DIGITÁLNÍ MÓDY V AMATÉRSKÉM RÁDIU

Radioklub OK2KOJ při VUT v Brně: Kurz operátorů

1

DIGITÁLNÍ MÓDY V AMATÉRSKÉM RÁDIU Kurz operátorů Radioklub OK2KOJ při VUT v Brně 2015/2016


Osnova: • • • •

Vývoj HAM rádiové digitální komunikace Digitální modulace Přehled KV digitálních módů Požadavky na vybavení


Vývoj HAM rádiové digitální kom. • První experimenty: po 2. světové

válce na různých mechanických tiskových strojích, především módy Hellschreiber a dálnopis RTTY

• Potřebné vybavení: transceiver,

dálnopisná tiskárna, osciloskop, domácí rozhraní pro ovládání dálnopisné tiskárny, moře žlutého papíru a oleje.


Vývoj HAM rádiové digitální kom.

• Na začátku 80tých let se objevily první

domácí osobní počítače a možnost připojení přes rozhraní k radiostanici

• Digitální módy začaly využívat dopřednou

korekci chyb FEC, paměťové boxy pro uchovávání zpráv, není nutná přítomnost operátora

• Provozní režimy: AMTOR, Pactor,

Pactor II, G-Tor apod. • Potřebné vybavení: kmitočtově stabilní

transceiver, PC (např. Commodore 64 nebo 286 nebo 386), terminálový kontrolér (TNCs) použitý přímo jako rozhraní a software pro interpretaci signálů.


Vývoj HAM rádiové digitální kom. • Koncem 90 tých let se vzestupem

Internetu byl patrný návrat k "živým" komunikacím.

• Přijatelné náklady vedly k velkému

rozšíření a de facto přijetí digitálních komunikací jako jednoho z běžných způsobů navazování QSO vedle CW a FONE

• Režimy provozu: PSK31, PSK63, FSK,

Hellschreiber, MT-63, JT módy pro MS a EME apod.

• Potřebné vybavení: stabilní vysílač s

krokem ladění 10 Hz, PC se zvukovou kartou, rozhraní s ovládáním PTT


Digitální modulace Shannonovo schéma komunikačního systému rádiový kanál

šum AWGN (interference...) modulátor modulátor

nosná vlna

demodulátor demodulátor

kodér kodérkanálu kanálu

ochrana přenosu (FEC)

dekodér dekodérkanálu kanálu

kodér kodérzdroje zdroje zdroj zdrojsignálu signálu

datová komprese dekomprese A/D D/A přeměna typu signálu

dekodér dekodérzdroje zdroje koncový koncovýstupeň stupeň

Shannonův limit Eb/N0 = -1,6 dB Maximální dosažitelná kapacita C0 rádiového kanálu, při působení šumu AWGN: fb Eb  S  C0 = B log2  1 +  = B log2 1 + N B N0  

  Eb    B log2 1 + ηs  N0   

bit/s 

S  C 0 = 3,32 B log10 1 +  N 

C0 - kapacita kanálu; B - šířka rádiového pásma; S - výkon signálu (užitečného); N - výkon šumu; f b - bitová rychlost signálu; Eb - energie signálu na 1 bit; N0 - výkonová spektrální hustota šumu; s= fb/B - spektrální účinnost přenosu

Různé způsoby ochrany rádiového přenosu: 1) Ochranné kódování FEC (blokové kódy, konvoluční kódy, turbo kódy..); 2) Opakování přenosu ARQ (HARQ); 3) Ekvalizace (korekce frekvenčního zkreslení kanálu); 4) Diverzita (vytvoření více nekorelovaných přenosových kanálů) ; 5) Prokládání (přeskupení bitů při přenosu v kanálu)


Digitální modulace Základní typy digitálních modulací ASK - FSK - PSK 1

0

1

1

0

Tb = 1/fb

a) modulace PCM/RZ

t signál ASK b) (OOK)

fc

ASK

fb

t f1

FSK

c) signál FSK

t

fb

f2 fc

d) signál PSK

t

signál BPSK: sBPSK (t )     Uc cos ωc t

PSK

fb


Digitální modulace Modulace MFSK 00 01 10 11 f1

f2

000

f1 f2 f3 f4

f

001

010... 011

f1 ........... f8

f

a) 2FSK

f

b) 4FSK

c) 8FSK

Modulace MPSK Q

M=2

Q 01

0

M=8

M=4

Q

100

1 

101

111

001

I 011

 00

10 000

d) 2PSK

e) 4PSK

Modulace MQAM Q

Q 0011 0001

0000 0001 0011 0010 1000 1001 1011 1010



1100 1101 1111 1110  0100 0101 0111 0110

g) 8PSK/2AM

110

11

h) 16QAM

f) 8PSK

010


Digitální modulace Modulace M-PSK Q

Q

Q

100

01 0

110

11 111

101

1 I

I

I 001

10

00 2PSK

Eb/N0 =

 e-1

[dB]

s = fb/BRF [bit/s/Hz]

1000 1001 1011 1010 

010 8PSK

počet modulačních stavů M

Parametr

Q 0000 0001 0011 0010

0100 0101 0111 0110

000 4PSK

modulace 16-QAM

1100 1101 1111 1110

011

2

4

8

16

32

64

10,5

10,5

14,0

18,5

23,4

28,5

1,0

2,0

3,0

4,0

5,0

6,0

, e= energetická účinnost s = spektrální účinnost

fb = bitová rychlost užitečného signálu (též Rb) Eb = energie užitečného signálu na 1 bit N0 = spektrální výkonová hustota šumu BRF= šířka pásma modulovaného signálu

modulace vyšších řádů M-PSK a zejména M-QAM (16-QAM, 32-QAM...) jsou vhodné pro televizní kanály s velkým poměrem signál/šum = CNR, jež může spolehlivě zajistit zejména kabelová televize DVB-C; pro družicovou televizi DVB-S s malým poměrem CNR se naopak hodí jen modulace QPSK a 8PSK


Digitální modulace Závislosti chybovosti BER na poměru C/N Spektrální účinnost s

2-PSK 4-PSK

10-3

počet stavů s = fb / BRF

10-4

BER

modulací MPSK/MQAM

64-QAM

16-QAM

"waterfall curve"

10-5 10-6 10-7 10-8 pokles C / N vlivem Rayleighova úniku ap

10-9 10-10 0

10

14

18

22

26

30

34

C/N (dB)

38

M

[bit/s/Hz]

2

1 bit/s/Hz

4

2 bit/s/Hz

8

3 bit/s/Hz

16

4 bit/s/Hz

32

5 bit/s/Hz

64

6 bit/s/Hz

128

7 bit/s/Hz

256

8 bit/s/Hz


Digitální modulace Vliv poměru SNR na chybovost u modulace BPSK 90˚

20 dB SNR

180˚

0˚

270˚

10 dB SNR

2 dB SNR 90˚

180˚

0˚

270˚


Přehled KV digitálních módů 1. RTTY 2. AMTOR 3. Packet 4. PACTOR I, II, III 5. Clover/G-TOR 6. Hellschreiber 7. MFSK 8. PSK31 9. MT63 10. Olivia a další


KV kmitočtový plán 160 M

Morse Voice Digimode(ex Packet)

1810

2000

1838 1842 1840

80 M

3500 3580

3600

3620

3730

3740

3800

3580-3590 Digimode 3590-3600 Digimode(Packet) 3600-3620 Digimode SSTV&Fax

40 M Digimode(ex Packet),SSTV&FAX 7000 7035

7040

7045

7100

7200

30 M Digimode(ex Packet)

10100 10140

10150

20 M 14000 14070

14112 14099/14101

14350

14070-14089 Digimode 14089-14099 Digimode(manual) 14101-14112 Digimode(Packet) International Beacon Project

17 M Digimode International Beacon Project

18068 18100

18109

18168

18109/18111

15 M

21080-21100 Digimode 21100-21120 Digimode(Packet)

21000 21080

21120

21149/21151

21450

International Beacon Project

12 M Digimode International Beacon Project

24890 24920 28190/28225

28000 28050/28150

28225

24929/24931

24990

10 M

29200

29300

29510

29700

Satellite Down Link 28050-28120 Digimode 28120-28150 Digimode(Packet) 28190-28199 Regional TimeSharing Beacon 28199-29201 World TimeSharing Beacon 28201-28225 Continuous Operating Beacon Digimode(NBFM Packet)


1. RTTY (Radiodálnopis) • RTTY je "starý dědek" digitálních komunikací.

V podstatě funguje pomocí 5 bitového kódu pro písmena, znaky a čísla. Přenáší 2 tóny: 2125 Hz tón je značka (nebo-li "1") a 2295 Hz tón je mezera prostor (nebo-li "0").

• Šířka pásma: 170 – 200 Hz RTTY Trace

• Výhody: Lze použít jakékoli rádio, je to stále „modus operandi“ pro

DX a v digitálních soutěžích, má velmi vysokou rychlost přenosu, může být použit při maximálním výkonu, aniž by to ovlivnilo kvalitu signálu, a je poměrně spolehlivý mód pro KV komunikaci i za špatných podmínek. • Nevýhody: Pracuje jen s velkými písmeny, nemá korekci chyb,

postupně je nahrazována PSK31 při běžných QSO.


2. AMTOR (Amateur Teleprinting Over Radio) • AMTOR je první bezchybný/automatický digitální mód. I když je stále k dispozici i pro běžné zvukové karty a softwarové TNC, od roku 1990 je nahrazen PACTORem.

• Šířka pásma: 170 – 200 Hz

AMTOR Trace


3. Packet • Packet je další bezchybný/automatický

digitální mód, data jsou odesílaná v krátkých dávkách, ARQ technika, velmi populární na VKV/UKV pásmech, byl první režim s možností posílat binární data, takový HAM internet, dnes na ústupu, dnes používán pro DX clustery a APRS.

• Šířka pásma: 200 Hz - 2 kHz HF Packet Trace

• Výhody: Běžný mód na VKV/UKV, řešení rozsáhlých paketových sítí s přístupovými body, poskytuje širokou škálu různých aplikaci s automatickým použitím, dnes vytlačen internetem, moře Packet vybavení je dnes za hubičku (OK2ZLK)

• Nevýhody: Velmi citlivé na statiku, rušení a nízkoúrovňové signály, není moc vhodný pro KV.


4. PACTOR/ PACTOR II & III • PACTOR, PACTOR II a III jsou hybridy

klasického Packetu s některými charakteristikami AMTOR pro použití na KV, používá techniku zpětných oprav chybějících dat při příjmu v QRM, neopakují se celé pakety proto je rychlejší než AMTOR


.

PACTOR Trace

• Výhody: Je to nejvhodnější režim pro bezchybný přenos dat na KV, většinou se používá pro automatické operace, jako je přístup k internetu nebo e-mailu ze vzdálených míst, je to zjednodušeně KV paket.

• Nevýhody: Vyžaduje speciální TNC nebo speciální SW pro použití zvukové karty (není freeware).


5. Clover / G-TOR • Clover je čtyřtónový mód s výkonnou opravou chyb, původně

navržen jako konkurence k PACTORu. • G-TOR je velmi podobný, ale používá 2 fázové tóny.

• Šířka pásma: 500 Hz (Clover), 300 – 500 Hz (G-TOR) • Výhody: Mnohem lepší schopnost opravy chyb, dokáží

zpracovat velké objemy dat, fungují velmi dobře za zhoršených podmínek na KV.

• Nevýhody: Vyžaduje multimódové procesory, nelze použít

zvukovou kartu. Clover vyžaduje hardwarový řadiče pro instalaci do počítače. Oba jsou to proprietární digitální módy a poměrně drahé pro instalaci. Na amatérských pásmech se prakticky nevyskytují, nahrazen internetem.


6. Hellschreiber • Hellschreiber je vizuální "textový" digitální mód

velmi podobný faxu. Znaky se zobrazují na skenovací obrazovku, podobně je to se snímáním textu pro vysílání. Mód byl propagován ve 20tých a 30tých letech a široce používán německou armádou ve druhé světové válce.


• Výhody: Text se tiskne dvakrát přes sebe, což

snižuje vliv QRM. Středně rychlý digital mód s velmi úzkou šířkou pásma.

• Nevýhody: Dnes už se používá jen příležitostně.

Hellschreiber Trace


7. MFSK • MFSK je v podstatě rychlý mód super-

RTTY s použitím 16 až 32 různých tónů namísto pouhých dvou. Mód byl vyvinut v rozkvětu komerčního dálnopisu na KV.

• Šířka pásma: 300 Hz

MFSK Trace

• Výhody: Perfektní mód pro DX long path a pro QRP. Je velmi odolný

proti QRM, je vhodný pro dolní KV pásma, je středně rychlý (40 WPM).

• Nevýhody: Může být těžké signál synchronizovat, i když má možnosti

korekce chyb, je určen pro „živý“ provoz.


8. PSK31 • PSK31 je zkratka pro PSK modulaci. 31 označuje

bitovou rychlost, což je současně také typická šířka pásma. Mód byl propagován tvůrcem AMTORu Peterem Martinezem, G3PLX, jako živá komunikační alternativa k RTTY i při slabém signálu. BPSK je standardní binární režim, zatímco QPSK je verze s automatickou opravou chyb.

• Šířka pásma: 31 Hz

PSK31 Trace

• Výhody: Nejběžnější digitální režim na KV, úzká šířka pásma

umožňuje desítky signálů v daném kHz audiokanálu, velmi se hodí pro mizerné podmínky na pásmu a pro QRP.

• Nevýhody: Má velmi nízkou přenosovou rychlost, není tak efektivní v závodech jako RTTY.


9. MT63 • MT63 využívá 64 různých modulačních

tónů, přenáší velké objemy dat, má vynikající potlačení impulsního rušení, používá robustní FEC

• Šířka pásma: 1 – 2 kHz

MT63 Trace

• Výhody: Nabízí velmi rychlé datové přenosové rychlosti na KV pásmech i se silným impulzním rušením, signál lze snadno synchronizovat, jakmile je nalezen signál, často bývá součástí multi-mode softwarů

• Nevýhody: Zřídkakdy k zaslechnutí na pásmech, zabírá velkou šířku pásma, čímž dráždí některé HAMy, používaný pouze jako mód živého provozu


10. Olivia • Olivia je signálově podobný módu MFSK, ale používá 32 různých tónů na větší šířce pásma. Tento mód je mnohem robustnější, a proto je používán při velmi špatných podmínkách. Lze jej dekódovat, i když není slyšitelný lidským uchem.

• Šířka pásma: 250 Hz, 500 Hz nebo 1 KHz • Výhody: Další výborný mód pro DX s QRP vybavením. Je kombinací nejlepších vlastností MFSK a PSK31.

• Nevýhody: Je to poměrně nový mód (2005), není moc dosud používán. Širokopásmovost je často trnem v uchu nevrlých HAMů.


Požadavky na vybavení a)

Počítač – Pentium od 133 MHz, OS Windows 95 a víc (i Linux), zvuková karta (výhodou je externí), alespoň jeden RS232 port nebo USB port (s převodem na COM), 1 audio výstup (line out), 1 audio vstup (line in nebo mikrofonní vstup).

b) Monitor – lepší větší

c) KV rádio – jakýkoli KV transceiver s větší stabilitou kmitočtu (obvykle má zobrazení kmitočtu s rozlišením na 1 Hz. Rozhraní pro digimody (audio in, audio out, PTT), obvykle nějaký MiniDIN konektor, označený DATA. Nebo alespoň audio output (external speaker) line, microphone input line a PTT jack. POZOR NA NASTAVENÝ VÝKON, U 100 W TRX STAČÍ 30 W, JINAK SE USMAŽÍ PA. d) Anténa – to co na FONE a CW


Požadavky na vybavení e)

Rozhraní ke zvukové kartě – Obsahuje obvykle galvanickou izolaci pro audiosignály (2x audiotrafo) a obvod spínání PTT s galvanickým oddělením optočlenem, ovládá se přes COM, pro USB je třeba převodník USB-COM. Může být domácí konstrukce, lze i koupit RIGblaster, MFJ1273, 1275, 1279, Rascal atd. Mnoho rozhraní má vnitřní propojky, které umožní správně zapojit interface do každého moderního KV rádia jedním kablíkem. Pokud máte pouze porty USB, ujistěte se, že bude rozhraní kompatibilní s USB nebo je nutné přidat převodník USB-RS232.


Požadavky na vybavení f) Software – Existuje mnoho různých softwarových programů, mezi ty nejběžnější patří: MixW, DigiPan a WinPSK. Některé software jsou specifické pro jeden digitální režimu, zatímco jiné nabízejí několik modů, automatické logování QSO a další features.

DIGITÁLNÍ MÓDY V AMATÉRSKÉM RÁDIU

Recommend Documents