Traduction de Pascal BIMAS F1ULT de la page web PSK-Hell and FM-Hell de ZL1BPU.
Alors que le Hellschreiber existe depuis environ maintenant 70 ans, quelques idées réellement nouvelles ont été développées depuis le travail de défrichage du Hell. Le PSK-Hell et le FM-Hell, récemment développés par la collaboration mutuelle de Murray ZL1BPU et de Nino IZ8BLY, sont peut-être parmi les meilleures des dernières innovations.
Cet article a pour sujet les quatre modes différents, le PSK105, le PSK245, le FM105 et le FM245 qui sont en plusieurs points très similaires. En fait, ils partagent tous la même technique de réception (le démodulateur à quadrature, un type de détecteur de phase). Il y a deux techniques différentes de transmission, le PSK et le MSK, et deux rapidités de modulation sont employées, 105 bauds et 245 bauds. Vous vous demandez peut-être maintenant "qu’est-ce que deviennent les 122,5 bauds utilisés en Feld-Hell ?". Et bien, en fait les nouvelles rapidités de modulation sont complètement compatibles avec le Feld-Hell original et nous allons vous expliquer d’où cela vient.
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Mode Hell |
Rapidité de Modulation |
Bande passante |
Vitesse |
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Feld-Hell |
122,5 Bauds |
450 Hz |
25 MPM |
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PSK105 |
105
Bauds |
105
Hz |
25
MPM |
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PSK245 |
245
Bauds |
245
Hz |
25
MPM |
En premier considérons le mode 105 bauds, qui a été conçu pour garder la bande passante de manipulation à un minimum. Chaque caractère d’une transmission Hell PSK105 ou FM105 est représentée par une série de points dans une matrice, tout comme en Feld-Hell, mais la matrice est seulement de 7 x 6, sept colonnes de six points (42 points) au lieu des 7 x 7 (49 points). Cette réduction en points par colonne autorise une rapidité de modulation plus lente (105 bauds) pour le même débit de 17,5 colonnes/sec et la même vitesse de texte que le Feld-Hell. (105 = 122,5 x 6/7). Les points sont envoyés les uns après les autres, dans le même ordre que le Feld-Hell mais d’une manière légèrement différente.
Le point le plus important est que la rapidité à laquelle les colonnes du texte sont transmises reste la même que pour le Feld-Hell et, bien que la bande passante et la résolution du texte soient réduites, le mode reste compatible en vitesse avec les autres modes 122,5 bauds. Un autre point à noter est qu’en raison de la nature de la technique de modulation, l’astuce "demi pixel" employée en Feld-Hell n’est pas applicable ici. Comme vous pouvez le voir à partir de l’exemple ci-dessus, le texte n’est certainement pas aussi agréable qu’une transmission Feld-Hell 122,5 bauds. Une police spéciale est nécessaire.
Evidemment un mode 245 bauds sera deux fois plus large et aura une résolution double d’un mode 122,5 bauds. Voici comment la pleine résolution est rétablie pour les modes PSK-Hell et FM-Hell. Encore une fois le débit de colonnes de 17,5 colonnes/sec assure la compatibilité avec le Feld-Hell – la police a simplement 14 pixels/colonnes au lieu de sept. Il n’y a pas besoin de l’astuce "demi-pixel" comme la pleine résolution et la bande passante d’une matrice de 98 points sont disponibles. Les polices Hell standard et même les polices Windows peuvent être utilisées sans aucun changement de la bande passante!
PSK-Hell
en mode 245 Bauds (DX 20 m)
Comme avec le PSK31 et d’autres modes PSK, les données en PSK-Hell sont encodées dans la phase de la porteuse, plutôt qu’en amplitude. Parce qu’il n’est jamais possible de connaître la phase absolue d’une transmission HF quand elle est reçue et que la phase change continuellement à cause des effets ionosphériques, il n’est pas possible de définir les points blancs pour une phase et les points noirs pour une autre. Par conséquent, Zl1BPU et IZ8BLY utilisent une technique appelée Manipulation par Changement de Phase Différentielle qui repose sur la détection d’un changement dans la phase. Au commencement de chaque point, la phase est inversée si le point est blanc par contre elle n’est pas changée si le point est noir. La phase transmise reste constante jusqu’au prochain point. Ainsi, la phase du signal reçu a seulement besoin de rester approximativement constante pendant la durée d’un point comme c’est seulement la différence qui est recherchée et non la phase absolue. Cela rend ce mode relativement insensible aux changements de phase ionosphérique aléatoires (aussi appelé " doppler ionosphérique").
Le PSK-Hell ne peut pas envoyer de points "gris", ni envoyer des points "demi pixel" parce que le changement dans la phase ne peut seulement être fait qu’à la rapidité de modulation que le détecteur de phase du récepteur attend. A 245 bauds, tous les points sont effectivement des "demi-pixels".
Lors de la coupure de la phase de la porteuse, de très fortes harmoniques peuvent être générées, tout comme si un transceiver était commuté en réception et un autre commuté en émission instantanément. Pour éviter ce problème, le signal transmis est aussi modulé en amplitude avec un signal raised cosine, exactement comme dans les meilleurs systèmes Feld-Hell et en PSK31. Cela permet de réduire la puissance de l’émetteur à zéro au moment où la phase est changée.
Voici une image d’une série de "points" blancs PSK-Hell. Remarquez comment la phase de chaque oscillation est différente de celle de la précédente et notez comment les points sont soigneusement formés.
Chacune de ces oscillations est un pixel ou un point. La fréquence de la tonalité est de 980 Hz comme celle utilisée pour le Feld-Hell et, comme vous pouvez le voir, les points sont complètement identiques, excepté que chaque second point est inversé verticalement, pour procurer un changement de phase de 180°. La mise en forme du signal (appelée "envelope raised cosine") est employée pour réduire la bande passante de la transmission. Avec cette technique, le signal a une largeur de seulement de 105 Hz (ou 245 Hz) et de fait (voir ci-dessous) il a un spectre consistant seulement en deux porteuses de 105 Hz (ou 245 Hz) d’écart, espacées de chaque coté de 980 Hz. Cette mise en forme "raised cosine" est exactement la même que la modulation d’une porteuse supprimée à double bande latérale d’une porteuse de 980 Hz avec une sinusoïde de 105 Hz (ou 245 Hz). Dans l’image ci-dessous, la porteuse 980 Hz est atténuée d’environ 40 dB, bien qu’elle revienne bien sûr lorsque du noir est envoyé. Sans ce filtrage, les changements de phase causeraient de nombreuses harmoniques espacées de 105 Hz. Dans cette illustration d’un signal réel, vous pouvez voir les harmoniques tous les 105 Hz, jusqu’au environ de - 45 dB, très atténuées par le filtrage raised cosine. Ces harmoniques deviennent beaucoup plus fortes si l’émetteur SSB est surmodulé.
Spectre
d’un signal PSK-Hell 105 Bauds
Le cycle de fonctionnement de l’émetteur est très élevé en PSK-Hell, environ 90%. L’image suivante montre deux pixels blancs suivis de deux pixels noirs eux-même suivis d’un pixel blanc. Regardez comment la phase ne change pas au début des pixels noires et il n’y a pas de changements de phase entre les pixels noires. Remarquez aussi que la modulation raised cosine n’est pas nécessaire entre les points noirs parce que la phase ne change pas. Cela a pour effet de diminuer la bande passante pendant les points noirs et aussi d’augmenter la puissance moyenne.
Le problème de choisir une police pour le PSK-Hell 105 bauds ou le FSK-Hell est plutôt difficile. La police contient les couleurs des points, pas les changements, il est donc probable que certains caractères auront un même nombre de points, tandis que d’autres auront un nombre impair de points. Ainsi il apparaît que n’importe quel caractère en suivant un autre avec un même nombre de points pourrait se terminer en ayant un point noir envoyé par idnavertance au début du caractère, ce que vous pouvez voir dans la prochaine illustration prise pendant la période de développement.
Cela a été résolu en concevant la police soigneusement et en prévoyant que la phase des caractères complets était inversée où c’était nécessaire.
En plus, comme déduit ci-dessus, il n’est pas possible dans le mode 105 bauds d’utiliser la technique des "deux pixels" développée par Rudolf Hell. Cette astuce prévoit de doubler la résolution sans doubler la bande passante en lissant les pixels en durée par un demi-point supplémentaire. Malheureusement cela n’aurait pas seulement augmenté la bande passante en PSK-Hell mais cela aurait encore empêché un nombre impair de points identiques d’être transmis. La réponse à ce problème est d’utiliser une rapidité de modulation de 245 bauds pour fournir la résolution nécessaire aux polices à haute définition.
Dans le logiciel de IZ8BLY, les polices sont définies comme une série de tables d’ondes, exactement de la même manière qu’en Feld-Hell mais bien sûr les points correspondent à des changements de phase plutôt qu’à des commutations tout ou rien. A cause de la modulation raised cosine, il est très important que le PSK-Hell soit amplifié et transmis linéairement. Autrement le signal deviendrait très large. Quand il est bien réglé, le signal a une bande passante très raisonnable de 105 Hz de large.
Le problème manifeste avec l’usage du 245 bauds est que le signal est par conséquent plus large. Durant le développement du PSK-Hell 245 bauds, il fut bientôt réalisé qu’il pouvait être reçu avec une des bandes latérales étant supprimée ou filtrée à l’extérieur. Pour prouver ce point, un mode "SSB-PSK-Hell" fut testé et fut trouvé très efficace. Après exploration des mathématiques de la génération d’un signal, il fut constaté que le même signal pouvait être généré en utilisant une technique FSK combinée avec un contrôle soigneux de la phase. Ce n’est pas seulement moins intensif pour le processeur mais cela nécessite aussi moins de filtrage comme le signal est très net. Vous devez concevoir que toutes les fois que la phase aurait dû être modifiée pour signaler un point blanc, à la place c’est la fréquence qui variera légèrement jusqu’à ce que le changement de phase nécessaire ait été atteint.
Le résultat est le FM-Hell, très similaire au MSK (Minimum Shift Keying) et il est ainsi possible de transmettre en FM-Hell 245 bauds dans une bande passante aussi petite que 50 Hz. La sensibilité est cependant meilleure si un shift de 122,5 Hz est utilisé.
Voici les différents avantages du FM-Hell :
La transmission est plus étroite qu’en PSK-Hell ou en Feld-Hell.
La pleine résolution est maintenue et les polices Windows à haute résolution ne sont pas plus larges que les polices Hells.
La modulation raised cosine n’est pas nécessaire pour contrôler la génération des bandes latérales donc le transceiver transmet une puissance constante.
Puisque le signal est constant en amplitude, un émetteur linéaire n’est pas nécessaire.
Il apparaît être comme la moins brouillée des transmissions DX par rapport au PSK-Hell ou au Feld-Hell.
FM-Hell 245 Bauds
Comparez cette image avec la précédente (elles ont été enregistrées durant le même contact sous les même conditions). Constatez que le brouillage visible sur l’échantillon PSK-Hell est complètement absent dans l’échantillon FM-Hell. ZL1BPU et IZ8BLY croient que la raison est qu’en PSK-Hell, bien que la rotation de la phase causée par l’ionosphère affecte les deux bandes latérales de manière équivalente, les changements de temps qui en résultent ne le sont pas, et le signal PSK-Hell est la somme de deux signaux placés légèrement différemment. A la place, le FM-Hell peut produire une légère ondulation du texte vers le haut et le bas, comme cela se produit avec le Feld-Hell, mais ce n’est en aucune façon une détérioration de la réception.
Le plus gros avantage du PSK-Hell et du FM-Hell, comme tous les modes PSK, est la sensibilité. L’avantage au-dessus du Feld-Hell dans le bruit est probablement de l’ordre de 6 à 8 dB (doit encore être confirmé précisément). Les exemples comparatifs suivant montre du PSK-Hell 105 bauds et du Feld-Hell reçus à environ 0 dB S/N puis à environ -12 dB S/N, dans une bande passante de bruit de 3 kHz. Le FSK-105 est à peu près équivalent et les modes 245 bauds environ 3dB plus mauvais.
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dB S/N (gauche) et -12 dB S/N (droite)
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dB S/N (gauche) et -12 dB S/N (droite)
Voici quelques comparaisons supplémentaires, cette fois des signaux DX réels sur 14 MHz, à partir du même contact sous les mêmes conditions. Notez le fading sur l’échantillon Feld-Hell, juste avant que le contact soit établi et la clarté de l’échantillon FM-Hell juste après que ZL1BPU ne réponde et que le mode ne change. Pas de changement de la puissance d’émission, ni d’antenne (dipôles) ou des réglages de réception - seulement un changement de mode. A propos, le signal 245 bauds FM-Hell est plus étroit que le Feld-Hell 122,5 bauds!
Chris
HB9BDM transmettant en Feld-Hell 122,5 Bauds
Chris
HB9BDM transmettant en FM-Hell 245 Bauds
En pratique, les modes 245 bauds sont aussi performants que les modes 105 bauds puisque la résistance accrue au "doppler" et la résolution meilleure des polices ont tendances à compenser la perte de sensibilité. Le PSK-Hell et le FM-Hell sont beaucoup moins affectés par les parasites impulsifs tels que les éclairs. C’est parce que la plage dynamique de la réception du logiciel (identique pour les deux modes) est importante et que l’AGC du récepteur n’a pas besoin d’être complètement rétabli avant que la réception ne soit restituée. Notez dans l’exemple suivant où la réception est perdue pendant un éclair, que le signal continue à être copié entre les éclairs!
Cet exemple est extrait d’un contact QRP au-dessus 18 000 km sur 14 MHz, la réception est remarquablement bonne. Les rayures horizontales sont causées par la modulation raised cosine du PSK-Hell et elles deviennent plus visibles quand le signal est faible.
Comme vous pouvez l’imaginer, le PSK-Hell n’est pas beaucoup affecté par le fading. Les signaux multiréflexions qui accompagnent habituellement le fading peuvent être un problème, quoique peut-être un peu moins qu’en Feld-Hell. C’est la plupart du temps un problème sur les bandes basses, particulièrement sur 80 m. Voici un exemple comparatif de signaux avec de sévères réflexions multiples.
Simulation
Multiréflexions - PSK-Hell (gauche) et Feld-Hell (droite)
Il s’agit d’une simulation créée en ajoutant un signal retardé de 20 ms plus faible de 4 dB que le signal principal. C’est fait pour simuler une réception médiocre mais ce n’est pas inhabituel sur 80 m! (Suggestion - essayez le Duplo-Hell ou le MT-Hell puisqu’ils sont beaucoup moins affectés). Le PSK-Hell et le FM-Hell sont raisonnablement immuniser contre les interférences, particulièrement les parasites impulsionnels et le hachage mais ils peuvent être gravement affectés par des porteuses sur la fréquence ou du Morse. Quand le signal est très faible, il est susceptible de souffrir d’interférences importantes de stations qui ne le reconnaissent pas ou ne réalisent même pas que le signal est là!
L’effet le plus significatif qui peut réellement ruiner les modes PSK pour le DX est ce doppler ionosphérique. Où l’ionosphère est en état de changement constant, la densité des ions peut changer tout à fait rapidement et par conséquent faire la même chose pour la vitesse de propagation et l’index de réfraction. Il en résulte que les signaux traversant de telles zones (près des pôles magnétiques de la terre) supportent des modulations de vitesse très importantes. Cela provoque la modulation de l’amplitude, de la fréquence et de la phase du signal. Pourvu que les signaux occupent une bande passante raisonnable, cela n’est pas vraiment un problème mais des signaux à bande étroite (comme le PSK-31) souffrent beaucoup des fluctuations, ce qui peut facilement introduire un bruit de phase sur le signal qui excède la bande passante du signal résultant en une réception nulle. Le PSK différentiel est gravement affecté parce que le changement dans la phase peut facilement excéder 180° à l’intérieur de la durée d’un bit.
Le PSK-Hell et le FM-Hell sont protégés de ce problème de deux manières – en premier, la durée d’un point est beaucoup plus courte que le PSK-31 (9,5 ms ou 4,8 ms au lieu de 32 ms) et deuxièmement, la méthode de réception n’utilise pas de détection d’horloge pour déterminer quand échantillonner chaque bit de donnée. Etant un mode Flou, les échantillonnages du PSK-Hell à une fréquence constante (quasi-synchrone), quatre fois le débit de points transmis, et la phase du bruit tendent à créer un niveau de bruit de fond qui est perceptible par l’œil mais n’affecte pas la réception.
Une caractéristique intéressante de la fluctuation des niveaux à cause du doppler sur le PSK-Hell (qui peut aussi être observée quelque fois sur le Feld-Hell) est l’effet du doppler sur la phase des caractères reçus – le PSK-Hell et le FM-Hell peuvent être copiés avec environ ±25 Hz de décalage doppler sans perte de réception, (démontré dans la simulation ci-dessous) mais avec cet écart plus important, le texte bouge en ondulant en bas et en haut comme les vagues sur l’océan :
L’effet peut être souvent observé sur des signaux réels tels que cette transmission QRP de VK2DSG sur 80 m, reçue en Nouvelle Zélande :
Faites
des vagues avec le PSK-Hell
Il y a seulement un programme actuellement disponible pour le PSK-Hell et le FM-Hell. C’est le logiciel de Nino IZ8BLY pour Windows 95/98/NT avec carte son, V 3.0 et supérieure (V3.5 et supérieure pour le FM-Hell). Consultez la page des logiciels pour plus d’informations.
Le
premier QSO DX en PSK-Hell du monde
Les conditions sur 20 m en Europe sont réputées bruyantes. La photo ci-dessus est extraite du premier contact Dx en PSK-Hell le 21 août 1999 et montre la réception (en Europe) de ZL1BPU par IZ8BLY à une portée d’environ 18 000 km. Les deux stations sortaient 10W sur des antennes dipôles. Le QSO se déroulait aux environs de 06:00 UTC et aura probablement suivi un long parcours, par exemple en passant à travers la région du pôle Nord.
Des contacts tel que celui-ci peuvent être établis à volonté à cause de la sensibilité et la robustesse du PSK-Hell. Dans des conditions similaires, le Feld-Hell est très difficile, le PSK-31 souffre encore pire des fluctuations (doppler), et l’usage du RTTY, de l’AMTOR et du Pactor auraient été impossible. La photo ci-dessus n’est pas retouchée d’aucune façon e t la clarté du texte est typique de cette portée. (Remerciements à Nino IZ8BLY pour l’image).
Copyright © M. Greenman 1997-2012. Copyright ©Pascal BIMAS 1997-2012 pour la traduction/adaptation. Tous droits réservés. Contactez l'auteur original ou le traducteur avant tout usage du contenu de cette page.
