MFSK связь нового ТЫСЯЧЕЛЕТИЯ
Новый цифровой режим PSK31 совершил маленькую революцию в радиолюбительской связи, однако MFSK еще выше поднимает планку достижений цифровых методов. Как и в случае с PSK31, все, что требуется для работы — это компьютер, звуковая карта и соответствующая программа.
В последние два года любители цифровых видов связи получили доступ к режимам, дающим гораздо лучшие результаты на KB по сравнению с классическим RTTY. Вероятно, наиболее известным из "заменителей" RTTY является режим PSK31, показывающий очень хорошие результаты как при высоких, так и при низких мощностях передатчиков. В настоящее время для работы PSK31 предлагается очень много бесплатных и коммерческих программ. К сожалению, ни один из существующих цифровых режимов (включая PSK31) не способен преодолеть все проблемы, встречающиеся в процессе радиосвязи на КВ. Перечень таких проблем включает многолучевой (multi-path) прием, допплеровский флэттер (дрожание) и сильные грозовые и индустриальные помехи (обычные на диапазонах 160...40 м).
Наибольший прогресс в решении всех указанных проблем был достигнут с помощью цифровых методов обработки сигнала. Речь идет о новом режиме MFSK16. В нем используются методы 60-х годов и последние достижения техники DSP. MFSK16 не заменяет полностью PSK31, хотя и представляет собой жизнеспособную альтернативу в условиях, когда другие режимы уже не работают.
Первым многотональным режимом передачи данных был отнюдь не цифровой—это был режим "fuzzy" (неясный, нечеткий). Семитональный радиорежим LMT(подробнее об этом режиме можно прочитать на http://www.qsl.net/zllbpu/Fuzzy/LMT.html) датируется 1937-м годом. Он использовался для представления текста как изображения, что несколько похоже на Hell-телеграфию. Наиболее известными из цифровых MFSK-режимов (Multi-Tone Frequency-Shift Keyed) были Piccoloи Coquelet; их разработка датируется началом 60-х годов. MFSK—это настоящий режим "cynep-RTTY", и довольно трудно понять, почему он не был разработан (и использован) уже много лет назад. Техника MFSKбыла разработана во время расцвета телепринтерных КВ-коммуникаций как один из способов борьбы с проблемой многолучевого распространения. При использовании довольно простого оборудования он обеспечивает достаточно надежную связь. Например, Piccolo применялся на дипломатической линии связи между Англией и Сингапуром и обычно обеспечивал хороший прием еще в течение часа после того как линия RTTY-связи "разрушалась". И хотя в те времена технология передачи данных была электромеханической, некоторые из ключевых принципов получили общее признание и используются до сих пор: - параметры соединения улучшаются с увеличением числа используемых тонов;
- параметры соединения тем лучше, чем меньшее число символов используется для представления каждого из передаваемых элементов текста;
- в системах, использующих специальные интегрирующие детекторы, тоны должны располагаться настолько близко друг к другу, насколько это позволяют условия отсутствия перекрестных помех и их однозначное выделение при данной скорости в бодах.
Как Piccolo, так и Coquelet использовали по два символа на каждый знак текста; в то же время, в RTTY их 7,5, а в PSK31 — от 3 до 12. MFSK16 использует только один символ на каждый передаваемый элемент! Поскольку у MFSKкаждый символ в своих частотных свойствах переносит больше информации, чем у RTTY или PSK, бедовая скорость (скорость передачи символов) здесь только чуть меньше чем текстовая скорость. И хотя этот способ оказывается несколько запутанным, он имеет то преимущество, что "более длинные" символы легче детектируются при наличии шума, они имеют более узкую полосу и меньше подвержены ошибкам, обусловленным многолучевыми задержками распространения радиоволн.
Первоначальный вариант Piccolo использовал 32 тона, наиболее распространенный вариант обходился только шестью. Coquelet использовал, как правило, 12 тонов. Недавно был экспериментально испытан вариант режима MFSKс 64 тонами, хотя получивший распространение вариант — MFSK16 — использует только 16 тонов, а слабосигнальная версия (MFSK8) использует 32 тона.
Интегрирующий детектор, использованный в Piccolo, стал рубежным моментом в развитии техники детектирования FSK. Не вдаваясь в детали, скажем только, что для детектирования каждого тона используются узкополосные активные фильтры с очень большим усилением. При тщательном выборе бодовой скорости, частотного разноса между каналами отдельных тонов и параметров фильтров, при старте каждого символьного периода возможно детектирование без перекрестных искажений очень слабых тонов. АЧХ смежных каналов фактически не пересекаются, что помогает подавлять шум и предотвращает попадание в другие каналы энергии ионосферных влияний на данный тон.
С приходом эры спутниковых коммуникаций и высокоскоростных систем ALE (Automatic Link Establishment — автоматическая установка линии связи) более старые коммерческие MFSK-режимы связи почти вышли из употребления. Однако концепция и технология этих протоколов остаются все еще жизнеспособными и представляют большой интерес для радиолюбителей.
В процессе поиска путей упучшения надежности дальних QSO выяснялись причины трудностей получения устойчивой радиосвязи с помощью существующих режимов. Очевидно, что несмотря на свою относительно высокую скорость, метод фазовой манипуляции (PSK) не очень практичен. Случайные фазовые вариации, вносимые нестабильной ионосферой (особенно в полярных областях), обычно превосходят величину фазовой манипуляции сигналов. Частотная манипуляция (FSK) и CW также показывают не очень хорошие результаты, но в данном случае, главным образом, из-за того что в зависимости от пути прохождения радиоволн разброс времени прихода сигналов часто составляет около 50 мс; разница во времени прихода по длинному и короткому путям может, вероятно, составлять 30 мс. error интервал больше, чем длительность передачи 22-миллисекундной RTTY-посылки, поэтому многолучевой прием — главная причина того, что некоторые RTTY-сигналы, даже очень сильные, принимаются неразборчиво.
В процессе поиска наилучшего способа помехоустойчивой связи ревизии подверглись упоминавшиеся MFSK-методы. В то же время, прогресс в компьютерной технике и DSP-тех-нологии звуковых карт дал необходимые простые инструменты для реанимации и совершенствования старых MFSK-режимов.
Пользуясь преимуществами общения через Интернет, к работе была подключена группа программистов и специалистов по DSP, что принесло любопытное собрание идей и предложений.
Первым реализовал идею нового любительского MFSK-режима Nino Porcino (IZ8BLY) — известный специалист по Hell-телеграфии и МТ63. Результат его работы был тщательно проверен как на модели, так и в реальных условиях. Первое QSO (между IZ8BLY и ZL1BPU) с использованием этого нового метода было проведено 18 июня 2000 г. на 17-метровом диапазоне на трассе длиной около 17000 км. Был получен 100% прием при использовании дипольных антенн и трансиверов мощностью 25 Вт.
Как и в случае с популярным PSK31, все, что нужно для использования данного нового режима — это компьютер класса Pentium, звуковая карта и пара простых кабелей. Программа для работы MFSK16 называется "Stream". Она доступна в Сети: http://www.qsl.net/zl1bpuили http://space.tin.it/computer/aporcinoВ чем же заключается суть этого нового режима? Итак, имеется 16 тонов, посылаемых по одному со скоростью 15,625 Бод с частотным разносом 15,625 Гц. Каждый тон представляет четыре двоичных бита данных. Сигнал имеет ширину 316 Гц (обозначение 316Н J2B по спецификации ITU-R). Режим полностью похож на RTTY, но использует не два широко разнесенных тона, а 16 близкорасположенных. Имея ширину полосы 316 Гц, сигнал хорошо вписывается в узкие CW-фильтры приемников.
Фаза тонов непрерывно манипулируется, что исключает шум манипуляции, а фазовая информация может быть использована для оп-редепения настройки и фазы символа. На рис.1 приведена спектрограмма сигнала MFSK16 (расстояние между горизонтальными линиями равно 300 Гц).
В отличие от Piccolo или PSK31, здесь не предпринимается никаких мер для синхронизации передаваемого символа; ее можно восстановить, испопьзуя внутренние, присущие
Рис.1
Рис.2
сигналу свойства. Кроме того, как и в режиме RTTY, сигнал имеет постоянную амплитуду, поэтому не требует линейного передатчика. В отличие от режимов SSB и PSK31, перегруженный передатчик не расширяет спектр сигнала MFSK16.
Для гарантии приема текста с абсолютным минимумом ошибок новый метод включает технику предварительной коррекции ошибок (FEC — Forward Error-Correction) с использованием декодера Viterbi, разработанную Phil Karn (KA9Q), а также "хитроумное" устройство чередования с самосинхронизацией, разработанное IZ8BLY специально для режима MFSK. Скорость печати превышает 40 слов/мин даже при работе FEC. Такая скорость достигается использованием эффективного способа кодирования, использующего переменный код (как и в PSK31) и обеспечивающего использование расширенного набора символов ASCII.
И, наконец, детектор приемника использует способ синхронного быстрого преобразования Фурье (БПФ) методами DSP, что точно моделирует интегрирующий детектор режима Piccolo. БПФ обеспечивает информацию о фазе, автоматическую подстройку частоты (AFC) и дисплей настройки типа "водопад". Фильтр обеспечивает ширину канала 4 Гц и легко разделяет 16 близко расположенных тонов. Сигнал имеет приятное музыкальное звучание, достаточно узок; на него легко настраиваться и его приятно слушать. Вне всякого сомнения, звук у него лучше, а ширина полосы уже, чем у большинства используемых сегодня режимов связи на КВ.
С первого взгляда видно, что интерфейс программы "Stream" хорошо спланирован и похож на "Hellschreiber" или МТ63 от IZ8BLY, что и не удивительно, если учесть их единое происхождение. Вдоль верхнего края экрана имеется щедрый набор "инструментов" (Tools), отдельные окна для приема и передачи, превосходный набор определяемых пользователем клавиш-макросов и великолепный дисплей настройки типа "водопад". Вдоль нижнего края расположен список установок и параметров, а также индицируются дата и время. Кроме того, имеется ниспадающее окно "log" для автоматического ведения аппаратного журнала и помещения информации о QSO, а также полезное окно "QSP для ретрансляции входящего текста.
Реально программа IZ8BLY включает 3 новых режима. Режим "по умолчанию" — это MFSK16 (16-тоновый, 16-бодовый MFSK с FEC). Следующим идет более медленный, но более чувствительный вариант, называемый MFSK8 (32-тоновый, 8-бодовый MFSK с FEC). Оба режима имеют одну и ту же ширину полосы — 300 Гц, но звучание у них несколько различается. Существует еще один новый режим — PSK63F, представляющий собой 63-бодо-вый режим PSK, подобный PSK31, но более быстрый и с полноценной FEC. PSK63Fимеет ширину полосы около 100 Гц.
Режимы MFSK и PSK дополняют друг друга, а новый режим PSK63F очень удобен для коротких DXи местных QSO. В качестве стандарта для сравнения программа поддерживает также режим PSK31.
Пользоваться "Stream" очень просто, хотя потребуется некоторая ловкость и терпение, для того чтобы научиться быстро и эффективно настраиваться на сигнал MFSK
Так как тоны расположены очень близко друг к другу, и фильтры очень узкие, необходимо иметь трансивер с высокой стабильностью частоты и использовать программную настройку (но не трансиверную настройку, и уж во всяком случае, не RIT). Программная подстройка происходит шагами 1 Гц вверх или вниз. Для точной настройки достаточно щелкнуть по "водопаду" с функцией увеличения (Zoom).
АПЧ работает на холостом тоне, который появляется при старте каждой передачи, а также во время передачи. Всякий раз когда активна АПЧ, оживает также "фазоскоп" (Phase Scope). Можно использовать и ручную настройку, щелкнув по правой части дисплея "водопад", или использовать клавиши управления частотой Up/Down для осуществления подстройки.
Бок о бок с "фазоскопом" имеется еще один интересный дисплей, показывающий Symbol ClockAlignment. Этот дисплей — хороший индикатор стабильности ионосферы. Дисплей "Bit Shape" представляет собой небольшой осциллограф, индицирующий работу системы "symbol sync" (это своеобразный коррелятор). Настройка осуществляется с помощью превосходного дисплея "водопад". На рис.2 показан этот дисплей в режиме трехкратного увеличения. Под нижней горизонтальной линией (красной на экране) можно видеть широкую полосу слева. Это холостая несущая — самый низкий из 16 тонов. Для корректной настройки сигнала установите красную линию посередине этой несущей, и АПЧ будет ее здесь удерживать. К сожалению, сделать все это легко только тогда, когда настройка на сигнал завершена. Отыскать же правильное место при слабом сигнале не так просто, и требуется некоторая практика.
Как только обнаружена правильная настройка, текст почти идеального качества начнет появляться на экране с задержкой в три-четыре секунды, пока данные "просачиваются" через систему коррекции ошибок и появляются в виде одного или двух слов сразу. Ко всему этому очень быстро привыкаешь.
После того как научишься настраиваться, пользоваться этим режимом очень легко. Скорость печати достаточно велика, и хотя переключение прием-передача происходит не так быстро, как в RTTY или в Hell-телеграфии, режим очень удобен для бесед или работы в NET.
Для ближних QSO — вплоть до 12 000 км (без распространения в полярных областях) — MFSK16 работает очень хорошо, хотя режимом PSK31 пользоваться проще. Если вас интересует QRP, то здесь MFSK16 вне конкуренции. На дальних и полярных трассах при очень плохих условиях MFSK16 продолжает давать почти идеальный прием, когда сигналы уже почти не слышны, сильно замирают, имеют заметные допплеровские и многолучевые искажения и даже QRM. Высокая мощность передатчика при этом не обязательна.
В настоящее время MFSK16 является, вероятно, наилучшим из цифровых режимов для работы на низкочастотных диапазонах. Если вы имеете дело с трафиком или рассылкой бюллетеней на 80 и 40 м, попробуйте поработать в этом режиме. Дополнительное преимущество — грозовые эффекты почти не влияют на качество связи.
MFSK8 не обнаруживает особых преимуществ на низкочастотных диапазонах в обычных условиях, однако он несомненно лучше в условиях начинающего закрываться диапазона. Режим MFSK8 гораздо чувствительнее MFSK16, и хотя настройка в нем затруднена, а скорость приема падает до 25 слов/мин, он позволяет закончить QSO при плохих условиях на диапазоне.
С другой стороны, для PSK63F почти все наоборот. Он не очень хорош на длинных трассах, но чувствителен (почти как PSK31) и быстр (40 слов/мин). Благодаря FEC, он почти все время дает прием без ошибок. Так как полоса излучения у него шире, чем у PSK31, и имеется превосходная система АПЧ, настраиваться на его сигнал очень легко. На PSK63F почти не сказываются допплеровские проблемы и проблемы дрейфа частоты. Он хорош для ближних DX-связей и будет превосходен на СВЧ.
Программа "Stream" была проверена на имитаторе ионосферы, разработанном Johan Forrera (KC7WW), и результаты полностью подтвердили теоретические предпосылки. Амери-'канский радиолюбитель Мое Wheatley (AE4JY) провел сравнительные испытания чувствительности рассматриваемого режима. При приеме белого шума MFSK16 занял то же место, чтоиР5К31.
Совершенствуя процедуру испытаний, подстраивая скорость и тоны, можно еще больше улучшить параметры этого режима или даже создать новые режимы связи.
По материалам QST, N1/2001. Подготовил А.Бельский.
