DIGITÁLNÍ MÓDY V AMATÉRSKÉM RÁDIU

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 nosná vlna demodulátor kodér kanálu kodér zdroje zdroj zdroj signálu ochrana přenosu (FEC) datová komprese dekomprese A/D D/A přeměna typu signálu dekodér kanálu dekodér zdroje koncový stupeň Shannonův limit E b /N 0 = -1,6 db Maximální dosažitelná kapacita C 0 rádiového kanálu, při působení šumu AWGN: S fb Eb E b S C 0 = B log2 1 + = B log2 1 + B log2 1 + ηs bit/s C 0 = 3,32 B log10 1 + N B N0 N0 N C 0 - kapacita kanálu; B - šířka rádiového pásma; S - výkon signálu (užitečného); N - výkon šumu; f b - bitová rychlost signálu; E b - energie signálu na 1 bit; N 0 - výkonová spektrální hustota šumu; s = f b /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 a) modulace PCM/RZ 1 0 1 1 0 T b = 1/f b b) signál ASK (OOK) t t f c ASK f b c) signál FSK t f 1 f 2 FSK f b d) signál PSK t f c f b PSK signál BPSK: s () t U cos ω t BPSK c c

Digitální modulace Modulace MFSK 00 01 10 11 001 000 010... 011 f 1 f 2 f a) 2FSK f 1 f 2 f 3 f 4 f b) 4FSK f 1... f 8 f c) 8FSK Modulace MPSK M=2 Q 0 1 M=4 Q 01 11 00 10 101 001 M=8 100 Q 110 111 I 011 000 010 d) 2PSK e) 4PSK f) 8PSK Modulace MQAM Q 0011 0001 0000 0001 Q 0011 0010 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 g) 8PSK/2AM h) 16QAM

Digitální modulace Modulace M-PSK Q 0 1 I Q 01 11 I 00 10 Q 100 110 101 001 000 010 111 I 011 2PSK 4PSK 8PSK modulace 16-QAM 0000 Q 0001 0011 0010 1000 1001 1011 1010 1100 1101 1111 1110 0100 0101 0111 0110 Parametr E b /N 0 = e -1 počet modulačních stavů M 2 4 8 16 32 64 [db] 10,5 10,5 14,0 18,5 23,4 28,5 s = f b /B RF [bit/s/hz] 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 6,0 e = energetická účinnost, s = spektrální účinnost f b = bitová rychlost užitečného signálu (též R b ) E b = energie užitečného signálu na 1 bit N 0 = spektrální výkonová hustota šumu B RF = 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

BER Radioklub OK2KOJ při VUT v Brně: Kurz operátorů Digitální modulace Závislosti chybovosti BER na poměru C/N 10-3 10-4 10-5 10-6 2-PSK 4-PSK 16-QAM 64-QAM "waterfall curve" Spektrální účinnost s modulací MPSK/MQAM počet stavů s = f b / B RF M [bit/s/hz] 2 1 bit/s/hz 4 2 bit/s/hz 8 3 bit/s/hz 10-7 16 4 bit/s/hz 32 5 bit/s/hz 10-8 10-9 10-10 0 10 14 18 22 26 30 34 38 pokles C / N vlivem Rayleighova úniku ap 64 6 bit/s/hz 128 7 bit/s/hz 256 8 bit/s/hz C/N (db)

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 1810 2000 1838 1842 1840 80 M 3500 Radioklub OK2KOJ při VUT v Brně: Kurz operátorů 3580 3600 3620 3730 3740 3800 Morse Voice Digimode(ex Packet) 3580-3590 Digimode 3590-3600 Digimode(Packet) 3600-3620 Digimode SSTV&Fax 7000 7035 7045 7040 40 M 7100 30 M 7200 Digimode(ex Packet),SSTV&FAX 10100 10140 10150 Digimode(ex Packet) 14000 18068 21000 20 M 14070 14112 14350 14099/14101 17 M 18100 18109 18109/18111 18168 15 M 21080 21120 21149/21151 21450 14070-14089 Digimode 14089-14099 Digimode(manual) 14101-14112 Digimode(Packet) International Beacon Project Digimode International Beacon Project 21080-21100 Digimode 21100-21120 Digimode(Packet) International Beacon Project 24890 28000 28050/28150 28190/28225 28225 12 M 24920 24929/24931 24990 10 M 29200 29300 29510 29700 Digimode International Beacon Project 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 Šířka pásma: 200 500 Hz. 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. Šířka pásma: 1 245 Hz Výhody: Text se tiskne dvakrát přes sebe, což snižuje vliv QRM. Středně rychlý digital mód s velmi úzkou šířkou pásma. Hellschreiber Trace Nevýhody: Dnes už se používá jen příležitostně.

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.