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
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
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
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 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 -30dB
Spektrum 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 Hz
EIN BPSK31 Zyklus – ÜBERSTEUERT IMD -11 dB
VERGLICHEN MIT GUTEM SIGNAL -32 dB IMD
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 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 Hz
Einstellung 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- Regler
PC 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- Fenster
Beispiel: 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 sk
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 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 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 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 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 son- dern 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-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 Anderen
BPSK63 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 dB
Hellschreiben - 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 2007
DigitiModes Anlagen/ Ergänzungen …
Ergänzungen
Ergänzungen Extrem übersteu- ertes PSK31- Signal
Fragen …?
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