WSPR, JT65, JT9: Digitale moder av Nobelprisvinner K1JT for HF DX med enkelt utstyr. Sverre Holm, LA3ZA Hammeeting

Transkript

1 WSPR, JT65, JT9: Digitale moder av Nobelprisvinner K1JT for HF DX med enkelt utstyr Sverre Holm, Hammeeting

2 Alle kontinenter 0.2 Watt på én natt 7, 10 MHz 7, 10 MHz 10 MHz 21 MHz 14 MHz 10 MHz

3 Magien i radio Guglielmo Marconi James Clark Maxwell 3

4 Magien i digital signalbehandling: Fourier transform (DFT, FFT) 4

5 Fourier: MHz SDR Fra kap 7: Digital Signalbehandling 5

6 Magien i digital kodingsteori

7 QR kode med feil

8 For deg som er interessert i å sette deg inn i nye moder og metoder for kommunikasjon å forstå hvordan prinsipper fra signalbehandling og kommunikasjonsteori kan brukes av radioamatører å få DX kontakter som du ellers ikke får til å nå DXCC, 5 bånds DXCC, WAS, uten å måtte investere i masse nytt utstyr 8

9 Innhold Praktisk: WSPR, JT65, JT9 hva man kan oppnå, hvilke programmer å bruke: 1. K1JT digitale moder 2. WSPR 3. JT65 på HF 4. Feilkorrigerende koder Litt tyngre: Kodingsteori; Reed Solomon, konvolusjonskoder 5. JT9 6. Hvordan komme i gang 9

10 Ultimate 3: Testing med dummy load 10

11 4 måter for å kjøre mer DX 1 11

12 4 måter for å kjøre mer DX 2 LA2AB, Tråkka, Sandvika 12

13 4 måter for å kjøre mer DX 3 Smalere båndbredde 13

14 Hvor lav båndbredde er mulig? 10 MHz, Dopplerskift i ionosfære, vertikal ionosonde Xiao et al, Application of the HF Doppler observations to the study of spread F, Chin. Journ. Geophys, 2012 ZL1BPU: Spredning: < 1 Hz pr MHz Mer ved tilbakespredte signaler Mer omkring soloppgang og solnedgang Masse ved solutbrudd 14

15 4 måter for å kjøre mer DX 4 Retransmisjon name? pse agn Krever 2 veis link Redundans CW: name is sverre sverre Phone: Sierra Victor Echo Romeo Romeo Echo Forward error correction (også 1 veis link) 15

16 1 veis 16

17 1. K1JT digitale moder 17

18 Digitale moder ved K1JT JT65A/JT65/JT65 HF JT65 (2003) Egentlig for ekstremt svake og langsomt varierende signaler, slik som ved troposcatter eller EME JT65 HF QSO på HF med JT65 fra 2006/2007 WSPR laveffektsmode for å teste propagasjon på MF og HF JT9 for LF, MF men brukes også på HF 18

19 Nobelpris i fysikk 1993 Joseph Hooton Taylor jr. (f i Philadelphia) Radioastronom Professor ved Princeton University fra 1986 Nobelpris i fysikk med Russell Hulse Oppdagelsen av binære pulsarer: åpnet for nye muligheter for studiet av gravitasjon 19

20 Binære pulsarer Roterende nøytronstjerne, sender ut alt fra radiostråling til gammastråling. Bare noen km i diameter og ekstremt kompakte. Rotasjonshastighet er opp til 700 per sekund. Binær pulsar omtrent like stor nabo som ligger bare noen få jord måne avstander unna Avstanden faller langsomt pga utsendelse av gravitasjonsbølger Første eksperimentelle påvisning av gravitasjonsbølger Bekrefter Einsteins generelle relativitetsteori 20

21 2010 ARRL Technical Excellence Award Winner: K1JT 21

22 JT9: K1JT 22

23 2. WSPR 23

24 WSPR Weak Signal Propagation Reporter 2008 The WSPR protocol is designed to do just one thing, and do it very well Ingen QSO, men beacon Velegnet for Vurdere propagasjon Sammenligne antenner F6ECI: 0.5 W est équivalent à 1Kw Pep SSB 24

25 WSPR Standardmelding: callsign + 4 digit locator + dbm: JO59 23 (23 dbm = 0.2 W) Etter tapsfri kompresjon 50 bits totalt: 28 bits for callsign utnytter at 3. posisjon er siffer etc 15 bits for lokator (2 bokstaver + 2 tall) 7 bits for effektnivå 25

26 Moderne digital kommunikasjon 26

27 WSPR Forward error correction, konvolusjonskode: 50 bit blir til 162 bit Nøklingsrate = baud Modulasjon: kontinuerlig fase 4 FSK FSK: robust, men ikke så effektiv på båndbredde Toneavstand Hz, totalt: ca 6 Hz 27

28 WSPR Varighet av sending 162/1.4648= s Sending starter ett sekund inn i liketallsminutt: hh:00:01, hh:02:01 Også utvidet format som bruker to 2 minuttsperioder /P eller G/ og JO59fu 28

29 Koding 1. Message: K1ABC FN42 37 Source encoded message (50 bits, hex): F7 0C 23 8B 0D data symbols: The data symbols are combined with an equal number of synchronizing symbols, a pseudo random pattern of 0 s and 1 s. Sync symbols: Data information is taken as the most significant bit, sync information the least significant. Thus, on a 0 3 scale, the tone for a given symbol is twice the value (0 or 1) of the data bit, plus the sync bit. Channel symbols =

30 WSPR frekvenser [m] MHz +/100 Hz [m] MHz +/100 Hz

31 WSPR program For å se hvor du blir mottatt: lister eller kart For å sende med egen SSB transceiver og sende mottatte signaler til wsprnet: ml 31

32 To begin normal operation, clear the Idle checkbox. Still RF gain til ca RX Noise: 0 db 32

33 Samtidig på WSPRnet 33

34 PC klokke Avhengig av synk på sekundet Hvis klokka er feil: Ser stasjoner på display, men ingen dekodes! Klokka må stilles daglig Alternativt: Meinberg NTP timekeeping software. NTP = Network Time Protocol 34

35 Meinberg NTP timekeeping software 35

36 20 sep 2012: 30m 36

37 Over dammen 28 sep 2012: 30m 37

38 Wow! 5 des 2012: 30m 38

39 5 bånd: 14, 18, 21, 24, 28 MHz 39

40 60 m WSPR 23. jan

41 27 jan 2015: 30m 41

42 Båndbredde på 1 2 Hz Bare mulig med Fourieranalyse og digital signalbehandling FFT = Fast Fourier Transform Software definert mottaker (SDR) på audionivå som prosesserer 200 Hz 42

43 Mathematics of computation, pp , 1965, American Mathematical Society 43

44 3. JT65 på HF 44

45 WSJT program 2001: FSK441 for meteor scatter 2002: JT44 for EME 2002: JT6M for MS, ionoscatter on 6 m 2003: JT65 for EME, with FEC 2005: JT65 Deep Search decoder; Open Source release 2006: Linux and FreeBSD versions; many algorithmic improvements 45

46 JT6M JT6M, introduced in late 2002, is intended for meteor scatter and other ionospheric scattering of signals, and is especially optimized for the 6 meter band. Multiple frequency shift keying, but at 44 tones. One of the tones is a synchronization tone, leaving 43 tones to carry data (one tone per character in the character set, which includes alphanumerics and some punctuation). The symbol rate is baud; the actual data rate as encoded for transmit is 14.4 characters per second. The mode is known for sounding "a bit like piccolo music". 46

47 JT65 JT65, developed and released in late 2003, is intended for extremely weak but slowlyvarying signals troposcatter or Earth Moon Earth (EME, or "moonbounce") 47

48 JT65 JT65 has sub modes JT65a, JT65b and JT65c The tone spacing is twice as wide on b as a and twice as wide again on c. The wider spacing makes the mode more tolerant of frequency drift and frequency instability introduced by propagation The wider spacing increases the noise seen and thus the probability that any one bin might give a false detection. Mode a is around 1 db more sensitive than mode b and 2 db more sensitive than mode c. 6 m JT65a 2 m JT65b 70 cm JT65b 23 cm JT65c VK VHF DX: JT65: Reports and Procedures in VK ZL Proc.pdf 48

49 JT65 for HF Operators have also begun using the JT65 (A) mode for contacts on the HF bands, often using QRP (very low transmit power); while the mode was not originally intended for such use, its popularity has resulted in several new features being added to WSJT in order to facilitate HF operation. 49

50 JT65 Program WSJT "Weak Signal Communication by K1JT (2001) JT65 = JT65A 65 toner spredd ut over 175 Hz (MFSK) Forward error correction (or "FEC") Reed Solomon. JT65A = JT65 HF QSO på HF Fast format: JO59 Maks 13 tegn i fritt format Tidssynkronisering innenfor 1 sek 60 sek = 48 sek sende så 12 sek stille Extremt effektivt for svake signaler DX med dårlig antenne og lav effekt db gain over CW Reversbeacon og propageringskart 64 toner + 1 pilottone MAP65 bredbånds mottaker for JT65 signals. 50

51 JT65B vs WSPR Er: 65*2.69 ~ 175 Hz 4*1.46 = 5.84 Hz Joe Taylor, K1JT, Quest for Optimum Coding and Modulation Schemes for EME, 13 th International EME Conference: Florence, August 8 10,

52 J Taylor, K1JT, The JT65 Communications Protocol, 52

53 pilottone 53

54 54

55 55

56 12 mai meter 56

57 PSKreporter 30 Mar m 57

58 :35 40m 58

59 Logbook Of The World 59

60 WSJT X: JT65 og JT9: vindu 1 JT65 JT9 over 2500 Hz 60

61 WSJT X: JT65 og JT9: vindu 2 61

62 WSJT X K1JT web: Lyd inn/ut fra PC < > K3, bruk USB eller DATA Bruk VOX FM roofing filter for å få 4 khz båndbredde: JT65 og JT9 Triks: Nøyaktig klokke AGC off, bruk RF Gain til å sette nivå 62

63 Frekvenser for JT khz 3576 khz 7039 (7036), 7076 khz khz khz khz khz khz khz All frequencies referenced as dial reading in USB mode. 63

64 Følsomhet WSPR 11+ db over CW, 30 db over SSB: 1W > 1kW? JT65B 6+ db over CW JT65A 1 db over JT65B: 7+ db bedre enn CW JT65: Nok med s mottak pr sending kan gi dekoding Joe Taylor, K1JT, Quest for Optimum Coding and Modulation Schemes for EME, 13 th International EME Conference: Florence, August 8 10,

65 I forhold til PSK31 etc Just the Contact, Nothing More JT65 Mode QSOs K9ZW blog, June 2012 Når du ikke vil ragchewe, men klarer deg med 599 TU 65

66 4. Feilkorrigerende koder 66

67 Feildeteksjon feilkorreksjon Paritet Hamming Reed Solomon JT65 + 2D bar kode, 2xR S: CD, Voyager Konvolusjonskoder WSPR, JT9 + GSM, DAB Kombinert (concatenated) koding: konvolusjon ytterst, R S innerst: DAB+ 67

68 Paritet: deteksjonavénfeil Melding Sendt med like paritet Tell antall1 ere Like (even): hvis antall er like: paritetsbit = 0 Odde (odd): hvis antall er odde: paritetsbit = 1 68

69 (7, 4) Hammingkode korriger én feil Melding, Sendt sjekkbit (plass 5) er like paritet for bit 2, 3 og 4 2. sjekkbit er like paritet for bit 1, 3 og 4 3. sjekkbit er like paritet for bit 1, 2 og 4 William A. Huber, Error Correcting Codes, Spring

70 (7, 4) Hammingkode Dekoding I et korrekt overført ord: De bit ene som er summert + deres paritet skal alltid summere til 0: Bit = 0 Bit = 0 Bit = 0 Melding Sendt Med én feil kan man se hvilken bit og korrigere den 70

71 (7, 4) Hammingkode Feilkorreksjon Error => One or more of these checksums is one. Possible to fix, assuming only one bit of the seven was altered For the (7,4) Hamming code, we have three checksums. At least one of them is a one when an error has occurred. This gives seven possible sequences: 001, 010, 011, 100, 101, 110, 111. Each of these can be read as a binary number, giving values ranging from 1 through 7. The binary value tells us the location of the bit that changed. For example, suppose we want to transmit 0110 => encoded as Received: Checksums: 1, 0, 0 That's a four, telling us the fourth bit is incorrect. So we flip it back to a 0, drop the three check bits, and record a 0110 as having been received. 71

72 Reed Solomon kode Send 3 og 5 Punkter på linje: Kanalen har drop outs, så send to punkter til: Michael Mitzenmacher, Codes: How to Protect Your Data Kan alltid rekonstruere linjen hvis to mottas mitzenmacher.pdf 72

73 Reed Solomon I. Reed, G. Solomon, "Polynomial Codes over Certain Finite Fields", J. Soc. Industrial Applied Mathematics (SIAM), 1960 k te ordens polynom Artig egenskap ved drop outs: trenger bare motta k symboler (k=2 ieks) feilfritt Anvendelser der retransmisjon er umulig: CD, 2D barcode, Voyager 73

74 Dekodingsalgoritmer B = B M = Berlekamp Massey algoritmen: Berlekamp, Elwyn R. (1967), Nonbinary BCH decoding, Int. Symp. Information Theory, Italy Massey, J. L. (1969), "Shift register synthesis and BCH decoding", IEEE Trans. Information Theory K = K V = Kötter Vardy algoritmen: Kötter, R., & Vardy, A. (2003). Algebraic soft decision decoding of Reed Solomon codes. IEEE Trans. Information Theory. Patentbeskyttet lov å bruke i JT65, men uten kildekode Deep Search: Basert på database over aktive kall og sammenligning med det som ligner mest. Kontroversiell. Er dette er en reell QSO? Ikke i bruk på HF 74

75 Konvolusjonskoder Eksempler: WSPR m = 50 bit JT9 m = 72 bit (som JT65) Kodes med k=32 (constraint length), rate r=1/2 For hvert av de m bits kjør et binært FIR filter: Utgang er basert på siste k=32 bits. Utgangen for hver input verdi er 1/r = 2 bit lang Lengde WSPR: (m+k 1)/r = ( )*2 = 162 bit JT9: (m+k 1)/r = ( )*2 = 206 bit Dekodes med Viterbi eller Fanoalgoritmen 75

76 76

77 5. JT9 77

78 JT9 HF og lavere Ca 2 db mer følsom enn JT65A Bruker < 10% av båndbredden JT9 1, JT9 2, JT9 5, JT9 10 og JT9 30 trenger 1, 2, 5, 10 og 30 min pr sending Minimal QSO med JT9 1 tar 4 6 min: 2 eller 3 sendinger pr stasjon 78

79 JA6QV 30m 79

80 WOW! QSO K1JT 100 Hz sidebånd and 100 hz ghosts.html 80

81 JT9 fra 81

82 JT9 1 Omtrent samme melding på 72 bit som JT65 Konvolusjonskode til 206 bit 9 FSK: 1 pilottone for synk, 8 bit for data Hvert symbol tar 0.58 sek Toneavstand Hz Signalbåndbredde 9* Hz 82

83 6. Hvordan komme i gang 83

84 Kom i gang med WSPR 1. Bare tx: G0UPL WSPR/QRSS sender + GPS: labs.com 2. Transceiver for tx + rx for å rapportere andre: 2 veis audiointerface mellom PC og radio Lav effekt: 5W er mye K1JT WSPR program Meinberg NTP (Network Time Protocol): 3. For å se hvor du blir mottatt: lister eller kart 84

85 Kom i gang med JT65 og JT9 Last ned WSJT X Sjekk din sending på 2 veis audiointerface mellom PC og radio VOX og 2 4 khz båndbredde Lav effekt: <10 Watt er som regel nok Nøyaktig tid på PC Meinberg NTP (Network Time Protocol): 85

86 Sverre Holm, Blogg: 86