13. Обзор JT65
JT65 является цифровым протоколом, предназначенным для любительской радиосвязи с использованием очень слабых сигналов. Он основывается на модуляции MFSK и был разработан для повышения эффективности радиосвязи «Earth-Mon-Earth» (ЕМЕ) в УКВ диапазонах и соответствует установленным стандартам и процедурам для таких QSO. Ширина полосы сигнала JT65A лежит в интервале от 178 до 710 Гц. Протокол включает в себя метод коррекции ошибок (FEC - Forward Error Correction), что делает его устойчивым и работоспособным даже при сигналах настолько слабых, что их невозможно услышать. Это позволяет раскодировать сигналы, уровень которых значительно ниже уровня шума.
Любительская радиосвязь с использованием естественного спутника Земли в качестве пассивного ретранслятора - увлекательное хобби, позволяющее проводить связи (QSO) со всеми континентами и максимально возможным количеством стран по списку DXCC.
Частотный план для работы через Луну, можно посмотреть здесь http://forum.yaesu.ru/index.php?topic=6760.0 (http://forum.yaesu.ru/index.php?topic=6760.0)
Протокол JT65 включает возможность коррекции ошибок, что делает его устойчивым и работоспособным при приёме таких слабых сигналов, которые невозможно услышать. Вид сигнала JT65 на «водопаде» показан на рисунке ниже. Послушать, как реально этот сигнал звучит в эфире, можно здесь www.yaesu.ru/files/JT65A.mp3 (https://www.yaesu.ru/files/JT65A.mp3)
(http://s020.radikal.ru/i700/1604/7e/95b01c9dd70f.png) (http://radikal.ru/big/f38e1800722a4dd09a6000c1e296c5cb)
До недавнего времени наиболее помехоустойчивой была радиосвязь с помощью азбуки Морзе (CW). Принцип ключевания несущей был тривиальным при минимально узкой полосе сигнала. Но в тех случаях, когда при приёме слабых MS и ЕМЕ сигналов на счету каждый дБ соотношения сигнал/шум, ни кодирование, ни модуляция CW уже не являются оптимальными. С появлением персональных компьютеров, оборудованными современными звуковыми картами, появилась возможность создавать программы, позволяющие проводить радиосвязи, с уровнем полезного сигнала ниже уровня шума. Одной из таких программ, наиболее популярной на сегодняшний день, является программа, написанная американским физиком, лауреатом Нобелевской премии и радиолюбителем Joe Taylor (K1JT). Первая работающая версия программы была протестирована в ноябре 2003 года и получила название WSJT («Weak Signal communication by K1JT»). Скачать её можно отсюда: www.yaesu.ru/files/wsjt300.exe (https://www.yaesu.ru/files/wsjt300.exe) Она поддерживает четыре режима работы:
1. FSK441 (разработанный для радиосвязи очень короткими пакетами через следы от метеоров);
2. JT6M (оптимизирован под диапазон 6 м);
3. JT44 (идеально подходит для приёма чрезвычайно слабых, но медленно изменяющихся сигналов)
4. EME-эхо (режим для обнаружения эхо-сигнала от Луны).
Программа содержит встроенный EME-калькулятор для оценки уровня отраженного сигнала и модуль оценки уровня солнечного шума. Вид основного окна программы JT65-HF v.1.0.9.3 показан на рисунке ниже.
(http://i053.radikal.ru/1604/42/cd85ea8bbd73.png) (http://radikal.ru/big/b872c29c0c2c43c49d29c6613c0a1a49)
Для работы через Луну радиолюбители очень часто применяют направленные антенны. Например, на фотографии ниже представлена фазированная антенная решётка, выполненная из 65 антенн 15-ти элементных антенн диапазона 144 МГц, которую использует Александр (R7AB) из Краснодара.
(http://s009.radikal.ru/i308/1604/55/783be3960cb7.jpg) (http://radikal.ru/big/04f116292d1b4ebb920a69d99dd802ee)
Или можно попробовать использовать более простой вариант таких антенн, как это сделано у Владимира (UA3SDV) из Рязанской области.
(http://s015.radikal.ru/i330/1604/ce/6d5ab75cada4.png) (http://radikal.ru/big/7783302828fa48eea3b3784006f25251)
Протокол JT65 использует 65-тоновую FSK модуляцию с постоянной амплитудой колебаний и без фазовых скачков. Такой тип модуляции более эффективен, чем амплитудное ключевание, особенно с оптимизацией системы кодирования сигнала. Кроме того, он более устойчив к нестабильности частоты, чем ключевание изменением фазы.
Полученный радиосигнал проходит по ЕМЕ радиоканалу, затухая, не менее чем на 250 дБ и вносит шумы, а так же амплитудные, частотные и фазовые искажения исходного сигнала. Затем этот сигнал демодулируется и декодируется на приёмной стороне, и восстановленный сигнал поступает в виде сообщения к пользователю. Программа WSJT позволяет декодировать 92% сигналов при отношении сигнал/шум -27дБ и 58% при С/Ш= - 28 дБ.
Подобное исходное кодирование и упреждающая коррекция ошибок FEC (Forward Error Ratio) широко применяется NASA при передаче фотоснимков из дальнего космоса. При связи с космическими аппаратами в дальнем космосе каждый лишний дБ чувствительности позволяет сэкономить большое количество денежных средств, которые пришлось бы потратить на увеличение размеров антенн и излучаемой мощности.
Для работы через Луну, передаётся и, соответственно принимается, весьма ограниченный объём информации: позывной и квадрат (место положения радиостанции). Протокол JT65 кодирует любое сообщение с помощью 71 бита. А 72-й бит показывает наличие произвольного сообщения. При 43-х символьном алфавите максимальная длина текстового сообщения составляет всего 13 символов.
После сжатия в 72 бита формат сообщения JT65 дополняется 306-ю однозначно определяемыми битами для коррекции ошибок. Коэффициент кодирования (FEC) программы равен 0,19. Следовательно, каждое сообщение передаётся с коэффициентом избыточности 5,25. Высокий уровень избыточности приводит к тому, что эффективность и чувствительность канала связи выше, чем у аналогичных систем, применяющих более простой принцип пятикратного повторения. Несмотря на большие замирания (QSB) в канале связи, все сообщения декодируются всего за 10-15 секунд.
Существует много математических способов коррекции ошибок. Среди наиболее распространённых – коды Рида-Соломона, используемые в современных CD-ROM дисководах и винчестерах. Для JT65 применяется код Рида-Соломона RS (63, 12), декодирующий 72-х битовое сообщение пользователя в 63 шестибитовых «канальных символов» для передачи. При таком кодировании, каждое новое слово отличается от предыдущего 52 раза. Поэтому, даже при очень плохом отношении сигнал/шум, перепутать друг с другом различные кодовые последовательности маловероятно. Сформированные «канальные символы» передаются с помощью мультитоновой FSK, где каждому отдельному символу соответствует свой отдельный тон.
После кодирования порядок символов JT65 построчно представляется в виде кодов Грея в матрицу 7х9 и затем считывается по их столбцам. Преобразованные таким образом символы из двоичных кодов в коды Грея делают работу программы более устойчивой к нестабильности частоты.
В JT65 применяются современные методы синхронизации времени и частоты между приёмником и передатчиком. Сформированный сигнал синхронизации позволяет наиболее точно определить расхождения по времени и частоте, для этого в сигнале, в промежутках между информационными битами вставлен «псевдослучайный вектор синхронизации». Кроме того, он позволяет усреднять даже слабые сигналы, не поддающиеся декодировке по отдельности. Синхронизирующая составляющая сигнала настолько важна, что на неё отводится почти половина времени каждой передачи.
Передача JT65 разделена на 126 интервалов времени, каждый из которых длительностью 0,372 секунды (4096 выборок при 11925 выборках в секунду). Каждый интервал сигнала имеет форму синусоиды с постоянной амплитудой на одной из 65-ти предварительно распределённых частот. Смена частоты между интервалами происходит без изменения фазы. Поскольку достоверная передача сообщений зависит от точной синхронизации, передача начинается по времени t=1 секунда после начала UTC минуты (UTC- время по Гринвичу) и завершается при t=47,8 секунд. Синхронизирующий тон имеет значение частоты 1270,5 Гц и выдаётся в каждом интервале, имеющим значение «1».
Закодированная информация передаётся в течение 673-х интервалов, не используемых при передаче синхроимпульса. Каждый «канальный символ» генерирует тон на частоте 1270,5+2,6917(N+2)m Гц, где N- символ (целое число), 0≤N≤63, a m принимает значения 1,2 или 4 для подрежимов А, В и С модуляции JT65.
Короткие сообщения не содержат «синхронизирующего вектора» и используют интервалы времени по 1,486 секунд (16384 выборки) для чередующихся тонов. Нижняя частота тона всегда 1270,5 Гц, та же, что и для синхронизирующего тона. Промежуток между тонами составляет 26,917nm Гц, где n=3, 3, 4 (для коротких сообщений). К тому времени, когда требуется отправить эти сообщения при проведении связей, разница частот приёмника и передатчика уже будет измерена с высокой точностью, поэтому передача таких сообщений может быть начата в любое время в течение периода работы на передачу.
Протокол JT65 не передаёт последовательные сообщения буквы за буквой. Вместо этого всё сообщение преобразуется в уникальную строчку из 72 бит, а затем в последовательность из 63-х 6-ти битовых символов. Несмотря на то, что во время передачи по радиоканалу часть символов искажаются шумами или просто теряются, если, в вероятностном смысле, достаточное количество символов принято верно, то всё 72 битное сжатое сообщение восстанавливается с высокой достоверностью. Схемы кодирования, декодирования и FEC гарантируют, что сообщения, что сообщения никогда не декодируются в виде фрагментов и компоненты сообщений не будут перепутаны с другими компонентами.
В JT65 принятый звуковой сигнал оцифровывается с номинальной скоростью 11025 выборок в секунду в полосе от 0 до 3 кГц. Затем он проходит через ФНЧ и частота выборки понижается в два раза. С помощью дискретного преобразования Фурье сдвигаемых блоков по 2048 выборок вычисляется спектр мощности и выполняется проверка на наличие шаблона псевдослучайной синхронизирующей последовательности. Определение и выделение синхронизирующей структуры определяет необходимые величины отклонений частоты и времени, которые могут включать как сдвиг Доплера и задержку распространения сигнала на трассе ЕМЕ, так и ошибки установки частоты и времени. Точность синхронизации составляет 1,5 Гц по частоте и 0,03 секунды по времени. Как только будет получена синхронизация, программа заново определит частоту синхроимпульса в разных группах тональных интервалов и по результатам измерений подберёт сглаживающую кривую, обеспечивая, таким образом, отслеживание и компенсацию дрейфа частоты. Поэтому, когерентное отслеживание фазы между импульсами не требуется.
Помимо поиска синхронизирующего тона, модулированного известной псевдослучайной последовательностью, программа WSJT ищет чередующиеся тона, осуществляющую модуляцию коротких сообщений JT65. Частоты измеряются и сравниваются с частотой синхронизирующего тона предыдущей передачи, затем проверяется, что модуляция соответствует оговоренному меандру. Если модуляция и частоты подходят, а уровень сигнала превышает заданный порог, осуществляется приём короткого сообщения. Ввиду жёстких ограничений допусков на значения частот и распределения интервалов времени, порог детектирования по амплитуде входного сигнала имеет очень низкий уровень, обеспечивая оптимальную чувствительность при незначительном коэффициенте ошибок (ложных детектирований).
Имея информацию о точной синхронизации, программа вычисляет 64-х точечный спектр для каждого из 63-х «канальных символов». Эти спектры имеют разрешение 2,7m Гц (например, 5,4 Гц для подрежима JT65А, в котором m=2) и для очень слабых сигналов они имеют такой же вид, как и спектр шума. Большинство отдельных тонов, передающих данные, не выделяются из общего шума. Тем не менее, при усреднении в каждом интервале, одна точка будет иметь увеличенную по сравнению с остальными точками амплитуду. Используя известные свойства Гауссова шума, программа WSJT вычисляет вероятность того, что был передан символ с одним из возможных значений. Это вероятностная информация, основанная на вычисленных спектрах синхронизированных символов, и есть достоверная принятая информация. После удаления кодов Грея и перестановки символов эти цифровые последовательности обрабатываются декодером Рида-Соломона.
Для кодов Рида-Соломона существуют различные по сложности математические алгоритмы, позволяющие выделить полезный сигнал с уникальной 72-битовой последовательностью из спектра, состоящего из 63-х канальных символов. В принципе, можно закодировать все 2 в степени 72 последовательности возможных сообщений от пользователя и выбрать из них достоверный код. Имея в наличии 3-гигагерцовый компьютер с неограниченным объёмом памяти, такая операция займёт 200 миллионов лет. Применяемый в программе алгоритм основан на исследованиях Ralf Koetter и Alexander Vardy. В программе используется лицензионный код фирмы Code Vector Technologies. Это K-V декодер, на пороговом уровне сигнал/шум с -23 до -25 дБ показывает резкий переход с «почти всё декодировано» в «почти всё не декодировано». Учитывая аддитивные Гауссовы шумы и, возможно, фединги, но без помех от других сигналов, ложное декодирование практически не возможно.
В тех случаях, когда при обработке возможных 2 в степени 72 комбинаций сообщений от пользователя алгоритм K-V декодера не дал ни каких результатов, в программе WSJT заложен метод «глубокого поиска». «Глубокий поиск» начинается со списка всех правдоподобных позывных и локаторов (квадратов), которые находятся в памяти программы, которая содержит позывные около 500 станций, активно работающих на УКВ со всего мира. В декодере WSJT каждый элемент этого списка комбинируется с «общим вызовом» и с позывным пользователя программы. Таким образом, составляются проверяемые гипотетические сообщения. Эта база данных определяется набором фильтров совпадений. При желании, можно самим редактировать эти файлы программы, добавляя новые или удаляя старые позывные по своему усмотрению.
Для устойчивой работы этой программы необходимо установить дополнительную программу синхронизации времени. Например, Dimension 5.3. Ссылка на неё находится здесь: www.yaesu.ru/files/d4time53.msi (https://www.yaesu.ru/files/d4time53.msi) Программа Dimension синхронизирует время с точностью до тысячных долей секунды. При этом не будет проблем со временем автоматического перехода на прием-передачу, а также с восстановлением даже самого слабого уровня сигнала корреспондента (при условии, что правильно откалибрована звуковая карта компьютера).
Несмотря на то, что подавляющее большинство радиолюбителей при проведении ЕМЕ радиосвязей пользуются этой программы, JT65 имеет некоторые недостатки.
1. Обработка принятых звуковых файлов производится не по мере их получения, а в «пакетном режиме», по окончании приёмного периода времени. Это не позволяет отображать спектр сигнала в режиме реального времени. Задержка составляет от 20 до 30 секунд.
2. Некоторые звуковые карты компьютеров выдают до 0,6 % ошибок при заданных скоростях выборок
3. Желательно улучшить алгоритм отслеживания Доплеровского смещения частоты, особенно, для диапазонов 432 и 1296 МГц
4. Желательно улучшить алгоритм обнаружения и подавления помех
5. Желательно улучшить точность управления интервалами времени приёма/передачи
6. Желательно уменьшить время декодирования
На сегодняшний день доступна уже новая, улучшенная версия этой программы (WSJT-X), в которой учтены выше приведённые недостатки.
Подробную инструкцию на русском языке, которую написал Сергей (RZ1OM) для работы с ней, можно скачать отсюда: http://forum.yaesu.ru/index.php?topic=8013.0 (http://forum.yaesu.ru/index.php?topic=8013.0)
Существуют и другие, в том числе и отечественные программы, поддерживающие протокол JT65. Наиболее удачный вариант такой программы была написан российским программистом Дмитрием Кузьминым. WEB-страница этой программы располагается по адресу: http://www.radiokrot.qrz.ru (http://www.radiokrot.qrz.ru)
Следует отметить, что JT65 активно применяется радиолюбителями не только в УКВ, но и в КВ диапазонах, и имеет три подрежима: JT65A, JT65B и JT65C.
В настоящее время JT65A применяется для работы в ДВ, КВ диапазонах и в диапазоне 50 МГц, JT65B (JT65B2) – для работы в УКВ диапазонах 144 и 430 МГц, а JT65C (JT65C2) – для работы в УКВ диапазоне 1296 МГц.
Частотный план можно посмотреть здесь http://forum.yaesu.ru/index.php?topic=6810.0 (http://forum.yaesu.ru/index.php?topic=6810.0)