Přeskočit na obsah

Menu ČRK

Anketa

Nový web se mi líbí:

OK1PD: KV digitální druhy provozu

Počátek krátkovlnných digitálních přenosů sahá do II. světové války. Použitím linkového mechanického dálnopisu v rádiových komunikacích byl zajišťován rychlý mechanizovaný přenos zpráv mezi vyššími velitelskými stupni na obou stranách fronty; radiodálnopis se zvláště osvědčil na tichomořském válčišti. Po skončení války se o tento druh přenosu začali zajímat i radioamatéři. S technickým rozvojem se i v amatérském použití uplatňovaly nové radiodálnopisné technologie a vznikaly nové druhy krátkovlnných digitálních přenosů. Původní těžkopádné a hlučné dálnopisy byly nahrazovány výpočetní technikou doplněnou modemy. Narozdíl od digitálních přenosů na VKV a UKV pásmech, která zabezpečují relativně stabilní přenosové podmínky blížící se přenosu po linkách, jsou krátkovlnné digitální přenosy daleko víc zranitelné:

  • jsou rušeny šumem,
  • mohou být rušeny jinými vysílači,
  • ohrožují je atmosférické výboje,
  • působí na ně šíření více cestami, způsobující únik signálů,
  • při šíření na velké vzdálenosti se uplatňuje doba šíření signálu.

Je zajímavé sledovat, jak se jednotlivé digitální druhy přenosu vyrovnávají s nestabilitou krátkých vln.

Radiodálnopis - RTTY (RadioTeleType)

Je aplikací klasických linkových dálnopisů na radiokomunikační přenos. Původní linkové dálnopisy byly složité mechanické stroje. Po navázání spojení mezi dvěma dálnopisy se uvedl do provozu vačkový systém, který ovládal klíčovací kontakt. Každému alfanumerickému znaku odpovídala určitá kombinace vaček. Při odeslání písmene byla protistanice aktivována startovacím impulsem a zastavena ukončovacím impulsem (odtud občas používaný název "start-stop systém"). Tento způsob přenosu je asynchronní; při použití mezinárodní abecedy MTA2 je písmeno tvořeno kombinací pěti značek (logická 1) a mezer (logická 0). Lze jí přenést pouze 32 znaků (velkou abecedu, číslice a vomezeném rozsahu interpunkční znaménka;k přenosu číslic a interpunkčních znamének se používají dva pomocné znaky, označující písmenovou a číslicovou změnu. Počátek odeslaného znaku je indikován mezerou, za ní následuje pěti bitové písmeno ukončené informací o konci písmene, kterou tvoří dvě přidané značky. Přenosová rychlost, převzatá od původních mechanických strojů, se pohybuje od 45 Bit/s do 200 Bit/s. Struktura znaku je na obr.1.

RTTY

Obr.1 - Struktura znaků "Start-Stop" a znaků synchronně přenášených - z [lit. 1]

Horní část obrázku ukazuje strukturu asynchronní přenášených znaků, spodní část přenos synchronní přenášených znaků. Při porovnání je zřejmý rozdíl doby potřebný kpřenosu stejně dlouhých znaků přenášených jedním či druhým způsobem. Lze rozeznat:

  • bitovou rychlost (modulační rychlost), udávající počet změn úrovně za sekundu; ta je v obou případech stejná. Tato rychlost se udává v Bit/s/s, nebo, v moderních přenosech, bit/s,
  • přenosovou rychlost, která je u asynchronního přenosu nižší, neboť jsou použity další tři bity k označení začátku a konce přenosu. Přenosová rychlost je dána poměrem počtu bitů přenesených za sekundu k počtů bitů v jednom znaku.

V radiodálnopisném přenosu je použito klíčování kmitočtovým posunem (FSK - Frequency Shift Keying) dvou kmitočtů, vzdálených od sebe 170 Hz. Vyššímu kmitočtu odpovídá znak (logická 1), nižšímu kmitočtu mezera (logická 0). Původně byly klíčovány přímo oscilátory vysílačů. V moderních zařízeních je přímé ovládání kmitočtu oscilátorů nahrazeno změnou kmitočtu nízkofrekvenčního signálu, jímž je modulován vysílač pracující v režimu amplitudové modulace s potlačenou nosnou a jedním postranním pásmem (SSB). Znak je přenášen kmitočtem 1275Hz - resp. 2125Hz, mezera 1445Hz - resp. 2295Hz. Po zahájení vysílání vysílač přepíná mezi oběma modulačními kmitočty v rytmu znaků a mezer přenášené zprávy. Vysílač vysílá stálý výkon, a to i tehdy, když do vysílače nevkládáme žádnou zprávu. Proto není možné přerušit vysílání protistanice.

Použití klasických dálnopisů v rádiovém provozu vyžadovalo, aby si dálnopis "porozuměl" s rádiovou stanicí: k tomu sloužily modemy, převádějící klíčovaný proud vystupující z dálnopisu na dva vysílané kmitočty a při příjmu zpracovávající dva nízkofrekvenční tóny na klíčovaný stejnosměrný proud. Výstupní nízkofrekvenční signál z přijímače prochází pásmovým filtrem odstraňujícím nežádoucí interference, omezovačem je odstraněna závislost na kolísání úrovně signálu, frekvenčním diskriminátorem (nebo fázovým závěsem) se rozliší značka od mezery. Výstupní stejnosměrné impulsy ovládají polarizované relé, které přivádí do mechanického dálnopisu požadovaný ovládací proud.

RTTY TX

Obr. 2 - Blokové schéma vysílače RTTY dle [lit. 1]

Datový tok (na obrázku vyjádřený sledem logických 1 a 0) přepíná mezi dvěma kmitočty oscilátoru. Výstupní signál z oscilátoru je zesílen ve výkonovém zesilovači.

V moderním radiodálnopisu nahradila mechanické dálnopisy výpočetní technika. Počítač je propojen s vysílacím zařízením různě složitými modemy (od nejprostších převodníků úrovní až po inteligentní zařízení opatřená signálovým procesorem). Modem upravuje nízkofrekvenční signál z přijímače na úrovně odpovídající normě RS 232 a upravuje výstupní napětí ze sběrnice RS 232 na nízkofrekvenční signál.

RTTY TCVR

Obr.3- Elektronická verse uspořádání digitálního přenosu - z [lit.4]

Z přijímače radiostanice (transceiveru) je přiváděn nízkofrekvenční signál do modemu, který jej zdigitalizuje a upraví na úroveň požadovanou počítačem. Znak zpracovaný počítačem se převede z digitální formy na nízkofrekvenční signály, které se spolu s ovládáním vysílání (PTT) přivedou do vysílače.

Linkové dálnopisy byly konstruovány pro zcela stabilní komunikační prostředí. Proto ani nebylo nutné se starat o automatickou opravu chyb. Radiodálnopis není vybaven obvody, které indikují nebo opravují chybně přijatý znak. Množství chyb je proto možné ovlivnit pouze zvýšením odstupu signálu od rušení:

  • vyšším výkonem vysílače,
  • kmitočtovým diversitním příjmem (současné vysílání stejné zprávy na různých kmitočtech),
  • polarizačním diversitním příjmem (použitím dvou antén s různou polarizací),
  • prostorovým diversitním příjmem (použitím dvou přijímačů s anténami vzdálenými od sebe),
  • omezení poruch používáním účinných omezovačů,
  • omezení rušení jinou stanicí (použitím směrové antény).

Při diversitním příjmu jsou použity dvě antény, dva přijímače a dvojitý demodulátor. Určitým problémem je dokonalé nastavení kmitočtů obou přijímačů. Uvádí se, že je možné dosáhnout zlepšení odpovídající až sedminásobnému zvýšení výkonu vysílače.

RTTY je velmi zranitelný přenosový systém, použitelný za dobrých podmínek šíření, kdy je zajištěn vysoký poměr signálu krušení a signál není poškozen únikem. Není samoopravný a je velmi zranitelný impulsním rušením. Lze jím přenášet pouze 32 alfanumerických znaků, při použití dvou speciálních znaků velká písmena, číslice a hlavní rozdělovací znaménka. Přenosová rychlost se může pohybovat mezi 30 a 200 Bit/s, v amatérské praxi je obvyklá rychlost 45 Bit/s. Přes zmíněné nevýhody zůstává RTTY nejpoužívanější digitální metodou přenosu na KV. V amatérském provozu, kde jde o uskutečnění spojení spíše než o bezchybný přenos rozsáhlejší zprávy, se používá i v mezních příjmových podmínkách - kritériem použitelnosti je pak pouze správné oboustranné přijetí volacích znaků.

AMTOR

AMTOR (Amateur Teleprinting Over Radio) je radiodálnopisný systém, schopný zabezpečit jednoduchou automatickou opravu chyb. Systém je odvozen od profesionálních systémů NAVTOR, TEXTOR a SITOR a navazuje na doporučení CCIR 476. K opravě chyb je použit časový diversitní příjem. Časovou diversitou je míněno porovnání dvou stejných signálů vyslaných v různou dobu. Který ze signálů obsahuje méně chyb, je přijat jako výsledný signál. Amtor byl vyvinut ve dvou módech - ARQ a FEC.

Koncepce Amtoru vychází z těchto úvah:

  • zkušenosti ukázaly, že nejnebezpečnějším typem rušení radiodálnopisů jsou krátké impulsní poruchy,
  • opakováním přenosu s krátkým časovým posunem (do okamžiku, kdy je pravděpodobnost rušení nižší) je možné s vysokou pravděpodobností získat neporušenou náhradu za předchozí chybně přenesený znak. Systém musí být schopen rozlišit, zda je přijatý znak správný či chybný,
  • k posouzení bezchybnosti přijatého znaku používá Amtor jednoduchý test parity. Abeceda použitá Amtorem je navržena tak, aby byl každý znak složen ze 4 logických jedniček a 3 logických nul. Pokud přijímací strana zjistí, že přijatý znak odpovídá paritě 4:3, je znak považován za bezchybně přenesený. Ze sedmibitové abecedy je možné využít 35 takovýchto kombinací. 32 z nich odpovídá abecedě ITA2, 3 jsou použity jako služební znaky,
  • Pro urychlení byl použit synchronizovaný přenos,
  • Amtor vysílá bitovou rychlostí 100 nebo 200 bit/s.

Metoda ARQ (Automatic Repeat ReQuets) - mód A:

Časová diversita je získána tak, že se vysílaná zpráva rozdělí do třímístných bloků. Po vyslání bloku se vysílač odmlčí. Přijímací strana zkontroluje, zda výsledná parita (tj. poměr logických nul a jedniček) odpovídá poměru 4:3. Poté vysílač na přijímací straně skupinu buď potvrdí, nebo vyžádá opakování. Potvrzující stanice odpovídá jedním znakem (potvrzením - ACK, nebo odmítnutím - NAK).

AMTOR mod A

Obr.5 - Časové relace přenosu módu A podle [lit. 1]

Potvrzující znak C1 (jinde v literatuře CS1) je písmenem L.

AMTOR ARQ

Obr.6 - Časový průběh přenosu ARQ v reálných podmínkách podle [lit. 4]

Časový průběh je na obr.5 a 6, průběh opravy rušeného bloku je na obr.7. ARQ systém zaručuje přenos s omezeným počtem chyb pouze při spojení dvou stanic. Při spoluposlechu spojení dvou stanic není zaručeno, že bude monitorování stejně bezchybné, jako je bezchybný příjem protistanice.

AMTOR - oprava

Obr.7- Oprava bloku s porušeným znakem E - z [lit. 1]

Přijímací strana (SLAVE) potvrzuje správně přijaté bloky střídavě znaky C1 (CS1) a C2 (CS2). Při zjištění chyby přijímací strana neprostřídá potvrzovací znak. Vysílací strana (MASTER) zopakuje poslední blok. Jako další blok vyšle trojici znaků RQ (znak opakování signálu - Signal repetition), označující konec opakování. Po správném zachycení přijímací stranou pokračuje vysílací strana v přenosu. Znak C1 (CS1) odpovídá znaku L, znak CS2 není použit kpřenosu informace, znak RQ patří do skupiny služebních signálů.

Počáteční synchronizaci při navazování spojení zabezpečuje tzv. SELective CALL (SELCAL - čtyřmístný volací znak odvozený z volacího znaku). Způsob synchronizace při navazování spojení je na obr.4. Další synchronizaci zajišťuje formát přenosu.

DDUG

Obr.4 - Navazování spojení stanice DDUG - dle [lit. 1]

Vysílací strana vysílá ve dvou blocích čtyř písmenný volací znak kombinovaný se služebním znakem RQ. Přijímací strana odpoví potvrzením C1, načež vysílací strana zopakuje oba bloky s volacím znakem. Na ně již reaguje přijímací strana obvyklým střídáním potvrzovacích znaků.

Metoda FEC (Forward Error Correction) - mód B:

Tento systém byl vyvinut k oběžníkovému přenosu (spojení mezi řídicí stanicí a sítí protistanic). Protože v síti stanic již nemůže být použit systém ARQ (bezchybný příjem potvrzuje stanice, s níž bylo navázáno spojení, avšak tento příjem nemusí být bezchybný u ostatních přijímacích stanic, s nimiž nebylo navázáno spojení), byla u tohoto systému zabezpečena časová diversita bez zpětného potvrzování založená na opakování všech bloků s časovým posunem 350 ms, viz obr.8. Není-li přijat znak ve správné paritě, není zaznamenán a je doplněn opakovaným znakem.

Systém FEC je méně odolný a pomalejší, než systém ARQ.

AMTOR mod B

Obr.8 - Časové rozložení opakovaných bloků (mód B)

Vysílací strana rozčlení zprávu do bloků a ty rozdělí do dvou kanálů (kanály Rx a Dx). Bloky kanálu Rx jsou zpožděny vůči blokům kanálu Dx o 350 ms. Oba kanály jsou sloučeny a vytvoří novou zprávu Dx + Rx, ta je odeslána přijímací straně. Přijímací strana vybere ty znaky, jejichž parita odpovídá poměru 4 : 3.

Mód L (Listen):

Tento mód je pouze pomocný; je implementován v některých modemech proto, aby umožnil monitorování spojení stanic používajících ARQ mód. Neumožňuje však bezchybný příjem, protože poruchy v místě příjmu nemusí být stejné jako poruchy na přijímací straně, která má navázané spojení.

Detailní popis protokolů Amtor ARQ a FEC (včetně popisu automatické změny rychlosti přenosu a způsobu ukončení spojení) je v lit [5].

Přenos ASCII pomocí Amtoru

V devadesátých létech se ukázalo, že by bylo vhodné propojit paketové sítě na VKV s krátkovlnnými elektronickými databankami (BBS), s nimiž je možno komunikovat pomocí Amtoru. Problém byl v tom, že původní Amtor nerozlišuje velká a malá písmena a přenáší jen základní sadu interpunkčních znamének. Pro zajištění znakové kompatibility s abecedou ASCII, používanou v paketových sítích, se proto použil služební symbol "1101010", sloužící jako návěští pro přenos zbytku interpunkčních znamének a malé abecedy. Tento systém byl akceptován v řadě profesionálních modemů a v software (APLINK, AMTOR MBO), použitém v krátkovlnných BBS.

Amtor přenáší 32 znaků, odpovídajících mezinárodní abecedě ITA2; může však přenášet i další ASCII znaky. Vůči rušení je podstatně odolnější, než RTTY, i když zcela bezchybný přenos nezaručuje. Jeho přenosová rychlost je 100, resp. 200 bit/s, zdvih 170 Hz, modulace FM.

Packet Radio (PR)

Představuje revoluci v rádiových digitálních přenosech. Přenos PR je využíván hlavně na VKV, kde vznikla téměř celosvětová síť navzájem propojených uzlů přístupných jednotlivým amatérům. PR vychází z přenosového protokolu X.25, běžného v linkových datových přenosech. Byl vyvinut vroce 1979 skupinou vancouverských amatérů. Jak již název napovídá, je zpráva rozdělená na pakety, které po doplnění služebními údaji vytváří vysílaný blok (frame, rámec). Bloky jsou doplněny:

  • na začátku a na konci návěštím ohraničujícím rámec,
  • za počátečním návěštím následují údaje o odesilateli, příjemci, cestě, rámci a protokolu,
  • vlastní část zprávy - paket, jehož délka může být 1 až 256 osmi bitových znaků (byte). Na konci zprávy je obsažen údaj o paritě, která se individuálně počítá v každém paketu.

Návěští Adresa Řídící pole Informační pole FCS Návěští
01111110 14 až 70 byte 8 bitů PID 1 až 256 byte 16 bitů 01111110

Obr.9 - Protokol rámce PR

Řídící pole rozlišuje typ rámce (informační, řídící - odmítající nebo přijímající informaci, rámce určené k navázání a ukončení spojení), PID obsahuje informaci o použitém protokolu. V informačním poli je možné přenášet text, data nebo obrazovou informaci. Délka pole je jednak volitelná (na krátkých vlnách se přenáší desítky osmibitových znaků, na VKV až 256 osmibitových znaků), jednak závislá na kvalitě přenosu. Pole cyklického zabezpečení FCS umožňuje detekci chyb.

Typy rámců:

  • spojení se navazuje rámcem SAMB,
  • rámcem UA se potvrdí navázané spojení,
  • číslovaný informační rámec I 00 předává informační paket č. 00,
  • rámec RR 1 potvrdí odeslaný paket 00,
  • následuje výměna informačních a potvrzujících rámců,
  • rámcem REJ se vyžaduje opakování,
  • rámcem DISC se ukončuje spojení,
  • rámcem DM se potvrzuje ukončení spojení.

Po přijetí paketu vypočte přijímací strana paritu a porovná, zda se vyslaná i přijatá parita shodují. Shodují-li se, je přijatý paket potvrzen.

Rychlost přenosu na KV je 300 bit/s, používá se modulace AFSK, 200Hz zdvih. Větší rychlost není na KV přípustná (přenosová rychlost 1,2 kbit/s vyžaduje šíři pásma 15 kHz, což je na KV nepřípustné).Packet Radio se na krátkých vlnách příliš neosvědčuje - je zranitelné rušením a únikem. V důsledku častého vyžadování oprav se délka přenášeného bloku zprávy může zkrátit natolik, že se přenos zprávy zastaví.

Na VKV se používají bitové rychlosti 1,2 a 2,4 kbit/s (AFSK) a 9 kbit/s FSK).

Podrobnější informace uvádí lit. [ 2 ].

Packet Radio se stalo nejužívanějším a nejoblíbenějším druhem digitálního přenosu na velmi krátkých vlnách. Na krátkých vlnách se PR vlivem nestability přenosových vlastností krátkých vln příliš neosvědčuje. Při větším počtu požadovaných opakování se zmenší velikost paketu do té míry, že se již nepřenáší žádná informace.

Pactor

Pactor (PT) je krátkovlnný digitální přenosový systém, vyvinutý koncem osmdesátých let skupinou německých amatérů, kteří si stanovili tyto cíle:

  • bezchybný přenos,
  • přenos ASCII znaků,
  • úsporné využití šíře přenosového kanálu (maximální šíře přenášeného pásma 600 Hz),
  • provozuschopnost i při velmi nízkém odstupu signálu od šumu a rušení,
  • možnost dalšího rozvoje systému.

Přenosový protokol Pactoru je blízký protokolu Amtor. Zpráva je rozčleněna do krátkých bloků, které jsou potvrzovány - podobně jako u Amtoru ARQ - zpětným potvrzením.

Z Amtoru ARQ bylo převzato:

  • synchronní provoz o bitové rychlosti 100/200 bit/s,
  • modulace FM o zdvihu 170Hz,
  • krátké vysílané bloky se zpětným potvrzením.

Z Packet Radia byl převzat systém opravy chyb pomocí cyklického zabezpečení rámce.

Pactor však není pouhou kombinací zmíněných systémů, neboť byl doplněn:

  • datovou kompresí. Bylo použito Huffmanovo kódování, které upravuje délku znaků podle toho, jak jsou četné v použitém jazyce. Autoři použili ke kódování četnost výskytu v němčině a angličtině. Stupeň komprese dosahuje hodnoty 1,7 a průměrná délka jednoho znaku je 4,5 bit. Při použití jiného jazyka se Huffmanovo kódování uplatňuje v menší míře,
  • paměťovou ARQ, díky níž není přerušeno spojení ani ve špatných podmínkách. Systém paměťové ARQ sleduje úroveň přijímaného signálu a úroveň poruch opakovaně přijímaného chybného bloku nesoucího stejnou informaci a provádí rekonstrukci přijímaných bloků. Defektní bloky nejsou jednoduše likvidovány, ale jsou střádány a přidávány k dalším vadným blokům tak dlouho, až je rekonstruován původní blok. Analogová paměťová ARQ nerozeznává pouze stavy 1 a 0; pomocí A/D převodníku je napětí signálu rušeného bloku digitalizováno s rozlišením 255 stavů. Správně přijatý blok vynuluje paměť ARQ. Bloky zcela poškozené se do součtu pro rekonstrukci nezahrnují,
  • doba cyklu byla upravena na 1,25 s (přenos bloku 0,96 s, okno pro odpověď 0,29 s a zpětné potvrzení trvá 0,12 s). Spojení na vzdálenosti nad 10.000 km lze překlenout dvojnásobným prodloužením doby určené ke zpětnému potvrzení,
  • přenos je poloduplexní, přijímací strana může přerušit a převzít vysílání,
  • počet znaků je proměnný (10 pro rychlost 100, 24 pro rychlost 200 bit/s.
  • protokol paketu je na obr.10.

H D1 .. .. .. .. .. D10 S C C 100 bit/s
H D1 .. .. .. .. .. D24 S C C 200 bit/s

Obr.10. - Protokol paketu PT

H ... záhlaví (8 bitů), D ... informační bloky, S ... status (8 bitů), C ... CRC (16 bitů)

V hlavičce je umístěna informace sloužící k optimální synchronizaci bloku, při vysílání dalšího bloku je hlavička invertována. Stavový znak obsahuje informace o čítači paketů, o datovém módu (použití kódování nebo ASCII), o přechodu z vysílání na příjem a o ukončení provozu. Potvrzující signály odeslané z přijímací strany rozeznávají 4 stavy : CS1, CS2 jsou dva typy potvrzovacích signálů, pomocí CS3 se vyžaduje změna směru vysílání (BK), pomocí CS4 se vyvolává změna rychlosti. Při potvrzování bloků se používá střídavě CS1 a CS2. Jestliže se vyžaduje opakování, vysílá se předchozí typ potvrzovacího signálu. Při chybně přijatém bloku vyslaném vyšší rychlostí odpovídá přijímací strana CS4, čímž vyvolá opakování bloku a snížení rychlosti. Podobně může přijímací strana po bezchybném přijetí bloku vyslaném nízkou rychlostí si odesláním CS4 vyžádá přechod na vyšší rychlost.

Další podrobnosti o Pactoru-I jsou v [lit. 3].

Pactor-I je frekvenčně modulovaný systém přenášející informace plně zabezpečené vůči narušení se samočinně volenou rychlostí přenosu 100/200 Bit/s. Jeho efektivní přenosová rychlost je vyšší, než u Amtoru. Je poloduplexní a umožňuje přechod z vysílání na příjem oběma operátorům.

Pactor-II (PT-II):

V roce 1994 byl na HASK-Radio Convention představen kvalitativně nový přenosový systém, PT-II. Díky rozvinuté výpočetní technice (zvláště rychlým signálovým procesorům) bylo možno rozvinout původní Pactor v těchto směrech:

  • zrychlit přenos zavedením vícestavové fázové modulace nahrazující původní frekvenční modulaci,
  • přizpůsobit rychlost přenosu podmínkám šíření,
  • zvýšit možnosti datové komprese zavedením pseudo Markovova kódování,
  • zvýšit odolnost vůči krátkodobým poruchám (kliksům, poruchám způsobeným jiskřením a blesky, krátkodobým výpadkům v důsledku rychlých změn ionosféry) zavedením účinnějšího samoopravného kódování,
  • umožnit použití PT-II na vzdálenosti nad 10.00 km,
  • snížit úroveň nežádoucího spektra použitím nového způsobu tvarování klíčovacího signálu,

a samozřejmě zachovat vše, co se osvědčilo v Pactoru-I.

Zvýšení přenosové rychlosti

Modulační systém PT-II je založen na rozdílovém klíčování fázovým posunem (DPSK), vyžadujícím velmi úzké přenosové pásmo. PT-II generuje dva tóny, které jsou klíčovány bitovou rychlostí 100 bit/s. Jelikož oba signály jsou klíčovány paralelně, je výsledná bitová rychlost 200 bit/s. Může pracovat ve čtyřech režimech:

  • DBIT/SK (dvoustavová - fáze signálu se může měnit pouze mezi dvěma stavy) přenáší v každém kroku 1 bit rychlostí 200 bit/s;
  • DQPSK (čtyřstavová se čtyřmi možnými fázovými stavy) s rychlostí přenosu 400 bit/s (2 bity v jednom kroku);
  • 8-DPSK (osmistavová) s rychlostí přenosu 600 bit/s (3 bity v jednom kroku);
  • 16-DPSK (šestnáctistavová) s rychlostí přenosu 800 bit/s (4 bity v jednom kroku).

Klasické frekvenční klíčování se uskutečňuje tak, že jeden kmitočet skokově přechází do druhého kmitočtu. Tento náhlý přechod produkuje široké kmitočtové spektrum. Naproti tomu u diferenciálního fázového klíčování je možné použít klíčovací signál, jehož tvar je upraven tak, aby byla jeho spektrální odezva co nejužší. Ke tvarování klíčovacího signálu je použit tzv. kosinový filtr, jenž změní obdélníkový impuls na zvonový impuls (viz obr.10). Spektrum klíčování takto zpracovaným impulsem se blíží ideálnímu stavu, který podle Nyquistova teorému představuje spektrum šířky dvojnásobku klíčovacího kmitočtu.

Kosinový filtr

Obr. 11 - Odezva kosinového filtru

Modulační systém PT-II je naprosto jiný, a nemá nic společného s jednoduchým kmitočtovým klíčováním, popsaným u RTTY. Klíčování je možné jen nepřímou cestou prostřednictvím amplitudové modulace s jedním postranním pásmem a potlačenou nosnou (SSB). Zatímco při kmitočtovém klíčování je okamžitý výstupní výkon vysílače konstantní, takže mohou být k přenosu použity zesilovače pracující ve třídě C, je tomu u komplexních modulačních typů jinak:

  • u fázové modulace zůstává kmitočet klíčovaného signálu stálý, avšak v okamžiku klíčování se skokem mění fáze signálu a tím i okamžitá amplituda signálu, takže tento typ modulace má (podobně jako SSB) charakter "modulace s proměnnou obálkou". Fázově klíčovaný signál musí být dále zpracováván podobně, jako SSB signál,
  • všechny zesilovače vysílací cesty musí pracovat v lineárním režimu, jinak dochází k intermodulačnímu zkreslení klíčovaného signálu a k rozšíření vysokofrekvenčního spektra,
  • ze stejného důvodu nesmí být vysílač přebuzen,
  • efektivní průměrná hodnota výstupního výkonu je nižší, než špičkový výkon. U PT-II je (podobně jako u SSB) poloviční.

Přizpůsobení přenosové rychlosti podmínkám

PT-II zjišťuje z počtu vyžádaných oprav, jaký je stav přenosové trasy. Podle situace může samočinně přizpůsobit přenosovou rychlost okamžitým přenosovým podmínkám.

Samoopravné kódování

Základní myšlenkou samoopravných kódů je doplnění původní informace zvláštní kontrolní skupinou, kterou lze použít při rekonstrukci porušené původní informace. Poměr mezi počtem informačních bitů a celkovým počtem bitů je nazýván kódovacím poměrem. PT-II používá konvoluční kódování s proměnným kódovacím poměrem. Kodér pozůstává z dynamického posuvného registru, jehož algoritmus připomíná konvoluční integrál. Hranice samoopravitelnosti je určena délkou posuvného registru. K dekódování je použit Viterbiho dekodér. Při dekódování existuje exponenciální vztah mezi počtem míst posuvného registru a dobou potřebnou kdekódování. Současná rychlost signálových procesorů umožňuje zpracovat až devět míst posuvného registru. Použití konvolučního kódování sViterbiho dekodérem zvyšuje odolnost vůči rušení.

Dalším opatřením, zvyšujícím odolnost přenosu vůči krátkodobému rušení, je "interleaving" - úprava odesílaných dat do matice, jejichž řádky a sloupce se před odesláním zamění a po příjmu se přetransformují zpět do původního stavu. U délky bloku 16 bit se data rozloží do matice 16 bitů krát 16 řádek. Krátkodobé rušení, deformující řadu po sobě jdoucích bitů, se tak rozptýlí po zpětné transformaci řádků za sloupce z jednoho slova do jednotlivých bitů ve více slovech. S tímto druhem rušení si již použitý dekodér snadno poradí. (Obdobně je tato metoda použita u dále popisovaného systému G-TOR, viz obr.12).

PT-II používá konvoluční kód o délce 9 s Viterbiho dekodérem. Kódovací poměr se mění podle přenosové rychlosti; jeho hodnoty jsou uvedeny v následující tabulce:

Modulace Kódovací poměr Absolutní rychlost přenosu (bit/s)
DBIT/SK 1/2 100
DQPSK 1/2 200
8-DPSK 2/3 400
16-DPSK 7/8 700

Datová komprese

Z původní verze PT-I je převzato Huffmanovo kódování, upravující délku znaků paket po paketu podle četnosti, s jakou se znaky vyskytují buď v němčině nebo angličtině. Jako další alternativu PT-II používá pseudo Markovovo kódování (PSKC), které zvyšuje rychlost přenosu oproti Huffmanovu kódování až 1,3x. Toto kódování nevychází z pouhého rozložení četnosti znaků, ale sleduje se pravděpodobnost četnosti výskytu kombinací prvních tří hlásek v německém nebo anglickém textu. Výsledné rozložení četnosti je přesnější, než u jednoduchého Huffmanova rozložení. Markovova komprese je omezena na 16 nejčastěji se vyskytujících hlásek, ostatní hlásky přebírají rozložení podle Huffmana.

Každý blok je před odesláním analyzován. Je hledáno, která komprese je pro přenos daného bloku účinnější - zda bude kódován první, druhou, či žádnou metodou. V Huffmanově módu mohou být přeneseny pouze ASCII symboly (0 až 127).

Další vlastnosti PT-II:

  • je možný jednoduchý půl-duplexní provoz (je možné přerušení a převzetí vysílání přijímací stranou),
  • je možné uskutečnit spojení nad 10.000 km, u nichž se silně uplatňuje vliv fázového zpoždění v důsledku šíření mnoha odrazy (a různě dlouhými cestami). Spojení na vzdálenosti přes 10.000km se zabezpečují režimem zdvojené doby potvrzování bloku,
  • samočinné přepínání mezi Paktorem I. a Paktorem II. při navazování spojení,
  • postranní pásma kanálu PT-II jsou porovnána se spektrem kmitočtově klíčovaného signálu na obr.11.

PT-II

Obr.12 - Spektrum PT-II v porovnání se spektrem FSK.

Díky zmíněné technické koncepci jsou možné při použití Paktoru II. pouze dva stavy: informace je buď přenesena bezchybně, nebo není přenesena vůbec. Literatura [3] uvádí, že při poklesu úrovně signálu -10dB pod úroveň šumu je ještě docilováno přenosové rychlosti 10 bit/s, což je víc, než může za stejných podmínek zajistit jakýkoliv jiný přenos popsaný v tomto článku.

Paktor II. je v současné době považován za nejmodernější a nejúčinnější druh digitálního přenosu, jaký je používaný radioamatéry na KV. Je zvláště vyzdvihována jeho robustnost a operativnost. Přenosová rychlost Paktoru II. je pro běžná spojení nadbytečná, je však velmi užitečná při přenosu dat a souborů.

G-TOR

Tento digitální přenosový systém byl počátkem devadesátých let uveden na trh firmou Kantronics. Byl inspirován systémem HF Automatic Link Establishment, s jehož strukturou je kompatibilní.

Klíčové vlastnosti G-Toru:

  • používá standardní dvojici tónů modulace FSK,
  • přenosová rychlost (300, 200 a 100bit/s) se přizpůsobuje provozním podmínkám,
  • doba trvání jednoho přenosového cyklu je 2,4 s,
  • paket obsahuje minimální doplňkové informace,
  • jsou použity dva druhy Huffmanovy komprese,
  • je použito Golayovo samoopravné kódování,
  • k omezení působení shluku impulsních poruch je použit "interleaving" plného rámce,
  • je použita detekce chyb pomocí CRC s hybridním ARQ.

Protokol G-Toru

Navazování spojení a potvrzení paketu se uskutečňuje rychlostí 100 bit/s. FSK modulace byla zvolena z důvodu maximální kompatibility s existujícími zařízeními. Logická 1 je přenášena tónem 1600 Hz, logická 0 kmitočtem 1800 Hz. Každý vyslaný blok obsahuje synchronní rámec s ARQ o délce 1,92 s a interval 0,48 s pro potvrzení a jako reserva na časové zpoždění signálů (viz obr.11).

Data (69 / 45 / 21 Bit/s podle rychlosti přenosu) Status CRC ACK Data ...
_________________1,92 s______________________ 0,16  
  __0,48s_  

Obr.13 - Struktura rámce paketu G-Toru

Datová komprese

Pomocí datové komprese je odstraňována informační nadbytečnost textu. Jsou použity dva druhy Huffmanova kódování (Huffman A: s velkými a malými písmeny, Huffman B: s malými písmeny) a délkové kódování, které se zařazuje tehdy, je-li opakován osmibitový znak více než 2x. Každý rámec je před odesláním analyzován a je hledána jeho optimální komprese.

Golayovo kódování

Rozšířené samoopravné Golayovo kódování (24,12) umožňuje, aby byly opraveny 3 náhodné chyby ve třech přijatých bytech. Tento kód je konstruován tak, že 12 datových bitů je přeloženo do dalších dvanácti paritních bitů. Odeslány jsou střídavě datové bity-paritní bity-datové bity-... . Použitý algoritmus kódování je zvláště vhodný pro synchronní přenos krátkých cyklů: k rekonstrukci původních dat je možné použít pouze paritní bity. Bloková struktura Golayova kódu je lineární, použitý algoritmus kódování a dekódování je jednoduchý. Všechny samoopravné kódy jsou účinné u náhodně porušených bitů. Méně vhodné jsou u shluku poruch.

Interleaving

Blok připravený k odeslání je upraven tak, aby se omezilo působení shluku poruch na přenášená data. 12-bitová data jsou ukládána po sloupcích do posuvných registrů, z nichž jsou po 48-bitových řádcích přečtena a odeslána (obr.12). Shluk poruch, který poškodí řadu po sobě jdoucích bitů by bez tohoto opatření vyvolal opakování bloku; pomocí interleavingu se po zpětné inverzi poškozené bity časově rozloží do jednotlivých znaků. Jejich původní tvar se použitým Golayovým kódováním snadno rekonstruuje.

Interleaving

Obr.14 - Transformace sloupců matice dat za řádky ("interleaving") z [lit.5]

Hybridní ARQ

G-Tor kombinuje detekci chyb a rekonstrukci dat s ARQ. K detekci chyb se používá stejný postup, jako v protokolu AX.25, použitém v Packet Radiu (zabezpečení informačního bloku cyklickým kódem CRC). Rekonstrukce dat je relativně pomalý proces, proto se odstartuje teprve tehdy, detekuje-li CRC chybu. Jak bylo zmíněno, odesílají se střídavě datové a paritní rámce. Je-li v přijatém rámci chyba, vyžádá se oprava; k opravě je vyslána komplementární část rámce. Je-li přijata bezchybně, jsou data převzata a je vyžádán další rámec. Je-li detekována chyba, jsou oba rámce použity k rekonstrukci dat. Tento princip umožňuje, že dva vyslané rámce poskytují tři možnosti, jak opravit chyby.

Podrobný popis struktury rámce G-Tor je v [lit. 4].

G-TOR je systémem, který má lepší přenosové vlastnosti, než Pactor I. Literatura [5] uvádí, že v situacích, kdy se přenosová rychlost PT-I snížila na 100 bit/s, přenášel G-TOR stále ještě rychlostí 300 bit/s. Doba přenosu testovacích souborů kolísala u PT-I mezi 12 a 27 minutami, u G-Toru mezi 5,5 až 7,5 minutami. Bohužel nejsou k dispozici výsledky porovnání mezi PT-II a G-Torem.

Clover-II

Souběžně s vývojem Pactoru probíhal v USA vývoj unikátního systému, který postrádal jakoukoliv návaznost na předchozí digitální přenosy. Tento systém, uvedený vroce 1992, je charakterizován:

  • signál je vytvářen postupným přepínáním čtyř kmitočtů,
  • kombinovanou pulsně-amplitudovou modulací s diferenciální modulací mezi pulsy,
  • časovými sekvencemi pulsů s velmi úzkým spektrem (při potlačení 50 dB je šířka pásma 500 Hz (obr.13). Šířka spektra je stejná pro všechny přenosové rychlosti,
  • nízkou znakovou rychlostí, velmi odolnou vůči poruchám způsobeným šířením více cestami. Počet cyklů, v nichž jsou opakovány 4 kmitočty, je 31,25 c/s,
  • druhy modulace. Clover-II používá

    NázevPopisPřenosová rychlost bloku
    16P4A 16 PSK, 4-ASK 750 bit/s
    16PSK 16 PSK 500 bit/s
    8P2A 8 PSK, 2-ASK 500 bit/s
    8PSK 8-PSK 375 bit/s
    QPSK 4 PSK 250 bit/s
    BPSK Binární PSK 125 bit/s
    2DPSK 2-kanál. diversitní BPSK 62.5 bit/s
    2DFSK 2-kanál. diversitní FSK 62.5 bit/s
    2DFSK 2-kanál. diversitní FSK 31.25 bit/s

    Clover-II používá Reed-Salamonovu metodu FEC, umožňující opravu chyb bez opakování. Tento způsob oprav není použit v jiných KV digitálních přenosech. Počet přenesených znaků v závislosti na velikosti bloku a účinnosti Reed-Salamonova dekodéru:

    Velikost bloku60%75% 90% 100%
    17 8 10 12 14
    51 28 36 42 48
    85 48 60 74 82
    255 150 188 226 252

    Systém ARQ: v tomto módu je použita tříkroková strategie oprav chyb:

  • Pomocí adaptivního ARQ módu jsou měřeny parametry přenosového kanálu a způsob modulace je nastaven tak, aby byl zajištěn přenos s minimálním počtem chyb.
  • K opravě omezeného počtu bytů ve vyslaném bloku je použito Reed-Salamonovo kódování (viz předchozí tabulku).
  • Teprve ty bloky, jejichž chyby nebyly opraveny předchozími metodami, jsou opakovány.

Se sedmi různými modulačními formáty, čtyřmi různými délkami bloků a čtyřmi kategoriemi účinnosti Reed-Salamonova kódování existuje 112 kombinací přenosových módů systému Clover-II. Dosažená přenosová rychlost se pohybuje v širokém intervalu od 18,75 až do 750 bit/s podle kombinace přenosových módů.

CLOVER - průběh

Obr.15 - Časový průběh posloupnosti signálů Clover-II

CLOVER - signál

Obr.16 - Struktura signálu Clover-II

Clover-II je originálně pojatý způsob digitálního přenosu bez respektování kontinuity s předchozím vývojem. Je velmi náročný na stabilitu oscilátorů přijímačů a vysílačů, jejichž kmitočet je třeba nastavit s přesností 10 Hz. Obsazené spektrum je velmi úsporné. Dosažené přenosové rychlosti se v nejrychlejší kombinaci blíží Pactoru-II, avšak nedosahuje jeho provozní robustnost. V literatuře se uvádí, že lze realisticky počítat s přenosovou rychlostí mezi 200a 300 Bit/s, ve vynikajících podmínkách mezi 500a 600 Bit/s. Autorovi článku není známo, do jaké míry se tento způsob provozu ujal.

Literatura:

[1] Gentsch, Roland: Digitale uebertragungsverfahren im Amateurfunk, Funkamateur/Bibliothek, Band I, Berlin, 1994;

[2] Frejlach, Karel: Digitální radioamatérský provoz, České Budějovice, 1998;

[3] PTC-II The New Dimension in Data Technology, Manual for Version 2.3, SCS Gmbh, Hanau, Germany, 1997

[4] The ARRL Handbook for Radio Amateurs, CD/ROM, Version 1.0, 1996

[5] Prescott, Glen et al.: A Hibrid ARQ Protocol for Narrow Bandwidth HF Data Communication, QEX, May 1994

[6] Henry, Bill; Petit, Ray: Digital Communicatin for HF Radio-AMTOR & CLOVER, Amateur Radio Digital Communication Seminar, St. Luis, Missouri, October 26, 1991

Text (bez redakční úpravy) a obrázky převzaty z časopisu RADIO č.11-12/98 vydavatele FCC PUBLIC s.r.o. s laskavým svolením redakce.

© OK1PD, 1998