FreeDV- den SSB-TRX fit für die digitale Sprachübertragung
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FreeDV- den SSB-TRX fit für die digitale Sprachübertragung
FreeDV- den SSB-TRX fit für die digitale Sprachübertragung machen Prof. Dr.-Ing. M. Hartje Fachbereich Elektrotechnik & Informatik [email protected] Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/1 Übersicht Digitale Sprachübertragung – wie geht das? FreeDV – wie kann ich das nutzen? Vorführungen (wenige) Video (youtube.com dk5hh suchen) Eine Bitte an Video-Filmer: mir eine Kopie anbieten! Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/2 Was wäre das einfachste? Digitale Sprachübertragungsverfahren lassen sich mit den vorhandenen Geräten einfach nutzen Neue Geräte haben das Verfahren als Modulationsverfahren / „Betriebsart“ eingebaut Mit einer kleinen Modifikation kann man die vorhandene Technik nachrüsten Unsere Welt sieht leider anders aus!!! Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/3 Anforderungen an digitale Sprachübertragung auf KW Kann ich meine vorhandene Technik weiter verwenden? Erreiche ich damit auch weiterhin alle meine bisherigen Gesprächspartner? Ist die Betriebstechnik (QSO) mindestens so einfach wie bei SSB? Geht das nur auf bestimmten „Kanälen“? Muss ich mich irgendwo anmelden? Brauche ich Internet in der Station dafür? Wie aufwendig ist die zusätzliche Technik? Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/4 HF-Sprechfunk AM - Nutzbandbreite: 6 kHz FM > 29,5 MHz: 12 kHz SSB seit Mitte der 1960ziger Jahre Nutzbandbreite < 3 kHz (USA: < 2,7 kHz) Digitale Modulationen (heute noch im Anfang) Versuche in der Vergangenheit (ca 15 J) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/6 Situation auf HF-Bändern Enge Belegung geringes Frequenzband Erkennung: „das ist Amateurfunk“ QRN Splatter vom Nachbarkanal QSB (Ionosphäre) Für das Frequenzband Selektiv im Frequenzband Zeitlich nicht konstant Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/7 Wo stehen wir? Stehen wir vor einem Umbruch? (AM SSB) Was lehrt uns die vergangene Umstellung? (VHF, UHF → DSTAR, DMR, APCO25, TETRA) Wir wollen keine patentgeschützten Verfahren! Unsere HF-Geräte werden sehr alt! keine Verfahren mit bindender Anmeldung und Organisation! Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/8 Digitale Modulation Sprache HF Vergleichbar zu den Textbetriebsarten (aber hier: reine Datenübertragung) nutzt die SSB-Aufbereitung mit Bandbreite <= 3 KHz Vorteil: vorhandene Technik nutzen! (keine neuen Funkgeräte kaufen müssen!) Vorsatzgeräte (Typ Modem) FDMDV (CELP-Codec) mit 1200 Bit AOR: 1200 Bit mit OFDM HamDRM (Dream) DSTAR für HF (Bandbreite > 6 kHz) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/9 In Zukunft digitale Sprachübertragung – warum? Akzeptanz des Standards für Kommunikation erforderlich? Integration in die neuen Geräte möglich Geht noch weniger? Muss es bessere Audioqualität geben? Anforderungen an Sprachübertragung DX und Contest Stark unterschiedlich Klönen (Runden) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/10 Kommunikationsstandard Eingeschränktes Frequenzband Schnelles Wechselsprechen Point-to-multi point Möglichst störungsfreie Übertragung von Sprache Kommunikation unter gestörten Bedingungen Keine „Kanäle“ (– im Vergleich zu VHF) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/11 Worauf beruht der Standard? Sprachverständlichkeit als Ziel: Erkennen der Phoneme Worterkennung Satzerkennung Sinnbildung Was können / wollen wir weglassen? Was wollen wir auch noch? Sprecher erkennen Emotionen erkennen Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/12 Verminderung der Datenrate für kleine Übertragungsbandbreiten Erreichbares Minimum bei persönliche Stimmmerkmale entfernen mit Textübertragung dann Spracherkennung (TX) und TTS (RX) Digitalisierung + Codierung Datenreduktion (Quellencodierung) Redundanz Irrelevanz MP3, OGG-Vorbis, lineare Prediction Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/13 Kodierung und wechselnde Redundanz Redundanz Signal QuellenCodierung Redundanz Irrelvanz KanalCodierung LeitungsCodierung Fehlerkorrektur Kanal Störungen + * Kanal Signal Quellendecodierung Kanaldecodierung Leitungsdecodierung Redundanz Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/15 Digital Voice Radio System A/D D/A codec enc codec dec FEC enc mod Störung HF/VHF Kanal FEC dec demod Nicht so gut bekannt TX RX bekannt ISO: Ebene 1 Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/16 Quellencodierung Was können wir bei der Sprachübertragung weglassen? Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/17 Sprache ermöglicht Physikalische Stimmerzeugung mathematisch modellieren Analysieren Synthetisieren Differenz zwischen Modell und Momentanwerten Übertragung mit Fehlern möglich, da Satzverständlichkeit das Ziel ist Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/18 Sprachkodierung im Überblick Signalformkodierung Zeitbereich Skalare Quantisierung Vektorquantisierung (mit Codebüchern) Frequenzbereich Teilbänder (SBC) Transformationscodierung Parametrische Kodierung (Vokoder) Sinusmodellierung (20-40 Schwingungen) Vokoder Klassischer Vokoder (zB 16 Filterkanäle 2,4-3,2 kBit/s, IMBE, AMBE) Prädiktionsvokoder (Allpolfilter mit 10 Koeffizienten; CELP, auch CODEC2) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/19 Parametrische Vocoder Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/20 Modell eines Vocoders Grundfrequenz Impulsgenerator Rauschgenerator stimmhaft Sprachtraktmodell (Filter) Energie stimmlos Änderung aller Parameter in kurzen Zeitscheiben: typisch 20 ms Nachteil: nur zwei Anregungszustände Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/21 Vocoder (Dudley: 1939) MELP – patentiert, geringe Bitraten, DoD Qualität eingeschränkt Optimiert für Sprachverständlichkeit AMBE – patentiertes Verfahren CELP – Codebook Exited Linear Prediction Teil vom MPEG-4 (IEC 14496-3) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/24 Aufgabe der Sprachcodierung Abtastwerte (mit zB 16 bit bei 8 ks/s = 128 kBit/s) Aufgabe: Reduziere auf 1200 bit/s (Faktor: 100!) Frage: Was kann wegfallen? Erkennbare Sprache Natürliche Sprache mit Sprechererkennung Spracherzeugungsmodell modellieren, und Parameter übertragen Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/25 Sinusansatz der Sprachmodelle Amplitude (16 bit samples) Pitch Period 35 samples or 4.4ms at 8kHz sample rate Time (samples) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/26 Q:www.rowetel.com Ersteller: D. Rowe, VK5DGR Sinusansatz der Sprachmodelle Pitch 230Hz or 4.3ms Amplitude (dB) 1 Ziffern: Oberschwingungen 2 5 8 6 7 3 9 10 11 12 13 14 4 Harmonics of 230Hz Frequency (Hz) Q:www.rowetel.com Ersteller: D. Rowe, VK5DGR Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/27 Codecs und deren Datenraten sowie der Qualitätsbewertung MOS Aus Fellbaum: Digitale Sprachübertragung Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/28 Kanalcodierung – FEC Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/29 Vorausschauende Fehlerkorrektur (FEC) Untersuchung möglicher Kanaleigenschaften z.B. frequenzselektives Fading Alle Formen von überlagernden Störung Bestimmung der möglichen Bitfehler und zeitlichen Eigenschaften Vorsorgeprinzip darauf angepasst „mehrfache Prüfsummen“ ermöglichen Erkennung von Fehlern Korrektur von Fehlern FEC für Codec2 schützt besonders Tonhöhe und Filterkoeeffizienten Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/30 „Leitungskodierung“ Modem als Leitungskodierer Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/31 Aufgabe eines „Modems“ 'hohe' Übertragungsrate bereitstellen / sichern optimale Nutzung der festgelegten Bandbreite optimale Nutzung der Kanaldynamik (SignalStörabstand) Verzerrungen des „Bandes“ vermindern Physikalische Anpassung an Kanal logische Bits in Übertragbares umwandeln Modulation von Bits Vice versa im Demodem Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/32 Vocoderdaten übertragen? Niedrige Datenrate niedrige Bandbreite Sicherung gegen Fehler erfordert Kanalstörungen zu untersuchen Einfache Anwendung bei Inband-ÜT SSB, oder FM Huckepack bei DSTAR-Datenkanal? Lösungsansatz aus 2007: G3PLX: FDMDV Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/33 Modems GMSK (für VHF gut Beispiel DSTAR) Einschränkungen bei selektivem Fading zu hohe Bandbreite (QPSK 1,5 Bit / Hz) Mehrfrequenz-Verfahren OFDM mit optimalem Abstand FDM (DV) FreeDV FDM-Verfahren GUI Modemverfahren Frei von Patenten (DV hat sonst immer patentierte Verfahren) Von Funkamateuren für Funkamateure Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/34 FreeDV Frame Mehrere Frame-Definitionen (weitere Entwicklung) Mehrere Bitraten im Modem („historisch“ Dez. 2012: 1400 bit/s ) Empfohlene Einstellung derzeit „1600 bit/s“ Sprachdaten CODEC2: 1275 bit/s Text (Varicode): 25 Bit/s Fehlersicherung (FEC) 300 Bit/s Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/35 FreeDV Modem 1600 bit/s mit FDM verteilt (parallel) auf 16 DQPSK mit 50 Symb/s (2 Bit/Symb) 1 DBPSK mit 50 Symb/s (1 Bit/Symb) + 10 dB Amplitude (nur Synchronisation) Frequenzabstand: 75 Hz (wg. Seitenbändern der QPSK-Modulation) (Vorführung?) – Folie Beispiel DL9BQ TX- 80m RX: WebSDR Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/36 80 m mit 100 W (DL9BQ) BER Bit Error Rate 7 ·10-2 = 7 % 3 ·10-2 = 3 % Zeit Zeit Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/37 Vergleich SSB-DV Audio-Beispiel (BER 6%) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/38 FDMDV2 - Modem Frequency Division Multiplex Digital Voice Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/39 Codec2 – OpenSource Vocoder + FreeDV Modem für HF GUI für Quellen-, Kanal- und Leitungscodierung Vocoder: 1200, 1300, 1400, 2500 Bit/s FEC-Routinen FDMDV-Modem (andere Eigenschaften möglich) 16 Träger, Δf=75Hz, DQPSK , 50 Symbole/s Bandbreite: 1,2 KHz, 1 Synchronisations-Träger 1600 Bit/s Übertragen im Sprachkanal SSB oder FM schnelle Frequenzkorrektur 200 Hz umschaltbarer großer Frequenzabstand (125 Hz) B = 2 kHz Texte und Befehle können übertragen werden Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/40 FDMDV Blockschaltbild Symbolrate 50 Hz Abtastrate 8000 Hz 1400 Bps fu: 900 fM:1500 fo: 2100 raised root cosine Q:www.rowetel.com Ersteller: D. Rowe, VK5DGR Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/43 Konstellationsdiagramm FDMDV Information Pilotton Q:www.rowetel.com Ersteller: D. Rowe, VK5DGR Pilotton Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/44 Modem = Kanalcoder Derzeitiger Projektstand: Erste praktische Realisierungen von Kanalkodern mit Forward Error Correction-Zusatz und Schutz wichtiger Sprachbits Bitfehler von einigen % werden ausgeglichen Beispiel 40m: Fading Frequenzselektives Fading Durchlaufendes Fading ändert sich von Durchgang zu Durchgang Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/45 FDMDV2 auf 40 m V0.961 23.3.13 QSB QSB-laufend selektives Fading Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/46 Folgende Durchgänge (40m) 300 Hz/s 120 Hz/s Frequenzänderung des QSB Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/47 Radio-Station Rechner Ext. Sound Int. Sound Mikro TRX Lautspr. Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/48 Vorführung FreeDV Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/49 TX mit Modem Modem verlängert die Verstärkerkette Übersteuerung erzeugt Clipping Bitfehler Beispiel Überlagerung mehrere Sinusschwingungen Vorführung GRC-PAPR Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/50 Dynamik des Signals Spannungsverhältnis ¼ 12 dB Mehr Töne: höherer Dynamikumfang (zB statt 14 für 1400 Bit/s 16 für 1600 Bit/s) Clipping der Spitzen erzeugt Bitfehler Wenige Bitfehler sind durch FEC ausgleichbar Vorschlag mit Beispiel zum Einstellen des TX: CW (SSB-Einton) 100W (Average) FreeDV 15W (Average) (über Mic-Gain) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/51 Aussteuerung Für SSB-Betrieb TX: Mikrophonregler + ALC RX: RF-Gain + AGC + AF-Gain Mit FreeDV Amplitude zum Sender Mikrophonempfindlichkeit zum Codec Aussteuerlautstärke RX zum CODEC Lautstärke des decodierten Signals Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/52 Heutiger Stand FreeDV Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/53 Stand (1) Opensource Quellcode für CODEC2 FreeDV Binärcode für LINUX-Distributionen Windows MAC Java (Android) noch in weiterer Entwicklung Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/54 Stand (2) Modem FDMDV – Mehrfrequenzverfahren mit schneller Synchronisation 1,1 bis 1,3 kHz GMSK mit „besserem“ Codec Diskussion über OFDM-Verfahren (wer macht es?): Ziel: 800 Hz: neue MW Geringere Bitraten auch bei CODEC2 Hardware PC (Shackanwendung) Raspberry(?), CubieBoard, Beaglebone (Vorsatz) Entwicklung: DSP Einbau in Geräte Entwicklung Speakermike (Vorsatzgerät) Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/55 Blockschaltbild „Speakermike“ Vorsatzgerät Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/56 Speakermike produktionsreifer Entwurf zum „Speaker-Mike“ Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/57 Speakermike FREEDV verwendet STM32F4- Microcontroller Softwareentwicklung weit fortgeschritten Hardwareentwürfe fertig Produktion ab Herbst 2014 erwartet Erwarteter Preis: 150 EUR Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/58 Alternative: Kleinstrechner Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/59 Mögliche Kleinstrechner Dual-Core Cubieboard Raspberry PI 4-fache Leistung RasPi Bildquellen: Werkbilder Futro A210 Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/60 BeagleBone Black Beispiel mit Cubiboard 2 Cubieboard 2 (dual-core) 2 USB-Soundkarten Steckernetzteil mit Kabel Speicherkarte Vollständiges autarkes Interface Es geht auch preiswerter 74 6 4 3 € € € € 90 € Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/61 Entwicklungstrends Speakermike mit preiswertem DSP Implementierung auf Mikrorechnern (PI, Cubie, BeagleBone Black, Futro A210) Headless Modem – derzeit durch Skripte Modulationsverfahren OFDM? SDR-Transceiver als Partner ergänzen mit integriertem Modem 2€-USB-Soundkarte mit PTT (hamlib, CM108) Codec2 verändern (selbst experimentieren!!!) Fließkomma / Festkomma-Implementierungen High Quality Codec Low bitrate (erwartetes Limit: 800 Bps) FEC in Diskussion Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/62 Zusammenfassung Wie funktioniert digitale Sprachübertragung bei niedrigen Bitraten? Wie kann man Sprache kodieren? Was ermöglichen Codec2 und FreeDV? Was ist bei der Anpassung den SSB-TRX zu beachten Wo finde ich weitere Informationen? Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/63 Quellen / Diskussion www.freedv.org (zum Einstieg!) Dort: QSO-Finder Dort: link zu Google-group DV GRC-Beispiele / Folien Diskussion??? Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/64