I modi digitali vengono da lontano

Dal CW al PSK31 e WSJT

All'inizio del secolo, sulla scia degli esperimenti di G. Marconi, si usava generare il segnale radio con un arco elettrico. Collegando a questo un'antenna, la stessa fungeva da circuito risonante (in funzione della sua lunghezza) che si eccitava a spese dell'energia ceduta dall'arco e trasmetteva con continuità sulla frequenza della sua risonanza.

L'unico modo disponibile per trasmettere informazione era il Morse, quindi si inseriva in serie all'antenna un'induttanza che ne alterava la frequenza di risonanza. Cortocircuitando ed aprendo questa induttanza con il tasto si spostava la frequenza di trasmissione, ed essendo il ricevitore sintonizzato con una sola delle due frequenze, questo equivaleva ad un'azione di ON-OFF. Ecco come è nato il "frequency-shift-keying" ed il termine CW (Continuos Wave, cioè onda continua). (Vedi CQ, Feb 2004, pag. 34).

Quando è stato possibile modulare la portante, sono nati modi moderni di FSK, per esempio l'RTTY, già prima dei PC perché anche l'elettronica analogica è in grado di generare e demodulare sequenze di tonalità.

Oggi, con l'avvento del PC, si usano due categorie di modi digitali; quelli con Forward-Error-Correction e quelli senza. Il FEC è un modo in cui si trasmette a pacchetti per ciascuno dei quali ci si attende una conferma (ACK=acknowledge, conferma), se negativa il pacchetto viene ritrasmesso. È utile sulle bande HF, in cui il QRM è frequente.

L'altro approccio ha anch'esso dei vantaggi.

Consideriamo uno degli ultimi nati (dicembre 98), il PSK31, ideato da Peter Martinez G3PLX, che ne ha anche messo a disposizione il codice sorgente.

Ha una larghezza di banda di 31 Hz (da cui il nome), quindi, come il CW, possono essere ospitati tantissimi segnali in poca banda senza interferirsi tra loro.

Ad ogni carattere corrisponde un numero binario di 8 bit max. 0 ed 1 corrispondono sempre alla stessa frequenza ma il passaggio da uno all'altro corrisponde ad un'inversione di fase effettuata al momento del passaggio per lo zero. Siamo in presenza di un modo PSK cioè "phase-shift-keying".

Dettaglio dell'inversione di fase

Nella banda passante di 31,25 Hz (1/256 di 8 kHz, frequenza usata in molti sistemi DSP) si riesce ad inviare circa 50 caratteri al minuto, più lenta del CW dei virtuosi, ma compatibile con la scrittura a due dita sulla tastiera.

Questa è la sua videata. Il campo bianco superiore mostra i messaggi decodificati, in quello inferiore si scrivono i messaggi da trasmettere. Segue il display a cascata (waterfall) che mostra la gamma audio SSB e l'eventuale presenza di stazioni.

Nella figura ho cliccato sul segnale presente a circa 1000 Hz, la cui decodifica è nel campo superiore. Siamo in banda 20m, a 14.070 kHz.

Questo è il modo BPSK (Binary PSK, cioè PSK Binario). Esiste poi una variante con FEC che implica trasmettere una seconda portante sfasata di 90°, chiamato QPSK (Quadrature PSK). È più lenta e la potenza emessa si divide tra le due portanti quindi il rapporto S/N scende di 3 dB. Può essere utile usarlo in presenza di forte rumore impulsivo, purché l'apparato sia sufficientemente stabile.

Il sito ufficiale del PSK31 è: aintel.bi.ehu.es/psk31.html .

Una descrizione completa si trova sulla rivista RadCom della RSGB, Dic. 98 e Gen. 99, e su QEX (ARRL) Lug/Ago 99, pag. 3.

L'attività è centrata sulle seguenti frequenze:

L'interfaccia radio-computer è molto semplice. Sull'help di Digipan trovate:

Inoltre dovete collegare l'uscita cuffia al LINE IN della scheda audio.

In PSK31 è importantissimo regolare la modulazione per evitare splatter e perdere la banda stretta. Con questi collegamenti dovete usare o i controlli di volume dell'RTX o i controlli software della scheda audio. Io preferisco non toccare i controlli dell'RTX e non continuare a richiamare i controlli software (ad ogni cambio di banda bisogna rifare la regolazione). Quindi ho usato l'ingresso modulazione e l'uscita audio disponibili sul connettore posteriore (ed indipendenti dai controlli di volume anteriori) ed ho previsto un controllo di modulazione sull'interfaccia. Quando vado in tx la prima volta, salgo di volume finché l'indicazione ALC si muove, poi leggermente indietro. Così l'IMD resta bassissimo, sotto i -20 dB. Questa è la mia interfaccia per l'IC 781:

L'interfaccia è "general purpose". La uso anche con altri software, quali Spectran, CW Get, CW Type, MMSTV, MMRTY e Meteofax.

Su alcune riviste viene consigliato di avere un maggiore isolamento tra radio e PC, e vengono suggerite delle interfacce che utilizzano dei fotoaccoppiatori per disaccoppiare persino le masse. Non ho trovato utile farlo nel mio caso, ma non posso garantire che sia così per qualunque radio e/o computer.

VHF: Meteorscatter ed EME

Un altro modo digitale, che sta rivoluzionando il mondo EME (Terra-Luna-Terra in VHF) è opera di un radioastronomo/radioamatore, Jim Taylor K1JT. È stato realizzato in più modi, rivolti alla ricezione o di segnali presenti per brevissimo tempo (modo FSK441 per meteor scatter) o di segnali sepolti nel rumore (modo JT44/65 per echi lunari).

Il WSJT (Weak Signal by K1JT) utilizza una tecnica base per tutti i sistemi DSP (Digital Signal Processing) cioè il FFT (Fast Fourier Transform). È una tecnica matematica (algoritmo per gli esperti) ideata dal matematico francese Fourier (1768-1830) per analizzare un segnale ed individuare la presenza di frequenze ripetitive (segnale) rispetto a frequenze random (rumore). I moderni PC riescono ad effettuare questa analisi in tempo reale anche con bande passanti dell'ordine dell'Hertz, e quindi ad estrarre dal rumore i segnali che cerchiamo.

E quando si parla di echi lunari questa è una manna (vedi il mio articolo "La tua stazione può fare EME?" inserito nella rubrica EME di Mario I1ANP, RR 10/2003, pag. 76).

Una stazione VHF che punti sulla Luna una yagi 16 elem. lunga 4,5 wl (9 m) di guadagno 16,5 dB, abbia un ottimo preamplificatore con figura di rumore 0,5 dB montato vicinissimo all'antenna, sia in una zona con basso rumore e punti una zona di cielo anch'essa poco rumorosa, e cerchi di ascoltare un segnale CW su un buon apparato con banda passante 200 Hz, riceve una potenza di rumore di -180 dBW.

Il mio eco, trasmesso con 1kW e 4 yagi lunghe 5 wl (guadagno tot. 23 dBi), nelle condizioni migliori cioè rotazione della polarizzazione ottimale (effetto Faraday) e Luna al perigeo cioè alla distanza minima dalla Terra, sarà ricevuto dalla stazione di cui sopra con potenza -184 dBW, cioè 4 dB sotto il rumore. I grafisti sfegatati ed abilissimi sostengono di riuscire a decodificare un segnale CW anche in queste condizioni, personalmente sono un modesto grafista ed il mio limite è un segnale almeno 3 dB sopra il rumore.

Ma se invece della grafia adoperassimo il WSJT riusciremmo sicuramente a fare QSO. Personalmente ho collegato stazioni che arrivavano fino a 6 dB sotto il rumore con il modo JT44, ed il nuovo JT65 dovrebbe consentire altri 3 dB di guadagno.

Cosa fa questo software sull'eco massacrato dalla rugosità della superficie riflettente lunare e per di più spostato in frequenza dall'effetto doppler dovuto al movimento relativo terra-luna? E prima di tutto, cosa trasmette?

Trasmette, in un periodo di 30 secondi, un tono di sincronismo a 1270,5 Hz ed i caratteri (max 22) del messaggio, con toni diversi per ciascuno, compresi tra 1302,8 e 1755 Hz.

La banda passante è 484,5 Hz, inferiore a 500 Hz, quindi secondo l'ultimo band-plan IARU relativo ai MGM (Machine Generated Modes) può operare in banda CW, sui 2 m. tra 144,130 e 144,165 MHz.

Durante il periodo di ricezione esegue a tutto spiano l'analisi delle frequenze presenti ripetitivamente. Poi individua quella maggiormente presente, che è il tono di sincronismo. La differenza rispetto alla frequenza nominale è il doppler, che applicato a tutte le altre frequenze individuate permette di individuare i probabili caratteri del messaggio. Poi, oltre al messaggio decodificato, errori inclusi, presenta un messaggio mediato cioè costituito dai caratteri che in ciascuna posizione, per tutti i messaggi ricevuti precedentemente, si sono presentati più volte. Dopo alcune ripetizioni (5-10 volte per i casi marginali) si ha una "media" sostanzialmente corretta.

Il software memorizza in un apposito file tutto quanto ricevuto, ma non la media presentata di volta in volta. Perciò io uso memorizzare anche una schermata per poter dimostrare di aver effettivamente decodificato il corrispondente e quindi che si tratta di un QSO valido.

Riporto testo ed immagine di un QSO abbastanza marginale. Per una miglior comprensione, la prima colonna sono hhmmss, la seconda è un indice (tra 1, peggiore e 10, ottimo) della qualità del segnale ricevuto, la terza è il rapporto S/N riferito ad una banda passante di circa 2800 Hz, terza e quarta sono l'errore in tempo (il percorso terra-luna-terra dura circa 2,5 secondi) ed in frequenza (precisione sintonia e doppler).

Per capire meglio il rapporto S/N, teniamo presente che lo stesso segnale ricevuto con BW 200 Hz sarebbe migliore di 11,5 dB e con BW 25 Hz sarebbe migliore di 20,5 dB.

Testi del qso con RK3FG:

104000  2  -23  3.9  -70    *  IW1KWLRJ3FKIK12WLR2YPI       RI 2
104100  1  -25  2.7  -76    *  0KCGH 6FK373 OVVRF1OO#       OO O
104200  2  -22  2.7  -81    *  $K1U3X.RK3 Z DZOOZO5OO       OO O
104300  2  -22  2.6  -81    *  IK1UWLVRK3F1 NN/7DOOOO       OO O
104400  1  -27  2.5  -82    *  /.Q$BYQQBAKG OSGBOFY1S       O  O
104500  2  -26  2.2  -86    *  HJ1TW2 Z.7M FQHCAPO20O       HO O
104600  2  -26  2.7  -86    *  17SW6$UA8,VH HOOOYHMO0       OO O
104800  2  -24  2.5  -86    *  OK8UEL RUEQ5 OOOOO 8OO       OO O
104900  2  -23  2.3  -86    *  IK1,5LZF3/?J5?F2OOOOOO       OO O
105000  2  -22  2.7  -86    *  2Y1EVL R73FVPO$OVEOOT/        O O
105100  4  -23  2.4  -82    *  IE1TVL R03FBPOO/TOOO#9       OO O
105200  2  -23  2.2  -80    *  R3RR$U$.DMXRRRR/RRRRRN       RR R
105300  3  -24  2.5  -77    *  .RRRRRRRRR3RR6Q. R1FYR       RR R
105500  2  -25  2.3  -65    *  L5NQ 4UNRPD3U39$733P#4       73 3
105600  1  -25  2.3  -61    *  ,18RGKN9.1A77XR37P73E,       73 7

Immagine delle 10.48.00, in cui la media è corretta:

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