Digitale Modi


Modem vs. Soundkarte

Komperator Schaltplan des Modems

Das Modem verwende ich für SSTV, RTTY und WeFAX (Schaltplan bitte auf das Symbol klicken). Als OPV wird ein CA-3240 verwendet. Dieser Typ hat einen sehr geringen Offsetfehler, somit kann ein Abgleichpoti entfallen. Die Eingangsschaltung wurde durch einen Begrenzer geschützt, die Stromversorgung erfolgt über die serielle Schnittstelle des PC.
Zur KEY/AFSK-Tastung durch das COM-Signal DTR wurde noch ein weiterer Transistor eingesetzt.


Anschluß des Kenwood TS-870 über ACC2 an die Soundkarte und den COM-Port zur PTT-Steuerung
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SSTV

SSTV gehört zu den schmalbandigen Betriebsarten. Das Signal wird im Uplink in LSB gesendet, der Downlink wird in USB empfangen. Es wird also nur ein Seitenband benutzt, die Bandbreite ergibt sich aus der Differenz der höchsten und der niedrigsten NF-Frequenz. Alle Bildinformationen werden im NF-Bereich kodiert, die untere Frequenz für Schwarz liegt bei 1,5 KHz, die obere Frequenz für Weiß bei 2,3 KHz, Zeilen- und Bildsynchronsignale liegen bei 1,2 KHz. Rechts ist das NF-Spektrum eines SSTV Signals zu sehen.
Somit ergibt sich eine effektive Bandbreite von 1,1 KHz. Eine hervorragende Quelle für theoretische Betrachtung ist hier: http://www.qsl.net/do2uf/sstv/ss-sstv.html


SSTV-Frequenzen
80m       3730  ... 3740 kHz
40m       7035  ... 7045 kHz
20m       14225 ... 14235 kHz
15m       21335 ... 21345 kHz
10m       28675 ... 28680 kHz

DL8AC EA3ACX HR1LW IK6FBG IT9SAS LU3CP

ein paar schöne SSTV - Bilder der letzten Jahre

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Die SSTV-Modi

Die Übertragungsdauer eines Bildes ist vom gewählten Modus abhängig. Die in der Praxis am häufigsten angewendeten sind hier dargestellt.

Modus      Farbe  Zeit[s] Zeilen
--------------------------------------
Robot 36     YC    36      240    
Robot 72     YC    72      240    
Martin M1   RBG    114     240 
Martin M2   RGB    58      240 
Scottie 1   RGB    110     240 
Scottie 2   RGB    71      240 
Scottie DX  RGB    269     240 

Martin-Modi sind eine Entwicklung von Martin H. Emmerson, G3OQD. Es ist in Europa sehr stark verbreitet. Die Scottie Modi sind von GM3SBC entwickelt worden, sie werden oft in den USA und bei DX-Verbindungen eingesetzt. Beide Modi sind Free-Run Modi.
Die Robot Farbmodi sind von ROBOT RESEARCH, INC. San Diego CA9211 entwickelt worden. Robot36 wurde z.B. auch für die SSTV-Aussendungen von der Raumstation MIR benutzt, da ein komplettes Bild in 36 Sekunden übertragen ist.

Klangbeispiel
Mode
Auflösung
Bildformat
(Pixel x Zeilen)
Breite : Höhe
Farbe

Martin M1
320 x 256
320 x 256
4:3
RGB

Scottie S1
320 x 256
320 x 256
4:3
RGB

ROBOT 36
320 x 240
320 x 240
4:3
VUY
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SSTV über Amateurfunk-Satelliten

NF Spektrum SSTV Signal Scottie

Zur QSO Praxis über Satelliten eignen sich natürlich nur "schnelle" Bilder. Der Kompromiss liegt hier zwischen Qualität und Informationsgehalt. Je nach Orbit des Satelliten ist eine häufige Korrektur der Frequenzen (Dopplerkorrektur) notwendig. In langsam übertragenen Bildern sind diese Korrekturen durch Farbsprünge sichtbar.

So klingt ein schwaches SSTV Signal im Modus Robot 36 über den FO-29 Transponder

Bei niedriger Elevation (kaum Dopplerkorrektur notwendig) kann man auch Modi wählen, die etwas mehr Zeit für eine Bildübertragung benötigen. Meist sind dann aber auch die Feldstärken geringer und die Auswirkung von Störungen im Bild direkt sichtbar.


SSTV FO-29 Martin 1 SSTV FO-29 Martin 2
Mode Martin 1                               Martin 2 
SSTV FO-29 Scottie DX SSTV FO-29 Robot 72
Mode Scottie DX                             Robot 72 

Die Bilder wurden am 10.05.2005, über FO-29 in LSB gesendet (Downlink USB). Der Satellit war etwa 2700 km entfernt.
Man kann sehr deutlich die Qualitätsunterschiede zwischen den verschiedenen Modi erkennen. Die besten Ergebnisse erreicht man mit Scottie DX, allerdings braucht das Bild fast 5 Minuten.


HELLSCHREIBEN

FELD-HELL über FUJI OSCAR 29

Eine weitere sehr schmalbandige Betriebsart ist Hellschreiben. Die zu übertragenen Zeichen werden nicht kodiert, sondern Pixel für Pixel übertragen - jeder Pixel für 8 ms, ein komplettes Zeichen in 0,4 s.
Rudolf Hell entwickelte das Verfahren um 1930. Von Siemens wurde es als als "Feldhell-Gerät" zu militärischen Zwecken weiter entwickelt.

Feld-Hell FO-29

RTTY

NF Spektrum RTTY Signal

Bei der Betriebsart RTTY handelt es sich ein Verfahren welches es ermöglicht ein Fern- schreiben per Funk, also drahtlos zu übertragen. Dabei handelt es sich um eine digitale Betriebsart in welcher die Zeichen als asynchroner serieller Bitstrom nach dem Baudot-Code übertragen werden. Um Informationen als Fernschreiben zu übertragen ist es notwendig dem Funksender die Daten mittels FSK bzw. AFSK zu zuführen und dem Träger aufzumodulieren . Auf der Empfängerseite wird das Signal entsprechend wieder demoduliert. Für die digitale Funkübertragung hat man die 32 Zeichen der Tastatur in 32 verschiedene 5-Bit-Zeichen aus 0 und 1 gewandelt (kodiert). Ein einzelnes RTTY-Zeichen besteht aus 1 Start-, 5 Informations- und 1,5 Stopschritten. Die beiden Zustände 0 und 1 werden in Form von zwei Frequenzen übertragen. Die höhere Frequenz nennt man Mark und die niedrigere Space. Die Frequenz wird zwischen dem Space (1275Hz) und Mark (1275Hz+ Shift) umgetastet. Der Shift beträgt auf UKW meist 850Hz, auf Kurzwelle meist 170Hz.

Typische Übertragungsraten beim Funkfernschreiben sind 45 (im Amateurfunk), 50, 75, 100, 150, 200 Baud bei kommerziellen Diensten. Theoretisch können die Übertragungsraten je nach der zur Verfügung stehenden Bandbreite zwischen einigen 10 und einigen 1000 Baud liegen.

Obwohl es heute bezüglich der Übertragungssicherheit, -geschwindigkeit und Flexibilität schon effizientere digitale Betriebsarten gibt, erfreut sich RTTY nach wie vor großer Beliebtheit.

FSK (Frequency Shift Keying)
Digitale Übertragungsarten nutzen die Frequenzumtastung. Den Zuständen L und H entsprechen dabei zwei Sendefrequenzen. Diese und/oder die hierzu gehörenden Niederfrequenzen nennt man Kennfrequenzen. Die niedrigere Sendefrequenz entsprechend L heißt Space, die höhere entsprechend H heißt Mark. Als Shift bezeichnet man die Differenz zwischen Mark und Space.

RTTY -Amateurfunkfrequenzen
160m     1838  ... 1843 kHz
80m      3580  ... 3590 kHz und 3600 ... 3620 kHz
40m      7035  ... 7045 kHz
30m      10140 ... 10150 kHz
20m      14070 ... 14089 kHz
15m      21080 ... 21100 kHz
12m      24920 ... 24929 kHz
10m      28050 ... 28120 kHz

PSK31

NF Spektrum HELL Signal

PSK31 ist eine Entwicklung von G3PLX, dem Erfinder von Amtor, der eine Idee von SP9VRC neu aufgegriffen hat. Ein 1000 Hz Ton wird nicht in der Frequenz umgetastet, wie bei RTTY oder Pactor-1, sondern er wird phasenmoduliert. Auf diese Weise kann eine extrem geringe Bandbreite erreicht werden. Bei der Frequenzumtastung von bspw. 170 Hz muß zu diesem Betrag, noch die Baudrate der Übertragung hinzuaddiert werden, um die notwendige Bandbreite zu erhalten. Bei einer Phasenmodulation eines Tones benötigt man eine Bandbreite von nicht viel mehr als der Baudrate, bei PSK31 sind das 31,25 Hz.

Bei PSK31 handelt es sich um einen unprotokollierten Mode, d.h. es gibt keine Fehlererkennung und -korrektur, wie z:b: bei PACTOR. Die übertragenen Zeichen eine variable Länge, wobei die häufig vorkommenden Zeichen kurz sind. Damit ergibt sich eine effektive Übertragungsrate von ca. 50 Baud, was etwa RTTY entspricht.

PSK31-Amateurfunkfrequenzen
160 m     1838.15 kHz
80 m      3580.15 kHz
40 m      7070.15 kHz und 7035.15 kHz
20 m      14070.15 kHz
15 m      21080.15 kHz
10 m      28070.15 kHz und 28120.15 kHz

PSK31 über FUJI OSCAR 29

PSK31 FO-29

Auch für PSK31 sind sehr geringe Leistungen notwendig. Ich habe mit ca. 5 Watt das Signal bis zum LOS des Satelliten lesen können (4000km Entfernung !)

Nähere Informationen über PSK31 sind unter den folgenden Links zu finden :
http://www.qsl.net/wm2u/psk31.html
http://aintel.bi.ehu.es/psk31.html

Als Software benutze ich zur Zeit WinPSK. Das aktuelle File ist zu finden unter WinPSK:

http://www.innermedia.webservepro.com/WinPSKSE/winpskse223.exe
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PACKET

Bandbreite AFSK-Modulation

Bei der heute in PACKET (Radio) ueblichen AFSK-Modulation wird ein niederfrequenter Hilfstraeger mit dem Digitalsignal frequenzmoduliert (Erzeugung und Modu- lation dieses Hilfstraegers macht der Modem-Chip) und in den Mikrofonein- gang des Senders eingespeist. Dort wird das Sendesignal mit diesem modu- lierten Hilfstraeger frequenzmoduliert. Es liegt also eine Doppel-Modulation vor, bei der ein moduliertes Signal selbst wieder ein anderes moduliert. Dieser Umstand wird aber in Kauf genommen, weil man so die normalen Sprechfunkgeraete ohne jeden Eingriff verwenden kann. Der modulierte Hilfstraeger wird zwischen 1200 Hz und 2200 Hz umgetastet. Man kannsich seine Mittenfrequenz also bei (1200 Hz + 2200 Hz)/2 = 1700 Hz vorstellen. Diese wird mit einem Frequenzhub h von +/- 500 Hz frequenz moduliert.

Mit der Carson-Formel B = 2*(h + fm) kann die Bandbreite berechnet werden. Der Frequenzhub h betraegt 500 Hz (siehe oben) und die Modu- lationsfrequenz fm = 600 Hz bei 1200 Baud (Zeichenfolgefrequenz = halbe Baudrate; Nyquistkriterium). Eingesetzt in die Carson-Formel erhaelt man eine Bandbreite B = 2200 Hz. Diese ist symmetrisch um die Mittenfrequenz 1700 Hz angeordnet. Damit errechnet sich die tiefste Frequenz zu 1700 Hz - B/2 = 600 Hz und die hoechste zu 1700 Hz + B/2 = 2800 Hz. Das verwendete Funkgeraet benoetigt also einen NF-Frequenzgang von 600 Hz bis 2800 Hz, um die 1200 Baud-AFSK einwandfrei uebertragen zu koennen.

Anmerkung: Als "Carson-Bandbreite" bezeichnet man die Bandbreite eines FM-Signals, in der 99% der Gesamtleistung enthalten sind.

Die HF Bandbreite berechnet sich nach der Carson-Formel, da es sich um eine Frequenzmodulation des HF-Sendesignals handelt. Mit einer oberen Modulationsfrequenz fm = 2,8 kHz (siehe oben) und dem in FM ueblichen Frequenzhub h = 4 kHz ergibt sich eine HF-Bandbreite von B = 13,6 kHz. Diese passt einwandfrei 'durch' die ueblichen Quarzfilter mit 15 kHz Bandbreite, so dass eine verzerrungsfreie Demodulation moeglich ist.


Bandbreite FSK-Modulation

NF Spektrum PACKET HF Signal

Im Gegensatz zur AFSK wird hier kein Hilfstraeger mit den Datan moduliert sondert gleich das HF-Sendesignal. Es liegt also keine Doppelmodulation mehr vor. ZurBerechnung der Bandbreite wird wieder die Nyquistfrequenz fn herangezogen; dies ist die hoechste im Datenstrom enthaltene Frequenz. Natuerlich hat das Datensignal aufgrund seiner steilen Recheckflanken eine wesentlich groessere Bandbreite als fn; diese Oberwellen koennen aber auf der Senderseite ohne Verlust an Information mit einem Tiefpass wegge- filtert werden, womit das Signal auf fn bandbegrenzt ist. fn stellt so gleichzeitig die noetige obere Grenzfrequenz auf der NF-Seite dar. Zur Erzeugung der FSK ist kein Modem erforderlich. Vielmehr wird das Datensignal vom TNC nach der Tiefpassfilterung auf Nyquistbandbreite direkt zur Modulation des Senders verwendet. Empfangsseitig ist hinter dem Demodulator eine Entscheiderstufe (Schwell wert) erforderlich, womit die Flanken des Datensignals regeneriert werden.

fn ist halb so gross wie die Baudrate. Fuer 4800 Baud ergib sich fn = 2400 Hz. Nach der Carson-Formel B = 2*(fn + h) beträgt die HF-Bandbreite bei einem Hub von h = 4 kHz : B = 12,8 kHz. Diese Bandbreite ist kleiner als fuer 1200-Baud-AFSK (B = 13,6 kHz).
Der Uebergang von der AFSK- auf die FSK-Modulation gestattet also eine Vervierfachung der Baudrate, wobei man sogar mit kleineren Bandbreite auskommt! Die 4800-Bau-FSK sind also mit den ueblichen 15-kHz-ZF-Filtern muehelos uebertragbar!
Noch deutlicher wird der Vorteil der FSK bei 9600 Baud: Mit einer Nyquistfrequenz von 4,8 kHz betraegt die HF-Bandbreite bei 5 kHz Hub (ein Hub von 4 kHz ist bei einer NF-Grenzfrequenz von 4,8 kHz etwas knapp bemessen) B = 19,6 kHz. Mit einer ZF-Bandbreite von 20 kHz (Standard- Quarzfilter) sind also 9600 Baud uebertragbar.

Auf Kurzwelle wird PACKET mit einer Geschwindigkeit von 300 Baud übertragen. Die Modulationsart ist FSK, im einfachsten Fall wird ein SSB-Sender mit einem von zwei verschiedenen NF-Tönen moduliert. Die Shift beträgt 200 Hz.

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