Olivia MFSK

Olivia MFSK

Olivia MFSK je amatérský radioteletypový protokol využívající klíčování s vícenásobným frekvenčním posunem (MFSK) a navržený pro práci v obtížných podmínkách (nízký poměr signálu k šumu plus vícecestné šíření ) na pásmech krátkých vln . Signál lze přesně přijímat, i když je okolní hluk o 10 dB silnější. To je běžně používané amatérskými radiooperátory ke spolehlivému přenosu ASCII znaků přes hlučné kanály pomocí vysokofrekvenčního (3–30 MHz ) spektra. Efektivní datová rychlost protokolu Olivia MFSK je 150 znaků/minutu.

Režimy Olivia se běžně označují jako Olivia X / Y (nebo alternativně Olivia Y / X ), kde X označuje počet různých přenášených zvukových tónů a Y označuje šířku pásma v hertzech , ve které se tyto signály šíří. Příklady běžných režimů Olivia jsou 16/500, 32/1000 a 8/250.

Historie

Protokol vyvinul na konci roku 2003 Pawel Jalocha . První on-air testy provedli dva radioamatéři Fred OH/DK4ZC a Les VK2DSG na trase Evropa-Austrálie v amatérském pásmu 20 metrů. Testy prokázaly, že protokol funguje dobře a umožňuje pravidelné mezikontinentální rádiové kontakty s výkonem jen jeden watt RF. Od roku 2005 se Olivia stala standardem pro digitální přenos dat v podmínkách bílého šumu, slábnutí a vícecestných , flutterů (polárních drah) a polárních září.

Dobrovolná channelizace

Vzhledem k tomu, že signály Olivie lze dekódovat, i když jsou přijímané signály extrémně slabé ( poměr signálu k šumu −14 dB ),  dostatečně silné signály, aby je bylo možné dekódovat, jsou někdy pod úrovní šumu , a proto je nelze ručně vyhledat. V důsledku toho se amatérští rádioví operátoři dobrovolně rozhodli pro kanalizaci pro tento režim. Tato channelizace umožňuje i neznatelně slabé signály, aby byly správně vyladěny pro příjem a dekódování. Podle běžné konvence amatérské stanice iniciují kontakty využívající buď režimy 16/500 nebo 32/1000 a poté se přepnou do jiných režimů, aby pokračovaly v rozhovoru. Následující tabulka uvádí běžné střední frekvence používané v amatérském rádiu kapely.

Tóny a kombinace šířky pásma

Olivia 8/250-signál detekován na SDR na Novém Zélandu

Konverzace pomocí Olivie jsou podle konvence zahájeny buď pomocí Olivia 16/500 (16 tónů při šířce pásma 500 Hz) nebo Olivie 32/1000 (32 tónů při šířce pásma 1000 Hz). Jakmile je komunikace navázána, komunikující strany se vzájemně rozhodnou, zda by současnému šíření lépe vyhovoval jiný režim.podmínky. Možný počet tónů, které lze zvolit, je 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 a 256, přičemž vyšší počet tónů poskytuje větší redundanci dat, ale pomalejší propustnost a nižší počet tónů poskytuje rychlejší propustnost za cenu menší redundance. Dostupné šířky pásma pro Olivii jsou 125 Hz, 256 Hz, 512 Hz, 500 Hz, 1 000 Hz a 2 000 Hz, přičemž širší šířky pásma poskytují rychlejší propustnost a užší šířky pásma poskytují pomalejší propustnost. Nejčastěji používané kombinace jsou 4/125, 8/250, 8/500, 16/500, 16/1000 a 32/1000.

Technické detaily

Protože jde o digitální protokol, Olivia přenáší proud ASCII (7bitových) znaků. Znaky jsou odesílány v blocích po 5. Přenos každého bloku trvá 2 sekundy, takže efektivní přenosová rychlost je 2,5 znaku/s nebo 150 znaků/minutu. Nejběžnější přenosová šířka pásma je 1000 Hz a přenosová rychlost je 31,25 MFSK tónů/sekundu. Pro přizpůsobení různým podmínkám a pro účely experimentování lze změnit šířku pásma a přenosovou rychlost.

Přenosový systém Olivia je konstruován ze dvou vrstev: spodní kódová vrstva, modulace a dopředná oprava chyb (FEC) je klasické vícefrekvenční klíčování (MFSK), zatímco vyšší vrstva je dopředný kód pro opravu chyb založený na Walshových funkcích .

Obě vrstvy jsou podobné povahy: tvoří kód FEC "1 z N". Pro první vrstvu jsou ortogonálními funkcemi (ko)sinusové funkce s 32 různými frekvencemi (tóny). V daný čas je vysílán pouze jeden z těchto 32 tónů. Demodulátor měří amplitudy všech 32 možných tónů (pomocí Fourierovy transformace ) a (s vědomím, že pouze jeden z těchto 32 mohl být odeslán) zachytí tón s nejvyšší amplitudou.

Pro druhou vrstvu FEC: každý znak ASCII je zakódován jako jedna z 64 možných Walshových funkcí (neboli vektorů Hadamardovy matice ). Přijímač opět změří amplitudy pro všech 64 vektorů (zde přichází Hadamardova transformace) a vybere největší.

Pro optimální výkon skutečné demodulátory pracují s měkkými rozhodnutími a konečné (tvrdé) rozhodnutí o dekódování znaku se přijímá až na druhé vrstvě. Demodulátor první vrstvy tedy ve skutečnosti vytváří měkké rozhodnutí pro každý z 5 bitů přidružených k tónu MFSK, místo aby jednoduše sbíral nejvyšší tón a produkoval tvrdá rozhodnutí pro těchto 5 bitů.

Aby se předešlo jednoduchým přenášeným vzorům (jako je konstantní tón) a minimalizovala se možnost falešného uzamčení synchronizátoru, procházejí znaky zakódované do Walshovy funkce přes scrambler a interleaver. Tento stupeň se jednoduše posouvá a XORs bity s předdefinovanými kódovacími vektory, takže nezlepšuje výkon, pokud jde o bílý (nekorelovaný) šum, ale výsledný vzor získává určité odlišné charakteristiky, které jsou velmi užitečné pro synchronizátor.

Přijímač se automaticky synchronizuje vyhledáním možného časového a frekvenčního posunu pro odpovídající vzor. Frekvenční rozsah vyhledávání je normálně ±100 Hz, ale může být až ±500 Hz, pokud si to uživatel přeje.

Vrstva MFSK

Výchozí režim odesílá 32 tónů v rámci šířky pásma 1000 Hz a tóny jsou rozmístěny po 1000 Hz/32 = 31,25 Hz. Tóny jsou tvarovány tak, aby minimalizovaly množství energie vysílané mimo nominální šířku pásma.

Přesný vzorec tvaru je:

+1,0000000000+1,1913785723cos⁡(�)−0,0793018558cos⁡(2�)−0,2171442026cos⁡(3�)−0,0014526076cos⁡(4�)

kde x se pohybuje od −π do π.

Graf okna ("tvarový vzorec")

Koeficienty reprezentují tvar symbolu ve frekvenční doméně a byly vypočítány minimalizační procedurou, která se snažila o co nejmenší přeslechy a nejmenší přelévání frekvence.

Tóny jsou odesílány rychlostí 31,25 baudů nebo každých 32 milisekund. Fáze není zachována od jednoho tónu k dalšímu: místo toho je zaveden náhodný posun ±90 stupňů, aby se nevysílal čistý tón, když je opakovaně vysílán stejný symbol. Vzhledem k tomu, že symboly mají hladký tvar, není potřeba udržovat fázi konstantní, což je normálně případ, kdy se nepoužívá žádné (např. čtvercové) tvarování.

Modulátor používá kód Gray pro kódování 5bitových symbolů do čísel tónů.

Generátor průběhu je založen na vzorkovací frekvenci 8000 Hz. Tóny jsou rozmístěny po 256 samplích v čase a okno, které je tvaruje, je dlouhé 512 samplů. Demodulátor je založen na FFT o velikosti 512 bodů. Tónový rozestup ve frekvenci je 8000 Hz/256 = 31,25 Hz a demodulátor FFT má rozlišení 8000 Hz/512 = 15,625 Hz, tedy poloviční odstup tónů.

Pro přizpůsobení systému různým podmínkám šíření lze měnit počet tónů a šířku pásma a parametry času a frekvence jsou proporcionálně škálovány. Počet tónů může být 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 nebo 256. Šířka pásma může být 125, 250, 500, 1000 nebo 2000 Hz.

Walsh funguje na vrstvě FEC

Modulační vrstva přenosového systému Olivia ve výchozím režimu vysílá jeden z 32 tónů najednou. Každý tón tak tvoří symbol, který nese 5 bitů informace. Pro kód FEC je 64 symbolů vzato do bloku. Uvnitř každého bloku je odebrán jeden bit z každého symbolu a tvoří 64bitový vektor kódovaný jako Walshova funkce. Každý 64bitový vektor představuje 7bitový znak ASCII, takže každý blok představuje 5 znaků ASCII.

Tímto způsobem, pokud dojde k poškození jednoho symbolu (tónu) šumem, dojde k poškození pouze jednoho bitu z každého 64bitového vektoru, takže chyby přenosu jsou rovnoměrně rozloženy mezi znaky v rámci bloku.

Se dvěma vrstvami (MFSK+Walshova funkce) kódu FEC lze zacházet jako s dvourozměrným kódem: první rozměr je tvořen podél frekvenční osy samotným MFSK, zatímco druhý rozměr je tvořen podél časové osy Walshovými funkcemi. Dvourozměrné uspořádání bylo vytvořeno s myšlenkou vyřešit takto uspořádaný FEC kód iterativním algoritmem, avšak žádný takový algoritmus dosud nebyl vytvořen.

Skramblování a jednoduché prokládání bitů se používá k tomu, aby se generované vzory symbolů jevily náhodněji as minimální vlastní korelací. Tím se zabrání falešným zámkům na přijímači.

Bitové prokládání: Walshova funkce pro první znak v bloku je konstruována z 1. bitu 1. symbolu, 2. bitu 2. symbolu a tak dále. 2. Walshova funkce je konstruována z 2. bitu 1. symbolu, 3. bitu 2. symbolu a tak dále.

Kódování: Walshovy funkce jsou kódovány pomocí pseudonáhodné sekvence 0xE257E6D0291574EC. Walshova funkce pro 1. znak v bloku je zakódována s kódovací sekvencí, 2. Walshova funkce je zakódována se sekvencí otočenou doprava o 13 bitů, 3. se sekvencí otočenou o 26 bitů a tak dále.

Ukázky

Ukázka přenosu Olivia MFSK (500Hz/16tónů).0:39Problémy s přehráváním tohoto souboru? Viz nápověda k médiím .Ukázka přenosu Olivia MFSK (1000 Hz/32 tónů).0:33Problémy s přehráváním tohoto souboru? Viz nápověda k médiím .

Oba uvedené zvukové soubory jsou kódovány zprávou: "Vítejte ve Wikipedii, bezplatné encyklopedii, kterou může upravovat kdokoli."

Contestia

Contestia je digitální režim, který je přímo odvozen od Olivie, který není tak robustní. Jde spíše o kompromis mezi výkonem a rychlostí. Zní a vypadá téměř stejně jako Olivia a lze jej nakonfigurovat mnoha způsoby, ale má jen něco málo přes dvojnásobnou rychlost. Tento režim vyvinul Nick Fedoseev, UT2UZ, v roce 2005.

Režim Contestia má 40 formátů stejně jako Olivia – některé z nich jsou považovány za standardní a všechny mají jiné vlastnosti. Formáty se liší v šířce pásma (125, 250, 500, 1000 a 2000 Hz) a počtu použitých tónů (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 nebo 256).

Standardní formáty Contestia (šířka pásma/tóny) jsou 125/4, 250/8, 500/16, 1000/32 a 2000/64. Nejčastěji používané formáty jsou 250/8, 500/16 a 1000/32. [4] Vyšší rychlosti Contestia je dosaženo použitím menší velikosti bloku symbolů (32) místo Olivie (64) a použitím 6bitové desítkové znakové sady namísto 7bitové sady ASCII, kterou Olivia používá .

Tato zmenšená znaková sada se netiskne jak velkými, tak malými písmeny (jako je RTTY ). Některé dopravní sítě nemusí tento režim používat rády, protože nepodporuje velká a malá písmena a rozšířené znaky, které se vyskytují v mnoha dokumentech a zprávách. To nepředstavuje problém pro normální digitální chaty v rámci radioamatérské komunikace.