Оливия МФСК

Спектрограмма (отображение водопада) сигнала Olivia 16/500 с центром на частоте 7073,25 кГц

Olivia MFSK - это протокол любительского радиотелетайпа , использующий множественную частотную манипуляцию (MFSK) и разработанный для работы в сложных условиях (низкое отношение сигнал / шум плюс многолучевое распространение ) на коротковолновых диапазонах . Сигнал может быть получен точно, даже если окружающий шум на 10 дБ сильнее. Он обычно используется радиолюбителями для надежной передачи символов ASCII по зашумленным каналам с использованием высокочастотного (3–30  МГц ) спектра. Эффективная скорость передачи данных протокола Olivia MFSK составляет 150 символов в минуту.

Режимы Olivia обычно называют Olivia X / Y (или, альтернативно, Olivia Y / X ), где X обозначает количество различных передаваемых звуковых тонов, а Y обозначает полосу пропускания в герцах, по которой распространяются эти сигналы. Примеры распространенных режимов Olivia: 16/500, 32/1000 и 8/250.

История [ править ]

Протокол был разработан в конце 2003 года Павлом Ялохой . Первые испытания в эфире провели два радиолюбителя Fred OH / DK4ZC и Les VK2DSG на трассе Европа-Австралия в 20-метровом любительском диапазоне. Испытания показали, что протокол работает хорошо и может обеспечивать регулярные межконтинентальные радиоконтакты с мощностью РЧ всего в один ватт. С 2005 года Olivia стала стандартом для передачи цифровых данных в условиях белого шума, замирания и многолучевого распространения , флаттера (полярный путь) и полярных сияний.

Добровольное выделение каналов [ править ]

Поскольку сигналы Olivia могут быть декодированы, даже если принятые сигналы очень слабые (отношение сигнал / шум –14  дБ ), ^[1] достаточно сильные для декодирования сигналы иногда оказываются ниже минимального уровня шума, и поэтому их невозможно найти вручную. В результате радиолюбители добровольно приняли решение о выделении каналов для этого режима. Такое разделение каналов позволяет правильно настраивать даже незаметно слабые сигналы для приема и декодирования. По общепринятому соглашению любительские станции устанавливают контакты, используя режимы 16/500 или 32/1000, а затем переключаются в другие режимы для продолжения разговора. В следующей таблице перечислены общие центральные частоты, используемые в любительском радио. полосы .

После введения новых цифровых режимов любительского радио и, как следствие, перекрытия с частотами вызовов Olivia на некоторых любительских радиодиапазонах, американский радиолюбитель Томас Худ NW7US проконсультировался с участниками, подписавшимися на группу новостей пользователей Olivia MFSK, и в ноябре создал новый список частот вызовов. 2017 г.

Комбинации тонов и пропускной способности [ править ]

Разговоры с использованием Olivia обычно инициируются с использованием Olivia 16/500 (16 тонов в полосе пропускания 500 Гц) или Olivia 32/1000 (32 тона в полосе пропускания 1000 Гц). ^[1] После того, как связь установлена, взаимодействующие стороны совместно решают, подходит ли другой режим для текущего распространения.условия. Возможное количество тонов, которое можно выбрать: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256 с большим количеством тонов, обеспечивающим большую избыточность данных, но меньшую пропускную способность и меньшее количество тонов, дающее более высокую пропускную способность за счет меньше избыточности. Доступные полосы пропускания для Olivia составляют 125 Гц, 256 Гц, 512 Гц, 500 Гц, 1000 Гц и 2000 Гц с более широкими полосами пропускания, обеспечивающими более высокую пропускную способность, и более узкими полосами пропускания, обеспечивающими меньшую пропускную способность. Чаще всего используются комбинации 4/125, 8/250, 8/500, 16/500, 16/1000 и 32/1000.

Технические детали [ править ]

Будучи цифровым протоколом, Olivia передает поток символов ASCII (7-битных). Символы отправляются блоками по 5. Передача каждого блока занимает 2 секунды, таким образом, эффективная скорость передачи данных составляет 2,5 символа в секунду или 150 символов в минуту. Чаще всего используется полоса пропускания 1000  Гц, а скорость передачи - 31,25 тонов MFSK в секунду. Чтобы приспособиться к различным условиям и в целях экспериментов, можно изменять полосу пропускания и скорость передачи данных.

Система передачи Olivia состоит из двух уровней: нижний уровень кода модуляции и прямого исправления ошибок (FEC) представляет собой классическую множественную частотную манипуляцию (MFSK), а верхний уровень - это код прямого исправления ошибок, основанный на функциях Уолша .

Оба уровня имеют схожую природу: они составляют код FEC «1 из N». Для первого уровня ортогональные функции являются (со) синусоидальными функциями с 32 различными частотами (тонами). В данный момент отправляется только один из этих 32 тонов. Демодулятор измеряет амплитуды всех 32 возможных тонов (используя преобразование Фурье ) и (зная, что только один из этих 32 мог быть отправлен) улавливает тон с наивысшей амплитудой. ^[2]

Для второго уровня FEC: каждый символ ASCII кодируется как одна из 64 возможных функций Уолша (или векторов матрицы Адамара ). Приемник снова измеряет амплитуды для всех 64 векторов (здесь идет преобразование Адамара) и выбирает наибольший. ^[3]

Для оптимальной производительности фактические демодуляторы работают с мягкими решениями, а окончательное (жесткое) решение для декодирования символа принимается только на втором уровне. Таким образом, демодулятор первого уровня фактически производит мягкие решения для каждого из 5 битов, связанных с тоном MFSK, вместо того, чтобы просто брать самый высокий тон, чтобы произвести жесткие решения для этих 5 битов.

Чтобы избежать простых передаваемых шаблонов (таких как постоянный тональный сигнал) и минимизировать вероятность ложной блокировки на синхронизаторе, символы, закодированные в функции Уолша, проходят через скремблер и перемежитель. Этот этап просто сдвигает биты и выполняет операцию XOR с предопределенными векторами скремблирования, поэтому он не улучшает производительность в том, что касается белого (некоррелированного) шума, но результирующий шаблон приобретает определенные отличительные характеристики, которые очень помогают синхронизатору.

Приемник выполняет автоматическую синхронизацию путем поиска подходящего шаблона через возможные временные и частотные сдвиги. Диапазон частот поиска обычно составляет +/- 100 Гц, но при желании пользователя может достигать +/- 500 Гц.

Слой MFSK [ править ]

В режиме по умолчанию отправляется 32 тона в пределах звуковой полосы пропускания 1000 Гц, а тона разнесены на 1000 Гц / 32 = 31,25 Гц. Тоны в форме , чтобы минимизировать количество энергии , отправляемые за пределы номинальной пропускной способности.

Точная формула формы:

${\displaystyle +1.0000000000+1.1913785723\cos(x)-0.0793018558\cos(2x)-0.2171442026\cos(3x)-0.0014526076\cos(4x)}$

где x изменяется от - π до π.

Коэффициенты представляют форму символа в частотной области и были вычислены с помощью процедуры минимизации, которая стремилась сделать наименьшие перекрестные помехи и наименьшие побочные эффекты частоты.

Сигналы отправляются со скоростью 31,25 бод или каждые 32 миллисекунды. Фаза не сохраняется от одного тона к другому: вместо этого вводится случайный сдвиг на ± 90 градусов, чтобы не передавать чистый тон, когда один и тот же символ отправляется повторно. Поскольку символы имеют плавную форму, нет необходимости поддерживать постоянную фазу, что обычно имеет место, когда не используется (например, квадратное) формирование.

Модулятор использует код Грея для кодирования 5-битных символов в номера тонов.

Генератор сигналов основан на частоте дискретизации 8000 Гц. Тоны разнесены по времени на 256 отсчетов, а длина окна, формирующего их, составляет 512 отсчетов. Демодулятор основан на БПФ размером 512 точек. Интервал между тонами по частоте составляет 8000 Гц / 256 = 31,25 Гц, а разрешение FFT демодулятора составляет 8000 Гц / 512 = 15,625 Гц, что составляет половину разделения тонов.

Чтобы адаптировать систему к различным условиям распространения, можно изменять количество тонов и полосу пропускания, а временные и частотные параметры пропорционально масштабируются. Количество тонов может быть 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 или 256. Полоса пропускания может составлять 125, 250, 500, 1000 или 2000 Гц.

Слой FEC функций Уолша [ править ]

Уровень модуляции системы передачи Olivia в режиме по умолчанию отправляет один из 32 тонов за раз. Таким образом, каждый тональный сигнал представляет собой символ, который несет 5 бит информации. Для кода FEC берутся 64 символа для формирования блока. В каждом блоке из каждого символа берется один бит, и он формирует 64-битный вектор, закодированный как функция Уолша. Каждый 64-битный вектор представляет собой 7-битный символ ASCII, таким образом, каждый блок представляет 5 символов ASCII.

Таким образом, если один символ (тон) искажается из-за шума, только один бит каждого 64-битного вектора становится поврежденным, поэтому ошибки передачи равномерно распределяются по символам в блоке.

Два уровня (MFSK + функция Уолша) кода FEC можно рассматривать как двумерный код: первое измерение формируется вдоль оси частот самим MFSK, а второе измерение формируется вдоль оси времени функциями Уолша. Двумерная компоновка была создана с целью решить такой упорядоченный код FEC с помощью итеративного алгоритма, однако такой алгоритм еще не создан.

Скремблирование и простое перемежение битов применяются для того, чтобы сгенерированные шаблоны символов казались более случайными и с минимальной самокорреляцией. Это позволяет избежать ложных блокировок приемника.

Битовое чередование: функция Уолша для первого символа в блоке строится из 1-го бита 1-го символа, 2-го бита 2-го символа и так далее. Вторая функция Уолша состоит из 2-го бита 1-го символа, 3-го бита 2-го символа и так далее.

Скремблирование: функции Уолша скремблируются псевдослучайной последовательностью 0xE257E6D0291574EC. Функция Уолша для 1-го символа в блоке скремблируется с помощью последовательности скремблирования, 2-я функция Уолша скремблируется с последовательностью, повернутой вправо на 13 бит, 3-й символ с последовательностью, повернутой на 26 бит, и так далее.

Образцы [ править ]

Оба перечисленных аудиофайла закодированы с сообщением: «Добро пожаловать в Википедию, бесплатную энциклопедию, которую может редактировать каждый».

	Пример передачи Olivia MFSK (500 Гц / 16 тонов)
Проблемы с воспроизведением этого файла? См. Справку по СМИ .

	Пример передачи Olivia MFSK (1000 Гц / 32 тона)
Проблемы с воспроизведением этого файла? См. Справку по СМИ .

Contestia [ править ]

Contestia - это цифровой режим, который напрямую унаследован от Olivia, что не так надежно. Это скорее компромисс между производительностью и скоростью. Он звучит и выглядит почти так же, как Olivia, и может быть настроен любым количеством способов, но имеет чуть более чем вдвое большую скорость. Режим был разработан Ником Федосеевым, UT2UZ, в 2005 году.

В режиме Contestia, как и в Olivia, есть 40 форматов, некоторые из которых считаются стандартными, и все они имеют разные характеристики. Форматы имеют различную полосу пропускания (125, 250, 500, 1000 и 2000 Гц) и количество используемых тонов (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 или 256).

Стандартные форматы Contestia (полоса пропускания / тоны) - 125/4, 250/8, 500/16, 1000/32 и 2000/64. Чаще всего используются форматы 250/8, 500/16 и 1000/32. ^[4] Повышенная скорость Contestia достигается за счет использования меньшего размера блока символов (32) вместо Olivia (64) и использования 6-битного десятичного набора символов вместо 7-битного набора ASCII, который использует Olivia.

Этот сокращенный набор символов не печатается ни в верхнем, ни в нижнем регистре (например, RTTY ). Некоторым сетям трафика может не понравиться этот режим, поскольку он не поддерживает символы верхнего и нижнего регистра и расширенные символы, которые можно найти во многих документах и ​​сообщениях. Это не представляет проблемы для обычных цифровых чатов при любительском общении. ^[5]

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

• Справочный список распространенных частот и форматов MFSK Olivia
• Исходный код GPL C ++ для Linux и Cygwin (веб-архив)
• Веб-сайт, содержащий техническую информацию о протоколе Olivia