Любительская узкополосная радиосвязь

Введение автора перевода

Сегодня работа с узкополосными сигналами подразумевает широкое использование вычислительной техники. Ранее такое оборудование было просто недоступно радиолюбителям, но  с развитием компьютерной техники, увеличением вычислительных ресурсов стало возможным ввести в пользование новые виды исключительно цифровых радиосвязей. Но конечно в профессиональной аппаратуре все сложнее.

Примером является автономный спектральный анализ. Он строится на быстром преобразовании Фурье и применительно к цифровым данным представляет собой мощный метод анализа сигналов и особенно распознавания слабых сигналов с ярко выраженной периодичностью на фоне посторонних сигналов и шумов. Это было использовано для обнаружения пульсаров, анализа сигналов в звуковом диапазоне частот, увеличения разрешения астрономических наблюдений, для поиска сигналов от внеземных цивилизаций. В последнем случае усилитель на полевых транзисторах  (GaAs), подключенный к приемнику диаметром 84 фута, управляет гетеродинным приемником, в котором подвергается анализу (в реальном масштабе времени) полоса шириной 400 кГц. Сигнал подается одновременно на 8 млн. каналов с полосой 0,05 Гц. Цифровой анализатор спектра состоит из 20000 ИС и полмиллиона твердых переходов (сделанных вручную). За 20 с он обнаруживает узкополосные сигналы, которые на 60 дБ слабее, чем шум приемника. А это соответствует потоку радиоволн, имеющему полную мощность менее 1 нВт и огибающему весь земной шар!

В настоящее время радиолюбителями-энтузиастами написано программное обеспечение для подобного анализа. В нем есть ограничение по полосе частот и невозможно программное декодирование нескольких каналов. Зато все работает со стандартным устройством - звуковой картой. Подобная технология распространена на длинноволновом любительском диапазоне. Но нет причин ее ограничивать на других любительских диапазонах ввиду ее высокой эффективности на дальних трассах.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

1. Введение (особенности диапазона 136 кГц)

Существуют несколько причин очень низкого уровня сигналов и соответственно низкого отношения сигнал-шум на диапазоне 136 кГц.

• Длина волны около 2,2 км делает обычную любительскую антенну малоэффективной
• Введение лимита эффективной излучаемой мощности в 1 Ватт
• Высокий уровень атмосферных помех
• Помехи со стороны мощных вещательных и др. назначения радиостанций с выходной мощностью 100 кВт и более

Один из путей улучшения соотношения сигнал-шум состоит в предельном  сужении полосы пропускания приемника. При этом полезный сигнал лучше выделяется на фоне мешающих сигналов. Но любой информационный сигнал имеет свою полосу занимаемых частот, и требуется определенная полоса пропускания  у приемника для демодуляции соответствующих сигналов. Например для SSB сигналов эта полоса составляет не менее 2,4 кГц, а для CW - не меньше 100 Гц. В приемнике с очень узкой полосой пропускания невозможна демодуляция этих сигналов. Поэтому используется особая методика приема сигналов с уровнем ниже чем уровень шумов на входе приемника.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

2. Полоса пропускания приемника

В диапазоне 136 кГц как наиболее эффективный доминирует CW режим приема и передачи. Минимальная ширина полосы пропускания на приемной стороне определяется спектром переданного сигнала. В случае с CW (манипуляция несущей частоты), полоса занимаемых частот зависит от скорости "ключевания" (количества переданных знаков в единицу времени). Стандартная скорость измеряется по "Парижской системе". Данный термин возник на заре развития радиотехники, когда для измерения скорости  передачи телеграфных сигналов начало использоваться слово PARIS. Слово PARIS имеет точную длину в 50 точек, включая пустые промежутки. Стандартная скорость передачи по этой системе составляет 60 знаков в минуту или 12 слов "PARIS" в 1 минуту (WPM), что составляет длительность равную длине 600 точек за 1 минуту, или 10 точек в за 1 секунду. Но поскольку каждая точка отделяется пустым пространством той-же длины, то фактическая длина  "точечного цикла"  удваивается. Если продолжительность серии точек составляет 12 слов в 1 минуту (12WPM), то это приводит к появлению промежуточного сигнала в 5 Гц. Если радиосигнал модулируется подобной последовательностью, то результирующая полоса занимаемых частот составит 10 Гц. Но в зависимости от качества модуляции в реальной системе происходит расширение спектра передаваемого сигнала. Побочные продукты спектра не несут полезной инфомации, могут рассматриваться как потери энергии и источник помех (QRM).

Предполагая, что единственным источником шумов является "белый шум" самого приемника, то полный шум приемника  будет прямо пропорционален полосе пропускания. Эталоном для сравнения будет являться стандартная скорость передачи в 12 WPM, полоса приемника оптимизирована к полосе занимаемых частот сигнала. Ниже приводится таблица для сравнения соотношения сигнал-шум (SNR) к вышеописанной полосе:

Видно, что существенное улучшение соотношения сигнал-шум может быть достигнуто при редуцированном CW режиме приближенном к непрерывной несущей. В диапазоне 136 кГц стандартом стал 3 sec./dot (длительность одной точки 3 сек.). Такой режим получил название QRSS (производное Q-кода, слово QRS - пожалуйста уменьшите скорость передачи).

При очень низких скоростях передачи практически невозможен слуховой прием, поскольку на слух сложно оценивать длительности точек и тире. Стабильность частоты передатчика и гетеродина приемника должна быть очень высока и тем стабильнее, чем уже полоса пропускания. К счастью на 136 кГц это не является проблемой и стабильность в 0,1 Гц легко может быть достигнута. Другой проблемой может стать построение узкополосного фильтра и трудность настройки на сигнал. Лет 10 назад это действительно стало бы проблемой, но с  развитием цифровых способов обработки аналоговых сигналов и появлением DSP (цифровой анализ сигнала), появилась реальная возможность для развития "медленного телеграфа" (slow SW)!

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

3. Цифровая обработка сигнала (DSP)

3.1

Цифровая обработка сигнала (DSP) - одно из магических выражений, которые вы можете слышать время от времени. Это кажется уделом специалистов, инженеров-электронщиков. И ранее для реализации этой технологии были необходимы сложные специализированные устройства (DSP - процессоры, кстати они в настоящее время широко распространены в различных устройствах, связанных с обработкой звуковых сигналов). Однако "железный" DSP - процессор может быть заменен связкой: компьютер не ниже Pentium + звуковая плата + программное обеспечение. 

DSP технология предполагает, что входной аналоговый сигнал будет преобразован в цифровую форму, обработан и затем вновь преобразован в аналоговую форму на выходе. Данный процесс выполняется при помощи Аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

При аналого-цифровом преобразовании  автоматически,  в известном временном интервале производится измерение мгновенных значений амплитуд определенное число раз, называемое сэмплированием сигнала. В результате на выходе получается серия измерений где в каждом из них мы знаем амплитуду сигнала и точное время, когда это было измерено.

После этого производится более или менее сложный анализ цифровой последовательности.  Далее это может интерпретироваться как цифровые данные или обратно преобразовываться в аналоговую форму. Преобразование тем точнее, чем чаще производится измерение, короче временные интервалы. Над цифровыми данными могут выполнены самые различные измерения, но мы обсудим только фильтрацию сигналов!

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

3.2 Быстрое преобразование Фурье (FFT)

Несмотря на то, что существует несколько методов выделения цифровых сигналов, основная методика основана на быстром преобразовании Фурье (FFT). Математическое обоснование  было разработано Joseph Fourier около 200 лет назад. Основная идея состоит в том, что любой сигнал может быть представлен в виде набора синусоидальных сигналов, каждый из которых может иметь различные амплитуды и фазы.

На рисунке выше, красной линией показан комплексный сигнал, который равняется сумме зеленой, синей, желтой и белой синусоид. Математические уравнения преобразования Фурье довольно сложны, но если вы интересуетесь этими вопросами, можно посмотреть следующие ссылки на вэб ресурсы.

• Fourier and the frequency domain (Strathclyde University, Glasgow, Scotland)
• The Fourier series and The fast Fourier transform (VisLab, Sydney, Australia)
• The basic tutorial on frequency analysis (Steema Software, Girona, Spain)
• FFT for dummies (by Renato Romero, IK1QFK)

К счастью нам нет необходимости углубляться в математику для понимания быстрого преобразования Фурье. Но так как в преобразовании Фурье должно производиться большое количество измерений для большого количества временных интервалов, то был разработан соответствующий алгоритм для скоростного преобразования. Он получил название быстрого преобразования Фурье. Когда мы производим преобразование Фурье над каким то сигналом, мы фактически разделяем сигнал на составляющие его синусоиды и в каждой синусоиде вычисляется ее амплитуда и фаза. Каждая из этих синусоид представляется некоторой центральной частотой (а лучше частотным диапазоном) и по сумме синусоид (и их амплитуд) мы можем реконструировать частотный спектр измеренного сигнала.

"Качество" реконструирования частотного спектра зависит от 3 факторов:

• Скорость дискретизации (интервал между двумя аналого-цифровыми преобразованиями)
• Период квантования для одного преобразования
• разрядность аналого-цифрового (A-D) преобразователя

Скорость дискретизации определяет получение самой высокой частоты в спектре (максимальная частота доступная для анализа равна 1/2 от скорости дискретизации). Например при скорости дискретизации в 5 кГц, максимальная восстановленная частота составит 2,5 кГц.

Период квантования определяет частотное разрешение (или ширину диапазона  каждого канала). Частотное разрешение равняется одному периоду квантования. Например при периоде квантования равном 0,1 сек - частотное разрешение  составит 10 Гц.

Число выборок (отдельных интервалов времени над которыми производятся все измерения) в преобразовании Фурье составляет ряд чисел - 2 возведенная в степень (2, 4, 8, 16, ..., 256, ..., 56536, ... и т.д.). Несмотря на то, что можно брать любое количество выборок, практически важно выбрать правильное соотношение между скоростью дискретизации и периодом квантования для  получения нужного количества сэмплов (выброк). Например если мы имеем скорость дискретизации в 0,2 мс. - мы не станем брать период квантования равный 0,1 сек., что привело бы к появлению 500 выборок (отдельных измерительных интервалов времени - сэмплов). Но при длительности одной выборки в 0,1024 сек. мы получим 512  выборок (сэмплов), что составляет 2⁹. Результат преобразования Фурье будет состоять из 256 синусоид с шириной канала 9,766 Гц в полосе частот от 0 Гц до 2,5 кГц.

На рисунке выше показан простой пример. Преобразование Фурье состоит из 16 сэмплов (выборок) с дискретизацией в 1 мс. Результат состоит из 8 синусоид каждая из которых представляет канал шириной в 62,5 Гц в полосе частот от 0 до 500 Гц.

Разрядность аналого-цифрового преобразователя определяет  динамический диапазон спектрограммы. На практике при использовании обычной звуковой карты персонального компьютера (PC soundcard), мы можем получить разрядность в 8 или 16 бит. Например разрядность аналого-цифрового преобразователя в 8 бит при преобразовании дает 2⁸ = 256 уровней динамического диапазона или 20.log(256) = 48 дб. Для 16 битного аналого-цифрового преобразователя мы будем иметь уже 2¹⁶ = 65536 уровней динамического диапазона или 20.log(65536) = 96 дб.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

4. Сверхузкополосные режимы модуляции

4.1 Одночастотная непрерывная модуляция (QRSS)

Что такое QRSS?

QRSS это крайне низкая скорость передачи телеграфных сигналов. Аббревиатура взята из Q-кода. Что бы воспользоваться этим в полной мере необходим узкополосный сигнал и приемник с адаптированной к переданному сигналу полосой пропускания. В качестве приемника используется программа персонального компьютера, создающая  "узкополосный цифровой фильтр" на основе алгоритма FFT (быстрое преобразование Фурье). Преимущество этой технологии в том, что вы сразу получаете серию фильтров с помощью которых можно сразу контролировать широкую полосу эфира (широкую по меркам диапазона 136 кГц). Необязательно точно настраиваться на сигнал и можно одновременно видеть и принимать многие сигналы любительских радиостанций. Но есть и обратная сторона - невозможность в большинстве случаев слухового контроля сигналов. Производится своего рода визуальный их анализ на экране компьютера!

Результат работы программы анализа входных сигналов представляется в графическом виде, где по осям ординат представляются время и частота. Если время отложено по вертикали, то такой экран называется waterfall display (дисплей водопада), если же время представляет горизонтальная ось  - тогда экран будет называться  curtain display (дисплей завесы). Все это может показаться непонятным, и внизу показан рисунок в качестве примера - дисплей завесы.

Картинка выше показывает сигнал станции HB9ASB, который не может приниматься "вживую на слух" из-за высокого уровня атмосферных помех (QRN). Вертикальные линии на экране показывают статические возмущения атмосферы. Несколько интересных коллекций захвата картинок можно посмотреть на следующих страницах: DK8KW, G3XDV, OK1FIG and NL9222

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

4.2 Двухчастотная непрерывная модуляция (DFCW)

При стандартной скорости  CW (непрерывный режим передачи) с длительностью точки 3 секунды, обычное QSO (радиосвязь) будет длиться около 30 минут. За это время могут значительно изменяться условия прохождения радиоволн. Поэтому был разработан новый режим с расширением скорости передачи с коэффициентом от 2,5 до 3.

При анализе классического сигнала CW можно заметить, что он имеет много сходства с цифровым сигналом, где информационными единицами являются "0" и "1". Однако при ближайшем рассмотрении - CW сигналы состоят из "трех логических положений":

1. Тире (в течение трех периодов ключ нажат вниз и один период вверх или сигнал "1110")
2. Точка ( в течение одного периода ключ нажат вниз и один период - вверх, сигнал "10")
3. Пробел (в течение двух периодов ключ остановлен, сигнал "00")
4. Разделитель слов состоит из трех пробелов, следовательно из 6 периодов, сигнал "000000")

Таким образом важнейшую роль играют два элемента: наличие/отсутствие сигнала и продолжительность сигнала. CW сигналы изначально предназначались для слухового приема и поэтому различная длительность отдельных элементов важна для их распознавания, но одновременно это удлиняет время передачи/приема информации.

В двухчастотном непрерывном режиме (DFCW) элемент "длительность" заменен новым элементом, которого нет в классическом CW - "частотой". Так что теперь точки и тире имеют одинаковую длительность и передаются на разных частотах. Из-за сдвига частот убирается пустое пространство между точками/тире и сам характер пустого пространства редуцируется до длительности точки/тире.

Когда вначале появилась идея о DFCW, то возникали вопросы по практической реализации режима передачи, хотя подобные сигналы могли легко читаться с экрана. Для еще большего упрощения чтения сигналов между точками и тире добавлено пустое пространство длительностью в одну тире/точку. Это несколько снизило скорость передачи, но улучшило разборчивость. Введение такой модуляции также облегчает работу усилителя мощности и уменьшает перегрев. Ниже для сравнения приведен пример длительностей фразы "CQ ON7YD K" в режимах QRSS и DFCW.

При скорости 3 сек. на точку этот вызов (CQ) в режиме QRSS будет иметь длительность 5 мин. 30 сек, а в режиме DFCW - только 1 мин. 54 сек.. Скоростное преимущество DFCW по отношению к QRSS может проявляться двояко:  уменьшая длительность проводимого QSO или увеличивая возможную точечную длину, и уменьшая при этом полосу пропускания. Это означает, что при равной длительности QRSS и  DFCW сеанса радиосвязи, в последнем случае можно получить улучшение соотношения сигнал/шум (SNR) на 4 - 5 дб. Следующий рисунок показывает практическое изображение сигнала DFCW.

Полагаю, что подобный сигнал не вызовет трудностей его визуального декодирования!

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

4.3 Сравнение отношения сигнал/шум в зависимости от длины точки

 

В апреле 2000 года Geri Kinzel (DK8KW) сравнил QRSS и обычный CW(слуховой прием):    

   "Этим утром я провел несколько экспериментов с QRSS по возможности приема сигналов с уровнями ниже уровня шума. Я использовал калиброванный синтезатор частоты  (Adret 2230), с 0-120 dB аттенюатором и шагом 1 dB (Schlumberger BMD500) и Praecitronic MV61 - селективный измеритель уровня.  С BNC T- коннектором я принимал нормальный шум диапазона включая спектральные линии маяков LORAN на частоте 137.500 kHz (+/- 50 Hz) с одной стороны и выходной сигнал синтезатора частоты с другой стороныt. С аттенюатором я мог выставить уровень выходного сигналаСЧ от 0 dBm (50 Oм) до -80dBu ( 0dBu = 0.775V на нагрузке 75 Oм = +9dBm, -80dBu = -71dBm) сигнал на MV62 (+/- 1 dB). На диапазоне было совершенно "тихо" -110dBu (S4, -101dBm) и LORAN "линии" были отлично видны. Включив полосу пропускания приемника в  100 Гц на MV62 и каскадный 250 Hz/500 Гц CW фильтр в IC-746 я проверил, что сигнал СЧ также хорошо прослушивается, как и воспринимается программой  Spectrogram с обычными параметрами. Я установил "3-5 секундную длину точки" QRSS (5.5k дискретизация, 16bit моно, 16384 точек FFT = 0.3 Гц разрешение, 60 dB масштаб, 300 мс. временной масштаб, 10 x усреднение) и получил следующие результаты:

 

Уровень принимаемого сигнала	Комментарий
-100dBu / -91dBm	хорошая слышимость CW (S6)
-110dBu / -101dBm	CW равен уровню шума (S4), но может быть принят
-115dBu / -106dBm	пограничный слуховой CW, определяется присутствие сигнала
-125dBu / -116dBm	идеально читаемый QRSS сигнал ('O' рапорт)
-130dBu / -121dBm	хорошо читаемый QRSS сигнал ('M' рапорт)
-135dBu / -126dBm	плохо определяемый QRSS сигнал ('T' рапорт)
-140dBu / -131dBm	сигнал не определяется

Заключение:

QRSS по приему имеет преимущество в 20 dB по отношению к нормальному (слуховой CW) сигналу, что означает - минимально читаемый QRSS сигнал по крайней мере на 20 dB ниже уровня сигнала который может принять на слух тренированный CW-оператор.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

John Andrews (W1TAG) также провел несколько измерений. Он использовал приемник Icom R75 и 6 футовую приемную магнитную антенну, выходная мощность передатчика в 10 мВт излучалась малогабаритной магнитной антенной через регулируемый аттенюатор. Приемный сигнал декодировался программой ARGO. Уровень сигнала передатчика постепенно уменьшался до тех пор пока его можно было визуально наблюдать:

 

Для всех измерений разница между теоретическим и практическим результатом составила +/- 2dB, но я принимаю за факт, что на 6WPM(6 слов в 1 минуту) самое низкое отношение сигнал/шум (SNR) из всех представленных скриншотов. Полные сведения по измерениям можно найти здесь.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

4.3.3. G3YXM и G3NYK

 В марте 2002 G3YXM и G3NYK сравнили нормальный CW и QRSS со скоростями - 3 сек/точка, 10 сек/точка и 60 сек/точка на радиотрассе длиной более 220 км. G3YXM передавал сигнал с постепенно уменьшающейся выходной мощностью, а  G3NYK принимал сигнал:

 

Длина точки	Мощность в антенне	Преимущество перед 12WPM CW	Теоретическое значение
0.1 сек. (12WPM)	360 мВт	сравнение	сравнение
3 сек.	23 мВт	12dB	14.8dB
10 сек.	3.9 мВт	19.7dB	20dB
60 сек.	0.6 мВт	27.8dB	27.8dB

Полный рапорт по проведенному эксперименту можно найти З

 Dave  нуждался в 2 кВт RF передатчике, и его антенна могла излучать эффективную мощность в 1 Вт ERP. Это означает, что ERP(эффективная излучаемая мощность) в 60 сек/точка тесте была не больше, чем 600 нВт (да, нановатт), не так уж плохо для радиотрассы длиной 220 км.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

4.4 Перспективы развития сверхузкополосной техники радиоприема

В течение 2002 года неофициальным стандартом для QRSS и DFCW стала длина точки равная 3 секундам, поскольку на этой скорости практически достигались лучшие результаты. Большинство радиолюбителей из программного обеспечения использует Spectogram, устанавливают частоту дискретизации в 11 кГц при количестве выборок равном 16384, что составляет длительность одной выборки (сэмпла) - около 1,5 сек. На первый взгляд не так очевидно - почему длительность одной выборки составляет половину длительности точки. Почему бы не сделать типовое время длиннее или короче 3 сек?

Но есть причины, по которым типовая длительность выборки меньше длительности точки. Дело в том, что передатчик и приемник работают не синхронно. Это означает, что блок выборки (при завершение приема последовательности) может начаться где-нибудь в середине точки (завершение передачи той же последовательности), или наоборот. Что может случиться, если длительность точки равна времени выборки? Результат можно посмотреть на рисунках ниже:

Видно, что нет никаких гарантий того, что каждая новая выборка начнется в такт с точкой, и дисбаланс не может быть больше половины длины точки. В противном случае на дисплее мы увидим лишь сплошную линию вместо последовательностей.

Если  синхронизировать прием и передачу, то можно было бы удвоить типовую длину блока при той же длине точки в 3 сек. и тем самым получить выигрыш при приеме в 3 дб. Так же как при DFCW QSO с длительностью точки 10 сек получаем выигрыш в 3 дб  по сравнению с той же продолжительностью QRSS QSO с 3 секундной точкой. Предполагается, что не должно быть трудностей синхронизации передатчика и приемника на уровне программного обеспечения с точностью в 1 сек. при длине одной выборки 8 сек. (с 2 сек. интервалом), и длине одной точки 10 сек.

По сравнению с традиционным QRSS выигрыш при приеме синхронизированного DFSW может составить до 7 дб при равной длительности QSO. Ошибка синхронизации в 1 сек. не ухудшит соотношения сигнал/шум.

Альтернативный вариант предложен программистами Spectran  Вместо использования  множества законченных выборок, для каждого быстрого преобразования Фурье - каждая следующая  немного сдвигается и данные для них частично берутся из предыдущих.

Этот метод дает то преимущество, что в одной длительности точки может быть выполнено множество преобразований Фурье. Недостатком же является повышенная требовательность к вычислительным ресурсам компьютера. Скажем компьютер должен выполнить 32 БПФ (быстрых преобразований Фурье) против 1 при традиционном методе. А также происходит некоторое размывание начала и конца точек.

Еще один способ улучшения соотношения сигнал/шум основан на том факте, что шум является случайным и уменьшается при многократных измерениях периодического информационного сигнала, что предполагает введение техники усреднения сигнала  Выходная информация нескольких БПФ складывается (усредняется) и выводится на дисплей. Недостаток - медленная регенерация экрана. В программе Spectran предусмотрены 2 техники усреднения.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 5. Jason : клавиатурный режим (keyboard to keyboard)

Проект Jason развивается авторами ARGO, одним из самых популярных вьюеров(декодер QRSS,DFCW) - авторы I2PHD и IK2CZL. Программа декодирует звуковой сигнал в очень узкой полосе частот. С одной стороны оператор печатает текст, а на приемной стороне у корреспондента передаваемые символы отображаются на мониторе (RX поле Jason). Основная идея Jason состоит в кодировании символов определенным сочетанием звуковых тонов(частот). Подобный вид кодирования известен с 1957 года и называется кодом Picollo. На его принципах базируются такие современные виды как PGP-1 и PUA-43.

В Jason отдельные тоны имеют абсолютные частоты. Относительно высокоскоростной поток данных и достаточно малая разница в частотах отдельных тонов требуют высокой стабильности частоты гетеродина приемника, передатчика и точности в настройке. Но когда сотношение сигнал/шум очень мало, поток данных должен быть очень медленным. Кроме того выделенная полоса частот в диапазоне 136 кГц очень мала. Оба ограничения накладывают сложности в использовании Absolute Frequency Keying - "абсолютная частотная манипуляция" (AFK) модуляции.

В Jason может использоваться альтернативный вид модуляции - Incremental Frequency Keying (IFK) - "инкрементированная частотная манипуляция", в основе которой лежит сдвиг манипулируемой частоты между 2 последующими используемыми тонами. Этот режим требует еще большей стабильности частот гетеродинов передатчика и приемника. Здесь используется 16 различных частот смещения от 0.252 Гц до 4.037 Гц с шагом в  0.25234 Гц. Частотный сдвиг в принципе является положительным (частота манипуляции увеличивается), но это означает, что сигнал будет "убегать" относительно начальной частоты. Когда частота смещается больше, чем 4.037 Гц (= 16 шагов) от начальной частоты, то запускается процесс обратного снижения манипулируемой частоты к исходному уровню. Нижеописанные примеры позволят лучше понять алгоритм работы программы.

По умолчанию центральная частота декодера/кодера Jason - 800 Гц, с полным диапазоном изменения частоты от (800 - 8 шагов) = 797.981 Гц до (800 + 8 шагов) = 802.019 Гц. По умолчанию центральная частота указана в слоте №8. Слоты имеют нумерацию от 0 до 16 - всего 17 слотов. Допустим мы начинаем работу с 800 Гц (центральная частота) и первый сдвиг составит 6 шагов (=1.514 Гц), теперь частота будет равняться 801.514 Гц, соответственно номер слота 8  + 6 = 14.

Второй сдвиг на 5 шагов (= 1.262 Гц), значение результирующей частоты составит 802.776 Гц. Но номер слота теперь должен равняться числу 14 + 5 = 19, что больше максимального числа слотов (16). Поэтому во втором сдвиге 5 шагов делятся на две части - 2 шага вверх (до слота №16), и 3 шага вспять к слоту №0 и в конце вычислений 4-й и 5-й шаги снова дают 2 шага вверх к слоту №2. Результирующий отрицательный сдвиг состоит из 12 шагов (3.028 Гц), но в программе Jason запоминается, как понимать отрицательный сдвиг на 5 шагов.

Больше математики: если верхнее значение слота в результате вычислений превышает по модулю  их реальное количество (17), то в этом случае (у нас в примере 19-й несуществующий слот) сдвиг вычисляется как 19 - 17 = 2 (к 2-му слоту), соответственно значение частоты составит 797.981 + 2 * 0.25234 = 798.468 Гц. 

Как результат общая полоса частот используемая декодером Jason равняется 4.28 Гц. Преимущество использования IFK модуляции проявляется по крайней мере в диапазоне 136 кГц,    где легче добиться высокой стабильности частоты приемника и передатчика. Дрейф частоты за 10 минут работы не должен быть больше 4 Гц, что соответствует стабильности гетеродина около 30 ppm ( на частоте 136 кГц. Дополнительной встроенной функцией у Jason является Автоматический Контроль Частоты (AFC), дающий возможность подстраиваться на сигнал в полосе  частот равной 12 Гц. Также имеются инструменты для настройки различных параметров и частоты, что очень полезно в ручном режиме работы.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

Jason выделяет звуковой сигнал вблизи центральной частоты. По умолчанию значение центральной частоты около 800 Гц, но его можно изменять от 50 до 5000 Гц. Звуковой сигнал подается на вход звуковой карты, преобразуется встроенным АЦП в цифровую форму с частотой дискретизации 11025 Гц. Далее цифровой сигнал обрабатывается программой на ПК.

До проведения программного анализа над входным сигналом проделывается ряд операций:

- преобразование сигнала в промежуточную частоту 10.77 Гц. Данная операция проделывается с использованием NCO (числовой управляемый генератор), упрощенно - это программный генератор.  NCO формирует два сигнала со сдвигом фаз в 90°, которые подаются на два смесителя. На каждый из них также поступает цифровой сигнал с АЦП звуковой карты. Далее оба цифровых сигнала поступают на фильтр низких частот - ФНЧ (FIR или Finite Impulse Response filter), срезающий частоты в спектре выше 17.22 Гц. В конце преобразований частота дискретизации снижается с 11025 Гц до 43.07 Гц (деление на 256).

Как результат получаем новый сигнал с центральной частотой около 10.77 Гц и полосой пропускания 21.53 Гц (43.07 / 2). Этот сигнал имеет две компоненты названные I,Q компонентами.

Тогда сигнал подвергается быстрому преобразованию Фурье (FFT) с частотой дискретизации равному 512, цифровое значение результата (бин) составляет 0.084 Гц (43.07 / 512). В этой точке измеряется амплитуды бинов и начинается процесс декодирования: 

Информация в Jason кодируется разностью между одним тоном и предыдущим тоном звуковой частоты. Для этого используется 16 различных тонов звуковой частоты. Это означает, что 17 тонов не позволяют закодировать все символы от буквы дельта до нуля, а изменение частоты - это признак нажатия клавиши. Бин FFT занимает полосу равную 0.084 Гц, несущая информационного сигнала состоит из трех бинов, что  определяет полосу частот равной  0.084 x 3 x 17 = 4.28 Гц. Три бина в несущей сканируются поочередно за три временных интервала, что позволяет процедуре FFT уверенно разделять смежные бины без потерь. С 16 частотными переходами состоящий каждый из 4 бит кодируется каждый бод информации (частотный шаг), но только три из них несут информационную нагрузку, а четвертый является признаком разделяющий отдельные символы.

В общем получаем 6 битное слово способное закодировать 64 символа алфавита (16 х 4 = 64), в Jason можно закодировать от 32 до 95 ASCII кодов. Это включает все заглавные буквы, все цифры и ряды общих знаков, такие как точка, запятая и другие символы.

Результат декодирования сигнала отображается в интерфейсном окне программы шириной 6 Гц и состоящим из 128 уровней отбражения его амплитуды. Неиспользуемые участки звукового спектра игнорируются.

Базовые параметры настройки программы дают частоту дискретизации  для каждого FFT около 131072 и 512 для оконечного FFT после деления на 256. Каждое FFT завершается за 11.89 секунды (131072 / 11025), а на передачу/прием каждого символа затрачивается 23.78 секунды (или 2.52 символа за 1 минуту).

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

Не так просто сравнить работу Jason с QRSS или DFCW. По используемой полосе частот - она значительно больше, чем в QRSS или DFCW, что невыгодно так как в других программах неавтоматизированного радиоприема распознаются очень слабые сигналы. Текущая версия программы из-за широкой полосы пропускания в 6 Гц уязвима для помех, например несущих маяков LORAN которые по мощности значительно превосходят уровни значимых радиолюбительских сигналов. По потоку данных Jason аналогичен QRSS с длительностью точки 2 сек. Или DFCW с длительность точки 6 сек., что характеризует Jason как высокоэффективный режим модуляции.

---

6. WOLF : альтернативное движение

6.1. Узкополосная модуляция со средними полосноизбирательными параметрами

 WOLF (Weak signal Operation on LF) Stewart Nelson, KK7KA использовал различные способы уменьшения шумов. Вместо уменьшения полосы пропускания для сигнала и соответственно улучшения соотношения сигнал/шум наоборот скорость передачи увеличивается и относительно расширяется полоса частот занимаемая сигналом. При передаче одно и тоже сообщение многократно повторяется и в результате мы получаем суммированный информационный сигнал. Так корректируется значительная часть ошибок при приеме сигнала.

WOLF фактически представляет собой BPSK сигнал со скоростью передачи информации 10 бит в секунду. Как результат теоретически занимаемая полоса частот должна составить 10 Гц, но из-за особенностей BPSK происходит расширение полосы до 100 Гц, что неприемлемо для LF диапазона (136 кГц) ввиду создания помех другим пользователям радиоэфира.

К счастью WOLF дает возможность уменьшить время передачи информации за счет сдвига фазы сигнала (рисунок справа

BPSK телеграфирование на 6 дб выгоднее обычного телеграфирования по типу включено/выключено. В обычном телеграфировании сигнал принимает значения 1 и 0, а в BPSK +1 и -1.  

Таким образом амплитуда BPSK сигнала на выходе детектора в 2 раза больше, что равноценно усилению в 6 дб. Но это проявляется тем больше чем лучше соотношение сигнал/шум (SNR). WOLF может передавать 15 часто используемых сообщений в стандарте обычного QSO. Количество символов ограничено числом 40, это заглавные буквы (A-Z), цифры (0-9), пробел, пунктуационный знак, слэш. Вы насчитали 39 символов? Мы тоже.

Это происходит потому что символы не входящие в установленный список всегда передаются как 40th символ. При приеме такой знак отображается как астерикс (*). Например передача слов  "FOO*BAR" или "FOO+BAR" или "FOO?BAR" будет отображаться при приеме как "FOO*BAR".

 

Следующие 15 символьных сообщений разделяются на 5 групп в каждой из которых по 3 символа. Сумма всех возможных комбинаций слова из 3-х символов составит 64000 (40 x 40 x 40). Размерность одной группы составляет 16 бит (216 = 65536), а так как групп 5,то общая разрядность пакета данных будет равняться 80 бит. Даже без компрессии передача 15 символов (80 бит данных) весьма эффективна.

Следующий шаг - это 1/6 частотное FEC (Forward Error Correction) - опережающая коррекция ошибок. Коррекция ошибок имеет тот смысл, что при передаче вносится избыточность в кодированное сообщение,что позволяет приемнику устранять возможные ошибки. Самый простой и понятный способ опережающей коррекции - повторение каждого передаваемого символа в сообщении определенное число раз в единицу времени. В данном случае 1/6 частотная коррекция означает, что каждый символ в сообщении будет повторен 5 раз и общая разрядность пакета данных увеличивается с 80-ти до 480 бит (6 x 80). Конечно WOLF использует гораздо более сложные способы коррекции ошибок.

В итоге работы схемы коррекции WOLF формирует пакет данных длиной 960 бит. Вы можете подумать, что сигнал разделен наанал данных и эталонный канал.

В эталонном канале данные имеют длинную псевдослучайную последовательность и ее характеристику "знает" приемник.

Это дает возможность восстанавливать несущую частоту и фазу, тактирующие биты и разделять отдельные сообщения даже при очень слабом принимаемом сигнале. Так 10 бит/сек. сообщение передается в течении 96 секунд в 960-ти битном фрейме. При этом половина этого фрейма содержит информацию посылаемую корреспондентом, а другая половина содержит информацию как восстановить данные.

Если сигнал принимается уверенно, то сообщение будет отображаться на экране каждые 96 секунд. Но если сигнал слабый?

Тогда используется эталонный канал псевдо-данных с общим эффектом улучшения отношения сигнал/шум на 19 дб. Определяются несущая частота и фаза, тактирующие сигналы достаточно уверенно. Затем эта информация используется для попытки декодировать поток данных корреспондента. Эта информация сохраняется и может быть использована в следующем сеансе связи по восстановлении нормального уровня сигнала.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

Оригинальный программный продукт WOLF создан KK7KA и работает под DOS (или в Windows DOS-box) и входной информацией для него являются WAV файлы (звуковая карта не поддерживается). Программа может быть запущена с ключами-командами (например выбор центральной частоты, подавить шум или добавить тест-шум и т.д.).

Программа имеет на выходе :

 

WOLF после успешного/неуспешного декодирования сообщения возвращает в табличном виде ряд параметров декодирования:

• t :

• f : Гц] (частота детектированного сигнала относительно ожидаемой частоты)

• pm : максимальная мощность принимаемого сигнала [ линейно]

• jm : от 0

• q : соотношение сигнал/шум в канале с псевдо-случайными данными (1. значение) канале с данными корреспондента (2. значение) [dB]. для данных) говорит о корректном декодировании принятого сигнала.

            Ранее было сказано, что пакет данных имеет длину 96 сек., и WOLF будет производить попытки декодирования каждые 96 сек. С одним исключением.м.

    В течении приема первого пакета WOLF будет производить быструю настройку декодирования сигнала после 24, 48 и 96 секунды основного пакета (фрейма). Если уровень принимаемого сигнала достаточен для успешного декодирования, то оно происходит в течении первого настроечного интервала времени. В течении первых настроечных интервалов выдается различная информация:

• a : фаза несущей относительно старта [радианты, от  -pi/2 до +pi/2];

• dp : мощность несущей сигнала [dB, средний уровень за пакет (фрейм)];

• ci : фазовый сдвиг бита синхронизации [1/80 часть секунды, от 0 до 15];

• cj : смещение синхронизации [ от 0 до 479].

На представленном выше экране показан пример приема и декодирования сообщений.

            Напоминаем что WOLF может успешно декодировать принимаемые сигналы при отношении сигнал/шум (в канале данных) от -5dB или лучше.

    Как вы заметили, на представленных примерах (скриншотах) соотношение сигнал/шум улучшается с увеличением количества принятых пакетов (фреймов) принимаемого сигнала. До известной степени существует определенный порог улучшения соотношения сигнал/шум (SNR) для правильного  декодирования сигналов (при уменьшенной мощности передатчика), стабильном прохождении радиосигнала и неизменном уровне шумового фактора на входе приемника. Нельзя забывать о факторе линейности каскадов приемника, чем хуже линейность, тем более трудным становится процесс декодирования слабых сигналов.

            Запомните, что уровень принимаемого сигнала -5dB является порогом на котором происходит его успешное декодирование. При уровне -3db параметр t=576, при -6db t=1056. На представленных ниже скриншотах декодирование при уровне сигнала -3db выполнено успешно, а при уровне -6db правильность декодирования достигается при t=1344 (на 3 кадра больше расчитанного значения), что подтверждает ухудшение линейности приемника.

 

DL4YHF развил идеи WOLF в программе использующей графический интерфейс (GUI), включая декодирование сигналов с использованием звуковой платы ПК. Что означает более удобное использование прграммного обеспечения для приема и передачи "WOLF" сигналов. 

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

  Stewart Nelson, KK7KA, говорит :

    "Я не могу объективно оценить QRSS (где сообщения операторов не имеют адресной направленности и успешное декодирование сообщений происходит очень медленно). Однако мне представляется, что WOLF аналогичен QRSS-60. При хороших условиях требуется около 15 минут для успешного приема сигналов. QRSS в подобных условиях требует от 6 до 10 минут больше времени".

Дополнительную информацию можно получить по нижеследующим ссылкам :

• Wolf для начинающих
• Скачивание файлов WOLF GUI 

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

    Andrу, N прислал мне копию статьи опубликованную в RCA в марте 1966 года под названием "Цифровые системы связи дальнего действия с использованием маломощных передатчиков". Некоторые инженеры RCA проектировали и тестировали крайне узкополосные коммуникационные системы на частоте около 15 мГц. Стабильность приемника составляла 110-7, а ионосферный Доплеровский сдвиг составлял величину в 1 Гц. Был использован радиопередатчик с питанием от батареи 9 Вольт и выходной мощностью 100 мВт, стабильность частоты которого равнялась всего лишь 110-6, что недостаточно для полосы пропускания приемника в 1 Гц.

Поэтому были измерены только два параметра:

1. Частота передатчика имела дрейф свыше 20 Гц за каждые 20 секунд, а для попадания в полосу пропускания приемника дрейф частоты передатчика не должен быть больше +/- 10Гц.

2. Приемник имел 3 полосовых фильтра с полосой 17 Гц каждый. Это позволяло вести прием даже при дрейфе частоты до +/- 30Гц.

Невыгодность этих двух параметров привела к снижению скорости передачи данных до 3 бит в 1 минуту. При 5-ти битном кодировании знаков это давало скорость 0.6 знаков в 1 минуту.

Блок-диаграмма приемника показана слева. Это базовая схема в коммерческом приемнике с 1-й ПЧ 500 кГц. Далее эта частота преобразовывалась в ПЧ = 20 кГц и подавалась на ряд из 6-ти узкополосных фильтров охватывающих полосу частот от 19981 Гц to 20017 Гц. 

Справа вы можете увидеть 100 мВт радиопередатчик. Ранее упоминалось, какой большой проблемой было устранение нестабильности его частоты. Генератор должен был находиться при постоянной окружающей температуре ... используя человеческое тело, как термостат.

Кварцевый генератор находился в небольшой металлической коробке овальной формы, соединялся с передатчиком парой проводов. Для получения нужной температурной стабильности задающий генератор закреплялся в "подмышке" оператора.

Измерения показали, что эта технология на 40 улучшает соотношение сигнал/шум () по сравнению с традиционной техникой связи.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

8. Программное обеспечения QRSS/DFCW

8.1 Spectrogram

 

 

 

 

 

 

Функция	:	Программная цифровая обработка сигнала
ОС	:	Windows 95 и выше
Авторы	:	R. Horne
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	www.monumental.com/rshorne/gram.html
Загрузить	:	версия 5.1.6. или версия 4.2.6.5.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 

8.2. Spectran

 

 

 

 

 

 

Функция	:	Программная цифровая обработка сигнала
ОС	:	Windows 95/98
Авторы	:	A. di Bene (I2PHD) и V. De Tomasi (IK2CZL)
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	www.qsl.net/padan/spectran.html
Загрузить	:	beta 4, build 127a или beta 3, build 295

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 

8.3. EasyGram

 

 

 

 

 

Функция	:	Программная цифровая обработка сигнала
ОС	:	Windows 95 и выше
Авторы	:	P. Maly (OK1FIG)
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	www.mujweb.cz/WWW/OK1FIG/EasyGram.htm
Загрузить	:	последняя версия

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 

8.4. Argo

 

 

 

 

 

 

Функция	:	Программная цифровая обработка сигнала
ОС	:	Windows 95 и выше
Авторы	:	A. di Bene (I2PHD) и V. De Tomasi (IK2CZL)
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	www.qsl.net/padan/argo
Загрузить	:	beta 1, build 113

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 

8.5. Spectrum Lab

 

 

 

 

 

 

Функция	:	Программная цифровая обработка сигнала
ОС	:	Windows 95 и выше
Авторы		W. Bischer (DL4YHF)
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	www.qsl.net/dl4yhf/spectra1.html
Загрузить	:	members.aol.com/dl4yhf001/spectr_i.zip

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 

8.6. Crunch

 

 

 

 

 

Функция	:	Программная цифровая обработка сигнала
ОС	:	DOS
Авторы	:	B. de Carle (VE2IQ)
Статус	:	Бесплатная
Загрузить	:	cafe.rapidus.net/bill1/crunch.zip

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 

8.7. QRS

 

 

 

 

 

 

Функция	:	QRSS и DFCW передающая программа
ОС	:	Windows 3.11 и выше
Авторы	:	R. Strobbe (ON7YD)
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	www.lwca.org/library/software/qrs/qrs2.htm
Загрузить	:	UK сайт или USA сайт

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

8.8.

Функция	:	генерация и декодирование цифровых сигналов
ОС	:	Windows 98 и выше
Авторы	:	A. di Bene (I2PHD)
Описание		Клавиатурная программа для проведения радиосвязей в условиях очень малого соотношения сигнал/шум использующая IFK технологию и полосу пропускания 4 Гц.
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	http://www.qsl.net/padan/jason/index.html
Загрузить	:	Здесь

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

8.9.

Функция	:	Программа для генерации и декодирования WOLF аудиофайлов.
ОС	:	DOS
Авторы	:	S. Nelson (
Описание		Программа генерирует и декодирует WOLF аудиофайлы. Режим работы реального времени не поддерживает.
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	http://www.scgroup.com/ham/wolf.html
Загрузить	:	Здесь

Функция	:	GUI (графический интерфейс пользователя) для KKs WOLF програмы.
ОС	:	Windows 98 и выше.
Авторы	:	W. Bьscher (DL4YHF)
Описание		Графический интерфейс пользователя для генерации и декодирования WOLF сигналов в режиме реального времени.
Статус	:	Бесплатная
Web страница	:	http://people.freenet.de/dl4yhf/wolf/index.html
Загрузить	:	Здесь

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

8.10. Альтернативный путь скачивания файлов с зеркала сайта

Большинство программ представленных выше (и многое другое) можно скачать с сайта NL9222

---

9. Практическая работа

Работать с QRSS и DFCW довольно просто, но нужно знать несколько особенностей:

• Неофициально QRSS область ДВ радиолюбительского диапазона 137600 - 137800 Гц, но большинство операторов активно между 137700 Гц и 137750 Гц.
• Вам необходим стабильный по частоте радиопередатчик: долговременная нестабильнось в 5 Гц как минимум, 1 Гц для режима QRSS-10 сек., 0.1 Гц или лучше для других режимов работы.
• Сокращенный "длинноволновый" вариант вызова выглядит так:
• CQ GXXX K, (обычный вариант: CQ CQ CQ GXXX GXXX GXXX PSE K

Рапорт по приему сигналов дается по систеие ТМО (подобно ЕМЕ радиосвязи):

• T = сигнал "трассируется", но недостаточен для проведения QSO
• M = сигнал слабый, но для проведения QSO достаточен.
• O = отличный сигнал.
• Для внутриконтинентальных (Западная Европа) рекомендован режим -3 сек., дополнительно используется режим -10 сек. Для с разносом частоты от 2 до 5 Гц. 
• Для межконтинентальных ()радиосвязей общим является режим -120 сек. для с частотным разносом от 0.1 до 0.5 Гц.
• В течении прведения (если вы уверены, что оба оператора приняли позывные) можно использовать суффиксы вместо полного позывного.
• Если "ваше " с одним корреспондентом завершается, а вы хотите провести с другим оператором, то можете начинать передавать вызов на другой частоте не дожидаясь окончания предыдущего.
• Не рекомендуется давать ответ или вызывать станцию на частоте ее передачи, так как это может создать взаимные помехи.
• Соблюдайте рекомендованные режимы по скорости передачи, длительности QSO и выходной мощности передатчика, так как например один чрезмерно сильный или занимающий широкую полосу сигнал может нарушить работу целого  сегмента.

Базовое QRSS (или DFCW) QSO может выглядеть так:

• передача] CQ ONYD K
• передача] ONYD GXDV K
• [ON7YD передача] G3XDV YD OOO K
• [G3XDV передача] YD XDV OOO K
• [ON7YD передача] XDV YD TU 73 K
• [G3XDV передача] YD XDV GL 73 SK

При очень малой скорости передачи (например QRSS-30 сек.) QSO еще больше сокращается:

• передача] CQ GAQC K
• передача] GAQC VALK K
• передача] VALK AQC OO K
• передача] AQC LK OO K
• передача] LK AQC SK

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

11. Благодарности:

• Antonio d'Avino (IZ8BZX) - итальянский перевод (http://iz8bzx.homelinux.net/136narro.htm
• Steward Nelson () информация и обсуждение WOLF: альтернативный путь.

ОГЛАВЛЕНИЕ

---

 

Данный перевод выполнен с любезного разрешения Extreme narrow bandwidth techniques)

История русского перевода

• авторская версия от 31.03.2001 переведена в 2004 г.
• авторская версия от 30.08.2005 переведена 11.10.2006

Обо всех неточностях в переводе прошу сообщать по адресу ua3vvm (em)mail.ru

Подробную информацию по радиосвязи на длинных волнах на русском языке можно найти на сайте RU6LA: http://136.73.ru