OK5EPC

Jak na PSK od OK1AK

I když k této otázce bylo za více jak 10 let (první PSK QSO jsem dělal v r.1999) napsáno na různých úrovních dost, nebude zřejmě na škodu na stránkách klubu shrnout a popsat základní zkušenosti s provozem PSK. Poslouží to zejména začínajícím zájemcům o tento provoz s tím jak začít, bez hledání v různých materiálech, ale také jak se od začátku vyhnout různým úskalím a provozním nepravostem. Nejsem přítelem nějakého teoretizování, nicméně v zájmu elementární gramotnosti pár slov o tom co to PSK je. 

Phase Shift Keying (PSK) -  v současné době nejpopulárnější digi mód, který  intenzitou provozu na KV pásmech již předčí RTTY. Blíže bych to specifikoval tak, že při běžném provozu najdeme na pásmech vždy více PSK než RTTY stanic. Při závodech, nebo u DX expedic má ale ještě RTTY určitou převahu.

Je to dáno tím, že RTTY je proti PSK31 trochu svižnější (u PSK 63 a PSK125 již ne), ale zejména tím, že

u RTTY je možno používat kW výkony, čehož se špičkoví DX-mani a závodníci neradi vzdávají.

PSK-31 získává na celém světě každým rokem stále více příznivců především svými velice dobrými technickými a komunikačními vlastnostmi. Základními výhodami tohoto druhu provozu je za prvé extrémně úzká šířka pásma potřebná pro QSO (řádově desítky Hz) takže do jednoho SSB kanálu se vejde až 20 slušných vzájemně komunikujících stanic. Výraz slušných jsem použil proto, že bohužel i zde se již objevují stanice používající zbytečně velké výkony, přemodulované vysílače a pod., což má za následek rušení okolních stanic v šířce až několika kHz. Druhou základní výhodou, je, že pro spolehlivé QSO s celým světem je naprosto postačující výkon do 50W a je zbytečné až neslušné větší výkon používat. Šetříme tím drahý elektrický proud a nerušíme okolí velkými výkony. Na rozdíl  od RTTY se provoz PSK vyznačuje větší spolehlivostí přenosu, odolností proti rušení a možností zpětně opravovat překlepy během vysílání tak jako v běžném editoru.

Podstatou PSK je klíčování změnou fáze, kdy se modulace uskutečňuje fázovým posuvem dvou a nebo více stavů vůči nosnému signálu. Mimo základní verze PSK 31 má několik dalších variant .

BPSK 31                                        BPSK 63                            

Kliknutím na reproduktorek si poslechněte jak na pásmu zní.

PSK31, 63, 125, 250 :  - všechny tyto varianty používají stejný protokol a druh modulace. Autory protokolu jsou G3PLX, AE4JY a KH6TY. Protokol je založen na dvoufázové modulaci 0 a 180 stupňů.

Tento mód je také označován jako BPSK. Jednotlivé varianty se liší pouze rychlostí přenosu informací a šířkou použitého pásma. Přitom platí, že čím je větší rychlost, tím je větší potřebná šířka pásma a také se nepříznivě snižuje poměr signál/šum.

Program MixW umožňuje dokonce BPSK500, což je sice vysoká rychlost přenosu, ale na druhé straně malá odolnost proti rušení i schopnost zpracovat slabé signály. Z mých praktických zkušeností je mimo standartního PSK31 ještě optimální PSK63 a 125. U těchto módů lze použít USB nebo LSB, nezávisle na protější stanici.

QPSK31, 63, 125, 250 : - tato skupina je analogická s předchozí skupinou a liší se pouze tím, že na rozdíl od PSK používá modulaci se čtyřmi fázemi a to 0-90-180 a 270 stupňů. Dále obě korespondující stanice musí použít stejné postranní pásmo. Zpravidla se používá USB.

PSK63F, 125F, 220F – autorem této varianty je IZ8BLY a její základní předností je aplikace systému přímé korekce chyb (FEC). Tím se zásadně zvyšuje odolnost přenosu proti poruchám i při poměrně velké rychlosti. Proti standartnímu PSK lze lépe korespondovat při zhoršených podmínkách, na větší vzdálenosti (Dopplerův jev) a s menšími výkony (QRP). V programu STREAM jsou pro PSK63F a 125F navíc digitální filtry a velmi efektivní adaptivní dekodér.

Postranní pásmo musí být stejné u obou stanic, standartně se používá USB.

 PSKFEC31 – je varianta od F6CTE, která rovněž řeší oproti PSK31 lepší odolnost proti rušení, proti úniku i schopnost zpracovat slabší signály. Tohoto vylepšení je dosahováno také použitím systému FEC  a navíc je zde zlepšena synchronizace při velmi nízkých úrovních signálu. Ke spolehlivosti přenosu přispívá i soubor symbolů ohraničený pouze velkými písmeny. Je nutno dodržet stejné postranní pásmo u obou korespondujících stanic.

PSK10 – varianta s nejmenší rychlostí přenosu dat od F6CTE již z roku 2001. Zde se autor snažil za cenu snížení rychlosti zvýšit všeobecně citlivost a spolehlivost příjmu i při horším poměru signál/šum. Na rozdíl od PSK31 se zde nesleduje druhá fáze z dvou možných a její inverze, ale nepřítomnost jedné fáze hovoří o existenci druhé fáze, bez její analýzy. Je nutné dodržet stejné postranní pásmo.

PSKAM10, 31, 50 –  skupina vylepšených PSK protokolů od F6CTE. Základem protokolu je princip AMTOR FEC, kde je každý symbol vysílán dvakrát. Princip analýzy fází je stejný jako u PSK10. PSKAM10 vyniká vysokou citlivostí (poměr signál/šum 19,5 dB)a zpracovává signály na hranicích slyšitelnosti. I zde je nutno dodržovat stejné postranní pásmo u obou stanic.

Porovnání parametrů PSK variant:

Jaké technické vybavení budeme potřebovat.

1. Transceiver, jako základní vybavení každého radioamatéra, který používáme i pro ostatní druhy provozu. Pro digitální druhy provozu musí být ale vybaven provozem SSB, nebo u novějších tcvrů přímo provozem DIGI. Měl by disponovat i dobrou kmitočtovou stabilitou, i když vzhledem k současným programům disponujícím vodopádem (waterfall) a účinným AFC není již tento požadavek tak kritický.  Není třeba vylučovat ani  transceivery amatérské konstrukce, pokud vykazují odpovídající kmitočtovou stabilitu. Pokud se týče výkonu plně postačuje 20-50 W, a jak jsem se již zmínil v úvodu, je používání větších výkonů i nežádoucí  z hlediska rušení a zabírání větší šířky pásma. V souvislosti s výkonem důrazně upozorňuji: „nikdy nepoužívejte více jak 50% možného výkonu vašeho transceiveru“!! Všechny digitální druhy provozu,( mimo Hellschreiberu) totiž podstatně více zatěžují  koncový stupeň než SSB (obdoba FM)  a hrozí jeho přehřátí až zničení!! Pro provoz FM bývají tovární transceivery již vybaveny automatickým snížením výkonu, ale u SSB tomu tak není a proto u standardního tcvru s výkonem 100 W je nutno snížit výkon do 50 W. Totéž platí i u QRP transceiverů jako FT-817 apod. Koncové tranzistory jsou velmi drahé a znám již několik kamarádů, kteří tuto neblahou zkušenost prakticky získali. Pokud jde o přijímač, je samozřejmostí, že čím lepší citlivost a  selektivita tím lépe.  Nicméně majitelé průměrných i jednodušších transceiverů neztrácejte naději, neboť dobrých výsledků dosáhnete stejně, díky současné výpočetní technice se zvukovými kartami a jimi vytvořenými filtry.

    2. Předpokládám, že v současné době se již u většiny radioamatérů nachází nějaký počítač. Autoři jednotlivých programů zpravidla uvádějí jaká je minimální konfigurace PC pro ten který program.  Obecně můžeme konstatovat  tato fakta :

     minimální konfigurace na které se většina autorů původních programů shoduje je Pentium 100-133MHz, RAM 32 MHz, monitor VGA 640x480, operační systém Win95, 98, NT,XP a vyšší. S tímto vybavením můžete provozovat většinu základních programů pro digi módy. Z vlastní praxe, kdy jsem více jak rok používal notebook TOSHIBA s Pentiem 133 MHz  jsem bez problémů provozoval DigiPan, MMTTY, HamScope současně s YPlogem, MixW, Logger 32 a další. S nástupem nových rozsáhlých multimode programů a nových digimódů již může tato konfigurace způsobovat různá omezení vlastností. Na příklad pro program MULTIPSK již autor požaduje min. Pentium 160 MHz a pro CHIP 64/128 uvádí autor pro CPU min. 1GHz.   Proto  zde platí opět zásada čím vyšší konfigurace, tím lépe. Pokud se někdo bude teprve rozhodovat, jaký počítač si pro digimódy pořídit, doporučuji raději notebook. Mimo výhody větší mobility máme jistotu, že nám počítač nebude rušit rádiový provoz. Je sice pravda že současné moderní desktopy zdaleka neruší tak jako dříve 486ky apod., ale potenciálním zdrojem rušení mohou být stále klasické monitory se skleněnou obrazovkou. U LCD monitorů tento problém  již také nehrozí.

-    počítač musí být vybaven zvukovou kartou. Typů těchto karet je značné množství od   samostatných až po integrované do základních desek. Základním parametrem je 16-bit Soundblaster s kmitočtem 11.025 Hz. Při provozování digimódů  jsem se prakticky nikdy nesetkal s potížemi způsobenými touto kartou. Jediným problémem, se kterým se můžeme setkat, je přesnost oscilátoru hodinového kmitočtu zvukové karty. Pokud má karta nějakou odchylku od nominálního kmitočtu svého oscilátoru projevuje se to např. u Hellschreiberu, nebo u SSTV šikmým zobrazováním textu nebo obrázku. Pokud odchylka není příliš veliká a nevadí nám esteticky šikmé zobrazení, není komunikace nijak narušena. Rovněž u PSK nemá malá odchylka fatální důsledky, větší odchylka ale již způsobí zhoršení správného dekódování zejména u slabých signálů. U plně duplexních zvukových karet potom může činit rozdíl mezi oscilátory TX a RX až několik desítek Hz a protější stanice vás nebude brát, neboť váš signál bude vidět vedle. Pro zajímavost můj původní notebook TOSHIBA se kterým jsem začínal v r.1999 neměl odchylku žádnou. Pozdější model Satelite 4060XCDTse single zvukovou kartou měla tato po provedené kalibraci rozdíl 4360 ppm. Současně používaný notebook HP530 s „full duplex“ zvukovou kartou a dvěma oscilátory má mezi nimi rozdíl 19.000 ppm , což na vodopádu ukazuje odskok mezi RX a TX  4 mm.

U novějších módů na bázi MFSK, kde je nutná synchronizace mezi korespondujícími stanicemi jako je např. OLIVIA, CONTESTIA a RttyM má odchylka  větší než 100 ppm za následek, že znaky nejsou řádně dekódovány. Problém je ale snadno řešitelný dodatečnou kalibrací zvukové karty, kterou umožňuje několik programů pro digi módy jako například nejpopulárnější MixW nebo MMVARI.

Kalibrace zvukové karty v programu MixW.

Ke kalibraci využijeme provoz SSTV v MixW a vhodný normálový vysílač na KV. Tento najdeme na kmitočtech 4995 kHz, 9995 kHz nebo 14995 kHz. Transceiver, který máme samozřejmě standartně pro digi módy propojen s PC nastavíme na USB. Z uvedených  kmitočtů si vybereme ten, kde je signál podle momentálních podmínek šíření nejsilnější, i když lze úspěšně použít i slabší signál se šumem. Vysílač pracující na těchto kmitočtech se prezentuje volacím znakem RWM a používá různé druhy signálů. Pro náš účel je nutno vyčkat na signál podobný tečkám Morseovy abecedy který je vysílán 20-30 minutu a 50-59 minutu každou hodinu. Nyní na SSTV okně v okénku „Mode“ nastavíme režim WWV a kliknutím na RX spustíme příjem. Na obrazovce se začnou tvořit svislé pruhy, které ponecháme dokreslit přes celou plochu. Pokud jsou absolutně kolmé máme kmitočet v pořádku. Zpravidla ale budou mít pruhy nějaký sklon . Viz obrázek.

 Potom musíme kliknutím na symboly /  \  nebo //  \\ při větším sklonu, vyrovnat pruhy do absolutní kolmosti – následující obrázek.

 Jakmile máme pruhy kolmé, klikneme v horní liště MixW na „Mode“, dále na „Mode settings“a dostaneme okno „SSTV settings“.

Zde zhruba uprostřed okna najdeme „Samplerate correction“ a klikneme na „Go!“. Poté odsouhlasíme otázku programu, zda chceme změnit hodnotu korekce v nastavení zvukové karty (Clock adjustment,ppm). Následuje další otázka programu, jestli chceme stejnou hodnotu korekce jako pro příjem i pro vysílání. Odpovíme rovněž ano, pokud nemáme plně duplexní zvukovou kartu, kde jsou pro příjem a vysílání samostatné oscilátory. Nakonec se přesvědčíme, zda byla korekce realizována kliknutím na „Configure“, „Sound device settings“ – následující obrázek.

 a v okénkách „Clock adjustment,ppm“ RX a TX budou stejné hodnoty korekce (implicitně tam byly nuly).

 Dále ještě informace, jak pomocí MixW zjistit, zda máme plně duplexní zvukovou kartu. V okně „Sound device settings“zatrhnete „Full duplex“. Potom v módu BPSK přepnete MixW na TX a na vodopádu musíte vidět svůj signál. Pokud souhlasí kmitočet generátoru i pro TX, musí být váš signál na vodopádu přesně středem na značce, kde byl při příjmu. Pokud je mimo je třeba dále řešit kalibraci i pro TX generátor. Jsou možné dvě varianty plně duplexních karet. První je ta, že karta má jen jeden generátor hodinového kmitočtu. V takovém případě stačí přepsat stejný údaj ppm z okna RX v „Sound device setting“ do okna TX . Pokud máte pro RX a TX dva samostatné generátory,  kalibrujeme kartu pro vysílání následujícím způsobem. Po provedené kalibraci příjmu způsobem popsaným v předchozí části zadáme v „Configure – Sound device setting“ režim „Full duplex“ , v okně ppm TX zadáme 0 a potvrdíme OK. Zvolíme druh provozu FAX a stisknutím Ctrl+Shift+T si otevřeme další okno „Tuning“ kde nastavíme „Audio level 100%“. Sledujeme chvíli údaj „TX/RX rate“ v tomto okně s cílem si zaznamenat střední hodnotu. Potom klikneme na „Stop“ a zaregistrovanou hodnotu zapíšeme do okénka „Clock adjustment, ppm TX“ v „Sound device setting“. Pokud ani potom nesedí úplně signál TX na vodopádu s RX je třeba si pohrát s přepisem hodnoty ppm v okne TX dle potřeby nahoru nebo dolů.

Kalibrace zvukové karty v programu MMVARI.

Kalibrace v tomto programu je ještě jednodušší než v MixW.

1. Na transceiveru nastavte některý z kmitočtů 4995, 9995, 14995 kHz v módu USB.

2. Spusťte program MMVARI.

3. Aktivujte butony „Options“ a „Calibrating the Sound card“

4. Vyčkejte, až budou vysílány značky kmitočtem 10 Hz připomínající tečky Morseovy abecedy. Tyto začnou pomalu kreslit na obrazovce svislé pruhy. Tyto ponechte, až bude pokryta větší část obrazovky.

5. Pokud budou tyto pruhy zcela kolmé , nemusíte nic dělat a je to známkou, že hodinový kmitočet zvukové karty je optimální (11025 Hz).

6. Pokud budou šikmé, levým tlačítkem myši klikněte na horní okraj okna a potáhněte myš na spodní okraj. Myš za sebou potáhne slabou žlutou čáru . Pohybem myši po spodním okraji okna nastavte žlutou čáru rovnoběžně s pruhy na obrazovce a klikněte opět levým tlačítkem myši. Vlevo dole na obrazovce uvidíte změnu hodnoty v okénku „Clock „ v Hz a za ním v ppm.

7. Sledujte dále průběh kreslení kolmých pruhů a pokud nebylo dosaženo úplné kolmosti, opakujte manévr s myší.

8. Jakmile budou pruhy kolmé klikněte na „OK“

9. Údaje z okénka „Clock“ je dobré si opsat a je možno je použít i v jiných programech, ve kterých není možné kalibraci provádět.

Závěrem upozorňuji, že popsaná kalibrace je ve skutečnosti jenom softwarová korekce

pro příslušné uvedené programy, nikoliv HW kalibrace v počítači. Při použití jiných programů je třeba pro ně kalibraci opakovat, nebo přepsat korekční hodnoty ppm do nastavení (settings) zvukové karty u tohoto programu.

Propojení počítače s transceiverem (interface) je zdánlivě technicky jednoduchá věc, nicméně je to velmi významná záležitost pro zabezpečení kvalitního a čistého signálu zejména při provozu PSK. Na následujícím obrázku můžeme vidět základní propojení, které lze doporučit pouze pro první pokusy, nebo pro provoz s QRPP vysílačem, kde je riziko nežádoucích jevů, které si dále popíšeme, menší.

     NF výstup z našeho transceiveru musíme propojit se vstupem zvukové karty a to do konektoru „LINE IN“ nebo „MIC“, čímž máme zabezpečen příjem. Pro vysílání pak propojit výstup zvukové karty „LINE OUT“ s modulačním vstupem transceiveru. Zde je naprosto nezbytné mít zabezpečenu regulaci úrovně NF signálu, kterým se uskutečňuje modulace. Na schematu je pouze pevný dělič učený pro reproduktorový výstup zvukové karty. Regulaci úrovně modulace je pak možno provádět nastavením výstupní úrovně zvukové karty v systému Windows a nastavením úrovně modulace u transceiveru.  U zvukových karet, které nemají výstup „LINE OUT“ použijeme výstup pro sluchátka nebo reproduktor. Propojení je uskutečněno samozřejmě stíněnými kablíky. Na straně zvukové karty je nutno použít konektory Jack 3,5 mm v provedení stereo, přičemž střední segment na konektoru zůstane nezapojen.

Při použití konektoru mono, by došlo ke zkratování jednoho kanálu zvukové karty, což by nemusela dobře snášet. Na straně transceiveru je situace poněkud složitější, neboť jejich různé typy mají odlišná zapojení i druhy konektorů pro audio vstupy a výstupy.

Obecně je třeba dodržet zásadu, že pokud je transceiver vybaven zvláštním konektorem s výstupem a vstupem AUX, který má neměnné definované úrovně, je třeba použít ten. Zapojení konektorů pro tento účel u všech běžných transceiverů najdete na stránkách http://www.qsl.net/wm2u/interface.html

(kliknout na obdélníček s typem tcvru) i s dalšími příklady propojení zvukové karty a transceiveru. Typickým tímto konektorem je např.  DATA   u populární řady transceiverů YAESU FT-817, 857 a 897 kde DATA OUT 1200bps propojíme se vstupem a DATA IN s výstupem zvukové karty.

Pokud takový konektor na transceiveru nemáte, musíte použít standartní konektory pro sluchátka (reproduktor) a pro mikrofon. Toto řešení je ale méně vhodné, protože tyto výstupy a vstupy jsou závislé na nastavení úrovně vnějšími ovládacími prvky transceiveru. S těmi  je ale manipulováno i u běžných druhů provozu a při přechodu na digitální provoz je třeba vždy nastavovat potřebné úrovně NF signálu a to jak pro vstup do zvukové karty, tak zejména pro výstup ze zvukové karty pro modulaci vysílače, což je pro kvalitu signálu důležité.

Jako další záležitost technického propojení musíme zabezpečit přepínání transceiveru z příjmu na vysílání (PTT). Jako jednoduchou variantu lze sice použít funkce VOX u transceiveru, není to však metoda zcela spolehlivá a z praxe ji nelze k trvalému provozu doporučit. Pro ovládání PTT lze  použít jednoduché zapojení známé již z RTTY systému HAMCOM, které z pinů DTR, nebo RTS sériového portu, přes tranzistor, přímo ovládá PTT transceiveru. Výše uvedené jednoduché propojení má ale následující rizika. Přímým galvanickým propojením zemí PC a transceiveru může docházet ke vzniku brumových napětí,

které se  projevují ve vysílaném signálu. Dále pak k různým vazbám a pronikání VF signálu do modulace.

Na dalším obrázku je standartní jednoduché propojení, které ale již výrazně omezuje nebezpečí nežádoucích vazeb a vzniku brumových napětí vlivem nestejného zemního potenciálu. Země počítače a transceiveru jsou totiž galvanicky odděleny a při navlečení feritových prstenců na všechny konce šňůr je omezeno i pronikání naindukovaného VF napětí do jednotlivých vstupů. 

Toto provedení používám k plné spokojenosti od r. 1999 dodnes. Standardně používané oddělovací transformátorky 1:1 mají impedanci 600:600 Ohm a lze je pořídit v GES pod označením KBT a reg.číslem GES07500572 za 49.- Kč. Jako transformátorky se mi osvědčily také tlumivky s dvojím vinutím na feritových E jádrech, které jsou používány na vstupu 220V u malých spínaných zdrojů. Tyto transformátorky mají sice velmi malou impedanci, řádově jednotek až desítek ohmů, což lze ale považovat spíše za výhodu z hlediska naindukování nežádoucích signálů. Vzhledem k tomu, že jich existuje celá řada s diametrálně rozdílnými parametry, hledáme takové které mají indukčnost řádově desítek mH, častý typ má 28mH,  Pouhými sluchátky, NF milivoltmetrem nebo osciloskopem můžeme zjistit jestli nezpůsobují nežádoucí omezení úrovně přenášeného NF signálu. Podstatné je, aby bylo možno s rezervou nastavovat příslušné úrovně jak pro příjem, tak pro modulaci transceiveru. Pokud se dopracujete k malým úrovním, je třeba potom hledat takové řešení, aby impedance propojení na obou stranách byla co nejvíce shodná s impedancemi příslušných vstupů a výstupů jak zvukové karty tak transceiveru. Při řešení těchto otázek je účelné podívat se do manuálu vašeho zařízení, jaké konkrétní impedance a hlavně úrovně NF signálů se na příslušných konektorech objevují, nebo jsou potřebné. V souvislosti s tím upozorňuji na nebezpečí poškození mikrofonního vstupu transceiveru. Když vezmeme do úvahy tu nejméně vhodnou variantu propojení, kdy ze zvukové karty použijete výstup pro reproduktor (nedej bože i s nějakým integrovaným zesilovačem) a v transceiveru konektor pro mikrofon, potom se na takovém výstupu může objevit až řádově několik voltů NF signálu, zatím co na mikrofonním vstupu je třeba maximálně několik mV.  Praktické provedení tohoto jednoduchého interfejsu je na následujícím snímku bez jakýchkoliv regulačních prvků. Otázku nastavování úrovní si podrobněji probereme v odstavci „Vlastní provoz“. Obdobný jednoduchý interfejs, který je doplněn i možností ovládání tcvru z počítače je popsán na stránkách http://www.ok2pya.cz/ pod názvem YFPI a jeho autorem je OZ2BKK.

U dosud uváděných jednoduchých řešení se neobejdeme pro ovládání PTT bez tzv. sériového portu COM. Novější počítače tyto porty ale již nemají a jsou vybaveny pouze několika porty USB. V takovém případě je třeba si pořídit běžně dostupný převodník USB-COM. Ten si nainstalovat na počítač pomocí přiloženého ovladače a následně si zjistit pod jakým číslem COM se v systému etabloval. Pro WinXP klikneme na  Start - Ovládací panely - Systém -Hardware - Správce zařízení - Porty COM a LPT. Toto  číslo COMu potom musíme uvést v konfiguraci programu pro PSK.

Kdo má dost peněz může samozřejmě zvolit některý z profesionálně vyráběných interfejsů, které mimo umožnění digitálního provozu řeší i ovládání transceiverů z počítače systémem CAT, což je značná výhoda. Cenově nejvýhodnější a osvědčený je HamRadioControler HRC3.0, který je inzerován na stránkách EPC-CZ. Sám jej používám druhým rokem k plné spokojenosti. Dražší, ale disponující větším komfortem a dalšími funkcemi jako RigExpert , nebo několik typů od firmy MicroHam lze koupit v DD Amtek. Všechny tyto interfejsy jsou ale již koncipovány pro připojení do USB portu a proto je nelze použít ke starším počítačům, které USB port nemají. Dražší modely mají také vlastní zvukovou kartu, která je kvalitní a zvuková karta v počítači je volná pro jiné použití, např. pro SDR radio. V další části se podíváme na programové vybavení pro PSK i další digi módy a vlastní provoz.