Un mode DX faible signal pour les Radio Amateurs,
employant plusieurs
tonalités à phase continue en FSK et avec un codage FEC convolutionnel .
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Plutôt que d’utiliser un glossaire d’une douzaine de termes
techniques employés ici, vous trouverez les définitions réparties à travers le
texte. Toutes les fois que vous rencontrerez par hasard le petit symbole, maintenez
dessus la souris pour voir la définition du terme précédant.
Les ingénieurs des communications professionnelles sont
toujours intéressés d’envoyer l’information plus vite et de manière plus fiable
que c’était possible précédemment, si nécessaire en utilisant des technologies
complexes, bande passante plus large ou plus grande puissante pour atteindre ces
objectifs. De plus, les utilisateurs commerciaux et militaires pour lesquels cet
équipement est conçu, sont généralement intéressés par des communications de
courtes distances avec une grande fiabilité et des forces de signaux
relativement élevées. Ces types de communications sont aussi généralement
bi-directionnelles (duplex intégral) ou unidirectionnelles (simplex ou radiodiffusion) plutôt qu’une seule voie à la fois (semi duplex).
Bien que quelques applications Amateur Radio aient des buts
similaires, spécialement en VHF, la plupart des transmissions de données Radio
Amateur HF, MF et LF ont
une bande passante utilisable limitée et implique
habituellement un trafic semi-duplex, tandis que la puissance de l’émetteur
disponible est définitivement limitée à la fois par la législation et par le
coût. Heureusement, les Amateurs ont moins d’attentes pour la fiabilité et ils
peuvent toujours différer leur trafic jusqu’à ce que les conditions s’améliorent
ou simplement discuter avec quelqu’un d’autre! Les opérateurs Amateur Radio ont
également un intérêt presque unique pour les communications en temps réel,
maintenant abandonnées par la plupart de tous les autres services HF en
faveur des techniques de messageries automatisées.
Les Radio Amateurs désirant transmettre
des données ou du texte plutôt que de la phonie (modes digitaux) sont
souvent intéressé par des transmissions très robustes sur de très longues
distances, tel qu’un bout du monde à l’autre. La bande passante doit
être maintenue au minimum puisque tous les Radio Amateurs dans le monde
partage le même espace limité et que les exigences de puissances doivent
être modestes. Heureusement les vitesses de transmission peuvent aussi être
souvent modestes, ce qui est utile puisque la vitesse peut
être réduite pour améliorer la fiabilité, pour une puissance plus
basse ou une bande passante plus étroite. Ce concept est le concept logique
du travail précurseur dans la théories des communications par Claude Shannon
(1947).
Ainsi il y a toujours un
intérêt à augmenter les performances des communications des liaisons longue
distance à faible puissance, généralement des conversations de personne à
personne à bâtons rompus où chaque personne à son tour frappe sur le
clavier et puis transmet ce qu’il a saisi, tandis que les correspondants
reçoivent et imprime ce qui est envoyé. Le Radio Télétype (RTTY) est utilisé de cette façon depuis plusieurs années.
Le Hellschreiber a récemment été remis au goût du
jour dans la même intention et a prouvé qu’il était très efficace. Des nouvelles
techniques telles que le PSK31 de Peter G3PLX et PSK63F inclus
dans STREAM de
Nino IZ8BLY ont considérablement développé les performances des liaisons à
bande étroite.
La
tendance récente dans ces nouveaux modes, comme illustrés dans les deux derniers
exemples, est d’utiliser des transmissions PSK différentielles (DPSK),
puisque le DPSK offre une très grande sensibilité et une importante
réjection du bruit. De tels modes sont en conséquence idéals pour la basse
puissance. Cependant, les problèmes les plus importants faces aux
communications très longue distance (DX) en HF sont généralement le fading
sélectif et la modulation ionosphérique du signal, plutôt que la
sensibilité, et les modes PSK ne supportent pas très bien ces problèmes.
Les Radio Amateurs n’ont
généralement (a) jamais pensé à utiliser le MFSK, (b) certains n’ont
même jamais écouté parlé du MFSK ou (c) ont été dissuadé du MFSK
présenté comme étant "démodé". Comme cela a été
clairement démontré par le renouveau et l’acceptation du
Hellschreiber, de vieilles idées combinées avec des techniques modernes tel
que le DSP
peuvent être très efficaces. Par le passé, le MFSK fut utilisé avec
succès par le British Foreign Office, les militaires Belges, Français
et d’autres nationalités en utilisant des systèmes comme le Piccolo
et le Coquelet.
De tels systèmes étaient conçus pour
établir des communications avec une grande fiabilité à l’époque des
équipements électromécaniques. Ces anciens systèmes MFSK fournissaient de
très bonnes performances pour l’époque - robustesse, sensibilité et
fiabilité, avec de très bons résultats dans des conditions ionosphériques
médiocres avec du fading et sans nécessité de correction d’erreur. Il
existe certains systèmes militaires modernes d’une nature largement
similaire utilisés pour des raisons similaires.
L’occasion est maintenant arrivée de
moderniser la technique MFSK, créant un nouveau mode hautement performant
mais néanmoins peu coûteux qui bénéficiera des avantages du MFSK, en plus
de la simplicité du PC et de la carte son, et
les avantages de plusieurs techniques DSP associées depuis que les PCs sont
maintenant assez rapides pour traiter ce type de processus.
Le MFSK est une technique pour transmettre des données
digitales en
utilisant des tonalités multiples, étendant la technique des deux tonalités
du RTTY à plusieurs tonalités, habituellement avec, mais pas
toujours, une seule tonalité transmise à la fois.
MFSK signifie Multi - Frequency Shift
Keying et ne doit pas être confondu avec MSK (Minimum Shift Keying). Il
existe de nombreuses techniques différentes qui utilisent des tonalités
simultanées (ou parallèles), tonalités séquentielles (l’une après l’autre) et des combinaisons de tonalités. Le
MT-Hellpeut soit être simultané (C/MT Hell) ou séquentiel (S /MT Hell),
les tonalités DTMF
utilisées pour les appels téléphoniques sont des paires de tonalités
simultanées, tandis que le Piccolo et le Coquelet, bien qu’utilisant des
paires de tonalité, sont résolument séquentielle.
Les transmissions MFSK ont un son unique,
presque musical, c’est pourquoi le Piccolo et le Coquelet reçurent leurs
noms (Coquelet vient du coq bien sûr).
Echantillon
Piccolo Mk 6 (277kB) Echantillon
FSK8 de IZ8BLY
(325kB) Echantillon
FSK16 FEC (184kB)
Le
MFSK utilise des espacements entre les tonalités relativement étroits, ainsi des
débits de données remarquables sont atteints pour une bande passante donnée - 64
bps
dans un signal d’une bande passante de 316 Hz est typique. L’image
suivante est un spectrogrammed’un
signal MFSK16 (16 porteuses) avec un espacement de 15,625 Hz et opérant à
15,625 baud. La transmission se fait à 62,5 bps (environ 80 mots par minute!)
et occupe une bande passante d’environ 316 Hz. Les deux lignes horizontales
noires dans le spectrogramme sont à 1 000 Hz et à 1 300 Hz et l’échelle
horizontale est d’environ 20 secondes. Cette courte transmission contient
environ 120 lettres. Le MFSK16 est toujours activé avec le FEC donc le débit
du texte est en réalité
seulement d’environ 42 MPM (31,25 bps).
Fig. 1. Spectrogramme
d’un Signal MFSK16
Le MFSK a plusieurs
avantages en performance :
Le plus important de
tous, avec un système MFSK, le taux d’erreur s’améliore en même
temps que le nombre de tonalités augmente donc, avec autant que 32
tonalités, les performances sont inégalables. Avec les systèmes PSK, l’opposé
est vrai.
Soyons franc –il y a
des inconvénients en MFSK! Les inconvénients principaux sont relatifs à l’espacement
et à la bande passante étroite des détecteurs de tonalités individuels –
la dérive peut être un problème et un accord précis est donc essentiel. De
bons indicateurs d’accord et l’AFCsont
nécessaire aux vitesses les plus lentes. Il est important que le transceiver
radio soit très stable et aussi qu’il ait un très faible écart de
fréquence entre la transmission et la réception (de préférence inférieure
à 5 Hz).
Le MFSK utilise également plus de bande
passante pour une vitesse de texte donnée qu’un système 2FSK ou PSK mais,
de par le même fait, il est par conséquent plus robuste.
Le MFSK est un système
où des impulsions individuelles de différentes fréquences radio
transportent l’information et les données transportées dépendent de la
fréquence de l’impulsion. C’est pareil qu’en FSK, comme par exemple le
Radio TéléTYpe (RTTY), mais au lieu de deux fréquences différentes,
beaucoup plus sont utilisées - par exemple de six à 64. Le MFSK16 emploie 16
tonalités. Chaque tonalité transmise est exactement comme un point du code
Morse mais elles se suivent l’une après l’autre sans pause sur des
fréquences légèrement différentes.
Les systèmes MFSK utilisent généralement
une détection non-cohérenteet
espacent les différentes tonalités aussi près que possible pour limiter la
bande passante transmise. Les tonalités transmises doivent être espacées
par une séparation équivalente à la rapidité de modulation en baud ou par
un de ses multiples - le débit auquel les "points" dont envoyés,
autrement il est difficile de séparer une tonalité de l’autre. Cela
permet aux
signaux d'être orthogonal, comme
cela sera expliqué à travers les tous prochains paragraphes. Par exemple,
les porteuses des tonalités peuvent être espacées de 20 Hz lorsqu’elles
sont manipulées à 20 baud.
Les signaux MFSK sont traditionnellement
"manipulés en tout ou rien", c'est-à-dire
que chaque tonalité démarre et arrête soudainement comme dans l’exemple
suivant.
Cela
donne au signal sa forme caractéristique sin(x)/x
dans le domaine des fréquences, exactement
comme un point du Code Morse (CW) :
Fig. 2. La réponse en
fréquence
d’une simple tonalité manipulée en tout ou rien.
La
forme du signal transmis a un pic principal avec des passages à zéro espacés de
chaque côté de la fréquence porteuse.
Les premiers passages à zéro se produisent à la fréquence de la porteuse
± la rapidité de modulation. Les bosses et les passages à zéro sont
clairement visibles de chaque côté dans la Fig. 2. Si vous regardez
soigneusement sur le spectrogramme à la Fig. 1, vous verrez ces lobes
latéraux comme des rayures grises au-dessus et en dessous des points isolés.
La grande bosse au centre de la Fig. 2 est le signal désiré, et ce sont eux
qui causent les points noirs dans la Fig. 1.
Bien sûr les pointes ou les
suites de tonalités ne sont pas isolées mais précédées et suivies
immédiatement par d’autres pointes aux mêmes ou à différentes
fréquences proches. Imaginez alors que nous essayions de superposer la forme
sin(x)/x de chacune pour voir ce qu’il se passe. Nous pouvons arranger l’espacement
des tonalités pour atteindre les meilleurs résultats.
La figure 3 montre sept de ces tonalités manipulées
en tout ou rien et superposées de sorte que le passage à zéro de
chaque porteuse coïncide avec le pic de la prochaine, pour minimiser les
éclaboussures entre les canaux
en réception et par conséquent autoriser
les signaux orthogonaux . Cela se produit quand la rapidité de modulation
et l’espacement des tonalités sont numériquement les mêmes ou un des
multiples de la rapidité de modulation. La figure 3 est une simulation de la
superposition des 7 calques où l’espacement est X=pi radians, elle serait
identique au résultat de sept tonalités transmises à leur tour à la
rapidité de modulation.
Fig. 3. Réponse dans
le domaine des fréquences de sept tonalités différentes Sin(x)/x
L’échelle verticale dans ce graphe est
linéaire, de 0 à 1, et l’échelle horizontale est en radians, de -20 à
+20, ou environ ±12 Hz. La rapidité de modulation est présumée être de 1
Hz.
Lorsque la transmission consiste en des
tonalités multiples espacées comme c’est décrit, le signal s’étale de
chaque côté du pic mais il garde sa forme caractéristique comme illustré
ci-dessous. Quand des données aléatoires sont transmisses, les
pics de diffusion
"remplissent" le sommet du signal utile, mais les lobes
latéraux demeurent visibles. L’image suivante montre le spectre d’un
signal réel 8FSK transmis à 31,25 baud avec un espacement entre tonalités
de 31,25 Hz. L’axe vertical dans cette image est logarithmique donc les
lobes latéraux sont plus remarquables que dans la simulation ci-dessus.
Remarquez que les lobes latéraux sont espacés de 31,25 Hz à cause de la
rapidité de modulation de 31,25 baud.
Fig. 4. Le spectre d’une
transmission réelle MFSK
Le spectrogramme a été pris avec un
réglage à 0dB au niveau d’une seule tonalité constante. Une méthode
standard de calculs de la bande passante nécessaire pour des transmissions
radio est définie par le CCIR, et, pour la transmission
ci-dessus, elle est de 331,25 Hz (±166 Hz). En regardant le spectre, le
signal est bien en dessous de -30dB de la seule tonalité de la porteuse à
cette bande passante (indiqué par les lignes rouges verticales), dépassant
aisément la définition du CCIR de 0,5% de la puissance totale de
transmission (environ -20dB). Ainsi les performances (indiquées par la ligne
bleu horizontal) sont bonnes parce qu’avec les technologies modernes DSP, le
signal mesuré au-dessus
transmet les tonalités avec les phases -synchrone (CPFSK). Il
se trouve que cela se produise si naturellement et si facilement en utilisant
un DSP
lorsque la durée de chaque tonalité (la durée d'un signal) correspond à la
réciproque de l'espacement de la tonalité.
Voici un autre spectrogramme , cette fois d’une
transmission MFSK à huit tonalités, reçu après 18 000 km sur 18 MHz.
Remarquez l’apparence caractéristique!
Un signal MFSK à 8
tonalités après un parcours de 18 000 km
La
Correction d'Erreur par Avance FEC (Forward Error Correction) est réalisée
en envoyant deux fois autant de données que sans codage, mais il est
effectué de tel façon que l'on
en obtient plus du double du bénéfice habituel. De surcroît, l’amélioration
en réception atteinte est plus importante que la perte en performance
si la bande passante avait été utilisé deux fois pour envoyer les
données! Ceci est appelé le gain de codage.
Le codage des données pour le FEC est
très simple mais le décodage est plus compliqué que ce qu’un débutant
peut s’attendre à comprendre. Chip Fleming a un Tutorial
on Convolutional Coding intéressant si vous désirez en apprendre plus
sur le sujet.
Un des problèmes avec le
codage FEC est qu’il fonctionne mieux si toutes les erreurs sont réparties
régulièrement. Malheureusement, les interférences (spécialement le
statique et les splatters) sont des bruits
impulsionnels et ont tendance à détruire plusieurs bits de données
à la fois, ce qui rend la vie très difficile pour le décodeur Viterbi. Pour
éviter ce problème, nous mélangeons l’ordre des bits transmis en
utilisant un Entrelaceur. Par
conséquent, quand les parasites détruisent des bits adjacents, la méthode
de désentrelacement répartit les
erreurs facilitant le travail du décodeur.
Une des choses les plus
trompeuse à propos du MFSK est que la rapidité de modulation n’est pas la
même que le débit des données parce que chaque tonalité transporte plus qu’un
bit de donnée. Pour expliquer ceci, nous allons définir tous les termes
employés et montrer comment ils interagissent.
Rapidité de
Modulation
L’élément
basique d’une transmission de données quel que soit le mode est le Signal
élémentaire (appelé aussi Symbole). Dans la plupart des modes, chaque
signal implique un "0" ou un "1", mais dans les systèmes
MFSK, chaque signal transporte plusieurs informations suivant combien il y a de tonalités - trois bits d’information pour 8
tonalités, quatre bits pour 16 tonalités, etc. Chaque émission de tonalité
MFSK est un signal. La rapidité de modulation est toujours mesurée en baud
(signaux/seconde), la réciprocité de la durée du signal.
Les
données transportées par les tonalités MFSK sont inévitablement codées de
telle sorte que le débit "brute de données" ne puisse être la
même que le débit de données entrantes ou sortantes. Toutefois, le Débit
Binaire Brut du Canal correspond toujours au nombre de bits par signal x la
Rapidité de Modulation. Le débit binaire brut du canal est mesuré en
bits/seconde (bps). Par exemple, pour un mode 8FSK (8 tonalités FSK) à 10
baud il y a trois bits de donnée
par signal donc le Débit Binaire Brute du Canal est de 3 bits x 10 baud = 30
bps.
Débit Binaire
Utilisateur
Très
souvent les données sont codées en utilisant un système FECconçu
pour réduire les erreurs qui apparaissent en raison du trajet de la
transmission. Pour les systèmes MFSK, le type de FEC le plus approprié est
le type séquentiel où chaque bit de données utilisateur est représenté
dans la transmission par deux bits codés ou plus de données. Ce ratio est le
Ratio de Codage du codeur. Par exemple, s’il y a deux bits codés
pour chaque bit de donnée, le Ratio de Codage = 1/2. Ainsi le Débit Binaire
Utilisateur correspond au Débit Binaire Brut du Canal x Ratio de Codage.
Codage de l’Alphabet
Il existe plusieurs manières d’encoder l’alphabet du clavier pour une transmission. Le plus répandu est peut-être maintenant l’ASCII (ITA-5), mais ITA-2 (comme celui utilisé par les téléimprimeurs) est courant. Le MFSK16, comme STREAM et le PSK31, est basé sur un Varicode qui, au contraire de la plupart de tels alphabets, attribue un nombre différent de bits aux différents caractères de sorte que les caractères les plus fréquemment employés aient peu de bits et qu’ils soient en conséquence envoyés plus rapidement.
Le nombre de bits par caractères de l’alphabet dépend par conséquent de la fréquence du caractère, tout comme le Morse. Par exemple :
Caractère Varicode
espace 100
a 101100
e 1100
E 111011100
Z 101010110100
Ainsi, la performance du codage de l’alphabet dépend du code choisi et avec un Varicode, même du texte envoyé :
Alphabet |
Bits/Car |
ITA-5 ASCII |
10 |
ITA-2 |
7.5 |
Varicode |
~ 7-8 |
La
force du varicode est que l’alphabet est essentiellement extensible à l’infini.
Par exemple, tous les caractères européens accentués sont définis et d’autres
ont été ajoutés qui sont externes au jeu de caractère dans le but de
contrôle. Le varicode du MFSK16 n’est pas le même que le varicode du PSK31
bien que la technique soit similaire.
Un
autre avantage important d’utiliser un varicode est que le flux de données
peut être resynchronisé beaucoup plus rapidement en cas d’erreurs, que c’est
possible avec d’autres systèmes, et un minimum de données est donc perdu.
Débit
du Texte
L’utilisateur
est plus intéressé par le débit réel du texte utilisable qui est
spécifié en caractères par seconde (CPS) ou en mots par minute (MPM). Tous
les deux dépendent de l’alphabet utilisé et le nombre de mots par minute
dépend lui de la taille moyenne du mot. En Anglais, il est retenu par
commodité d’être composé de cinq lettres plus un espace. Donc nous
pouvons dire que :
Débit
du Texte (CPS) = Débit de données Utilisateur / Bits par Caractère de l’Alphabet
Débit
du Texte (MPM) = CPS x 60 / lettres par mot
Exemple
de Travail
Disons
que nous sommes en train d’utiliser un système MFSK avec 16 tonalités
(16FSK), opérant à 15,625 baud avec un Ratio FEC = 1/2 et un alphabet ASCII
employant 10 bits/caractère. Alors :
<!--[if !supportEmptyParas]--> <!--[endif]-->
Rapidité de Modulation = 15,625 baud
Débit Binaire Brut du Canal = 15,625 x log216 = 15,625 x 4 = 62,5 bps
Débit Binaire Utilisateur = 62,5 x 1/2 (RATIO FEC) = 31,25 bps
Débit du Texte (en CPS) = 31,25 / 10 CPS = 3,125 CPS
Débit du Texte (en MPM) = 31,25 x 60 / (10 x 6) = 31,25 MPM
Ce
système prendra place dans une bande passante d’un peu plus de 16 x 15,625
= 250 Hz.
Comparaisons
Le
RTTY des Radio Amateurs opère à 45,45 baud atteignant 60 MPM sans correction
d’erreur et nécessite une bande passante d’environ 300 Hz. Le packet 300
baud corrige les erreurs mais il est inapproprié par sa conception aux
conditions HF et il délivre rarement mieux que 30 MPM, voir souvent beaucoup
moins. Le Packet a besoin d’une bande passante de 1 kHz. Le PSK31 opéré à
31,25 baud et en mode QPSK donne un texte corrigé en erreur à
approximativement 31,25 MPM. Il a la bande passante la plus étroite, moins de
100 Hz.
Fig. 5. Graphe
montrant le débit brut des données de divers modes digitaux
en fonction de leur bande passante approximative .
En
termes de performance, des exemples données, seulement le MFSK16 et le PSK31
sont considérés pratiques pour les QSOs DX. Le PSK31 donne souvent des
performances médiocres sur le long path, et n’apporte pas d’améliorations quand le
FEC est utilisé, il est donc habituellement utilisé sans. Le MFSK est
virtuellement aussi sensible que le PSK31 en pratique et il n’est pas
affecté par le doppler. Il est aussi moins affecté par les interférences et
offre un FEC efficace. Ces résultats sont soutenus par des
tests de simulation ionosphérique.
Les ramètres qui constituent mintenant les spécifications du
MFSK16 s'avèrent être le meilleur
compromis au niveau des performances. Le MFS8 et MFSK16 sont mainteant disponibles gratuitement dans le logiciel STREAM de Nino IZ8BLY Plusieurs autres modes ont été développés depuis :
MFSK16 est le plus sophistiqué de cette liste, il est (peut-être soutenu comme) le meilleur mode pour le DX longue distance et il est de loin le mode MFSK le plus largement utilisé. D'après
les tests expérimentaux, voici ce que vous pouvez espérer :
Le
logiciel est continuellement en train de subir une vaste série de tests sur l’air.
Ces tests permettent d'avoir des expériences
de trafic
et fournissent des retours aux concepteurs des logiciels sur
comment opérer et contrôler au mieux le mode MFSK16.
Des
essais de simulation ionosphériques par Johan KC7WW sur son équipement
sophistiqué ont montré d’excellents résultats. Ceux-ci peuvent être
observés sur la page Documents
et et supportent très bien la comparaison avec le PSK31 et le MT63. Des
tests supplémentaires détermineront quelles combinaisons de paramètres
devront être proposées dans les dernières versions des mise-à-jours,
par exemple modes spéciaux pour signaux faibles ou LF, peut-être même
des modes optimisés pour les MF et les HF.
Ce
mode MFSK16 du nouveau millénaire intègre des tonalités à phase continue
et beaucoup d’autres améliorations, surtout en réception. Le mode est
vaguement basé sur le Piccolo mais il en diffère de manières
importantes :
Bien
sûr, le MFSK16 est orienté ordinateur plutôt que système
électromécanique, il sera donc
facile et peu coûteux à installer ainsi que facile à employer sans
compromis des performances. La procédure
d'installation est la même que
pour PSK31 ou IZ8BLY Hellschreiber. Tout ce dont vous avez besoin est un
ordinateur Pentium ou équivalent, une carte son 16 bits Soundblaster™ et
Windows™
95/98/NT/2000/XP ou une nouvelle version de ce système
d’exploitation. Plusieurs versions Windows existent ainsi qu'une pour LINUX.
La première version de logiciel à répondre à ces spécifications fut le
logiciel STREAM de IZ8BLY, pour un PC Pentium avec Windows 95 au
minimum. Les
spécification d'un logiciel MFSK16 comprennent :
Consultez
les Spécifications Techniques pour plus de détails.
Le
varicode du MFSK est légèrement plus efficace que les autres puisque
davantage de codes plus petits sont disponibles. Ceci
à tour de rôle car les combinaisons "000",
"0000", etc… n’ont pas besoin d’être réservées pour le
remplissage d'attente ou la synchronisation et ils peuvent être utilisées à
l’intérieur des flux des bits caractère. Seule la combinaison
"001" est interdite puisque cela signale la fin d’un caractère et
le début du prochain. La vitesse d’un texte en langage clair est presque
20% plus rapide qu’avec l’utilisation du varicode de G3PLX. Le nombre
moyen de bits par caractère pour du texte ordinaire a été mesuré de 7,44,
donnant au MFSK16 un débit de texte de 42 MPM pour un débit de
données utilisateur de 31,25 baud.
Copyright © M. Greenman 1997-2012 pour le document source. 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.