PSK Grundlagen V10 Public 01

PSK Grundlagen
Clint Hurd – kk7uq
übersetzt von Dieter Flasch – DC1NF
Präsentiert anlässlich des
Fieldday OV B05 in Bamberg,
Bavaria, Germany
17. Mai 2007
Was macht den Reiz digitaler
Betriebsarten?
• Ideal für den Funkbetrieb mit kleinen Leistungen
oder einfachen Antennenkonstruktionen
• Verbessert die DX-Chancen auch in Zeiten des
Sonnenflecken-Minimums
• Unkomplizierte Zusammenführung von Computer
und Funkgerät
• Kostenlose oder preiswerte Software für Windows
PC, MAC oder Linux verfügbar
PSK31: Einführung
• Das PSK Signal
• Einstellung der Audio Pegel: die konservative oder die professionelle Methode
• Schnittstellen
• Software: Leistungsmerkmale & Tools
• Betrieb: Empfang, Senden, IMD, RST
• Andere digitale Modi
Typische Konfiguration
für Soundkarten - Betrieb
Soundkarten – Interface
- schematisch
TRX
PC
S
o
u
n
d
k
a
r
t
e
1 V Uss
Mikrofon
Lautsprecher
Serielle SS
1 V Uss
+ - 12 V
Dämpfungsglied
Pegelwandler
Lautsprecher
ca. 10 mV Uss
„PTT“ Masse
Mikrofon
PTT
Betrieb mit der PC-Soundkarte, Blockschaltbild
Optimierung des
Soundkarten-Interfaces
• Galvanische Trennung von Audio- und
Steuerleitungen zwischen PC und TRX
• Regler zur TX-Pegeleinstellung
• Regler zur “Wasserfall”-Pegeleinstellung
• Zusätzlicher Audio-Monitor
Soundkarten - Interface
Soundkarten-Interface
VOX zur Sendertastung?
• Verwendung der TRX-VOX an Stelle einer
PTT-Steuerung via COM-Schnittstelle
• Problematisch in der Praxis:
– Der Audio-Pegel welcher die VOX auslöst, kann
jenen Pegel übersteigen welcher für ein sauberes
Sendesignal notwendig ist
– PC-Töne können den Sender unerwünscht auftasten
• “Echte” PTT –Steuerung ist betriebssicherer
• Ausnahme: die im “Signal Link”-Interface
eingebaute “VOX” tastet zuverlässig ohne
mögliche Übersteuerung des Sendepegels
Binäre Phasenumtastung - BPSK31
• Phasenmodulation eines NF-Signals mit 31.25
Baud – dieses NF-Signal wiederum moduliert
den SSB Sender über den Mikrofoneingang
• Phasenverschiebung 180 Grad (BPSK)
• Reduzierter Signalpegel am Phasenumkehrpunkt zur Reduzierung von Oberwellen
• Einsatz unterschiedlicher Kodelängen - häufig
verwendete Buchstaben werden in kurze
Zeichenblöcke verwandelt
PSK31 Signalkodierung
• 31.25 Baudrate
• Bitlänge = 1/31.25 = 32 Millisekunden
• “0” ist definiert als Phasenwechsel am
Beginn des Bits
• “1” ist definiert als “kein” Phasenwechsel
am Beginn des Bits.
Phasen
Wechsel
Phasen
Wechsel
32 MS
Hier: einem BPSK31 “0”-Zyklus folgt
eine weitere “0”
IMD = -30dB @ Offset-Freq = 700 Hz
Beachte: Signal entspricht einem “2-Ton”
0
Phasen
Wechsel
1
KEIN
Phasen
Wechsel
Bit-Folge “0-1-0”
IMD -30dB
0
Phasen
Wechsel
IMD -32 dB, gutes Signal
IMD -18dB, übersteuertes Signal
IMD -11dB, extrem Übersteuert
PSK Signal, Grundlagen
• Ein sauberes Signal hat einen
Klirrfaktor dritter Ordnung von
- 24 dB or besser
• Übersteuern des NF-Signals erhöht
zwar die Ausgangsleistung,
verringert aber die Lesbarkeit.
Einschränkung auf den SendeDurchgangsbereich
Einstellung des NF-Sendepegels
• Die Sendeleistung ergibt sich automatisch über einen korrekt abgeglichenen
NF-Pegel.
• Es ergibt sich keine Signalverbesserung bei einem bereits übersteuerten
NF-Pegel durch Rücknahme der
Treiberleistung, dies reduziert nur die
Leistung des unsauberen Sendesignals.
Einstellung des NF-Sendepegels
• Die Pegeleinstellung kann wie folgt
vorgenommen werden:
– am PC , mit dem “WAVE” Regler
– am Interface , falls dort ein externer
Regler vorhanden ist
– am TRX, mit dem Mike-GainRegler
PC Ausgang, Audioeinstellung
- Der Lautsprecherausgang
Liefert das erzeugte NFPSK Signal
-“WAVE” und “Volume”Regler arbeiten zusammen
- Alle anderen NF-Signale
abschalten (Mute)
Pegeleinstellung mit einem
Soundkarten - Interface
• Falls das Interface einen externen
Regler aufweist …diesen an Stelle des
PC-Reglers für den Feinabgleich verwenden.
• Falls das Interface einen internen
Regler aufweist, verwende den PCWAVE Regler zum Abgleich.
Transceiver Mike-Gain
• Grundsätzlich könnte der Mike-GainRegler auch zur Pegeleinstellung verwendet werden.
• Normalerweise ist dieser Regler für
jedoch für den SSB-Betrieb optimiert
und sollte deshalb auch bei PSK unverändert bleiben.
Wie viel Ausgangsleistung?
• Schutz der Endstufe durch Begrenzung
auf 50% der spezifizierten CW-Ausgangsleistung
• NF-Kompressor ausschalten
• ALC-Meter sollte noch nicht ausschlagen
Abgleich: Konservative Methode
• Mittels Wasserfall-Anzeige eine Frequenz
in der Mitte der Sender-Durchlasskurve,
zum Beispiel 1200 Hz, wählen.
• Sendeleistung des TRX auf 100% einstellen
• Sprach-Kompressor ausschalten,
• IDLE-Signal senden (keinen Text eingeben)
• NF-Pegel so einstellen dass eine Ausgangsleistung von 25% (Mittelwert) oder 50%
(Spitzenwert) der spezifizierten CW-Ausgangsleistung erzeugt wird.
• ALC-Meter sollte noch nicht ausschlagen.
Warum Leistung zurücknehmen?
• Das PSK Signal arbeitet im Leerlauf
mit einem Einschaltdauer von 50%, bei
Datenübertragung von 90 %.
• Der Audiopfad im Sendezweig muss
sich linear verhalten (noch keine ALCBegrenzung, keine NF-Kompression).
• Andere digitale Modi arbeiten mit
100% Einschaltdauer
Professionelle Methode
• Verwendung eines IMD-Monitors, z.B.
eines eigenständigen IMD-Meters
• Sprach-Kompressor abschalten
• Max. Senderausgangsleistung auf 50 %
• IDLE Signal senden
• NF-Pegel so abgleichen dass eine IMD
von -24 dB oder noch besser von -30
dB erreicht wird
IMD - Meter
- Eigenständiges Gerät
- Empfang des Sendesignals mittels Stabantenne
- Signalverstärkung per Breitbandverstärker
- Berechnung der IMD durch HüllkurvenAnalyse
Software und deren Optionen zur
Optimierung des PSK-Betriebs
•
•
•
•
•
•
Makros
QSO-Log
Signalaufzeichnung (History)
Mehrere Betriebsarten
Transceiver-Steuerung via CAT
Mehrere gleichzeitige EmpfangsFenster
Beispiel: MixW Software
MixW-Makros
• Vorbelegte Texte auf Tastendruck
• Beispiel Makro “CQ”
<TX>
CQ CQ CQ CQ DE KK7UQ KK7UQ KK7UQ
CQ CQ CQ CQ DE KK7UQ KK7UQ KK7UQ
CQ CQ CQ CQ DE KK7UQ KK7UQ KK7UQ PSE K
<RX>
• Optimiertes Makro “CQ”
<CLEARTXWINDOW> <TX>
cq cq cq cq de kk7uq kk7uq kk7uq pse -k<RXANDCLEAR>
Makro “Start QSO”
W7WJK W7WJK W7WJK DE KK7UQ KK7UQ KK7UQ
… (14 sec)
•
Makro “Start QSO”
<TX> <CALL> <CALL> <CALL> DE <MYCALL>
<MYCALL> …
W7WJK W7WJK de kk7uq (Clint) fb Joe … (10 sec)
• Optimiertes Makro “Start QSO”
<CLEARTXWINDOW> <TX>
<CALL> <CALL> de kk7uq (Clint) fb <NAME> ...
Makro “73”
73 W7WJK W7WJK DE KK7UQ KK7UQ QSO
LOGGED AT 14:02:36z 16 Oct 2005 SK
•
Makro “73”
73
<CALL> <CALL> DE <MYCALL> <MYCALL> QSO
LOGGED AT <SAVEQSO> <TIME> <DATE> SK
<RX>
73 Joe W7WJK de kk7uq sk
• Optimiertes Makro “73”
73 <NAME> <CALL> de kk7uq sk
<SAVEQSO> <RXANDCLEAR>
Wasserfall oder
Spektrum - Anzeige
• „Wasserfall“ zum Absuchen vor dem CQ
– Zeigt den entsprechenden Frequenzbereich und bei
Bedarf die letzten RX-Sekunden (so genannte History)
– Ideal um rufende Stationen zu entdecken
• „Spektrum“ während des QSO’ s
– Zeigt die Signalqualität
– Erlaubt RST besser abzuschätzen
– Ermöglicht die Bestimmung des Signal-S/N
Wasserfall - Anzeige
500 Hz
Spektrum - Anzeige
Das obige Spektrum zeigt ca. 35 dB Empfangspegel , die
“harmonischen” sind ca. -33dB gedämpft
Signal - Aufzeichnung (History)
• Leistungsmerkmal von MixW
• Speichert 20 Sekunden (oder mehr) des
Soundkarten-Signals
• Aktivierung durch drücken der SHIFTTaste und Mausklick auf das gewünschte Signal
• Zeigt den dekodierten Text der letzten
z.B. 20 Sekunden
• Tolle Sache bei der Suche nach QSO’ s
Eingebautes Logbuch
• QSO-Daten werden mittels Mausklick in
das Logbuch übernommen
• Übernimmt die „reale“ Frequenz bei Benutzung eines CAT-Interfaces
• Automatische Übernahme der Betriebsart
• Ermöglicht Datenexport zu anderen
Logbüchern oder Cabrillo, bzw. mit anderen
Programmen (z.B. DX-ATLAS) in Realzeit
MixW Logbuch - Einträge
Transceiver - Steuerung via CAT
• Software steuert und überwacht TRXFrequenz und Betriebsart
• Exakter Frequenz-Logbucheintrag
• In einigen Fällen kann die PTT-Steuerung auch über CAT-Kommandos
erfolgen
Kombinierte CAT &
Soundkarten-Steuerung
(z.B. ICOM)
Betriebstechniken
•
•
•
•
•
•
•
Empfang
Senden
Groß- oder Kleinbuchstaben
RST abschätzen
IMD-Messung
DX-Praxis
Tips & Tricks (DC1NF)
Empfang
• Suchen nach CQ-rufenden Stationen:
optimal mittels History-Funktion
• LOCK-Funktion um bei einer neuen
Station die aktuelle Frequenz zu
fixieren
• Funktion “AFC ON” im jeweiligen
Menu “Betriebsarten” einschalten
Senden I
• CQ-Ruf
– Kurzer Text, alle 8 Sekunden wiederholen
– Verwende Kleinbuchstaben, damit geht‘ s
schneller
– cq cq cq cq de kk7uq kk7uq kk7uq pse k
– “Auto CQ”-verwenden
• Eine Station rufen
– Kurzer Text, Rufzeichen der Gegenstation
nur einmal nennen
– W7WJK de kk7uq kk7uq pse k
Senden II
• Kompakte Makros
– Kurze Texte
– Kleinbuchstaben wo nur immer möglich
• Groß- gegenüber Kleinbuchstaben
– Kleinbuchstaben sind in der Kodetabelle
kürzer, deshalb höhere Übertragungsrate
RST - “R”, Lesbarkeit
•
•
•
•
•
R5
R4
R3
R2
R1
95 - 100% Lesbarkeit
90 - 95%
„
75 - 90%
„
50 - 75%
„
unter 50%
„
RST - “S”, Signalstärke
Benutze die Spektrum-Anzeige zur
Abschätzung des S/N
@ S/N als 6 dB per S-Einheit
S9 54 dB
S6 36 dB
S3 18 dB
S8 48 dB
S5 30 dB
S2 12 dB
S7 42 dB
S4 24 dB
S1
6 dB
RST- „T“, Ton - Qualität
•
•
•
•
T9
T8
T7
T4
IMD -24 dB oder besser
IMD -20 dB to -24 dB
IMD -15 dB to -20 dB
IMD schlechter als -15dB
IMD
•
•
•
•
Was ist IMD?
Einen IMD Report abgeben
Zu beachten …
Nimm die IMD-Abschätzung nicht
ganz so ernst …
• Nimm Deine Augen mit zu Hilfe …
Was ist IMD?
• IMD – Inter Modulation Distortion
• Bewertet die Linearität des AudioPfades des PSK Signals über Sender
und Empfänger
• Ist als Anzeigeoption (für das empfangene Signal) meist in der PSK- Software
enthalten
IMD Messung
Die Stärke des Primärsignals , verglichen mit
der dritten Harmonischen, ist hier -19 dB,
damit ist IMD auch -19 dB
IMD - Report abgeben
• Beobachte die IMD-Messung (im
MixW-Fenster rechts unten)
• Das zu bewertenden Signal muss im
IDLE sein, also keine Textübertragung)
• Ermittle das S/N – es sollte besser als
36 dB sein um ein exaktes Ergebnis zu
erzielen
Zu beachten …
• Ist das S/N zu gering , so wird die IMD
Abschätzung ungünstig ausgehen
• Ist das S/N zu hoch, so wird ein zu
gutes IMD berichtet, da der Empfänger
das Signal möglicherweise begrenzt,
gegebenenfalls RF-Regelung zurücknehmen
Nimm die IMD - Abschätzung
nicht ganz so ernst …
• Sollte ein schlechtes IMD berichtet
werden, z.B. -19 dB :
– Gegenstation bitten, das S/N mittels
der Spektrum-Anzeige abzuschätzen
Nimm Deine Augen zu Hilfe …
• Falls das beobachtet Signal ein S/N und ein
IMD von ca. -20 dB haben:
– Falls das Signal sauber aussieht, d. h.
gerade Flanken, keine erkennbaren
seitlichen “Splatter”, dann ist das
wirkliche IMD wahrscheinlich -24 dB
oder besser.
Gegenstation “neben” der eigenen
Frequenz (I)
• Gelegentlich antworten Gegenstationen
nicht auf der eigenen Sendefrequenz.
Sendefrequenz jetzt nicht verändern sondern mit „Verriegeln/ Lock” die TX-QRG
fixieren und (mittels Mausklick) auf der
Frequenz der Gegenstation empfangen.
• Der Grund: möglicherweise eine aktivierte
RIT-Funktion
Gegenstation “neben” der eigenen
Frequenz (II)
• In einigen Fällen kann dies durch Taktabweichung
der Soundkarte hervorgerufen werden. Verwende
die Abgleichprozedur wie sie in SSTV-Programmen genutzt wird.
• Einige ältere Stationen arbeiten mit „getrennten“
Sender/ Empfänger, möglicherweise wird dadurch
der Frequenz-Split hervorrufen (sollte kleiner 5 Hz
sein !).
DX-Praxis
• Falls eine gewollte “Split”-Funktion notwendig
sein sollte: LOCK auf die Sendefrequenz und RX
auf die DX Station: die Wasserfall-Anzeige unterstützt dabei diese Hantierung
• Starkes Signal, dabei schlechtes Mitschreiben: was
zeigt der Tuning Indikator, möglicherweise liegt
ein „Multipfad Empfang“ vor
• KURZE Rufe
Tips & Tricks (DC1NF)
• CW-Filter zuschalten (geht bei manchen
TRX auch im SSB-Modus)
• Beim Senden jede Form der NF-Freguenzgangkorrektur abschalten ( DSP-Filter)
• „Verschwinden“ schwache Stationen beim
Einsetzen eines besonders starken Signals:
AGC auf Manuell und „Handregelung“
Weitere digitale Betriebsarten
•
•
•
•
•
QPSK vs BPSK
BPSK63
MFSK
RTTY
Hellschreiben
PSK31 - Varianten
• QPSK31 – Quadratur – vier Stati an Stelle
von zwei (0 90 180 270 Grad)
• BPSK63 – doppelte Datenrate von BPSK31
– Exzellent für Contestbetrieb – vergleichbar mit
RTTY , schneller Report-Austausch
– Unterstützt von MixW, Digipan and Anderen
– Klangbeispiel BPSK63
BPSK63 Bandbreite
MFSK16
•
•
•
•
•
•
•
Multiple Frequency Shift Keying 16 Baud
16 Tones FSK
Vier Bits pro Ton
250 Hz Bandbreitenbelegung
Forward Error Correction (FEC)
Varikode zur Durchsatzoptimierung
Datenrate vergleichbar einem schnellen
Maschinenschreiber, ungefähr 58 WPM
• FEC Puffer ca. 5 Sekunden
MFSK16
• Vorteile: Sehr effizient bei QSO‘ s “über
den langen Pfad” und über die Pole
• Nachteil: Höhere Bandbreite, schwieriger
Abzustimmen, sehr frequenzstabile RX/ TX
sind Voraussetzung
• Klangbeispiel MFSK16
MFSK16 Spektrogramm
Abgleich MFSK16
• Tonabstand: 15.33 Hz
• Bandbreite: 230 Hz
• 15 Hz Genauigkeit bei der Frequenzeinstellung auf Signalmitte notwendig
• Verwende “Sound History”
• Verwende die AFC Funktion von MixW um
auf das Signal zu verriegeln
Olivia – interessanter neuer Mode
•
•
•
•
•
•
Mehrfache Frequenzumtastung
32 Töne FSK
Bandbreite 1000 Hz
Andere Töne / Bandbreiten verfügbar
Forward Error Correction (FEC)
Datenrate vergleichbar einem normalen Maschinenschreiber – ca. 24 WPM
• FEC-Puffer mit ca. 5 Sekunden Verzögerung
• Ausgezeichnet bei schlechtem S/N
• Nicht gestört durch “Polar Flutter”
Olivia
Entwickelt von Pawel Jalocha SP9VRC
• Im Internet:
– http://groups.yahoo.com/group/oliviadata/
• Suche nach Signalen im Bereich von:
– 14.104 to 14.108 MHz
• Unterstützt von:
– MixW (2.16 or später)
• http://www.mixw.net/
– MultiPSK
• http://multipsk.eqth.org/
Hellschreiben
• “Weiche” Methode
• Tastet die zu sendenden Buchstaben ab und
sendet eine Kette von Punkten, welche als
Bildpunkte die Zeichen verkörpern.
• Es wird „ein Bild“ des Buchstabens empfangen
• 38 WPM
• Gut geeignet bei „QRM“ oder über polare
Übertragungsstrecken
• Klangbeispiel Hellschreiben
Hellschreiben
Daten 1-0-1
5 ms pro Teilstrich
Modus: Hellschreiben
Hellschreiben - Bandbreite
Helleschreiben - Bandbreite
RTTY
•
•
•
•
45.5 Baud
FSK 170 Hz Shift
55 WPM
Nur Großbuchstaben, keine
Eingabekorrektur
• Schnelle Synchronisation, exzellente Contest-Betriebsart
• Klangbeispiel RTTY
RTTY – 45.5 Baud
CW 20 WPM
•
•
•
•
•
20 WPM
Schmalbandig
Variabler Längenkode (Morse)
Exzellent für DX
Noch akzeptables Mitschreiben mittels
Computer möglich
• Klangbeispiel CW bei 20 WPM
CW bei 20 WPM
Tabellarische Zusammenfassung
Zeich/Sek
WPM
BW Hz
QSO/3KHZ
CW 20 WPM
1.64
19.8
100
12
Feld Hell
3.12
37.8
500
9
BPSK31
4.25
51.4
100
30
RTTY 45.5 Baud
4.54
54.9
400
9
MFSK16
4.83
58.4
300
10
BPSK63
8.50
102.8
200
15
Die Werte basieren auf einem typischen Zwei-Wege-QSO mit englischem Text und der Annahme: 531 Buchstaben in 107 Wörtern incl.
Leerzeichen. Mittelwert 6 Buchstaben pro Wort.
Special thanks to
Clint Hurd – kk7uq
He gave me the permission to translate his excellent presentation into
German:
Hello Dieter
Yes, you have my permission to translate the BC Presentation dated
16.10.2006 into German for ham radio (non commercial) use. Please
email me a copy. Good luck on your field day and presentation.
73, Clint Hurd KK7UQ
DC1NF Mai 2007