Introduzione ai Modi Digitali

Concetto di “digitale” In elettronica, con “segnale digitale” si intende un segnale che nel tempo può presentare solo una serie di variazioni finite. Ciò lo differenzia da un “segnale analogico”, che al variare del tempo può assumere una serie di valori infiniti, variando cioè con continuità.

“Digitale” in radio Con “modo digitale” noi radioamatori intendiamo la trasmissione di un segnale, normalmente generato da un computer, codificato con una determinata sequenza di “0” e “1”. Tale sequenza prende il nome di Codice. Ogni 0 o 1 (in base 2, codice binario) identificano uno stato logico che, mutuando il termine dall’informatica, prende il nome di bit.

“Digitale” in radio Potremmo intendere anche il CW come un modo digitale, esso infatti è codificato secondo il codice Morse e potremmo intendere l’assenza-presenza di portante come una sequenza di 0 e 1.

Cenni storici Negli anni ‘40 del XX secolo i Radioamatori hanno iniziato ad interessarsi alla comunicazione digitale (se si esclude da queste il CW) Iniziarono a studiare come adattare le telescriventi meccaniche agli apparati OM, utilizzando le modulazioni FSK e AFSK Oggi esistono un gran numero di diversi “modi” digitali, il loro sviluppo deriva principalmente dalla disponibilità su larga scala di computer, schede audio e opportuni software. Banalmente, nel 2016 non è più necessario utlizzare una telescrivente, magari di origine militare, per operare in RTTY. Basta interfacciare nel modo opportuno un computer (o un tablet, o uno smartphone) e un RTX

Modi Digitali maggiormente diffusi PACKET – Uno dei primi modi digitali “moderni”, il packet radio trasmette dati in gruppi di “pacchetti” di bit. Ciò permette una migliore trasmissione e l’applicazione di un controllo degli errori. Il protocollo utilizzato e l’AX25 e la velocità di trasmissione dati varia dai 300 bps delle bande HF ai 9600 delle UHF. RTTY - La Radio Teletype, o telescrivente via radio, consiste nel trasmettere due portanti ravvicinate, una delle quali codifica lo 0 e l'altra l'1 binario, utilizzando pertanto una modulazione FSK. La velocità usata dai radioamatori è molto bassa (45,45 bit al secondo), perché il segnale deve propagarsi in condizioni di estrema variabilità. Il codice usato è di solito il Baudot, a 5 bit e lo shift di frequenza è di 170 Hz. Radio Teletype FSKBaudot bit

Modi Digitali maggiormente diffusi PSK31 - il PSK31 utilizza la modulazione di fase di un segnale armonico. Ha una banda passante molto stretta, cosa che lo rende particolarmente efficace. Molto usato in HF PSK64 – variante “più veloce” del PSK31. Mentre questo ha un symbol/rate di 31 baud, il PSK63 ha un rate di 63 baud. Per contro, presenta una banda passante più larga. Usato in HF JT65 – sviluppato inizialmente per i collegamenti EME, si è diffuso per la sua capacità di essere intelligibile anche a bassi valori di SNR. E’ decisamente lento (ma efficace – n.d.a.).

Modulazione FSK La Frequency Shift Keying è una tecnica di modulazione di frequenza nella quale il segnale digitale è trasmesso mediante variazioni discrete della frequenza di una portante. In altre parole, viene assegnata una frequenza diversa ad ogni diverso stato del segnale modulante. La più semplice FSK è la FSK BINARIA o BFSK, utilizzata in RTTY. In BFSK si usano una coppia di frequenze per trasmettere l’informazione binaria (stati 0 e 1). Con tale schema lo stato “1” è definito come frequenza “mark” mentre lo stato “0” viene definito “space”.

Spettro di un segnale FSK In figura è rappresentato un segnale BFSK visto con l’analizzatore di spettro. Sono facilmente distinguibili le due differenti frequenze rappresentanti gli stati logici 1 e 0

Definizioni matematiche di FSK m indice di modulazione, Sr Symbol rate, T Symbol Cycle, Df variazione di frequenza, Fc frequenza portante, F0 frequenza 0, F1 frequenza 1, Δ f deviazione

RTTY Radio TeleTYpe utilizza il codice Baudot (vedi wikipedia EN). In particolare, sulle bande radioamatoriali, i suoi 5 bit implicano che ogni carattere sia costituito da 5 variazioni di fase, mark o stop )wikipedia EN In HF si utilizza un baud rate di 45,45 baud, che equivale a 60 wpm I toni mark e space standard corrispondono a 2125 hz e 2295 hz rispettivamente. Si possono usare anche altri toni, l’importante è che lo shift tra loro rimanga quello standard di 170 hz.

Esempio di segnale RTTY

AFSK o FSK? La più grande decisione che ci si pone di fronte quando iniziamo ad usare RTTY è: AFSK o FSK? Usare cioè la scheda audio del nostro computer per generare i toni mark & space oppure utilizzare la porta FSK del nostro apparato e lasciare che sia la COM del PC a modulare, senza preoccuparci di intermodulazioni e livelli audio? Ognuna delle due scelte ha dei pro e dei contro.

AFSK o FSK? AFSK è la via più semplice: la scheda audio genera i toni, l’hardware necessario è ridotto all’ osso e in poco tempo si è pronti ad andare in aria. Di contro, occorre fare molta attenzione ai livelli audio, al non utilizzare per nessun motivo compressori o speech-processors di ogni genere, onde evitare di generare un segnale distorto o, peggio, dei “segnali immagine”. Il set-up per AFSK inoltre può essere usato per qualsivoglia altro modo digitale FSK è la via più raffinata: il PC è interfacciato alla radio tramite i pin dedicati e quest’ultima genera i toni al giusto livello e quando necessario, senza doversi preoccupare dell’intervento di ALC e conseguenti probelmi di distorsione ed intermodulazioni AF indesiderate. Per contro, questo sistema può essere usato solo per RTTY, scordatevi gli altri modi.

Interfaccia AFSK

Modulazione PSK La modulazione PSK si caratterizza per una variazione della fase della portante, modificandola a dei valori di sfasamento definiti dal segnale modulante digitale I Radioamatori utilizzano principalmente, parlando di PSK, BPSK (Binary Phase Shift Keying) e QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)

BPSK BPSK è la più semplice forma di PSK: essa utilizza 2 sole variazioni di fase, sfasate tra loro di 180°. Non è particolarmente importante dove siano posizionati i punti della costellazione. In figura, per comodità. Giacciono entrambi sull’asse x.

BPSK BPSK è la più robusta di tutte le modulazioni digitali di fase, parlando di leggibilità in presenza di rumore o distorsione. Per contro, potendo modulare soltanto a 1 bit/simbolo non può raggiungere un alto data/rate

PSK-31 PSK31 è stato sviluppato dal OM inglese Peter Martinez G3PLX e introdotto alla comunità radioamatoriale nel dicembre 1998 PSK31 si basa sulla modulazione di fase di un singolo tono audio. Normalmente parliamo di BPSK-31, cioè fase 0° o 180° dove ogni variazione trasporta 1 bit. Esiste, ma è meno usato, il QPSK-31, con variazioni di fase di 0°, 90°, 180° 270°. Utilizza una codifica a 5 bit.

PSK-31 La velocita ̀ di trasmissione e ̀ stabilita in 31,25 baud e si utilizza un codice ottimizzato a lunghezza variabile (Varicode), in cui i caratteri di uso più frequente sono associati a stringhe più corte. Come risultato si ottiene una velocita ̀ media di circa 50 parole al minuto (wpm). La forma originale del Varicode prevede la codifica dei 128 caratteri dello standard Ascii con un massimo di 10 bit ognuno, mentre la versione estesa codifica 256 caratteri con un massimo di 12 bit. La spaziatura tra due caratteri e ̀ indicata da almeno due zeri e per questo motivo nessun carattere contiene due zeri contigui. La stretta larghezza di banda utilizzata (meno di 40 Hz) ed il tipo di codifica permettono di ottenere un rapporto segnale/disturbo persino superiore a quello ottenibile con la telegrafia (CW), a parità di altre condizioni.

PSK-31 Segnale modulato PSK31

JT65 JT65 è un protocollo di comunicazione ideato da Joe Taylor, K1JT, Professore emerito di Fisica alla Princeton University nonché vincitore di Premio Nobel (premio condiviso con R.A. Hulse, già WB2LAV).

JT65 Nel 2001 scrisse il codice del software WSJT, implementando in esso nuovi protocolli per la comunicazione “weak-signal”. WSJT incorporava infatti diversi modi compresi FSK441, la “famiglia” JT65 e JT6M. JT65A è un “sotto-modo” del JT65 pensato originariamente da K1JT, che lo ideò per ottimizzare i contatti EME in HF e VHF, ed è specifico per le condizioni di “weak signal” in HF. Esso infatti tiene conto di come si propaga un segnale nella ionosfera e di come si modifica in condizioni variabili

JT65 La finestra Waterfall di WSJT, nella quale si distinguono due segnali JT65A

JT65 JT65 utilizza una modulazione MFSK a 65 toni sinusoidali, trasmessi in 126 intervalli di tempo contigui, ognuno della durata di 0,372 secondi. Il cambio di tono tra un intervallo e il successivo avviene con continuità di fase. I QSOs avvengono in minuti alternati, indicati come “even” (pari, cioè :00, :02, :04…) o “odd” (dispari, cioè :01, :03, :05…). La trasmissione inizia al secondo :01 di ciascun minuto e dura 46,8s.

JT65 La decodifica inizia al secondo :47.8 e, in base alla potenza di calcolo del computer, dura da 1 a 4 secondi. Questo significa che solo per 8 – 12 secondi ogni 2 minuti è richiesto l’intervento dell’operatore.

Dentro il segnale JT65 LA trasmissione JT65 include un tono di sincronismo trasmesso 1270,5 Hz al disopra della frequenza del VFO. La frequenza di questo tono è indicata come DF (Differencial Frequency) e 1270,5 Hz equivale a DF=0. DF viene variato dal software, non è necessario inseguire le diverse tracce variando la frequenza della radio.

Dentro il segnale JT65 JT65 richiede che i computer di entrambi i corrispondenti siano sincronizzati. Il servizio ntp di Windows XP, Vista, 7, non è sufficientemente preciso: per questi s.o. è necessario installare un software esterno