Oliwia MFSK

Spektrogram (wyświetlacz wodospadu) sygnału Olivia 16/500 wyśrodkowanego na 7073,25 kHz

Olivia MFSK jest amatorskim protokołem radioteletypem , wykorzystującym wielokrotne kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (MFSK) i zaprojektowanym do pracy w trudnych warunkach (niski stosunek sygnału do szumu plus propagacja wielościeżkowa ) na pasmach krótkofalowych . Sygnał może zostać dokładnie odebrany, nawet jeśli otaczający hałas jest o 10 dB silniejszy. Jest powszechnie używany przez amatorskich operatorów radiowych do niezawodnego przesyłania znaków ASCII przez hałaśliwe kanały przy użyciu wysokiej częstotliwości (3–30 MHz ) widmo. Efektywna szybkość transmisji danych protokołu Olivia MFSK wynosi 150 znaków na minutę.

Tryby Olivia są powszechnie określane jako Olivia X / Y (lub alternatywnie Olivia Y / X ), gdzie X odnosi się do liczby różnych przesyłanych tonów audio, a Y odnosi się do szerokości pasma w hercach , w której te sygnały są rozproszone. Przykłady typowych trybów Olivii to 16/500, 32/1000 i 8/250.

Historia

Protokół został opracowany pod koniec 2003 roku przez Pawła Jałochę. Pierwsze testy na antenie wykonali dwaj radioamatorzy, Fred OH/DK4ZC i Les VK2DSG, na trasie Europa-Australia w 20-metrowym paśmie amatorskim. Testy dowiodły, że protokół działa dobrze i umożliwia regularne międzykontynentalne kontakty radiowe przy mocy RF wynoszącej zaledwie jeden wat. Od 2005 roku Olivia stała się standardem cyfrowego przesyłania danych w warunkach białego szumu, zanikania i wielodrożności , trzepotania (ścieżka polarna) i zorzy polarnej.

Kanalizacja dobrowolna

Ponieważ sygnały Olivii można dekodować nawet wtedy, gdy odbierane sygnały są bardzo słabe ( stosunek sygnału do szumu -14 dB ), sygnały wystarczająco silne, aby można je było zdekodować, są czasami poniżej poziomu szumów i dlatego nie można ich wyszukać ręcznie. W rezultacie krótkofalowcy dobrowolnie zdecydowały się na kanałowanie dla tego trybu. Ta kanalizacja umożliwia odpowiednie dostrojenie nawet niedostrzegalnie słabych sygnałów do odbioru i dekodowania. Zgodnie z powszechną konwencją stacje amatorskie inicjują kontakty w trybie 16/500 lub 32/1000, a następnie przełączają się na inne tryby, aby kontynuować rozmowę. W poniższej tabeli wymieniono wspólne częstotliwości środkowe używane w pasmach radiowych .

Częstotliwości środkowe Olivii

Zespół	Częstotliwości ( kHz )
	16/500	32/1000
160 metrów	1808,75, 1809,25, 1840,75, 1841,25	Nie dotyczy
80 metrów	3577,75, 3583,25, 3522,75	3578,0, 3616,0, 3523,0, 3621,0
60 metrów	5,3665	Nie dotyczy
40 metrów	7026.25, 7043.25, 7073.25, 7076.75	Nie dotyczy
30 metrów	10139,25, 10142,25, 10143,25	Nie dotyczy
20 metrów	14076,4, 14075,4, 14078,4	14106,5, 14107,5, 14108,5
17 metrów	18103.4, 18104.4	Nie dotyczy
15 metrów	21087,25, 21087,75, 21130,25	21153,5, 21154,5
12 metrów	24922.25	Nie dotyczy
10 metrów	28076.75, 28077.25	Nie dotyczy
6 metrów	50087.25, 50287.25, 50292.25	Nie dotyczy
2 metry	144136.25	Nie dotyczy

Po wprowadzeniu nowych trybów cyfrowych radia amatorskiego i wynikającego z tego nałożenia się częstotliwości wywoławczych Olivii na niektórych pasmach amatorskich, radioamator z USA Tomas Hood NW7US skonsultował się z członkami subskrybującymi grupę dyskusyjną użytkowników Olivia MFSK i stworzył nową listę częstotliwości wywoławczych w listopadzie 2017.

Częstotliwości wywoływania w trybie Olivia MFSK (listopad 2017 r.)

Zespół	Częstotliwość wybierania (kHz w trybie USB)	Rzeczywista częstotliwość środkowa (kHz)	tony/przepustowość Olivii
160 metrów	1825.40	1826,90	Oliwia 8/250
80 metrów	3571,40	3572,90	Oliwia 8/250
40 metrów	7071.40	7072,90	Oliwia 8/250
30 metrów	10141.40	10142,90	Oliwia 8/250
20 metrów	14071.40	14072,90	Oliwia 8/250
17 metrów	18101.40	18102.90	Oliwia 8/250
15 metrów	21071.40	21072.90	Oliwia 8/250
12 metrów	24921.40	24922,90	Oliwia 8/250
10 metrów	28121.40	28122,90	Oliwia 8/250

Kombinacje tonów i szerokości pasma

Rozmowy z użyciem Olivii są zgodnie z konwencją inicjowane przy użyciu Olivii 16/500 (16 tonów w paśmie 500 Hz) lub Olivii 32/1000 (32 tony w paśmie 1000 Hz). Po nawiązaniu komunikacji strony komunikujące się wspólnie decydują, czy inny tryb lepiej pasowałby do bieżącej propagacji warunki. Możliwa liczba tonów, które można wybrać, to 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 i 256, przy czym większa liczba tonów zapewnia większą redundancję danych, ale mniejszą przepustowość, a mniejsza liczba tonów zapewnia większą przepustowość kosztem mniejsza redundancja. Pasma dostępne dla Olivii to 125 Hz, 256 Hz, 512 Hz, 500 Hz, 1000 Hz i 2000 Hz, przy czym szersze pasma zapewniają większą przepustowość, a węższe pasma — mniejszą przepustowość. Najczęściej używane kombinacje to 4/125, 8/250, 8/500, 16/500, 16/1000 i 32/1000.

Szczegóły techniczne

Będąc protokołem cyfrowym, Olivia przesyła strumień znaków ASCII (7-bitowych). Znaki są wysyłane w blokach po 5. Transmisja każdego bloku trwa 2 sekundy, zatem efektywna szybkość transmisji danych wynosi 2,5 znaku/sekundę lub 150 znaków/minutę. Najczęściej stosowana szerokość pasma transmisji to 1000 Hz , a szybkość transmisji to 31,25 MFSK ton/sekundę. Aby dostosować się do różnych warunków iw celu eksperymentowania, można zmienić przepustowość i szybkość transmisji.

System transmisyjny Olivia jest zbudowany z dwóch warstw: dolna warstwa kodu z modulacją i korekcją błędów w przód (FEC) to klasyczne kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (MFSK), podczas gdy wyższa warstwa to kod z korekcją błędów w przód oparty na funkcjach Walsha .

Obie warstwy mają podobny charakter: stanowią kod FEC „1-out-of-N”. Dla pierwszej warstwy funkcje ortogonalne są funkcjami (co)sinusoidalnymi o 32 różnych częstotliwościach (tonach). W danym momencie wysyłany jest tylko jeden z tych 32 tonów. Demodulator mierzy amplitudy wszystkich 32 możliwych tonów (za pomocą transformaty Fouriera ) i (wiedząc, że tylko jeden z tych 32 mógł zostać wysłany) odbiera ton o największej amplitudzie.

Dla drugiej warstwy FEC: każdy znak ASCII jest kodowany jako jedna z 64 możliwych funkcji Walsha (lub wektorów macierzy Hadamarda ). Odbiornik ponownie mierzy amplitudy dla wszystkich 64 wektorów (tu pojawia się transformata Hadamarda) i wybiera największą.

W celu uzyskania optymalnej wydajności rzeczywiste demodulatory pracują z miękkimi decyzjami, a ostateczna (twarda) decyzja o zdekodowaniu znaku jest podejmowana dopiero na drugiej warstwie. W ten sposób demodulator pierwszej warstwy faktycznie generuje miękkie decyzje dla każdego z 5 bitów związanych z tonem MFSK, zamiast po prostu podnosić najwyższy ton w celu wytworzenia twardych decyzji dla tych 5 bitów.

Aby uniknąć prostych przesyłanych wzorców (takich jak stały ton) i zminimalizować ryzyko fałszywego zamka w synchronizatorze, znaki zakodowane w funkcji Walsha przechodzą przez szyfrator i układ przeplotu. Ten etap po prostu przesuwa i XOR- uje ​​bity z predefiniowanymi wektorami szyfrującymi, więc nie poprawia wydajności, jeśli chodzi o biały (nieskorelowany) szum, ale wynikowy wzór zyskuje pewne odrębne cechy, które są bardzo pomocne dla synchronizatora.

Odbiornik synchronizuje się automatycznie, wyszukując możliwe przesunięcia czasu i częstotliwości w celu znalezienia pasującego wzorca. Zakres wyszukiwania częstotliwości wynosi zwykle ±100 Hz, ale może sięgać nawet ±500 Hz, jeśli użytkownik sobie tego życzy.

warstwa MFSK

Tryb domyślny wysyła 32 tony w paśmie audio 1000 Hz, a tony są oddalone od siebie o 1000 Hz/32 = 31,25 Hz. Dźwięki są ukształtowane tak, aby zminimalizować ilość energii wysyłanej poza nominalną szerokość pasma.

Dokładny wzór kształtu to:

${\ Displaystyle + 1,0000000000+1,1913785723\cos(x)-0,0793018558\cos( 2x)-0,2171442026\cos(3x)-0,0014526076\cos(4x)}$

gdzie x waha się od -π do π.

Wykres okna („formuła kształtu”)

Współczynniki reprezentują kształt symbolu w dziedzinie częstotliwości i zostały obliczone za pomocą procedury minimalizacji, która miała na celu uzyskanie najmniejszego przesłuchu i najmniejszego efektu rozlania częstotliwości.

Tony są wysyłane z prędkością 31,25 bodów lub co 32 milisekundy. Faza nie jest zachowywana od jednego tonu do drugiego: zamiast tego wprowadzane jest losowe przesunięcie o ± 90 stopni, aby nie przesyłać czystego tonu, gdy ten sam symbol jest wysyłany wielokrotnie. Ponieważ symbole mają gładki kształt, nie ma potrzeby utrzymywania stałej fazy, co zwykle ma miejsce, gdy nie stosuje się kształtowania (np. kwadratowego).

Modulator wykorzystuje kod Graya do kodowania 5-bitowych symboli w numerach tonów.

Generator przebiegów oparty jest na częstotliwości próbkowania 8000 Hz. Tony są rozłożone w czasie o 256 próbek, a okno, które je kształtuje, ma długość 512 próbek. Demodulator oparty jest na FFT o wielkości 512 punktów. Odstęp tonów w częstotliwości wynosi 8000 Hz/256 = 31,25 Hz, a demodulator FFT ma rozdzielczość 8000 Hz/512 = 15,625 Hz, a więc połowę separacji tonów.

Aby dostosować system do różnych warunków propagacji, można zmienić liczbę tonów i szerokość pasma, a parametry czasu i częstotliwości są proporcjonalnie skalowane. Liczba tonów może wynosić 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 lub 256. Szerokość pasma może wynosić 125, 250, 500, 1000 lub 2000 Hz.

Warstwa FEC funkcji Walsha

Warstwa modulacji systemu transmisji Olivia w trybie domyślnym wysyła jednorazowo jeden z 32 tonów. Każdy ton stanowi zatem symbol, który przenosi 5 bitów informacji. W kodzie FEC bierze się 64 symbole, aby utworzyć blok. W każdym bloku pobierany jest jeden bit z każdego symbolu i tworzy on 64-bitowy wektor zakodowany jako funkcja Walsha. Każdy 64-bitowy wektor reprezentuje 7-bitowy znak ASCII, więc każdy blok reprezentuje 5 znaków ASCII.

W ten sposób, jeśli jeden symbol (ton) zostanie uszkodzony przez szum, tylko jeden bit z każdego 64-bitowego wektora zostanie uszkodzony, a zatem błędy transmisji rozłożą się równomiernie na znaki w bloku.

Dwie warstwy (MFSK + funkcja Walsha) kodu FEC można traktować jako kod dwuwymiarowy: pierwszy wymiar jest tworzony wzdłuż osi częstotliwości przez sam MFSK, podczas gdy drugi wymiar jest tworzony wzdłuż osi czasu przez funkcje Walsha. Układ dwuwymiarowy powstał z myślą o rozwiązaniu tak ułożonego kodu FEC za pomocą algorytmu iteracyjnego, jednak algorytm taki nie został jeszcze ustalony.

Szyfrowanie i proste przeplatanie bitów jest stosowane, aby wygenerowane wzory symboli wyglądały na bardziej losowe iz minimalną autokorelacją. Pozwala to uniknąć fałszywych zamków w odbiorniku.

Przeplatanie bitów: funkcja Walsha dla pierwszego znaku w bloku jest zbudowana z 1. bitu 1. symbolu, 2. bitu 2. symbolu i tak dalej. Druga funkcja Walsha jest zbudowana z drugiego bitu pierwszego symbolu, trzeciego bitu drugiego symbolu i tak dalej.

Szyfrowanie: Funkcje Walsha są szyfrowane za pomocą sekwencji pseudolosowej 0xE257E6D0291574EC. Funkcja Walsha dla pierwszego znaku w bloku jest szyfrowana z sekwencją szyfrującą, druga funkcja Walsha jest szyfrowana z sekwencją obróconą w prawo o 13 bitów, trzecia z sekwencją obróconą o 26 bitów i tak dalej.

Próbki

Wymienione pliki audio są zakodowane z komunikatem: „Witamy w Wikipedii, wolnej encyklopedii, którą każdy może edytować”.

Konkurs

Contestia to tryb cyfrowy wywodzący się bezpośrednio z Olivii, która nie jest tak solidna. To raczej kompromis między wydajnością a szybkością. Brzmi i wygląda prawie identycznie jak Olivia i może być konfigurowany na wiele sposobów, ale ma nieco ponad dwa razy większą prędkość. Tryb został opracowany przez Nicka Fedoseeva, UT2UZ, w 2005 roku.

Tryb Contestia ma 40 formatów, podobnie jak Olivia – niektóre z nich są uważane za standardowe i wszystkie mają różne cechy. Formaty różnią się szerokością pasma (125, 250, 500, 1000 i 2000 Hz) oraz liczbą używanych tonów (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 lub 256).

Standardowe formaty Contestia (przepustowość/tony) to 125/4, 250/8, 500/16, 1000/32 i 2000/64. Najczęściej używane formaty to 250/8, 500/16 i 1000/32. Zwiększoną prędkość Contestia uzyskuje się dzięki zastosowaniu mniejszego rozmiaru bloku symboli (32) zamiast Olivii (64) oraz dzięki zastosowaniu 6-bitowego zestawu znaków dziesiętnych zamiast 7-bitowego zestawu ASCII, którego używa Olivia .

Ten zredukowany zestaw znaków nie jest drukowany zarówno dużymi, jak i małymi literami (np. RTTY ). Niektóre sieci drogowe mogą nie chcieć korzystać z tego trybu, ponieważ nie obsługuje on wielkich i małych liter oraz znaków rozszerzonych występujących w wielu dokumentach i wiadomościach. Nie stanowi to problemu dla normalnych czatów cyfrowych w szynkowej .

Linki zewnętrzne

• Lista referencyjna wspólnych częstotliwości i formatów MFSK Olivia
• Źródło GPL C++ dla Linuksa i Cygwin (archiwum internetowe)
• Strona internetowa zawierająca informacje techniczne o protokole Olivia