Digitale Betriebsarten Theorie und Praxis Erstellt von Hartmut Schramm - DH9KFC
Digitale Betriebsarten Theorie und Praxis Der erste Teil soll interessierten Funkamateuren, die bisher noch nicht in diesen Betriebsarten gearbeitet haben, ein paar theoretische Grundlagen erläutern. Der zweite Teil besteht aus praktischen Vorführungen.
Einleitung Die grundsätzliche Morsetelegrafie - Prüfungspflicht ist für Funkamateure in Deutschland seit 2003 entfallen. Das war bis dahin eine Voraussetzung um auf Kurzwelle senden zu dürfen. Seitdem hat das Interesse an den so genannten digitalen Betriebsarten spürbar zugenommen. Bieten doch Betriebsarten, wie RTTY, PSK31, MFSK16 und Olivia die Möglichkeit, schon mit geringer Sendeleistung und kleinen Antennen am weltweiten Funkverkehr teilzunehmen. Dank der Einbeziehung eines PC oder Notebook und Software können voreingestellte bzw. selbst erstellte Makros verwendet werden. Somit kann die Eingabe des Textes über die Tastatur weitgehend entfallen. Wie so ein Makro aussieht wird später gezeigt.
Was sind digitale Betriebsarten? Darunter versteht man ein Funk-Übertragungsverfahren bei welchem Zeichen computergestützt gesendet und empfangen werden können. Die Zeichen können Folgen von Buchstaben oder Zahlen bzw. ganze Texte, Dateien oder Bilder (SSTV) sein. Die kleinste zu übertragende Einheit in einem Schritt ist das Bit. Der Kehrwert für die Zeit, die dieser Schritt dauert, ist die Schrittgeschwindigkeit oder Baud und bezieht sich auf Sekunden. Es besteht immer ein Zusammenwirken von Funkgerät, Interface und Computer. Die Frage ob CW eine digitale Betriebsart ist, soll im Rahmen dieses Workshops kein Thema sein.
Was macht digitale Betriebsarten interessant? Englische Sprache hat sich im internationalen Funkverkehr etabliert. Es ist ein nur begrenzter Wortschatz notwendig um aussagefähige QSO s zu führen. Weiterhin werden viele internationale Abkürzungen verwendet. Natürlich wird mit deutschsprachigen YL's oder OM's deutsch gefunkt. Ein Standard-QSO ist übersichtlich strukturiert. Die Zusammenführung von Funkgerät und Computer ist unkompliziert und mit vertretbarem Aufwand möglich. Software für Windows PC, MAC oder Linux ist kostenlos oder preiswert verfügbar.
Warum diese digitalen Betriebsarten nutzen? Diese Betriebsarten bieten sich für jeden Funkamateur an. Ganz gleich ob er ein versierter CW-Funker ist oder lieber QSO s in SSB führt. Die Vorteile sind gegenüber SSB eine noch gute Lesbarkeit bei einem schlechten Signal/Rausch Verhältnis. Die geringere Signalbandbreite verbessert dieses zusätzlich. In einer Kanalbreite für SSB können bis 20 QSO s in digitalen Betriebsarten gleichzeitig geführt werden.
Bevor auf einzelne Übertragungsverfahren detailliert eingegangen wird sind an dieser Stelle einige Betrachtungen nötig. Weil nur ein Übertragungskanal zur Verfügung steht erfolgt die Datenübertragung seriell. Dabei ist unwesentlich ob der Übertragungsweg simplex, duplex oder halbduplex ist. Auf einem Übertragungskanal können die Daten synchron, als auch asynchron übertragen werden. Ein in binärer Form vorliegendes Signal hat nur zwei Zustände 0 oder 1. Es gibt die Möglichkeit das Signal bei der Übertragung in mehrere Frequenzen zu zerlegen oder als Eintonsignal in der Phase zu ändern oder die Daten als Pakete nach festgelegtem Protokoll zu senden. In den folgenden Abschnitten wird auf einzelne digitalen Übertragungsarten detailliert eingegangen.
PSK (Phase Shift Keying) PSK ist eine digitale Betriebsart zum Übertragen von Texten. Sie wird vorwiegend auf den Kurzwellenbändern angewendet. Die Empfindlichkeit ist mit CW vergleichbar und die Bandbreite liegt bei richtiger Einstellung unter 50 Hz. TX und RX arbeiten in SSB. Es wird für alle Bänder USB eingestellt. Benötigt wird neben dem SSB-TRX ein PC oder Notebook mit Soundkarte und ein Interface, auf welches weiter unten noch eingegangen wird. Für PSK31 gibt es mehrere kostenlose bzw. preiswerte Programme. Das trug alles dazu bei warum sich PSK31 bei den Funkamateuren in den letzten Jahren immer größerer Beliebtheit erfreute. PSK31 kam Ende der Neunziger Jahre auf. BPSK steht für (Binary Phase Shift Keying) oder auch Binäre Phasenumtastung. Die Phasenverschiebung beträgt 180 Grad, also zwei Zustände.
Das BPSK-Signal Im Wasserfalldiagramm sieht man dieses Bild. Hier wird ein Ton verwendet. Dieser wird in der Soundkarte generiert und entspricht in der Frequenz dem Abstand von der eingestellten Frequenz im TRX zur Sendefrequenz. In diesem Fall ca. 730 Hz. Beispiel: Transceiver laut Bandplan auf 14.070 khz eingestellt. Mode: SSB, USB Die Sende-/Empfangsfrequenz beträgt 14.070.73 khz
Das BPSK-Signal Die Baudrate eines PSK31 Signals beträgt 31,25 Bd/sec Daraus ergibt sich eine Bitlänge von 1/31,25 = 32 Millisekunden. 0 bzw. low ist definiert als Phasenwechsel am Beginn des Bits. 1 bzw. high ist definiert als kein Phasenwechsel am Beginn des Bits. Einer BPSK31 0 folgt eine weitere 0 Bildquelle: [2]
Phasenwechsel Um die Oberwellen gering zu halten wird der Signalpegel im Phasenumkehrpunkt stark reduziert. Zusätzlich gibt es PSK63 und PSK125. Dabei wird die Baudrate und Übertragungsgeschwindigkeit jeweils verdoppelt bzw. vervierfacht. Dementsprechend vergrößert sich auch die Bandbreite. Bildquelle: [2]
Phasenwechsel Signalfolge 0-1 - 0 Bildquelle: [2]
Spezieller Zeichensatz (Varicode) Bei PSK31 handelt es sich um einen unprotokollierten Mode. Er verfügt nicht über eine Fehlererkennung oder eine Fehlerkorrektur wie z.b. RTTY oder PACTOR, benutzt aber statt dessen im Alphabet Zeichen variabler Länge. Selten vorkommende Zeichen sind lang (bis zu 10 Bits), häufig vorkommende Zeichen sind kurz. Durch die variable Länge der Zeichen (Zeitgewinn) ist es deshalb mit PSK31 sogar möglich, eine effektive Übertragungsrate von bis zu 50 Baud zu erreichen. Insgesamt umfasst die PSK31-Software für Windows 255 verschiedene ANSIZeichen, darunter auch die deutschen Sonderzeichen. Genauer Wortlaut unter: http://dl6qa.darc.de/psk31/psk31.htm
Im Amateurfunk wird auch noch QPSK verwendet. (Quadrature Phase Shift Keying) Wie der Name schon zeigt treten 4 Zustände ein. Die Phasensprünge betragen 0-90 - 180 oder 270 Grad. Es werden immer 2 Bits übertragen. 11 10 00 01. Vorteil: Baudrate und damit Bandbreite bleibt erhalten. Doppelter Datendurchsatz gegenüber BPSK. Nachteil: Sender und Empfänger müssen zwingend gleiches Seitenband benutzen. Fading und Interferenzen wirken sich stärker aus. Genaueres nachzulesen bei: http://de.wikipedia.org/wiki/quadraturphasenumtastung
Anforderungen an ein Interface - Audio und Steuerleitungen zwischen PC und TRX müssen galvanisch getrennt sein. - Regler zur Einstellung des NF-Signals zum Sender. - Regler zur Einstellung des NF-Signals zur Soundkarte (Wasserfallanzeige). - PTT-Steuerung über COM-Schnittstelle - ist betriebssicherer. - Es besteht die Möglichkeit die TRX-VOX anstelle einer PTT-Steuerung mittels COM-Schnittstelle zu verwenden. In diesem Fall kann das VOX-Signal aus dem in Richtung Sender führendem Audiosignal generiert werden. Problem: PC-Töne können den Sender unerwünscht auftasten. Für manche Funkgeräte gibt es in einschlägigen Fachgeschäften für Amateurfunk fertige Interfaces. In der Produktbeschreibung findet man auch die Einstellungen für diverse TRX s. Ich verwende das EZ1 an einem TS480SAT.
Grundlegende Einstellungen Die Sender-Ausgangsleistung darf zum Schutz der Endstufe höchstens 50% der maximalen CW-Ausgangsleistung betragen. NF- Kompressor ist auszuschalten. ALC-Meter sollte noch nicht ausschlagen. Bei Signaleinspeisung über den Mikrofoneingang eines SSB TRX müssen die Audiopegel so bemessen sein, dass eine Übersteuerung des Senders ausgeschlossen ist. Ein Übersteuertes Signal erzeugt Oberwellen und ist nur schlecht bis gar nicht lesbar.
BPSK31-Signale Bildquelle: [2]
Blockschaltbild Bildquelle: [2]
So kann ein Arbeitsplatz aussehen Bildquelle: [2]
Beispiel für ein Makro erstellt mit der Software: Ham Radio Deluxe v5.24. 0. 36 Release #++ # # Short CQ call, stops TX when all text sent. # #-# CQ DX CQ DX DE <my:callsign> <my:callsign> CQ DX CQ DX DE <my:callsign> <my:callsign> AR <stop> Zeichen hinter # am Beginn der Zeile sind zur Information. (grün) Zeichenketten in eckiger Klammern sind Platzhalter, welche durch Variable ersetzt werden. (blau) Vorprogrammierter Sendetext (rot)
Beispiel für ein Makro erstellt mit der Software: Ham Radio Deluxe v5.24. 0. 36 Release #++ # # Short CQ call, stops TX when all text sent. # #-# CQ DX CQ DX DE DH9KFC DH9KFC CQ DX CQ DX DE DH9KFC DH9KFC AR <stop> Zeichen hinter # am Beginn der Zeile sind zur Information. (grün) Zeichenketten in eckiger Klammern sind Platzhalter, welche durch Variable definiert werden. (blau) Generierter Sendetext (rot) wird so gesendet.
Und so hört es sich an CQ DX CQ DX DE DH9KFC DH9KFC AR
RTTY (Radioteletype) Ist eine asynchrone Betriebsart mit der Bezeichnung AFSK. Das bedeutet: Audio Frequency Shift Keying. Der Zeichensatz besteht aus 32 Zeichen zu je 5 Bit. Diesen vorangestellt ist ein Startbit und nachgesetzt ein Stopbit. Bildquelle: [7]
RTTY Damit wäre es nur möglich 26 Buchstaben zu übertragen. Deshalb wendet man einen Trick an. Von den 32 möglichen Zeichen funktionieren zwei als Steuerzeichen. Eines davon schaltet auf eine zweite Zeichenebene um. Diese beinhaltet die Ziffern und Zeichen. Und das zweite Steuerzeichen schaltet wieder auf die erste Ebene zurück. So können insgesamt 60 Zeichen übertragen werden. Diesen RTTY-Code nennt man Baudot-Code. Nachteil: Falls ein Steuerzeichen verloren geht werden alle folgenden Zeichen bis zum erneuten Empfang eines Steuerzeichens falsch dargestellt. Das Verfahren arbeitet ohne Fehlerkorrektur.
RTTY Die Bildung der Bitfolge geschieht beim Eingeben des Zeichens in das entsprechende periphere Gerät über Tastatur bzw. durch die verwendete Software in Form abgespeicherte Texte. Die Zustände 0 und 1 werden in Form von zwei Tonfrequenzen übertragen. Die höhere Frequenz nennt man Mark und die niedrigere Space. Die Frequenzdifferenz nennt man Shift. Diese beträgt auf KW 170 Hz und auf UKW 850 Hz. Die Fernschreibmaschine ist abgelöst. Hardwarevoraussetzung: SSB-TRX, PC, Soundkarte
RTTY
MFSK16 (Multitone Frequency Shift Keying) Ist eine asynchrone Betriebsart. Die Zeichen werden aus 16 verschiedenen Tönen im Abstand 15,625 Hz gebildet. Verwendet wird der Varicode zur Optimierung der Übertragung, wie schon unter BPSK erläutert. Bandbreite beträgt 316 Hz. Schmalband Sendeart vergleichbar mit Packtor und RTTY. Sehr effektive Fehlerkorrektur. Für DX Betrieb besser geeignet als BPSK da unabhängiger gegenüber interferenzbedingten Auslöschungen.
MFSK16 Eine Aussendung beginnt mit einem Einton-Signal, anschließend wird zwischen den 16 Tönen umgeschaltet. Erfordert hohe Frequenzstabilität zwischen TX und RX. Frequenzdifferenz sollte geringer als 5Hz sein. Falls vorhanden, AFC-Funktion der Software verwenden. Hardwarevoraussetzung: SSB-TRX, PC, Soundkarte. Näheres bei [4]
Olivia Ist eine asynchrone auf MFSK basierende Betriebsart. Decodiert noch Signale bis zu 15 db unterhalb des Grundrauschens. Geeignet für interkontinentale Funkverbindungen auch bei sehr niedriger Sendeleistung QRP. Genutzt wird eine geradzahlige Anzahl von Tönen zwischen 2 und 256. Je mehr Töne verwendet werden, desto mehr Datenredundanz ergibt sich. Dafür verringert sich der Datendurchsatz (WPM). Je mehr Töne desto höher die Bandbreite. Hardwarevoraussetzung: SSB-TRX, PC, Soundkarte. Näheres bei [4]
Packet Radio Ist eine synchrone Betriebsart genauso wie SSTV, ATV, Packtor und AMTOR. Hier werden die Zeichen nach bestimmten Regeln (Protokoll, AX.25) in Pakete verpackt und als Block gesendet. Diese Betriebsart ist vor allem für UKW geeignet. Auf der Kurzwelle bieten sich andere Alternativen. Auf Grund der vielen Störungen auf KW ist mit häufigen Wiederholungen und demzufolge von einem niedrigen Datendurchsatz auszugehen. Hardwarevoraussetzung: PC, TNC, TRX Näheres bei [4]
JT65 Ist eine synchrone Betriebsart. Ideale Betriebsart für QRP-Betrieb. Signal besteht aus 65 Tönen. Der Synchronisationston beträgt 1270,5 Hz. 64 weitere Töne beinhalten die Information. Genauigkeit der PC-Uhr muss auf 2 Sekunden stimmen. Eine Aussendung dauert 46,8 Sekunden. Maximal 13 Zeichen werden übertragen. Nur diese Information wird übertragen: CALL Rapport (in db) LOC (4 Stellen) Näheres bei [6]
Hell Das ist das erste erfolgreiche Direktdruck - Übertragungssystem und vergleichbar mit Fax. Die Buchstaben sind kleine Bilder in einem groben Raster. Störungen im Übertragungskanal können das Bild (Zeichen) verschlechtern aber nicht ganz unleserlich machen. Hier liegt der Vorteil gegenüber dem klassischen Fernschreiben. Bildquelle und Näheres bei [4]
Quellen: [1] Eckart K.W. Moltrecht DJ4UF Bücher: Amateurfunk-Lehrgang Betriebstechnik und Vorschriften und Technik [2] Clint Hurd KK7UQ und Dieter Flasch DC1NF http://www.darc.de/uploads/media/psk_grundlagen_v10_public_01.pdf [3] Fred Flakowski, http://dl6qa.darc.de/psk31/psk31.htm [4] http://www.darc.de/de/referate/hf/digitale-betriebsarten/ [5] DH1KAL: http://www.kolter.de/psk31.html [6] Autor: Joe Taylor, K1JT https://www.darc.de/uploads/media/digi-mode_jt65_vortrag_01.pdf [7] DL9HCG, Günter Lindemann, Kein Urheberrecht. Kostenfreie Verbreitung erwünscht
Für weitere Fragen zu diesem Thema bin ich an OV-Abenden oder unter email: dh9kfc(at)darc.de erreichbar. Kurt Hartmut Schramm DH9KFC Chemnitz, 20.März 2014