PA8W's Radio Direction Finding Technology

Good challenge, great fun!



Attention:  rdf-server for MapApp changed.
Check out new version of MapApp


Radio Direction Finding (=RDF) is a fascinating activity with many aspects.

As a licensed Radio Amateur starting in 2010 (callsign  PA8W) I spent a great deal of my hobby time developing and building RDF tools, mainly for enthusiasts like me.
To sharpen my skills I participated in many radio-foxhunts, located numerous land based transmitters and recovered more than 130 Meteo-Radio-Sondes, just for the sheer fun of it!
I hope this website may help you find your way into this fascinating hobby:

All about Radio Direction Finding

Semi-professional RDF-processor kits

How to build the best RDF Antenna Arrays

(Free-) Mapping software

Who is PA8W and how do I contact him?

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How to build the old V2,3 doppler

Direction finder builds by other amateurs

Succesful RIT master project using RDF41



All you wanted to know about radio direction finding


Radio Direction Finding (RDF) is a technology to determine the direction from which a radio signal arrives.
The found direction is called the bearing.
Multiple bearings can be used to pinpoint the approximate location of a transmitter.
This technology is extensively used for military purposes, to find enemy locations, and by government agencies as well as radio amateurs to locate (possibly  illegal-) transmitters or sources of radio interference. Or, in case of the radio amateurs, radio direction finding may be done simply for fun.

The most basic form of radio direction finding is by means of a simple receiver that is used to manually scan the area for the highest field strength.
A faster way to get to the source is to use some kind of directional antenna on your receiver.
The fastest way is to use some form of automatic radio direction finder, which may produce a useful bearing within less than half a second.
In the amateur world the pseudo doppler RDF is a popular technique since it uses a standard single channel amateur receiver and the necessary antennas and RDF-processor are within the technical and financial range of most radio amateurs.
A pseudo doppler direction finder generally uses 4 (or more) antennas around a central point and the RDF processor sequentially switches those antennas so that at all times 1 of 4 antennas is connected to the receiver.
This is done in a fast pace, like 2000 steps to a next antenna per second. That is 500 cycles per second in a 4 antenna doppler.
The moment the next antenna is selected the receiver notices a phase jump in the received signal and transforms this into a voltage spike in the receivers audio.
The audio is fed into the RDF-processor so it can compare the audio voltage spikes with the moment of antenna commutation and based on that information it can calculate a bearing estimate.

Equally simple but much less known is the amplitude radio direction finder: Instead of switching through 4 omni-directional antennas for phase comparison the Amplitude direction finder  switches through a number of directional antennas, to compare the strength (=amplitude) of the received signal.
Instead of the cumbersome approach with 4 or more directional antennas, I prefer to use a single antenna in the center and 4 switched reflectors to give the antenna a switchable directional pattern.
In this website you will find a few proven designs I developed and built in the past years.
So, simply by switching (2000 times per second) to the next reflector we get a directional pattern that rotates 500 times per second, which modulates the incoming signal in amplitude and as a result the connected receiver (in AM mode!) will produce a massive 500Hz audio tone which is fed into the RDF processor.
Just like in the doppler direction finder example the RDF processor compares the audio with the moments of antenna commutation and based on that information it can calculate a bearing estimate.
An amateur grade 4 antenna pseudo doppler direction finder has an intrinsic accuracy of better than 5 degrees, as stated by several manufacturers and RDF specialists.
That is, if the display resolution is high enough: A simple 16 LED display has only 22.5 degrees resolution....
Tests have proven that my doppler radio direction finders are closer to 2.5  degrees, or even less in case of the amplitude direction finders.
This is perfect, but the accuracy will generally be degraded massively by the environment.
Driving around with a pseudo doppler direction finder will teach you very quickly that there are a lot of disturbing factors.
First of all, to get maximum accuracy you need a line-of-sight situation, which is pretty rare in the real world.
Generally, a direct line-of-sight is blocked by buildings, trees, etcetera. They all block, reflect or re-transmit the desired signal.
But also objects beside you and behind you will reflect a part of the received energy towards your antenna.
So, what the antenna receives is the sum of the direct signal plus all of the thousands micro-reflections from objects in your vicinity.
To make things even worse, a reflection may be as strong as, or even stronger than the direct signal, creating a massive inaccuracy in ANY RDF system that is used there.
So, these real world complications not only impact a pseudo-doppler, but all possible means of radio direction finding.
Having said that, the bigger the RDF array, the more it is capable of coping with a reflective environment, but size is very often severely limited by practical considerations.
The only way to really tackle above problems is to avoid them,  so try to produce enough bearings in open, preferably elevated areas and avoid taller buildings as long as possible.

The real advantages of a pseudo doppler direction finder (or amplitude direction finder) over manual RDF means are:
1: Reaction speed, even short signal bursts produce a good bearing.
2: The possibility to RDF on-the-move, so you don't loose time stopping, getting out of the car, etc.
3: The possibility to RDF from higher places where you are not allowed to be on foot, like high bridges, highway crossings and so on.
4: The possibility to plot your bearings on a map using MapApp or RDF-Mapper.
This way you can pinpoint an area of probability before you "dive" into a city environment with all difficulties I described.

2023 Level of technology of an amateur RDF system:
Ever since I started off with a simple "WA2EBY Doppler" many years ago, many improvements were made to that basic design:
First of all soft antenna commutation was added, to get rid of most of the switching noise of that hard switching doppler.
The phase detector was improved and automatic gain control was added.
The digital filter was improved and the LED pelorus was upgraded to 32 LED's to benefit from the improved accuracy.
Later I even "wobbled" the LED pelorus to get a virtual resolution of 64 LED's.
After that I switched to Arduino base radio direction finders with the benefit of a nice display which offers a much better user interface.
Another benefit, the possibility to calculate numerically, turned out to be much bigger than I ever expected.
In other words, the algorithms I developed over the years to judge the incoming data and use the best possible data for a much higher accuracy exceeded my expectations massively.
And when I felt that -almost- no further improvement was possible, I concentrated on creating an app that plots the RDF bearings on a map. 
And also this was a journey of several years of testing, adding features etcetera.

So, if a simple 16 LED doppler direction finder couldn't convince you many years ago then maybe it's time to try something new...

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Radiopeiling of Radio Direction Finding (RDF) is een technologie om de richting te bepalen van waaruit een radio signaal komt.
De gevonden richting noemen we de Bearing.
Meerdere bearings kunnen worden gebruikt om de vermoedelijke locatie van een radiozender te bepalen.
Radio peiling wordt uitgebreid gebruikt voor militaire doeleinden om de vijandelijke locaties op te sporen, en door b.v. Agentschap Telecom en door radio amateurs om (mogelijk illegale-) zenders en storingsbronnen op te sporen.
En in het geval van de radio amateurs word radio peiling ook gewoon voor de lol beoefent.
De eenvoudigste vorm van peilen is met een simpele ontvanger rondgaan en kijken waar het signaal het sterkste is.
Een snellere manier oom bij de bron te komen is gebruik maken van een richtantenne aan je ontvanger.
De snelste manier maakt gebruik van een of ander automatisch peilsysteem, die meestal binnen een halve seconde een bruikbare bearing oplevert.
In de amateurwereld is de pseudo doppler peiler een populaire techniek vanwege zijn eenvoud en het feit dat het een standaard enkel kanaals ontvanger gebruikt.
De noodzakelijke elektronica en antennes vallen binnen het technische en financiële bereik van de meeste radio amateurs.
Een pseudo doppler peiler gebruikt meestal 4 (of meer) antennes rond een centraal punt en de RDF processor schakelt om de beurt deze antennes door naar de ontvanger.
Dit gebeurt razend snel, b.v. met 2000 stapjes per seconde naar een volgende antenne. 
Dat is 500 rondjes per seconde in een 4 antenne doppler peiler.
Op het moment dat de volgende antenne wordt gekozen reageert de aangesloten FM ontvanger met een pulsje in zijn audio.
De audio wordt aangeboden aan de RDF-processor en deze vergelijkt de pulsjes met de timing van de antenne rotatie, en gebaseerd op deze informatie berekent hij een bearing.
Net zo simpel als de doppler peiler maar veel onbekender is de amplitude peiler: In plaats van schakelen door 4 rondgevoelige antennes voor fase-vergelijking,
schakelt een Amplitude peiler door een aantal richtantennes, om de onderlinge signaalsterkten (=amplitude) te vergelijken.
In plaats van de nogal bewerkelijke opzet met 4 of meer richtantennes, kies ik voor de eenvoud voor een enkele antenne in het centrum en 4 geschakelde reflectors om de antenne een omschakelbaar richtpatroon te geven.
In deze website vind je een paar beproefde ontwerpen die ik de afgelopen paar jaren heb ontwikkeld en gebouwd
Dus, door simpelweg  2000x per seconde door te stappen naar de volgende reflector krijgen we een richtpatroon dat 500 rondjes per seconde maakt.
Dit  moduleert het inkomende signaal in amplitude en dus produceert een aangesloten AM-ontvanger een luide 500Hz audio toon die dan weer in de RDF processor wordt gevoed.
En net als in het doppler peiler voorbeeld vergelijkt de RDF processor dat met de omschakeling van de reflectors en rekent daarmee een bearing uit.
Een amateur level 4 antenne pseudo doppler peiler heeft een intrinsieke nauwkeurigheid van beter dan 5 graden, volgens verschillende fabrikanten en deskundigen.
Tenminste, als de display resolutie hoog genoeg is. 
(Een simpele 16 LED kompasroos heeft echter slechts 22.5 graden resolutie...)
Tests hebben aangetoond dat mijn Radio peilers dichter bij de 2.5  graad zitten of zelfs nog minder in het geval van de amplitude peiler.
Dat is perfect, maar de precisie wordt meestal flink verminderd door de omgevingsomstandigheden.
Rondrijden met een pseudo doppler peiler zal je heel snel leren dat er nogal wat verstorende factoren zijn.
Allereerst heb je voor de beste precisie een line-of-sight situatie nodig, en dat is nogal zeldzaam in de echte wereld.
Normaal gesproken staan er talloze bomen en gebouwen tussen de zender en jou. 
Deze blokkeren of reflecteren het gewenste signaal.
Maar ook objecten naast je en achter je reflecteren een deel van de ontvangen energie naar je antenne.
Dus, wat je antenne ontvangt is een optelsom van het directe signaal en de duizenden micro-reflecties van objecten in je nabijheid.
En om het nog erger te maken kan een reflectie sterker zijn dan -of even sterk als- het directe signaal, en zo een stevige afwijking bewerkstelligen in ELK radio peil systeem dat op die plek wordt gebruikt.
Dus, deze complicaties beïnvloeden niet alleen een pseudo-doppler peiler, maar alle denkbare peilsystemen.
Dat gezegd hebbende: Hoe groter de RDF antenna array is, des te minder gevoelig is hij voor reflecties, maar formaat wordt meestal bepaald door praktische overwegingen.
De enige manier om bovenstaande problemen te tacklen, is door ze te vermijden, dus probeer genoeg goede bearings te verzamelen op een open, liefst wat hoger gelegen plek en vermijd hoge gebouwen zo lang als mogelijk is.
De echte voordelen van een pseudo doppler peiler (of Amplitude peiler) t.o.v. handmatige peilmethodes zijn:
1: Reactiesnelheid, zelfs een korte signaal burst kan een goede bearing produceren.
2: De mogelijkheid om rijdend te peilen, dus je verliest geen tijd door stoppen, uitstappen, peilen en weer verder.
3: De mogelijkheid om te peilen op hogere plekken waar je als voetganger niet mag komen, zoals hoge bruggen, snelwegviaducten etc.
4: De mogelijkheid om je peilingen automatisch te plotten op een kaart d.m.v. MapApp or RDF-Mapper.
Hierdoor kan je vanuit een open gebied al een wijk in een stad pinpointen voordat je daadwerkelijk een duik in die stad neemt.

2023 Level van technologie van amateur peilsystemen:

Sinds ik lang geleden begon met een eenvoudige "
WA2EBY Doppler" zijn er heel veel verbeteringen doorgevoerd:
Allereerst heb ik zachte antenne omschakeling ingevoerd, om de schakelruis van die primitieve doppler flink terug te dringen. 
De fase-detector werd sterk verbeterd en automatische versterkingsregeling toegevoegd.
Het digitale filter werd verbeterd en de LED pelorus werd verdubbeld naar 32 LED's om de verbeterde precisie te kunnen benutten.
Later "wobbelde" ik de LED-pelorus om een resolutie van 64 te bewerkstelligen.
Daarna schakelde ik naar Arduino- gebaseerde peilers met het voordeel van een mooi display waarmee je een veel betere user-interface kan maken.
Een ander voordeel, de mogelijkheid om berekeningen te maken, bleek veel groter dan ik had kunnen vermoeden.
In andere woorden: de algoritmes die ik daardoor heb kunnen maken om inkomende peilingen te kunnen beoordelen en alleen de beste data te kunnen gebruiken om de bearing uit te rekenen hebben veel meer opgeleverd dan verwacht.
En toen ik langzamerhand het gevoel kreeg dat het plafond bereikt was heb ik me geconcentreerd op het maken en verfijnen van een app die mijn peilingen kon plotten op een kaart.
En dit was opnieuw een traject van jaren testen, features toevoegen enzovoort.

Dus, als een 16 LED doppler peiler je jaren geleden niet echt heeft kunnen overtuigen wordt het misschien eens tijd om wat nieuws te proberen...

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Funkpeilung oder Radio Direction Finding (RDF) ist eine Technologie zur Bestimmung der Richtung, aus der ein Funksignal kommt. 
Die gefundene Richtung wird als Peilung oder Bearing bezeichnet. Mehrere Peilungen können verwendet werden, um den wahrscheinlichen Standort eines Radiosenders zu bestimmen.
Funkpeilung wird in großem Umfang für militärische Zwecke verwendet, um feindliche Standorte zu erkennen, und z.B. von Peildienste und von Funkamateuren,
um (möglicherweise illegale) Sender und Störquellen aufzuspüren. 
Und bei den Funkamateuren wird Funkpeilung auch nur zum Spaß praktiziert. Die einfachste Form der Funkpeilung besteht darin, mit einem einfachen Empfänger herumzugehen und zu sehen, wo das Signal am stärksten ist. 
Ein schnellerer Weg, um zur Quelle zu gelangen, ist die Verwendung einer Richtantenne, die an Ihrem Empfänger angebracht ist. 
Der schnellste Weg ist ein automatisches Funkpeilsystem, das in der Regel innerhalb einer halben Sekunde ein brauchbares Peilung erzeugt.
In der Amateurwelt ist das Pseudo-Doppler-Peiler aufgrund seiner Einfachheit und der Tatsache, dass es einen Standard-Einkanalempfänger verwendet, eine beliebte Technik. 
Die notwendige Elektronik und Antennen liegen in der technischen und finanziellen Reichweite der meisten Funkamateure.
Ein Pseudo-Doppler-Peiler verwendet normalerweise 4 (oder mehr) Antennen um einen zentralen Punkt, und der RDF-Prozessor schaltet diese Antennen abwechselnd auf den Empfänger. 
Dies geschieht sehr schnell, z.B. mit 2000 Schritten pro Sekunde zur nächsten Antenne.   Das sind 500 Runden pro Sekunde in einem Doppler-Messgerät mit 4 Antennen. 
In dem Moment, in dem die nächste Antenne ausgewählt wird, antwortet der angeschlossene UKW-Empfänger mit einem Impuls in seinem Audio.
Das Audio wird dem RDF-Prozessor angeboten, der die Impulse mit dem Timing der Antennendrehung vergleicht und auf der Grundlage dieser Informationen eine Peilung berechnet.
Genauso einfach wie ein Doppler Peiler, aber viel unbekannter ist die Amplituden Peiler:
Statt durch 4 rundempfindliche Antennen zum Phasenvergleich zu schalten, schaltet eine Amplituden Peiler durch eine Reihe von Richtantennen, um die gegenseitigen Signalstärken (=Amplitude) zu vergleichen.
Statt des eher umständlichen Aufbaus mit 4 oder mehr Richtantennen entscheide ich mich der Einfachheit halber für eine einzelne Antenne in der Mitte und 4 geschaltete Reflektoren, um der Antenne eine schaltbare Richtcharakteristik zu geben. 
Auf dieser Website findet man einige bewährte Designs, die ich in den letzten Jahren entwickelt und gebaut habe.
Wenn wir also einfach mit 2000x pro Sekunde zum nächsten Reflektor durchschreiten, erhalten wir ein Richtmuster, das 500 Runden pro Sekunde macht. 
Dieser moduliert das eingehende Signal in der Amplitude und so erzeugt ein angeschlossener AM-Empfänger einen lauten 500Hz-Audioton, der dann in den RDF-Prozessor eingespeist wird. 
Und genau wie im Beispiel der Doppler Peiler vergleicht der RDF-Prozessor dies mit dem Schalten der Reflektoren und berechnet eine Peilung.
Ein Amateur-Antennen-Pseudo-Doppler-Peiler mit 4 Antennen hat laut mehreren Herstellern und Experten eine intrinsische Genauigkeit von besser als 5 Grad. 
Das heißt, wenn die Bildschirmauflösung hoch genug ist.   (Eine einfache 16-LED-Kompassrose hat jedoch nur eine Auflösung von 22,5 Grad...)
Tests haben gezeigt, dass meine Funkpeiler näher an 2,5 Grad oder sogar weniger im Falle des Amplitudenmessers liegen.
Das ist perfekt, aber die Präzision wird in der Regel durch die Umgebungsbedingungen stark reduziert.:
Wenn man mit einem Pseudo-Doppler-Peiler herumfährt, wird man sehr schnell feststellen, dass es mehrere Störfaktoren gibt. 
Zunächst einmal braucht man für die beste Präzision eine Sichtverbindung, und das ist in der realen Welt eher selten. 
Normalerweise befinden sich unzählige Bäume und Gebäude zwischen dem Sender und Empfänger. 
Diese blockieren oder reflektieren das gewünschte Signal.  Aber auch Objekte neben dir und hinter dir reflektieren einen Teil der empfangenen Energie an ihre Antenne. 
Was die Antenne also empfängt, ist eine Summe aus dem direkten Signal und den Tausenden von Mikroreflexionen von Objekten in der Nähe. 
Und um die Sache noch schlimmer zu machen, kann eine Reflexion stärker oder so stark sein wie das direkte Signal und somit eine solide Abweichung in JEDEM Funkpeilsystem verursachen, das an diesem Ort verwendet wird.
Diese Komplikationen betreffen also nicht nur einen Pseudo-Doppler-Peiler, sondern alle denkbare Peilsysteme.
Je größer das RDF-Antennenarray ist, desto unempfindlicher ist es jedoch gegenüber Reflexionen, aber die Größe wird in der Regel durch praktische Überlegungen bestimmt.
Die einzige Möglichkeit, die oben genannten Probleme anzugehen, besteht darin, sie zu vermeiden, also versuche  genügend gute Peilungen an einem offenen, vorzugsweise höheren Ort zu sammeln und hohe Gebäude so lange wie möglich zu meiden.
Die wirklichen Vorteile eines Pseudo-Doppler-Peiler (oder Amplituden Peiler) gegenüber manuellen Methoden sind:
1: Reaktionsgeschwindigkeit, selbst ein kurzer Signalstoß kann eine gute Peilung erzeugen.
2: Die Fähigkeit, während der Fahrt zu messen, damit man keine Zeit beim Anhalten, Aussteigen, Messen und Weiterfahren verliert.
3: Die Möglichkeit, an höher gelegenen Orten zu peilen, an denen man als Fußgänger nicht hingehen darf, wie z. B. hohe Brücken, Autobahnviadukte usw.
4: Die Möglichkeit, die Peilungen automatisch auf einer Karte darzustellen durch MapApp oder RDF-Mapper. 
Auf diese Weise kann man eine Nachbarschaft in einer Stadt von einem offenen Bereich aus lokalisieren.

2023 Stand der Technik von Amateur-Peilsystemen:
Seit ich vor langer Zeit mit einem einfachen "WA2EBY-Doppler" angefangen habe, wurden viele Verbesserungen vorgenommen:
Zunächst habe ich die weiche Antennenumschaltung eingeführt, um das Schaltgeräusch dieses primitiven Dopplers deutlich zu reduzieren. 
Der Phasendetektor wurde stark verbessert und um eine automatische Verstärkungsregelung erweitert.
Der digitale Filter wurde verbessert und der LED-Kreis wurde auf 32 LEDs verdoppelt, um die verbesserte Präzision zu nutzen. 
Später habe ich den LED-Kreis "gewackelt", um eine Auflösung von 64 zu erreichen.
Dann bin ich auf Arduino-basierte Peiler umgestiegen mit dem Vorteil eines schönen Displays, mit dem man eine viel mehr Information geben kann. 
Ein weiterer Vorteil, die Rechenfähigkeit, erwies sich als viel größer, als ich es mir hätte vorstellen können.
Mit anderen Worten, die Algorithmen, die ich erstellen konnte, um eingehende Messungen zu bewerten und nur die besten Daten zur Berechnung der Peilung zu verwenden, haben viel mehr gebracht als erwartet.
Und als ich allmählich das Gefühl hatte, dass die Obergrenze erreicht war, konzentrierte ich mich darauf, eine App zu erstellen und zu verfeinern, die meine Peilungen auf einer Karte darstellen konnte.
Und dies war ein weiterer Prozess des jahrelangen Testens, Hinzufügen von Funktionen und so weiter.

Wenn dich also vor Jahren ein 16-LED-Doppler-Peiler nicht wirklich überzeugt hat, ist es vielleicht an der Zeit, etwas Neues auszuprobieren ...


Cheers,
Wil, PA8W.




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