PSK Grundlagen Clint Hurd - kk7uq - übersetzt von Dieter Flasch - DC1NF Präsentiert anlässlich des
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PSK Grundlagen
Clint Hurd – kk7uq
übersetzt von Dieter Flasch – DC1NF
Präsentiert anlässlich des
Fieldday OV B05 in Bamberg,
Bavaria, Germany
17. Mai 2007
“DigitiModes” … am Beispiel PSK31 … … ein wenig Theorie …
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 konser- vative oder die professionelle Methode • Schnittstellen • Software: Leistungsmerkmale & Tools • Betrieb: Empfang, Senden, IMD, RST • Andere digitale Modi
Typische Konfiguration für Soundkarten - Betrieb
Soundkarten – Interface
- schematisch
PC TRX
S 1 V Uss
o
u
Mikrofon Lautsprecher
n
1 V Uss ca. 10 mV Uss
d
k Lautsprecher Dämpfungsglied Mikrofon
a
r + - 12 V „PTT“ Masse
t
e Serielle SS Pegelwandler 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”-Pegeleinstel-
lung
• Zusätzlicher Audio-Monitor
Soundkarten - Interface
3.5mm Stereo
1:1 600 ohm Receptacle
Audio Transformer w/ switches J4
From Xcvr
Waterfall Drive X1 Tip Spkr Out
1k pot
Audio Taper 6 3 (Alternate)
1 Primary Ring
J2 5 2
To Ring R7
Sound Card Tip 2 3
4 1
Line In 8 Aud.
Brn
3.5mm Stereo Out
R6 51
Receptacle Tx Drive
1:1 600 ohm 1k pot
R3 1.0 k Audio Transformer Audio Taper 7 Brn From Xcvr
X2 Ret
3.5mm Stereo Wht
3 R5 51
Receptacle 6
C1 Primary 1 C2 4 Mic Blu
J3 Ring 2 5 To Xcvr
From R4 100 R8 2
.0047uF
Sound Card Tip 3 1.0 uF
1 4 5 Blu
Spkr Out Ret
Wht
D2 1N4148 R11
2.2 k
Receptacle
RJ45
RJ45
Plug
D1 1N4148 + R10 R12 AT 20 Audio J5
C3 10 uF 2 meg 10 k Transducer
Note: Return path for SP 1
R9 4.7 k C4 10 uF
audio to monitor amplifier + Q1
is made through the cable 2N3904
shields to the ground 6
point at the PC. C5 .0047uF FSK Grn To Xcvr
R2 U2
2.2k D3 1N4148
1 5
3 Grn
R1 2 4 Ret Wht
2.2k 4N33 SW1
J1 2
U1 PTT Control PTT Org To Xcvr
Ring Ring (SPDT Ctr Off)
DTR 4 Yel 1N4148
Tip 1 5 D4
RTS 7 Tip
1 Org
Sleeve 2 4 Ret
Gnd 5 2.5mm Wht
Red
4N33
Stereo LED 1
Receptacle Dual Color Photo Darlington Up - Auto
External Cable w/ DB9 T 1 3/4 LED Opto-Isolator Ctr - PTT Off All resistors
1/4W 5% Rig cable mating
female serial port Red - PTT Down - PTT On connector and wire
conn shown for ref. Yel - FSK
colors shown for
ref.
kk7uq Interface Model II - Schematic Diagram
Interface-Schematik
Audio-Pfad
AUDIO
MONITOR
PTT
Steu-
erungSoundkarten-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 SendepegelsBinäre 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 Phasenumkehr- punkt 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 Phasen
Wechsel Wechsel
32 MS
Hier: einem BPSK31 “0”-Zyklus folgt
eine weitere “0”
IMD = -30dB @ Offset-Freq = 700 Hz
Beachte: Signal entspricht einem “2-Ton”Phasenwechsel erfolgt an einer Stelle mit reduziertem Signalpegel
0 1 0
Phasen KEIN Phasen
Wechsel Phasen Wechsel
Wechsel
Bit-Folge “0-1-0”
IMD -30dBSpektrum BPSK31 Gutes Sendesignal Gemessene IMD -32 dB Bandbreite 63 Hz
Spektrum BPSK31 Mäßig übersteuertes Signal Gemessene IMD -19 dB Bandbreite 100 Hz
Spektrum PSK31
Stark übersteuertes Signal
Gemessene IMD -11 dB
Bandbreite 150 HzEIN BPSK31 Zyklus – ÜBERSTEUERT
IMD -11 dBVERGLICHEN MIT GUTEM SIGNAL
-32 dB IMDIMD -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 Sende-
Durchgangsbereich
Pegasus Tx Filter @ 2.25 kHz
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
0.0
-1.0
-2.0
dB
-3.0
-4.0
-5.0
-6.0
F HzEinstellung des NF-Sendepegels • Die Sendeleistung ergibt sich automa- tisch über einen korrekt abgeglichenen NF-Pegel. • Es ergibt sich keine Signalverbesse- rung 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-Gain-
ReglerPC Ausgang, Audioeinstellung - Der Lautsprecherausgang Liefert das erzeugte NF- PSK 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 ver-
wenden.
• Falls das Interface einen internen
Regler aufweist, verwende den PC-
WAVE Regler zum Abgleich.Transceiver Mike-Gain • Grundsätzlich könnte der Mike-Gain- Regler auch zur Pegeleinstellung ver- wendet werden. • Normalerweise ist dieser Regler für jedoch für den SSB-Betrieb optimiert und sollte deshalb auch bei PSK unver- ändert bleiben.
Wie viel Ausgangsleistung? • Schutz der Endstufe durch Begrenzung auf 50% der spezifizierten CW-Aus- gangsleistung • NF-Kompressor ausschalten • ALC-Meter sollte noch nicht ausschla- gen
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 Ausgangs- leistung von 25% (Mittelwert) oder 50% (Spitzenwert) der spezifizierten CW-Aus- gangsleistung 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 ALC- Begrenzung, 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 Hüllkurven- Analyse
DigitiModes Die Software
Software und deren Optionen zur
Optimierung des PSK-Betriebs
• Makros
• QSO-Log
• Signalaufzeichnung (History)
• Mehrere Betriebsarten
• Transceiver-Steuerung via CAT
• Mehrere gleichzeitige Empfangs-
FensterBeispiel: MixW Software
MixW-Makros • Vorbelegte Texte auf Tastendruck • Beispiel Makro “CQ” 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 • Optimiertes Makro “CQ” cq cq cq cq de kk7uq kk7uq kk7uq pse -k-
Makro “Start QSO”
W7WJK W7WJK W7WJK DE KK7UQ KK7UQ KK7UQ
… (14 sec)
• Makro “Start QSO”
DE
…
W7WJK W7WJK de kk7uq (Clint) fb Joe … (10 sec)
• Optimiertes Makro “Start QSO”
de kk7uq (Clint) fb ...Makro “73”
73 W7WJK W7WJK DE KK7UQ KK7UQ QSO
LOGGED AT 14:02:36z 16 Oct 2005 SK
• Makro “73” 73
DE QSO
LOGGED AT SK
73 Joe W7WJK de kk7uq sk
• Optimiertes Makro “73”
73 de kk7uq skWasserfall 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/NWasserfall - Anzeige
500 HzSpektrum - 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 SHIFT- Taste und Mausklick auf das gewün- schte 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 Be- nutzung 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 TRX- Frequenz und Betriebsart • Exakter Frequenz-Logbucheintrag • In einigen Fällen kann die PTT-Steu- erung auch über CAT-Kommandos erfolgen
Kombinierte CAT &
Soundkarten-Steuerung
(z.B. ICOM)DigitiModes Die Praxis …
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 kSenden II
• Kompakte Makros
– Kurze Texte
– Kleinbuchstaben wo nur immer möglich
• Groß- gegenüber Kleinbuchstaben
– Kleinbuchstaben sind in der Kodetabelle
kürzer, deshalb höhere ÜbertragungsrateRST - “R”, Lesbarkeit • R5 95 - 100% Lesbarkeit • R4 90 - 95% „ • R3 75 - 90% „ • R2 50 - 75% „ • R1 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 IMD -24 dB oder besser • T8 IMD -20 dB to -24 dB • T7 IMD -15 dB to -20 dB • T4 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 Audio- Pfades des PSK Signals über Sender und Empfänger • Ist als Anzeigeoption (für das empfang- ene 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 zurück- nehmen
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 abzuschätzenNimm 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 son-
dern mit „Verriegeln/ Lock” die TX-QRG
fixieren und (mittels Mausklick) auf der
Frequenz der Gegenstation empfangen.
• Der Grund: möglicherweise eine aktivierte
RIT-FunktionGegenstation “neben” der eigenen
Frequenz (II)
• In einigen Fällen kann dies durch Taktabweichung
der Soundkarte hervorgerufen werden. Verwende
die Abgleichprozedur wie sie in SSTV-Program-
men 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 unter- stützt 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-Freguenz- gangkorrektur abschalten ( DSP-Filter) • „Verschwinden“ schwache Stationen beim Einsetzen eines besonders starken Signals: AGC auf Manuell und „Handregelung“
DigitiModes Weitere Modi …
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 AnderenBPSK63 Bandbreite IDLE IMD -29 dB Bandbreite 130 Hz Verwende 200 Hz Nachbarsignal-Abstand
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
MFSK16 Spektrogramm Spektrogramm eines MFSK16 Signals über einen Zeitraum von 20 Sekunden: die horizontalen Linien verkörpern 1000 Hz und 1300 Hz. Das Beispiel enthält insgesamt ca. 120 Zeichen, 60 davon sind Nutzzeichen (durch FEC Verwendung).
Abgleich MFSK16 • Tonabstand: 15.33 Hz • Bandbreite: 230 Hz • 15 Hz Genauigkeit bei der Frequenzein- stellung 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 Ma- schinenschreiber – 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
Hellschreiben Daten 1-0-1 5 ms pro Teilstrich Modus: Hellschreiben
Hellschreiben - Bandbreite
„Feld Hell“ – ungefähr 500 Hz breit
@ -30 dBHellschreiben - Bandbreite „Feld Hell“ – ungefähr 500 Hz breit @ -30 dB
RTTY • 45.5 Baud • FSK 170 Hz Shift • 55 WPM • Nur Großbuchstaben, keine Eingabekorrektur • Schnelle Synchronisation, exzellente Con- test-Betriebsart
RTTY – 45.5 Baud Bandbreite 400 Hz @ -30 dB
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 CW Bandbreite bei 20 WPM 100 Hz @ -30 dB
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 eng-
lischem 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 2007DigitiModes Anlagen/ Ergänzungen …
Ergänzungen
Ergänzungen
Extrem übersteu-
ertes PSK31- SignalFragen …?
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