Автор Тема: 4. PSK-31  (Прочитано 854 раз)

Оффлайн Alexey support

  • Супервизор
  • Любитель
  • *****
  • Сообщений: 152
  • Голоса 0
4. PSK-31
« : Март 24, 2016, 01:46:17 pm »
4. Обзор PSK-31

1.Предпосылки появления PSK

   Методы исправления ошибок, ранее применяемые в модемах для передачи данных по радиоканалу, имели ряд недостатков.
•   Во-первых, система коррекции ошибок вносит временную задержку в канал связи. В случае работы на AMTOR или PACTOR задержка может составлять от 450 миллисекунд до нескольких секунд (при условии, что не будет ошибок при передаче). Применение методов исходного кодирования и упреждающей коррекции ошибок FEC (Forward Error Ratio) так же приводит к задержке, которая удваивается при проведении двусторонней связи и передаваемая информация будет «размазана» во времени.
•   Во-вторых, достоверность передаваемой информации меняется в зависимости от качества канала связи. В таких аналоговых видах связи, как например, CW или SSB, этот закон имеет линейный характер. Операторы знают об этом и подсознательно постоянно учитывают при проведении связи: при худших условиях связи, меняется скорость произнесения слов и интонации голоса. Даже тема беседы может меняться в зависимости от условий прохождения в эфире. При проведении цифровой связи зависимость между количеством ошибок на экране и отношением сигнал/шум не такая гладкая. Современные режимы с коррекцией ошибок особенно чувствительны к соотношению сигнал/шум - пока это соотношение достаточно велико передача практически лишена ошибок и совершенно прекращается, как только соотношение сигнал/шум падает ниже некоторого порогового значения. Эта особенность традиционных цифровых видов связи очень сильно мешает проведению радиосвязи в неблагоприятных условиях.
•   В-третьих, при использовании режимов с коррекцией ошибок возможна связь только с одним корреспондентом в каждый момент времени. 
   Следовательно, для устойчивой радиосвязи необходимо создать систему передачи данных, не основанной на методах коррекции ошибок и с минимальной задержкой, не превышающей 150 миллисекунд, как это было реализовано в RTTY.
•   Во-первых, в радиотелетайпе нет необходимости передавать текст быстрее, чем его может набрать на клавиатуре оператор.
•   Во-вторых, сейчас все современные трансиверы гораздо стабильнее, чем трансиверы 60-х годов и можно использовать гораздо более узкую полосу частот.
•   В-третьих, цифровые процессоры обладают гораздо большей производительностью, чем механика традиционных телетайпных аппаратов. Терпимая к дрейфу частоты частотная манипуляция и пятибитовая кодировка со стартовым и стоповым битами являются следствием ограниченности технологии, существовавшей ещё в прошлом веке.


2.BPSK

   В конце ХХ века Piter Martinez (G3PLX) применил метод, позволяющий значительно улучшить традиционную старт-стоповую кодировку (не вводя задержек, связанных с дополнительными процессами коррекции ошибок и синхронизации), который был основан на традиционной кодировке - коде Морзе. Код Морзе весьма эффективен в смысле средней длительности символа, так как в нем для наиболее часто встречающихся символов используются самые короткие кодировки. Вдобавок код Морзе можно назвать самосинхронизирующимся: не надо применять дополнительных мер, что бы узнать, где кончается один символ и начинается другой. Это значит, что код Морзе не страдает от «эффекта каскадирования ошибок», который возникает, когда стартовый или стоповый биты искажаются во время приема и кодировка, используемая для обозначения интервала между символами, не может встретиться внутри символа ни при каких условиях.
  Вычисляя частоту повторения отдельных букв в текстах на английском языке, Питер определил частоту повторения отдельных букв и на основании этого создал свой Варикодный алфавит. Кодировка, которую предложил Питер, явилась логическим развитием кода Морзе. Но, если в коде Морзе длительность тире превышает длительность точки в три раза (используются элементы, имеющие длину 1 или 3 бита), то в предлагаемой кодировке длина может быть произвольной. Промежуток между символами можно уменьшить до двух бит. Если условиться, что нажатию ключа соответствует бит «1», а отпусканию - бит «0», то самый короткий код, это просто бит «1». Следующий – «11», затем «101», «1011», «1101», «1111», но не «1001», так как два нуля подряд означают промежуток между символами. При этом, полный набор кодировок для 128 символов ASCII укладывается в кодировки длиной до 10 бит. Для англоязычных текстов средняя длина символа (учитывая промежуток между буквами «00») составляет 6,5 бит на один символ. Анализируя случайно возникающие при приеме ошибки и подсчитывая число «поврежденных» символов Питер убедился, что Варикод на 50% лучше, чем старт-стоповая кодировка, что лишний раз подтвердило преимущество метода самосинхронизации.


Варикодный алфавит

 

   Но в национальных алфавитах других стран гораздо больше символов, чем в стандартном наборе из 128 символов ASCII, который используется в Интернете. Поэтому, в последствии был написан расширенный алфавит, совместимый с набором ANSI-символов, применяемых в среде WINDOWS. В Варикод были добавлены ещё 128 символов с сохранением совместимости со старыми программами в части, касающейся первых 128 символов.
   Коды передаются, начиная с левого бита. При передаче нуля фаза поворачивается на 180 градусов, а при передаче единицы фаза не меняется. Между символами вставляется минимум два нуля. В некоторых реализациях коды ниже 32 могут не обрабатываться.
   Наиболее коротким кодом в азбуке Морзе является код буквы «E», а в врикодном алфавите наиболее короткий код отдан пробелу. Если передавать нечего, то передается сплошная цепочка нулей. На рис. 1 приведено сравнение одного и того же слова в ASCII, RTTY, Морзе и Варикоде.



Рис.1

   Так как для передачи Варикода с разумной скоростью около 50 слов в минуту необходимо обеспечить скорость потока битов около 32 бит/сек, то была выбрана скорость 31,25 бит/сек, которую можно было легко получить из стандартной скорости семплирования звуковых карт, равной 8000 замеров в секунду. В настоящее время в полосе 31,25 Гц, занимаемую цифровым сигналом PSK (Phase Shift Keying) может работать абсолютное большинство современных КВ трансиверов, имеющие в своей схеме синтезаторы, которые обеспечивают приемлемую стабильность опорной частоты.
   Модуляция фазы излучаемого сигнала выполняется методом изменения его фазы на противоположную. Этот способ ключевания эквивалентен переключению проводов фидера антенны. Эффективность передачи при этом возрастает, так как просто идёт сравнение положительного сигнала перед изменением фазы с отрицательным сигналом после изменения фазы, а не наличие сигнала (во время «точки») с его отсутствием (во время «паузы»). Но если переключать фазу с такой скоростью (31,25 раз в секунду), то будут генерироваться мощные щелчки, которые придется отфильтровывать.
   Для этих целей сигнал передатчика, излучающего непрерывную серию точек кода Морзе, пропускают через фильтр, имеющий минимальную необходимую полосу частот. При этом получится амплитудно-модулированный сигнал с глубиной модуляции 100%. Огибающая этого сигнала будет иметь вид синусоиды, а период этой синусоиды будет равен периоду следования точек. Спектр такого сигнала состоит из центральной несущей и двух боковых полос, амплитуда которых будет на 6 дБ меньше. В отфильтрованном таким образом сигнале будет наблюдаться изменение его фазы с периодом 180 градусов, а амплитуда будет постоянной и состоять из тех же боковых полос, но без центральной несущей. Это значит, что переход от классической морзянки к фазовой модуляции с поворотом фазы на 180 градусов дает тот же выигрыш, что и переход от АМ-модуляции к DSB-модуляции. Такой вид модуляции принято называть «двоичная манипуляция сдвигом фазы» (Binary Phase-Shift Keying - BPSK). На рисунке Рис. 2 показана огибающая сигнала BPSK и детально показан поворот фазы на 180 градусов.



Рис.2

   На Рис.3 показан спектр сигнала PSK31. Красным цветом выделена последовательность единиц (несущая), зелёным - последовательность нулей (постоянные повороты фазы), красным – излучаемый поток информации.


Рис.3 Спектр сигнала PSK31

   На Рис.4 показано сравнение спектра PSK31 со спектром стандартного сигнала FSK. Красным цветом выделен спектр сигнала PSK31, а синим цветом – стандартный спектр сигнала FSK (AMTOR/PACTOR) со сдвигом 200 Гц и скоростью 100 бод.


Рис.4 Спектры сигналов PSK31 и FSK
 
   Чтобы сформировать простейший сигнал BPSK можно преобразовать поток данных в уровни +/- 1 Вольт, пропустить через фильтр нижних частот и подать на балансный модулятор, на другой вход которого подать несущую частоту. Если посылать сигнал, постоянно меняющий фазу на 180 градусов, то это будет выглядеть как поступающая на балансный модулятор синусоида с размахом 1 Вольт. На выходе модулятора получается чистый двухтональный сигнал. Для формирования сигнала в этом режиме можно использовать любой современный SSB-трансивер http://www.yaesu.ru/tovar_pioneer_KV.php
   При демодуляции DSB-сигнала сигнал задерживается на длительность одного бита и сравнивается с незадержанным сигналом на фазовом компараторе. Выход компаратора отрицателен, когда фазы сравниваемых сигналов отличаются на 180 градусов, и положителен, когда фазы совпадают.
   Для устойчивого приёма необходимо синхронизировать приемник и передатчик. Так как сигнал BPSK имеет амплитудно-модулированную компоненту, модуляция сигнала изменяется в зависимости от передаваемой информации и в ней всегда есть чистый тон, соответствующий скорости передачи битов. Его всегда можно выделить с помощью узкополосного фильтра, цепочки ФАПЧ или их DSP-эквивалента, и подать на демодулятор для управления замерами значений выходного сигнала демодулятора.Типовая блок-схема модулятора/демодулятора BPSK приведена на Рис. 5.



Рис.5 Блок-схема модулятора/демодулятора BPSK

   Для устойчивой работы схемы синхронизации не должно быть слишком длинных промежутков между поворотами фазы на 180 градусов. Но так как несущая не имеет модуляции, не возможно предугадать, когда произойдет поворот фазы. С этой задачей легко справляется Варикод при условии, что нулю будет соответствовать поворот фазы на 180 градусов, а единице - стабильная несущая. В этом случае во время отсутствия передаваемой информации идет поток сплошных нулей, а значит - постоянных поворотов фазы с частотой 31,25 Гц. Во время передачи информации все равно периодически будет происходить поворот фазы, так как между символами должно быть два нуля подряд. Среднее количество поворотов фазы составит 2 на каждые 6,5 бит, в худшем случае перерыв между поворотами составит 10 бит. Если обеспечить выполнение условия, что передача всегда начинается с посылки непрерывного ряда нулей (отсутствие информации), то синхронизация будет происходить очень быстро. Если же еще заставить трансивер в конце передачи достаточно долго посылать в эфир не модулированную несущую, то можно будет автоматически включать декодирование на принимающей стороне по достаточно длинной последовательности непрерывных поворотов фазы, а выключать по достаточно долгому их отсутствию. Это позволит убрать с экрана монитора ложные символы («мусор»), возникающий в промежутках между передачами из-за шумов эфира.

3.QPSK

   Сигнал QPSK представляет собой сигнал, модулированный по амплитуде с частотой, равной скорости потока битов, фаза которого может принимать значение 0, 90, 180 или 270 градусов. Такой способ модуляции называется квадратурной манипуляцией обращением полярности или четырехуровневой манипуляцией сдвигом фазы или QPSK (Quaternary Phase-Shift Keying). Увеличить пропускную способность канала BPSK, не увеличивая занимаемую им полосу, можно добавив на передающей стороне вторую несущую BPSK, сдвинутую по фазе на 90 градусов, а на приемной - второй демодулятор, как это реализовано для передачи двух цветоразностных сигналов в телевизионных системах PAL или NTSC. Это приводит к уменьшению соотношения сигнал/шум на 3 дБ, так как мощность передатчика разделяется между двумя каналами по аналогии с удвоением полосы занимаемых частот.
    Для коррекции ошибок возникающих, например, в случае импульсных помех,  используется декодер Витерби, представляющий собой группу из 32 кодировщиков, работа которого основана на накопительном принципе, с использованием конволюционных кодов. При этом удваиваются потоки битов данных, что наиболее удобно для их применения в QPSK.
   Каждый из кодировщиков делает свое, отличное от других, предположение о том, какими могут быть последние 5 бит, а из 5 бит можно составить 32 комбинации. На каждом шаге кодировщиками предсказывается значение сдвига фазы. Реальное значение сдвига фазы сравнивается с каждым из предсказанных. По результатам сравнения каждому кодировщику выставляется оценка по 10-балльной шкале. 16 «худших»  кодировщиков выбывают, а 16 «лучших»  остаются вместе со своей оценкой. Каждый оставшийся кодировщик формируется в два новых, один из которых предполагает, что следующий бит равен «0», а другой – «1». Оба предсказывают свой сдвиг фазы. Результат сравнивается с новым принятым сдвигом фазы. Всем выставляется оценка (из 10 баллов) и опять «худшие» 16 выбывают, а «лучшие» 16 остаются и переходят на следующий уровень. И так далее ... В конце концов, остаются все кодировщики, сделавшие правильные предположения. Далее отслеживается последовательность предположенных битов каждого оставшегося кодировщика и переданный поток битов.
    Конволюционный кодировщик генерирует одно из четырех возможных значений сдвига фазы не на основе одного очередного бита, а на основании значений нескольких последовательных битов. Это эквивалентно тому, что каждый бит как бы «размыт» во времени и «перемешан» с несколькими предыдущими, а так же с последующими битами. Чем больше это «размытие», тем выше способность кодировки исключить влияние всплесков шума. Но слишком большое «размытие» приведет к большой задержке в передаче. Поэтому, величина задержки выбирается равной 5 битам.
  Точность работы декодера определяется его временем задержки и соответствует четырем временным интервалам «размазывания», т.е. задержка равна 20 бит. Полная задержка составляет, таким образом, 25 бит (800 мсек), а полная задержка при двухсторонней радиосвязи составляет 1,6 секунд.


Коволюционный код


   В левой колонке содержатся все 32 комбинации из пяти варикодных бит (левый излучается первым. В правой колонке приведен соответствующий фазовый сдвиг несущей. 0 означает отсутствие фазового сдвига, 1 - сдвиг на +90 градусов, 2 - сдвиг на 180 градусов (изменение полярности), 3 - сдвиг на минус 90 градусов. Постоянный сдвиг фазы на 90 градусов эквивалентен сдвигу частоты.
   Например, символ «пробел» - бит «1», перед которым (и после которого) передаются нулевые биты, соответствует последовательной обработке пяти групп 00000, 00001, 00010, 00100, 01000, 10000, 00000. Это означает, что будет передана следующая QPSK последовательность .., 2, 1, 3, 3, 0, 1, 2, …
    Непрерывная передача нулевых битов (режим передачи без передачи информации) приводит к непрерывном изменении фазы на 180 градусов, т.е. в этом случае сигнал эквивалентен BPSK.
     Этот вид цифровой связи доступен в диапазонах частот 1838, 3580, 7035, 10137-10140, 14070, 18100, 24920-24925, 28070-28120 кГц. При работе с PSK31, грубая настройка на частоту корреспондента выполняется ручкой настройки трансивера, а точная подстройка на принимаемый сигнал осуществляется с помощью изменения рабочей частоты звуковой карты компьютера. Для облегчения настройки на частоту корреспондента с точностью до нескольких Герц используется индикатор фазового сдвига. При передаче, так как огибающая сигнала (в отличие от сигнала FSK) модулирована по амплитуде, приходится следить за линейностью передающего тракта. Следует отметить, что на самом деле выполнить правильную настройку достаточно легко, так как излучение передатчика в отсутствие полезной информации представляет собой обычный двухтоновый сигнал. Наихудшие побочные продукты излучения обычно находятся в +/- 45 Гц от частоты настройки и не должны превышать уровня -36 дБ относительно несущей.
   По сравнению с BPSK, режим QPSK может давать заметное улучшение связи, но иногда его применение не дает никакого эффекта. При тестировании белым шумом QPSK оказывается даже хуже, чем BPSK. Но в реальных условиях при наличии замираний и помех, применение QPSK дает уменьшение количества ошибок до пяти раз. Но за все надо платить: появляется заметная задержка, ужесточаются в два раза требования по точности настройки (точность не хуже 4 Гц).
  Кроме того, для работы в режиме QPSK необходимо, чтобы обе стороны использовали одну и ту же боковую полосу, тогда как  для режима BPSK это не важно.
   Время не стоит на месте и в настоящее время на основе протокола PSK31 появились его новые модификации: PSK10, PSK 63, PSK 125, PSK250, PSK500, QPSK31, QPSK63, QPSK 125, QPSK250, QPSK500, PSK63F, PSK12F, PSK220F, PSKFEC31, PSKAM10, PSKAM31, PSKAM50, GMSK и т.д.

« Последнее редактирование: Апрель 13, 2016, 03:15:03 pm от Alexey support »