původní NPR firmware napsán.
- Konektory pro sériovou linku, Ethernet a rádio: vše vyvedeno na konektory z krabičky.
- Anténní výstup přes SMA konektor: jednoduché připojení na standardní konektor, snadné použití radioamatérských antén.
Design
Samotný design byl přímočarý a relativně rychlý. USB-C a zdroj 3,3 V jsem převzal z mých předchozích projektů, kde mám stejné zapojení již odzkoušeno. Datové signály z USB jsem zapojil přímo do STM32 s tím, že upravím firmware aby měl nativní podporu pro USB-UART (to se mi nakonec nepodařilo, protože STM32F103 nemá dostatek paměti pro plnou implementaci NPR protokolu, síťové části a ještě USB device class). Ethernet jsem vyřešil osazením čipu Wiznet W5500, který s STM32 komunikuje po SPI.
PCB má tvar obdelníku a rozměry jsou navrženy tak, aby se vešly do extrudované hliníkové krabičky (odkaz na Aliexpress) s 3D tisknutými čelky.
Výsledek je zde:
Tyto soubory dávám volně k dispozici, ovšem uporozňuji, že v designu jsou problémy, které řeší revize B, podrobnosti viz dále. Tuto první verzi proto nedoporučuji dávat do výroby.
Měření
Po prvních experimentech a měřeních bylo jasné, že základní funkčnost funguje skvěle – rádio i ethernet fungují dobře a napájecí část je stabilní a bez problémů vše funguje z USB-C laptopu.
Díky pomoci od OK2AWO, který změřil RF spektrum výstupu z modemu, jsme si ověřili, že šířka pásma je skutečně v souladu s dokumentací od F4HDK. Výstupní výkon je na frekvenci 437 MHz cca 27 dBm, tedy asi 500 mW. Druhá harmonická na frekvenci ~873 MHz má výkon 3,69 dBm, to není úplně ideální, ale pro první experimenty se s tím dá pracovat. NiceRF modul podle všeho nemá kvalitní lowpass filtr na výstupu a v další revizi PCB je nutné ho přidat.
Firmware
Firmware pro NPR je dostupný na stránkách projektu na Hackaday.io. Tento kód je ovšem z roku 2019 a pro autorovu verzi modemu. Moje verze HW má jinak zapojené GPIO piny, takže bylo nutné firmware upravit.
Při té příležitosti jsem udělal několik dalších změn. Zdrojový kód jsem dal na Github, připravil automatickou kompilaci pomocí Github Actions, aktualizoval jsem použitou verzi Mbed OS na 5.6.6 (nejvyšší verze, která je ještě s původním kódem kompatibilní), refaktoroval jsem kód SPI komunikace, opravil jsem téměř všechny kompilační chyby a warningy a vše vydal jako verzi 2025_03_29 pod licencí GPL3.0 (stejnou jako použil původní autor kódu).
K ideálnímu stavu to má ještě daleko, ale základ je a hlavně je vše funkční a dá se snadno zkompilovat.
NPR modem revize B
Nová revize PCB přidává lowpass filtr Chebyshev 3. řádu na výstup rádia kvůli potlačení 2. harmonické, přidal jsem integrovaný obchod pro USB-UART a opravil zapojení TX LED.
Tato verze ještě není vyrobena a tím pádem ani otestována. Jakmile budu mít první prototypy, tak zde doplním podrobnější informace, měření a výrobní podklady (KiCAD, gerbers a další).
Pokud máte o revizi B zájem, tak mi napište email nebo přes Twitter. Podle poptávky bych navýšil vyráběný počet kusů, což trochu sníží cenu za kus. Jelikož jde stále o hobby projekt, nemohu zaručit 100% funkčnost, ale právě o to tady jde – společné ladění, měření a zkoušení, v radioamatérském duchu.
Cena jedné desky závisí na výrobním množství (osazení je strojové), takže podle zájmu bych objednal odpovídající počet kusů. Orientačně počítám s 1200 Kč za plně osazené a funkční PCB s nahraným FW a v krabičce, cena je pouze za materiál a výrobu.
Testování v terénu
První větší testování NPR revize A proběhlo na Expedici Akát 2025, zde ovšem jen na krátkou vzdálenost, a později (22.6.2025) na vzdálenost asi 45 km.
Pro testování jsme s OK2AWO použili Yagi antény pro 400-470 MHz se ziskem 8 dBi a 5 prvků (moje strana) a 9,5-12 dBi a 10 prvků (strana OK2AWO). Mezi oběma body byla přímá viditelnost. Na obrázku níže je vidět profil terénu a umístění našich modemů.
Test trval něco přes hodinu a během něj jsme vyzkoušeli různé druhy modulace, vyzkoušeli spojení přes Mumble server a snažili se najít nejlepší nastavení s nejmenší ztrátovostí.
Z testů vyplývá, že teoretické přenosové rychlosti (viz tabulky výše v textu) odpovídají realitě. Ztrátovost (chybovost) přenostu je silně závislá na správném nasměrování antén a měla by být pod 5%, resp. ideálně pod 2%, pro spolehlivou funkci sítě. Vysílací výkon 27 dBm je při použití Yagi antén dostatečný i na vzdálenost 45 km, kdy je přijímaná síla signálu kolem -70 až -77 dBm (měli jsme různé verze antén a signál závisel hodně na jejich nasměrování a velmi málo i na zvolené modulaci). Teoretická citlivost rádiového modulu je kolem -100 až -120 dBm (v závislosti na zvolené modulaci a přenosové rychlosti), takže test měl dostatečnou rezervu.
Pro praktické nasazení NPR bude lepší pro master stranu zvolit všesměrovou anténu a vyšší vysílací výkon. Klienti mohou používat Yagi a 27 dBm.
Stručně o Hamnet
V textu jsem již několikrát zmínil projekt Hamnet, tak si pojďme ve stručnosti říct o co jde.
Hamnet (Highspeed Amateur Radio Multimedia NETwork) je experimentální IP síť provozovaná radioamatéry na radioamatérských frekvencích v Evropě. V praxi se jedná o nezávislou infrastrukturu, která umožňuje přenos dat v reálném čase bez závislosti na veřejném internetu. Je postavená na běžných IP protokolech (IPv4), a díky tomu podporuje služby jako DNS, web servery, VoIP, SSH, SDR streamy a mnoho dalšího.
Hamnet je v jádru směrovaná síť, využívající oficiálně přidělený adresní rozsah 44.128.0.0/10 (známý jako AMPRNet). Každý uzel má přiřazenou veřejnou IP adresu z tohoto rozsahu a směrování probíhá buď staticky, nebo přes OSPF/BGP. V některých oblastech (například Německo) je propojena i s globálním internetem přes VPN (to v případě, že bod nemá přímé napojení na Hamnet po rádiu), ale většinou funguje jako zcela autonomní síť.
Největší a nejpropracovanější síť existuje v Německu, Rakousku a Švýcarsku, kde radioamatéři vybudovali reálnou páteřní infrastrukturu – často s využitím vysokohorských převaděčových stanovišť, kde se spoje mezi jednotlivými uzly realizují na stovky kilometrů. Celá síť je dokumentována na portálu https://hamnetdb.net, kde si můžete prohlédnout uzly, jejich parametry a směrové spoje.
V České republice zatím Hamnet existuje jen ve velmi základní podobě. První testovací spoj se objevil v roce 2025 a další pokusy zatím vznikají spíše individuálně. NPR (New Packet Radio) by právě v tomto mohl sehrát důležitou roli – jako přístupová technologie do větších Hamnet uzlů.
Hamnet je typicky provozován na mikrovlnných pásmech, která jsou v radioamatérském provozu legální a relativně volná:
| Pásmo | Frekvence | Typické použití |
|---|---|---|
| 2.3 GHz | 2300–2450 MHz | Přístupové body (AP), krátké spoje |
| 5.6 GHz | 5650–5850 MHz | Backbone spoje |
| 10 GHz | kolem 10.4 GHz | Speciální směrové spoje |
| 70 cm | 430–440 MHz | Experimentální přístup přes NPR |
Pro samotné připojení se často využívají Mikrotik routery s Routerboard nebo v menší míře i OpenWRT, upravené Ubiquiti (např. NanoStation M5), nebo i Raspberry Pi s USB Wi-Fi kartou. Důležité je, že zařízení musí splňovat radioamatérské podmínky – tedy např. bez šifrování, se známou identifikací, nekomerční použití, a nesmí sloužit pro přístup k veřejnému internetu.