Автор Тема: К вопросу об оптимальной модуляции в диапазоне 136 кГц  (Прочитано 1078 раз)

0 Пользователей и 1 Гость просматривают эту тему.

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
Коллеги,

Наличие разнообразных видов модуляции в столь узком диапазоне частот (135,7-137,8) кГц привело меня к мысли, что эти виды не могут похвастать друг перед другом существенными преимуществами, а следовательно не оптимальны по сути.

Что вообще требуется от радиолюбителя при проведении любительской связи? Иметь минимальную полосу, наибольшую помехоустойчивость, минимальное время для проведения QSO.

С учётом сказанного, я пришёл к выводу, что наиболее оптимальным для упомянутого диапазона является QPSK-модуляция, или квадратурная фазовая модуляция. Как известно, ФМ является наиболее помехоустойчивым видом модуляции. Далее, помехоустойчивость QPSK равна помехоустойчивости BPSK, но скорость передачи информации в два раза больше, иными словами, можно в два раза сократить время передачи при тех же параметрах.

Что касается передаваемых символов. По моему мнению, достаточно использовать МТК-2. МТК-2 содержит один старт бит и 5 информационных бит - как раз умещается в 3-х посылках QPSK.

Кроме того, в дальнейшем можно применить помехоустойчивое кодирование (15,10), позволяющее разместить два символа МТК-2 общей длиной 10 бит и синдром длиной 5 бит. Код (15,10) позволяет исправить любые два бита из 15 и предсказать, что есть ошибка более 2 бит.

Ещё одна вещь, приём сигналов с QPSK достаточно легко реализовать на МК, что позволит многим любителям прикоснуться к такому таинственному и многогранному миру радиотехники.

Хотелось бы обсудить данную тему со специалистами и практикующими радиолюбителями. Что думаете?

« Последнее редактирование: 26 Апрель 2018, 22:13:56 от GM »

Оффлайн Sergej

  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 308
    • Просмотр профиля
Далее, помехоустойчивость QPSK равна помехоустойчивости BPSK, но скорость передачи информации в два раза больше, иными словами, можно в два раза сократить время передачи при тех же параметрах.

Не может такого быть, там же разница расстояний между позициями фазы в два раза меньше в qpsk.
Практически на кв модемах данных разница тоже есть BPSK/QPSK, около 3дб, что вполне адекватно.

Посмотрите текущие реализации протоколов для очень слабых сигналов на ДВ и СВ диапазонах. Преимущественно, там частотная манипуляция или вообще OOK.
Есть и bpsk - в том EBnaut (название не матерное, такое на самом деле), http://abelian.org/ebnaut/ но он совсем медленный, мало кому интересно.

P.S. Если что-то делать - надо через программу и звуковую карту на ОС Windows. Только в такой реализации будет какая-то заинтересованность и готовность опробовать у всех потенциальных вещателей и слушателей.

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
Не может такого быть, там же разница расстояний между позициями фазы в два раза меньше в qpsk
Так теория гласит. Поскольку там два бита передаются вместо одного.

Посмотрите текущие реализации протоколов для очень слабых сигналов на ДВ и СВ диапазонах. Преимущественно, там частотная манипуляция или вообще OOK. Есть и bpsk, но он совсем медленный, мало кому интересно.
Ну я смотрел, может не туда :-)? На какие реализации посмотреть и где?

ООК - частный случай амплитудной модуляции, много энергии уходит впустую, м^2/2 - при м=1 теряется 75%, при ООК порядка того.

ЧМ, частотная манипуляция - всё равно угловая, практически не отличается от ФМ. Ну конечно, аналоговая схемотехника реализаций попроще, варикапы там в задающем контуре на передачу, ну и фапч следящий на приёме...Мы же с вами говорим о чисто цифровой связи.

А на сколько допустимо расширение спектра одного сигнала в полосе 2.1 кГц, мы ведь не должны забывать, что диапазон очень узкий. А если передавать QPSK, скажем, одна секунда на 2 бита, то ширина будет 2 Гц, сравните, например с CW, но там потери времени на паузы, да и код неравномерный. Любой символ в QPSK займет 3 сек, а в CW сколько? Если только одно "Е" передавать, да и то оно займёт 4 сек, ну или полосу расширит, если со сдвигом частоты.

По поводу звуковой карты у меня есть вопрос. На этом форуме и на других много говорится о стабильности задающего генератора передатчика, первого гетеродина приёмника, второго.. а вот о стабильности частоты выборок звуковой карты нет ни словечка. Там у карт, что, водородный стандарт стоит?

Ещё надо учесть, что можно работать в полудуплексе на одной частоте - передаём-принимаем-передаем-принимаем...
« Последнее редактирование: 27 Апрель 2018, 19:43:28 от GM »

Оффлайн Sergej

  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 308
    • Просмотр профиля
Так теория гласит.

И практика тоже. Когда канал не позволяет QPSK, модемы переходят на BPSK и продолжают работать, равноценности по S/N нет у этих видов модуляции.

На какие реализации посмотреть и где?

К примеру, WSPR, JT9, OPERA...

А OOK - это как телеграф, он-офф кеинг, что уже энергноэффективней может бы, не знаю.

Никто задающий не модулирует для FSK, все цифровые виды связи получают сейчас через преобразование частоты, ну как фильтровой однополосный метод в трансивере или в отдельном передатчике. Другой вариант - DDS, как в конструкции  rn3aus etc...

Широкие сигналы на ДВ не прокатывают, наоборот стремятся сделать Уже, медленней, о 2кГц не может быть речи.

С звуковыми картами более-менее нормально всё, если не явно дефективный экземпляр.

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
И практика тоже. Когда канал не позволяет QPSK, модемы переходят на BPSK и продолжают работать, равноценности по S/N нет у этих видов модуляции
А, я кажется понял. Сравнивать нужно вероятность ошибки на бит, ну и когерентный приём само собой. Скажем, QPSK за ОДНУ сек передаёт ДВА бита, в то же время BPSK за ОДНУ сек передаёт ОДИН бит, так что можно снизить скорость QPSK в ДВА раза и получить то же Pb при том же отношении Eb/No, что и для BPSK.

Вот здесь https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8F#Квадратурная_фазовая_манипуляция всё расписано, и прямо сказано:
"При когерентном детектировании вероятность ошибки на бит для QPSK такая же, как и для BPSK, т.е. Pb=Q(sqrt(2Eb/No))".
Там и картинка есть, смотрите синюю кривую для BPSK/QPSK.

Ещё цитата: "Из теории связи известно, что наивысшей помехоустойчивостью обладает двоичная фазовая модуляция BPSK". Отсюда http://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/QPSK/

Вот спектр QPSK. Весьма компактный спектр, практически прямоугольник, нам конечно такой не получить, увы. Сравните с ООК, как частным случаем АМ, с её 13-ти децибельными боковыми лепестками...

Широкие сигналы на ДВ не прокатывают, наоборот стремятся сделать уже, медленней, о 2кГц не может быть речи
Вы немного не так прочитали, речь идет о ДВУХ герцах, вся полоса ДВ диапазона составляет 2,1 кГц.

С звуковыми картами более-менее нормально всё, если не явно дефективный экземпляр
Ну мне-то поясните, какая стабильность звуковых карт, 10^-10? Более-менее нормально - это не разговор, цифры дайте...Измеренные, по описанию, хотя бы что-то.
« Последнее редактирование: 28 Апрель 2018, 15:31:10 от GM »

Оффлайн Sergej

  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 308
    • Просмотр профиля
Из фазовых - естественно bpsk самая пробивная.

Тут еще такой ограничивающий фактор, для фазовых модуляций необходим линейный тракт усиления передатчика, это несколько проблемно ДВ-СВ-шникам, где в основном применяют мощные усилители в классе С-D.

Есть какие-то хитрые методы применения нелинейных УМ, современные АМ передатчики их используют, но у нас этим никто не хочет заморачиваться.

Ну мне-то поясните, какая стабильность звуковых карт, 10^-10? Более-менее нормально - это не разговор, цифры дайте...Измеренные, по описанию, хотя бы что-то.

Измерений не делал, может кто-то имеет в распоряжении такую информацию. Для всех практикуемых цифровых видов связи хватает стабильности карт.

Там обычно одна проблема, что могут быть исходные отклонения тактовой частоты, а не все авторы программ вводят переменную коррекции.
Так, у меня есть одна звуковая карта с такой проблемой, что сигналы WSPR-15 при стандартной настройке приемника не попадают в выделенный участок спектра для них шириной 25 Гц, но это явное исключение из нормы.
« Последнее редактирование: 27 Апрель 2018, 22:17:53 от Sergej »

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
Из всех видов модуляции самой помехоустойчивой является ФМ. Теперь вы поняли, что по ошибкам QPSK==BPSK?

Почитал немного по предложенным видам модуляции.

1) Опера - фактически это ООК.

2) WSPR - сказано, что эффективен при с/ш > -28дБ и полосе 2500 Гц, там ещё добавляется FEC (прямая коррекция кода) плюс узкополосная 4-FSK модуляция.

3) JT4 пока не нашёл, нашёл немного описания JT65. В общем там помехоустойчивое кодирование Рида-Соломона (63,12),  избыточность 378/72=5.25. Для МК неподъёмно я бы сказал.

QPSK-таки остаётся предпочтительнее.

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
Тут еще такой ограничивающий фактор, для фазовых модуляций необходим линейный тракт усиления передатчика, это несколько проблемно ДВ-СВ-шникам, где в основном применяют мощные усилители в классе С-D
Ну, это если вы сразу несколько независимых каналов усиливаете с помощью одного усилителя. А если один канал, т.е. один QPSK на усилитель,то супер линейности не требуется, только если к вам соседи не заявятся с вилами, поскольку вы им мешаете ТВ смотреть :-).

Есть какие-то хитрые методы применения нелинейных УМ, современные АМ передатчики их используют, но у нас этим никто не хочет заморачиваться
Да, есть. Лет так двадцать пять тому назад даже один ретранслятор соорудили...

Оффлайн Sergej

  • Старожил
  • ****
  • Сообщений: 308
    • Просмотр профиля
Из всех видов модуляции самой помехоустойчивой является ФМ.

С некоторыми оговорками, если в канале нет фазовых искажений. Пример таких искажений в КВ канале может быть прохождение сигнала через полярные зоны. Частотная тут выигрывает, на практике.

Теперь вы поняли, что по ошибкам QPSK==BPSK?

Пусть по графикам EB/NO будет так, но опять же из практики есть другое мнение :)

По медленному BPSK. Было еще для ДВ такое как  WOLF: http://www.g4jnt.com/WOLF_Coding_Process.pdf
Какие-то даже результаты внушающие были http://www.w1tag.com/WSPR15WOLF.htm
Но, дальше почему-то не нашло применения.

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
Ну вот WOLF. 40 символов закатывают неким полиномом в итоге получают 480 бит, затем делают перемежение. Те же МТС, только вид сбоку.

Ну и сколько времени будем передавать эту колбасу, если на один бит пустить 1сек? 480 сек или 8 минут. А QPSK управится за 4 минуты. Добавим 30% на помехоустойчивое кодирование: 4*1.33=5,32 минуты. Всё равно быстрее.

Да еще, на МК  быстро сделать перемежение 480 бит не так просто, это я вам ответственно заявляю. Одно время писал программу, которая по требованию FIA (это для Формулы-1) должна была вычислять MD5 всей программы в реальном времени и передавать им по радиоканалу, причем с их посевом.

В итоге все эти биты в WOLF передаются BPSK.

Так что, пока QPSK остаётся предпочтительнее.
« Последнее редактирование: 28 Апрель 2018, 14:25:01 от GM »

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
Вот, нашёл интересную табличку.

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2105
    • Просмотр профиля
Теперь вы поняли, что по ошибкам QPSK==BPSK?
Сравнивать нужно вероятность ошибки на бит, ну и когерентный приём само собой. Скажем, QPSK за ОДНУ сек передаёт ДВА бита, в то же время BPSK за ОДНУ сек передаёт ОДИН бит, так что можно снизить скорость QPSK в ДВА раза и получить то же Pb при том же отношении Eb/No, что и для BPSK.

Ну и сколько времени будем передавать эту колбасу, если на один бит пустить 1сек? 480 сек или 8 минут. А QPSK управится за 4 минуты. Добавим 30% на помехоустойчивое кодирование: 4*1.33=5,32 минуты. Всё равно быстрее.

По отдельности фразы верны, все вместе - нет, есть ошибка. Давайте разбираться в чем тут дело.

1) Пусть у нас есть BPSK, со скоростью манипуляции V. Какое-то количество бит N он передаст за T=N/V секунд.
 
2) Теперь что такое QPSK? Математически можно представить как сумму двух bpsk, передаваемых одновременно и в квадратуре друг ко другу (в одном bpsk "потоке" синусоида имеет нулевую начальную фазу, в другом - 90 градусов. Эти два модулированных колебания всегда ортогональны друг другу и могут приниматься двумя когерентными демодуляторами независимо). Что с мощностями? Очевидно, мощность передатчика поделится между этими квадратурами поровну, то есть каждый из квадратурных bpsk будет в два раза слабее нашего исходного BPSK, о котором говорилось в п.1

3) Если передать нужно те же N бит, то мы можем поступить двумя способами:
 - оставить скорость манипуляции ту же V. Тогда QPSK передаст информацию в два раза быстрее BPSK. С какой помехоустойчивостью? Примерно на 3 дБ худшей, так как на каждое квадратурное bpsk приходится в два раза меньше энергии. Или иными словами энергии на один бит передатчик обеспечивает в два раза меньше. Отсюда и более частые ошибки. Тут справедливо и иное рассмотрение - расстояние между точками сигнального созвездия уменьшилось, помехоустойчивость уменьшилась.
Итак: при равной с BPSK скорости манипуляции QPSK имеет помехоустойчивость на -3 дБ худшую!

- другой вариант: мы можем оставить неизменным время передачи сообщения Т. Тогда скорость манипуляции уменьшится вдвое и энергии на один бит в QPSK будет приходиться столько же, сколько и у исходного BPSK.
Итак: при равной длительности передачи одного и того же сообщения сообщения помехоустойчивость по битовой ошибке BPSK и QPSK одинаковы.

Таким образом, если мы передаем WOLF-BPSK 480 бит, то с помощью QPSK эти 480 бит можно либо передать за то же время с равной помехоустойчивостью. Или передать в два раза быстрее, проиграв в два раза по помехоустойчивости. Выиграть по скорости без потери помехоустойчивости не получится.

Теперь про кодированную передачу. Есть один путь, как увеличить помехоустойчивость при равной длительности передачи сообщения. Вместо bpsk используется qpsk c равной скоростью манипуляции. За счет того, что за равное время QPSK может передать 2N бит, то N бит оставляем за информацией, оставшиеся N бит отводим для избыточных битов кода. Код будет иметь скорость R=1/2. Давно уже было разработано так называемое треллис-кодирование сверточным кодом специальной структуры (коды Унгербоека).
При этом получается картина такая: скорость модуляции прежняя, на каждый бит приходится на -3 дБ меньше энергии. Но за счет исправляющей способности кода получается выигрыш порядка +5 +6 дб (чем длиннее код, тем выигрыш больше). В сумме выигрыш будет около +2 дБ. Можно получить и несколько большие выигрыши, но все в пределах единиц дБ.
Второй путь - расширение полосы (увеличение скорости манипуляции) при том же созвездии. То есть просто более быстрая BPSK. Тут чем больше избыточных битов кода удается передать за то же время, тем лучше. Выигрыш от кодирования можно получить довольно большой (больше, чем от треллис-кода) за счет применения очень-очень хороших кодов, что и сделано в старом WOLF и новом EbNaut.

Теперь подробности о WOLF: в нем используется помехоустойчивый сверточный  код с кодовой скоростью R=1/6 и длиной кодового ограничения K=15. Это очень мощный код, примененный в системе связи с марсоходом Mars Pathfinder. Улучшить характеристики этого режима можно только за счет еще более мощных кодов. Это сделано в EBNAUT, там доступны коды с R=1/16 и K=25. Такой код для декодирования требует много-много ГБайт ОЗУ.

В wolf мы с Владимиром RX3QFM провели много лет назад QSO.
Это было интересно, но: примерно за такое же время нам удавалось QSO и в QRSS-3. При этом было сразу, без ожидания сработает ли декодер, видно что передает корреспондент. Это было гораздо удобнее и нагляднее.

Я здесь даже не затрагиваю тему о том, как же сделать когерентный детектор для QPSK в условиях низких отношений сигнал\шум. ФАПЧ, к сожалению, не работает нормально при с\ш ниже 3 дБ - начинаются аномальные срывы в петле слежения. Здесь будет работать квадратурный детектор, но за счет квадратурности  будет проигрыш на -3дБ по помехоустойчивости относительно истинного когерентного приема.
« Последнее редактирование: 28 Апрель 2018, 18:31:11 от rn3aus »

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
Ну ладно, рассмотрим на примере, пусть в полосе приема мощность шума Pш=0.1 Вт

1) Пусть BPSK (кусок синуса) за одну сек передаёт один бит, тратит на это 1 Вт, соответственно за две секунды передаёт 2 бита, тратит 2 Вт. Eбитаbpsk/Pш=1Вт*2с/(0.1*2с)=10.

2) QPSK (кусок синуса, комбинация 00 или 11) за две сек передаёт 2 бита, тратит на это 2 Вт, соответственно (условно говоря) за 1 сек передаёт 1 бит тратит 1 Вт. Eбитаqpsk/Pш=1Вт*2с/(0.1*2с)=10.

За одно и то же время - 2 сек передано два бита и в том и в другом случае. И там и там кусок синуса, принимаемый когерентно. Естественно, символьная скорость QPSK в два раза ниже, но битовая скорость та же самая.

Еще раз, почитайте хотя бы в википедии https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B7%D0%BE%D0%B2%D0%B0%D1%8F_%D0%BC%D0%B0%D0%BD%D0%B8%D0%BF%D1%83%D0%BB%D1%8F%D1%86%D0%B8%D1%8F#
Найдите фразу "При когерентном детектировании вероятность ошибки на бит для QPSK такая же, как и для BPSK", почитайте, что ученые пишут.

« Последнее редактирование: 28 Апрель 2018, 20:13:41 от GM »

Оффлайн rn3aus

  • Ветеран
  • *****
  • Сообщений: 2105
    • Просмотр профиля
а одно и то же время - 2 сек передано два бита и в том и в другом случае. И там и там кусок синуса, принимаемый когерентно. Естественно, символьная скорость QPSK в два раза ниже, но битовая скорость та же самая.
Абсолютно верно. В этом и суть: если BPSK и QPSK передают одинаковое число бит за одинаковое время - выигрыша нет. Зачем тогда и применять более сложную QPSK вместо простой BPSK?
Поэтому утверждение, что если wolf передавать QPSK, то будет передано в два раза быстрее при той же помехоустойчивости - ошибка.

Кстати, была справедливо затронута тема точности, обеспечиваемой звуковой картой компьютера.
Давайте посчитаем:
- на плате звуковой карты стоит кварц (не помню точно какой частоты - то ли 12 МГц, то ли 24; но это для нашего расчета не так важно). Кварц имеет два параметра: 1) точность установки номинала частоты. В маркировке это отображается количеством нулей после запятой. Например, написано 12,000 - это означает, что его частота 12 МГц с точностью до сотен Герц. 2) Стабильность частоты (долговременная и кратковременная - блуждания). Считается, что кварц имеет стабильность 10е-6. Еще бывает указывают его температурную нестабильность в ррм/С
Итак, номинал может быть сдвинут на несколько сотен Гц (например 200), частота плывет не более, чем на скажем 10 Гц в данном случае.
При работе с частотой дискретизации 12 кГц исходная опорная частота кварца делится на 1000. Пусть карта выдает тон. Неточность  номинала кварца даст сдвиг частоты дискретизации 200/1000= 0.2 Гц. Плавать частота дискретизации будет в пределах 10/1000=0.01 Гц. Сдвиг номинала частоты, формируемой звуковой картой при неточной частоте дискретизации, будет различаться для частоты скажем 100 Гц и 1 кГц. Чем выше формируемая частота, тем ошибка больше.
Примерно это (сдвиги таких порядков) мы и видим на экране Спектрумлаба, сдвиг частоты бывает даже и побольше, так что наш кварц из примера довольно хороший.
Температурный дрейф частоты звуковой карты хорошо виден, если включить в спектрумлабе режим коррекции сэмплрейта по опорному сигналу с GPS приемника. Действительно, плывет в пределах сотых долей. Это становится очень существенным на VLF со спектральным разрешением в десятки микрогерц и конечно в EbNaut.

PS: суть моей реплики просто в разъяснении этого небольшого теоретического вопроса, в котором, однако, как и в случае обсуждения свойств помехоустойчивых кодов, бывает совершаются смысловые ошибки. Вопрос тонкий, лучше его обговорить. Позволил себе это сделать, так как это та небольшая область, в которой мне приходится разбираться профессионально.
« Последнее редактирование: 28 Апрель 2018, 20:54:23 от rn3aus »

Оффлайн GM

  • Пользователь
  • **
  • Сообщений: 76
    • Просмотр профиля
если BPSK и QPSK передают одинаковое число бит за одинаковое время - выигрыша нет. Зачем тогда и применять более сложную QPSK вместо простой BPSK?

У QPSK более компактный спектр, если не ошибаюсь. И при узкой полосе 2.1 кГц всего диапазона надо думать и об этом.

Как там дела с 7 тактами. Skiving, are we :-)?
« Последнее редактирование: 28 Апрель 2018, 22:57:48 от GM »