PSK-Hell a FM-Hell




V průběhu sedmdesáti let existence Hellschreiberu vzniklo několik opravdu nových myšlenek, které znamenají skutečný průlom v užití principů Hell. PSK-Hell a FM-Hell, nedávno vyvinuté ve spolupráci Murray ZL1BPU a Nino IZ8BLY, mohou být řazeny mezi nejlepší z nedávných inovací.


PSK-Hell v módu 105 Baud

Tato stránka pojednává o čtyřech rozdílných módech které jsou si v mnoha směrech velmi podobné. Ve skutečnosti používají stejnou přijímací techniku ( kvadraturní demodulátor, typ fázového detektoru). Jsou to dvě rozdílné přenosové techniky, PSK a MSK, a jsou použité dvě přenosové rychlosti, 105 Baud a 245 Baud. Naskýtá se otázka "Co se stalo s rychlostí 122.5 Baud používanou Feld-Hell ?". Inu, ve skutečnosti jsou nové přenosové rychlosti úplně kompatibilní, a my jen potřebujeme vysvětlit jak je to možné.

Módy Hell Baud Šířka pásma Rychlost
Feld-Hell 122.5 450 Hz 25 WPM
PSK105
FM105
105
105
105 Hz
55 Hz
25 WPM
25 WPM
PSK245
FM245
245
245
245 Hz
123 Hz
25 WPM
25 WPM

105 Baud

Nejdříve se podíváme na mód 105 baud, který byl navržen k zachování minimální šířky pásma klíčování. Každý znak přenosu PSK105 nebo FM105 Hell je zobrazen jako série bodů v matici, právě tak, jako Feld-Hell, ale matice je pouze 7 x 6, sedm sloupců z šesti bodů (42 teček) nebo lepších 7 x 7 (49 teček). Tato redukce v bodech na sloupec dovoluje snížit přenosovou rychlost (105 Baud) pro stejných 17,5 sloupců/sec sloupcové rychlosti a textové rychlosti stejné jako u Feld-Hell (105 = 122.5 x 6/7). Body jsou vysílány jeden po druhém, ve stejném pořadí jako ve Feld-Hell, ale dosti odlišným způsobem.

Velmi důležitý je fakt, že rychlost kterou jsou přenášeny textové sloupce je stejná jako u Feld-Hell, a ačkoli šířka pásma a textové rozlišení je zmenšena, mód je rychlostí kompatibilní s jinými 122.5 Baud technikami. Jiná otázka je, že s ohledem na povahu modulační techniky není použitelný trik "poloviční pixel" užívaný v Feld-Hell. Jak můžete vidět z výše zobrazeného příkladu, text určitě není tak pěkný jako 122,5 Baud přenos Feld-Hell. Je potřeba používat speciální font.

245 Baud

Samozřejmě 245 Baud mód bude dvakrát jak široký a mít dvojnásobné rozlišení oproti 122.5 Baud módu. To je důvod, proč je v PSK-Hell a FM-Hell módu obnoveno úplné rozlišení. Zase je zde sloupcová rychlost 17.5 sloupců/sec, která zajistí slučitelnost s Feld-Hell - font jednoduše má 14 bodů/sloupec namísto sedm. Není potřeba použít trik "poloviční pixel" , protože u 98 bodové matice je dosažitelné úplné rozlišení i šířka pásma. Může být použit standardní Hell font a dokonce font Windows, bez nějaké změny v šířce pásma signálu!


PSK-Hell v 245 Baud módu (20m DX)

PSK-Hell

Jako v PSK31 a jiných PSK módech, tak i v PSK-Hell jsou data (spíše než v amplitudě), zakódovaná ve fázi nosné. Protože není nikdy možné u HF přenosu znát absolutní fázi, když je signál přijat, a fáze je ustavičně proměnná kvůli ionosférickým účinkům, není možné vymezit bílé body jako jednu fázi a černé body jak jinou. V důsledku toho užíváme techniku nazvanou Differential Phase Shift Keying, která spoléhá na zjištění změn ve fázi . Na začátku každého bodu je fáze obrácena, jestliže bod je bílý, a změněna jestliže bod je černý. Přenesená fáze zůstává stálá, až do přenosu dalšího bodu. Tak přijatá fáze signálu potřebuje pouze zůstávat přibližně stálá po čas jednoho bodu, protože je to pouze rozdíl, který se hledá, ne absolutní fáze. Toto dělá mód poměrně necitlivý k náhodným ionosférickým změnám fáze (takzvaný "ionosférický Doppler").

PSK-Hell není schopný přenášet "šedé" body, ani není schopen poslat "poloviční pixel" body, protože změna ve fázi může být udělána pouze v míře, kterou přijímací detektor fáze očekává. Ovšem při rychlosti 245 Baud všechny body působí jako "poloviční pixel".

Když se přepíná fáze nosné, klíčování může produkovat velmi silná postranní pásma, stejná, jako kdyby byl vysílač skokově zapínán a vypínán. Vyhnout se tomuto problému, znamená přenášený signál také amplitudově přizpůsobit kosinusovým tvarováním, stejně jako v nejlepších Feld-Hell systémech, a v PSK31. Tím se v okamžiku, když nastává změna fáze, zmenší výkon vysílače na nulu.

Zde je oscilogram řetězce PSK-Hell "bodů". Všimněte si, jak je fáze každého bodu odlišná od předcházející, a že body jsou pečlivě tvarovány.


Několik bodů PSK-Hell

Každý z těchto shluků je jeden bod nebo tečka. Tónová frekvence je 980 Hz, stejná jako použiívá Feld-Hell, a jak můžete vidět, body jsou úplně stejné, kromě toho, že každý druhý je převrácen vertikálně, což způsobuje fázovou změnu 180°. Tvarování (výrazně kosinusová obálka) způsobuje zmenšení přenosové šířky pásma. S touto technikou je signál široký pouze 105 Hz (nebo 245 Hz) , a ve skutečnosti (viz níže ) má spektrum skládající se pouze ze dvou oddělených nosných s mezerou 105Hz (nebo 245 Hz) na obě strany od 980 Hz. Toto zvýšené kosinus tvarování má přesně stejné potlačení nosné, jako DSB modulace sinusovou vlnou 105 Hz (nebo 245 Hz) a s nosnou 980 Hz. Na obrazu dole je 980 Hz nosná potlačena o 40 dB, ačkoli pochopitelně se to změní, když bude vyslána černá. Bez tvarování by klíčování fázových změn způsobilo početná postranní pásma v rozestupech po 105 Hz. V tomto obrazu skutečného signálu, můžete každých 105 Hz pozorovat postranní pásma klíčování , potlačená asi o 45 dB, silně redukovaná zvýšeným kosinus tvarováním. Tato postranní pásma značně zesílí jestliže je SSB vysílač přebuzený.


105 Baud PSK-Hell spektrum

Vysílací pracovní cyklus (plnění) je v PSK-Hell velmi vysoký, až 90%. Další obrázek ukazuje dva bílé body následované dvojicí černých bodů následovanou bílým bodem. Je vidět, jak se fáze vymění na začátku černých bodů a není žádná změna fáze mezi černými body.
Poznámka: také že výrazně kosinus modulace je požadována mezi černými body, protože se fáze nemění. Toto má efekt zmenšení šířky pásma během černých bodů a také vzrůst průměrného výkonu.

Problém výběru fontu pro 105 Baud PSK-Hell nebo FSK-Hell je dost obtížný. Font uloží barvu bodu a ne změnu, takže je pravděpodobné že některé znaky budou mít sudý počet bodů, zatímco jiné lichý počet bodů. Tak se stane, že znak se sudým číslem bodů by mohl ukončit ten následující nechtěnou černou tečkou, což je patrné na dalším obrázku, získaném během výzkumných procesů.

Toto je řešeno pozorným navržením fontu a vhodným opatřením aby fáze kompletních znaků byla obrácená tam, kde je to nutné.

Navíc , jak vyplývá ze závěrů uvedených výše, není možné v módu 105 Baud využít "dvou-pixel" techniku vyvinutou Rudolfem Hellem. Tento trik poskytuje dvojnásobné rozlišení, bez zdvojené šířky pásma, vhodným slučováním bodů do dvojic. Bohužel takto by v PSK-Hell nejen vzrostla šířka pásma, ale navíc to nebrání vysílání nerovného počtu identických bodů v písmu. Řešení tohoto problému spočívá v užití módu 245 Baud, poskytujícího nutné rozlišení pro ostré vysoce prokreslené fonty.


245 Baud PSK-Hell

V software IZ8BLY je font vymezen jako tabulka série kmitů, přesně stejným způsobem jako má Feld-Hell, ale ovšem namísto zapnoutí a vypnoutí, body znamenají změny fáze. Kvůli výrazné kosinus modulaci je velmi důležité aby PSK-Hell byl zesilován a vysílán lineárně. Jinak bude signál velmi široký. Když je dobře přizpůsoben, má signál velmi příjemnou šíři 105 Hz.

FM-Hell

Zřejmý problém s použití 245 Baud je že signál je v důsledku toho široký (ale stále užší než Feld-Hell nebo RTTY). Během vývoje 245 baud PSK-Hell, bylo brzy zřejmé že možno jedno z postranních pásem potlačit nebo odfiltrovat. To bylo také dokázáno, "SSB-PSK-Hell" mód byl zkoušen a ukázal se být velmi účinný. Po prozkoumání matematiky generace signálu bylo jasné že stejný signál může být vytvářen použitím techniky FSK kombinované s jemným řízením fáze, v podstatě Minimum Shift Keying (MSK). Toto nejen méně zatěžuje procesor, ale také vyžaduje méně filtrování protože signál je velmi čistý. Můžete si představit, že kdykoli by měla být provedena změna signálu bílý bod, namísto frekvence je možno změnit velmi lehce fázi. Požadovaná změna fáze je dosáhnutelná spojitým způsobem.

Výsledkem je FM-Hell, typ MSK, a je ten možné přenést při rychlosti 245 baud FM-Hell v tak málém prostoru pásma, jaký zabírá 50 Hz (šířky pásma). Citlivost je však nejlepší jestliže je použit shift 122,5 Hz .

Zde je několik výhod FM-Hell:


245 Baud FM-Hell

Srovnejte tento obrázek s předcházejícím (byly zaznamenány během stejného QSO za stejných podmínek). Poznámka: rozmazání zřejmé na ukázce PSK-Hell úplně chybí v ukázce FM-Hell. Domníváme se, že ačkoli v PSK-Hell otáčení fáze způsobila ionosféra u obou postranních pásem stejně, že změny časování toto nedělá, a signál PSK-Hell je součet dvou signálů umístěných nepatrně odlišně. FM-Hell místo toho může vykazzovat nepatrnou vlnitost textu nahoru a dolů, podobně s Feld-Hell, ale to nikterak nepoškozuje čitelnost.

PROVEDENÍ

Vůbec největší výhoda PSK-Hell a FM-Hell, stejně jako obecně PSK módů, je citlivost. Výhoda proti Feld-Hell v šumu je pravděpodobně cca 6 - 8 dB. Následující srovnávací příklady ukazují 105 baud PSK-Hell a Feld-Hell přijatý asi v 0 dB S/N a kolem -12 dB S/N, při 3 kHz šířce pásma. FSK-105 je zhruba ekvivalentní, a mód 245 Baud je o 3dB horší.


PSK-Hell: 0 dB S/N (vlevo) a -12 dB S/N vpravo)


Feld-Hell: 0 dB S/N (vlevo) a -12 dB S/N (vpravo)

Zde jsou některá další srovnání, tentokrát skutečné DX signály na 14 MHz, ze stejného QSO za stejných podmínek.
Všiměte si úniku na Feld-Hell ukázce, a jasnost u FM-Hell ukázky. Nebyla přitom provedena žádná změna ve výkonu vysílače , antény (dipol) nebo nastavení přijímče - pouze změna módu. Mimochodem, signál 245 Baud FM-Hell je užší než 122,5 Baud Feld-Hell!


Chris HB9BDM vysílá 122.5 Baud Feld-Hell


Chris HB9BDM vysílá 245 Baud FM-Hell

V praxi 245 Baud módy vyhoví stejně jako módy105 Baud, protože výrazně odolnost k "Doppleru", a lepší rozlišení fontu má sklon vyvážit ztrátu na citlivosti. PSK-Hell a FM-Hell jsou mnohem méně postiženy impulsními poruchami od blesků. To je proto, že dynamický rozsah přijímacího software (identický pro obojí módy) je obrovský, a přijímačové AGC se nemusí plně zotavit a citlivost po výboji není hned plně obnovená. Všimněte si dalšího příkladu, kde příjem je narušen místním bleskem, signál je stále čitelný mezi jednotlivými výboji !!

Tento příklad je z QRP spojení přes 18,000 km na 14 MHz, a příjem je pozoruhodně pěkný. Horizontální pruhování způsobila PSK-Hell výrazná kosinusová modulace, což je více zřetelné na slabém signálu.

Jak si můžete představit, PSK-Hell a FM-Hell nejsou moc postižené únikem. Vícečetné (multi-path) signály které obvykle doprovázejí únik (fading) mohou být problém, ačkoli snad o trochu menší u Feld-Hell, a z největší části se problém vyskytuje při provozu na nižších pásech, obzvlášť 80m. Zde je srovnávací příklad signálů se značným (multi-path) vícecestným šířením.


Multi-path simulace - PSK-Hell (vlevo) a Feld-Hell (vpravo)

Toto je simulace, vytvořená sčítáním 20ms zpožděného signálu, o 4 dB slabšího než hlavní signál. To způsobuje špatnou čitelnost, a není to neobvyklé na 80m! (Rada - pokuste se přejít na Duplo-Hell nebo MT-Hell, uvidíte jak jsou mnohem méně ovlivnitelné). PSK-Hell i FM-Hell jsou slušné imunní vůči rušení, obzvlášť impulsním šumem a rozsekaným signálem, ale mohou být dost rušené na své frekvenci nosnou nebo telegrafním signálem. Když je signál velmi slabý, tak může být často rušen od stanic které ho nerozeznají, nebo si neuvědomují, že tam vůbec nějaký signál je !

Opravdu významný efekt, který může skutečně ničit PSK módy pro DX, je ionosférický Doppler. Kde ionosféra je ve stavu stálé změny, tam se může hustota ionů měnit docela rychle a proto tedy také mění rychlost šíření a index lomu. Následkem toho signály procházející přes takové oblasti (nejvýznamnější jsou blízko magnetických pólů země) podstoupí celkem podstatnou modulaci rychlosti. To způsobí amplitudovou, frekvenční i fázovou modulaci signálu. Není problém použít signály zabírající rozumnou šířku pásma, ale velmi úzkopásmové signály (jako PSK-31) trpí značně od polárního třepetání, které může snadno zanést do signálu fázový šum, takže signál tím překročí původní šířku pásma a výsledkem je ztáta informace. Provoz Differential PSK tím také může být silně narušen, protože změna ve fázi může snadno překročit 180° během času jednoho bitu.

PSK-Hell a FM-Hell jsou chráněné před tímto problémem dvěma způsoby. Zaprvé, čas tečky je mnohem kratší než u PSK-31 (9.5 ms nebo 4.8 ms oproti 32 ms), a zadruhé, přijímací proces neužívá hodinový impuls pro určení, kdy vzorkovat každý data-bit. PSK-Hell nebo FM-Hell jakožto Fuzzy módy, vzorkují konstantním (quasi-synchronním) tempem, typicky čtyřnásobkem vysílaných teček, a fázový šum má sklony vytvořit písmu šumové pozadí takové úrovně, že jeho průměrná hodnota nedělá při čtení písmen problémy.

Jeden zajímavý rys Dopplerovského třepetání na PSK-Hell (který může být někdy také viděn na Feld-Hell) je vliv Dopplera na fázi přijatých znaků - PSK-Hell a FM-Hell si poradí s Dopplerovým posuvem o ±25 Hz bez ztráty čitelnosti, (uvedeno na obrázku dole), ale s mnoha posuny písma, text se pohybuje nahoru a dolů, jako vlny na oceánu:


Efekt může být dost často viděn na skutečných signálech, jako toto QRP vysílání VK2DSG na 80m, přijaté na Novém Zélandu :


Vlnky na PSK-Hell

SOFTWARE

Zde je několik programů běžně nabízejících PSK-Hell a FM-Hell. Nejpopulárnější je IZ8BLY Hellschreiber od Nino IZ8BLY. Program MIXW od UT2UZ a UU9JDR má FM-105 a FM-245 mód. Viz Software Page pro informaci.

Thanks Nino!
První PSK-Hell DX QSO na světě

Podmínky na 20m v Evropě jsou smutně známé rušením. Obrázek nahoře je ze světově prvního PSK-Hell DX kontaktu 21. Aug 1999, a ukazuje příjem (v Evropě) ZL1BPU od IZ8BLY, v dosahu kolem 18,000 km. Obě stanice používaly 10W výstupního výkonu do dipólových antén. QSO se uskutečnilo asi v 06:00 UTC, a pravděpodobně byla užita dlouhá přenosová cesta, neboli, přes severní polární oblast.

O spojení jako je toto se může pokusit kdokoli, přiměřeně k citlivosti a robustnosti PSK-Hell. Za podobných podmínek je spojení módem Feld-Hell velmi nesnadné, PSK-31 snáší špatně polární třepetání (Doppler), a RTTY, AMTOR a Pactor je nepoužitelný. Obrázek výše nebyl retušován ani upraven, a textová průzračnost je typická pro tento rozsah. (Díky Nino IZ8BLY za obrázek ).


Copyright © M. Greenman 1997-2005. All rights reserved. Contact the author before using any of this material.
home Original