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:
1838,150 | 3580,150 | 7035,150 (regioni 1 e 3) | 7080,150 (regione 2) |
10142,150 | 14070,150 | 18100,150 | |
21080,150 | 24920,150 | 28120,150 | 144.138,000 |
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:
