MFSK 2000

La Propagation HF et l’Ionosphère

La conception des modes digitaux pour les HF doit prendre en compte les effets que l’Ionosphère a, à la fois en termes de propagation et de la façon dont elle distort les signaux.

Introduction

L’ionosphère est une influence prise en compte par tous les ingénieurs en transmissions radio et les Radioamateurs. Elle affecte en tour premier la HF mais ses effets se font ressentir des LF aux VHF. En VHF et au-dessus d’autres effets apparaissent, tels que les couloirs troposphériques, les rebonds sur des météores et des avions, les effets de canyon, picket fencing, et une foule d’autres effets. La VHF et l’UHF sont également le domaine des communications par satellite et par rebond sur la lune, avec rotation fading, libration et motion doppler effects.

Cet article n’a pas pour but de faire un traité sur l’ionosphère mais d’aborder certains effets qui ont un impacte significatif sur la conception d’un mode digital. En premier, les diverses gammes de fréquences et leurs caractéristiques seront décrites, suivies par une description de chacun des effets les plus significatifs et comment ils peuvent être surmonter - surtout par MFSK 2000 bien sûr!

Propagation LF

En LF, la réception des signaux est caractérisée par des variations lentes saisonnières et diurne de la force du signal et par une phase très stable. Les signaux suivent la courbe de la terre, ils ne sont donc pas affectés de manière importante par les réflexions ionosphériques. De temps à autres, tard dans la nuit par exemple, du fading (interaction entre l’onde de sol et l’onde réfléchie par l’ionosphère) peut apparaître.

Les LF sont pollués par le bruit d’origine humaine, surtout TV, motor and power noise.

MF et HF Basses

Les MF et les HF jusqu’aux environs de 5 MHz ont de courte portée (onde de sol) durant la journée suite à l’absorption de l’onde du ciel par la couche D. This area of low ionisation levels mais à haute densité d’ions est rapidement activée au levé du soleil et blankets l’onde arrivant du ciel (à patir des couches E et F). La nuit, la couche D s’évanouie rapidement ce qui permet aux ondes se propageant vers le ciel de pénétrer l’ionosphère. Une portée de plusieurs milliers de km voir parfois plus est alors atteinte comme le signal est maintenant capable de rebondir off the higher couches ionisées. Pendant la nuit, la force des signaux est très élevée, mais la force du bruit atmosphérique (éclairs) l’est autant, et ils voyagent sur de longues distances. Ces fréquences sont un réel défi pour la transmission et la réception en digital.

This area is affected by man-made noise, surtout durant la journée, et par le bruit statique des éclairs durant la nuit. Parce que modes de propagation de l’onde vers les couches ionosphériques peuvent être nombreux, leurs interactions avec l’onde de sol, aboutissent à un fading très fort et à des variations significatives dans les délais d’arrivé du signal. La réception est également sérieusement affectée par les interférences provenant d’autres signaux radio.

Bandes DX HF

La portion de 5 à 30 MHz est généralement considérée pour être l’espace où les communications à longue distance sont les meilleures. Cet espace est fortement affecté par la réflexion ionosphérique, so de multiples "rebonds" et both short and long paths can be effective. Les signaux Short path suivent en géneral the obvious "great circle" route entre les stations. Long path generally takes place in the evening, travelling on a reciprocal path, through the night-time ionosphere qui est généralement plus stable.

Les HF sont fortement affectées par l’activité du soleil qui ionise the many reflective couches sur une base quotidienne. Cette ionisation varie avec l’activité solaire à court terme et avec un cycle solaire de 11 ans. Quand le soleil est très actif (pendant un orage solaire), la propagation HF peut disparaître pendant plusieurs jours. Durant un minimum activité solaire, la propagation ionosphérique est généralement limitée to single hop range à moins que des trajectoires de propagation inhabituelles apparaissent.

L’ionisation des couches réfléchissantes varie avec l’altitude, l’heure du jour et la latitude. Une forte concentration d’ions aux pôles et la variation en concentration durant la journée mènent à des changements relativement rapides dans l’index refractive, modulant la phase, la fréquence et l’amplitude des signaux à la fois de manière prévisible et aléatoires (bruit) (diurnal rising or lowering reflective height).

Le bruit atmosphérique des orages est un problème sur les lower end des bandes HF. Des signaux ténus sont un problème plus important at the upper end tandis que toutes les HF subissent les effets du fading et du doppler. La réception des fréquences HF les plus populaires est également sérieusement affectée par les interférences provenant d’autres signaux radio

VHF et UHF

A part de rare occurences of sporadic E et des effets such as Trans-equatorial ducting, les effets ionosphériques are few sur les VHF, et non-existent sur les UHF. La propagation guidée par l’inversion de température de la troposphère,  est common, but unlike ionospheric reflection, c’est un effet de "lentille", like a light pipe, plutôt qu’un effet reflective. Les signaux VHF et UHF sont caractérisés par une phase stable lorsque les communications avec l’onde de sol sont employées.

Les communications par satellite souffrent des brutals (mouvement induced) doppler frequency shifts. Les rebonds sur la lune sont altérés par "libration fading" qui affecte la phase et l’amplitude des signaux arrivant de la lune. Les effets du fading et polarisation rotation sont à noter sur les signaux satellite et terrestres. La réflexion à partir d’autres objets cause des évanouissements aléatoires et souvent très profonds. Lorsque l’émetteur ou le récepteur est en mouvement, ou qu’un large objet se déplaçant (comme un avion) crée un trajet de réflexion, ce fading est rythmé par la vitesse dépendant de la longueur d’onde du signal (parfois appelé the picket fence effect").

Concevoir un Mode Digital

Ayant discuté des propriétés des diverses fréquences sur lesquelles les Amateurs souhaitent communiquer, nous devons considérer les problèmes qui vont s’opposer aux essais pour rentrer en communication, qui font bien entendu partie de la  stratégie de conception pour les modes digitaux. Certains dépendent des propriétés de l’ionosphère abordées ci-dessus, tandis que les autres proviennent de l’activité humaine ou des limitations de la technologie :

1. Le bruit d’origine humaine comme le bourdonnement TV, le bruit des moteurs (bruit continu)
2. Le statique (éclairs), les parasites d’origine humaine et éclaboussures (bruit intermittent ou impulsionnel)
3. Fading et signaux très faibles
4. Délai d’arrivé des signaux (réception multi-trajet)
5. Fading sélectif
6. Effets de la modulation doppler ionosphérique
7. Interférences provenant d’autres signaux, interférences de porteuses
8. Dérive en fréquence, écart doppler satellite

Concevoir un mode digital pour résoudre tous ces problèmes est une commande importante!

Comme il n’est pas possible de créer un mode de transmission de données pour tout faire sous n’importe quelles conditions, les modes sont en général conçus pour répondre à des applications spécifiques sous les conditions de propagation les plus probables. Voici certaines applications utilisées par les Amateurs:

• transmission d’images en HF (SSTV, FAX)
• transmission de données par packet à vitesses élevées en VHF
• transmission lente à bande étroite de signaux faible en LF
• transfert des messages en HF (systèmes de diffusion de bulletin)
• conversation de personne à personne en HF à la vitesse de frappe

C’est sur cette dernière catégorie "Discussion" que nous allons nous concentrer.

Problèmes à Surmonter

1. Bruit Continu

Le meilleur moyen de contrer le bruit continu est de limiter la bande passante du signal. Une autre méthode est d’employer une technique qui est immunisé au bruit, telle que le FSK et sutout le PSK. L’utilisation de systèmes corrigeant les erreurs est très utile pour réduire les effets du bruit. Les méthodes comme le FAX, la SSTV et le Hellschreiber sont relativement tolérant au bruit parce que l’œil est capable de reconnaître facilement des formes et de ne pas prêter attention au bruit.

 

2. Bruit Intermittent

A la différence du bruit continu qui affecte le signal tout le temps, le bruit intermittent est caractérisé par des explosions intermitenttes d’énergie si larges qu’elles saturent le récepteur et causent la perte de données. Les systèmes asynchrones sont sérieusement affectés par un tel bruit puisqu’il provoque la perte du synchronisme. Les systèmes les plus simples (tel que le RTTY) laissent carrément passer les erreurs provoquées par le bruit intermittent et ils acceptent la perte totale et occasionnelle de la synchronisation. Le bruit intermittent peut être très bien géré en utilisant des systèmes corrigeant les erreurs, surtout si un entrelaceur est utilisé pour répartir la perte des bits de données à travers plusieurs caractères, réduisant ainsi la charge de la correction d’erreurs instantanée.

 

3. Fading et Signaux Faibles

Un système avec un bon AGC ou une bonne plage dynamique sera efficace contre le fading (changements lents dans la force du signal ou changements plus rapides en raison de l’annulation des multiples trajets). Les systèmes comme le PSK qui sont indépendants de l’amplitude du signal sont également très efficace.

 

4. Réception Multi-trajets

Bien que la réception multi-trajets puisse provoquer l’annulation du signal et en conséquence du fading, le plus gros problème est que les diverses composantes du signal peuvent arriver à des moments différents de manière importante, à cause des différentes distances des trajets. Il n’est pas inhabituel que deux trajets différents diffèrent d’un délai de 5 à 10 ms, ce qui peut peut représenter une proportion significative de la durée d’un bit. Comme chaque élément disparaît ou se renforce, les données peuvent être distordues et les durées modifiées, ce qui interfère dans la reconnaissance correcte des bits de données. A 50 bauds, 5 ms représentent 25% de distorsion.

Une des meilleures parades aux problèmes multi-trajet est d’utiliser une rapidité de modulation très basse. Le MFSK est idéal à cet égard. Par exemple, à 10 bauds, typique des systèmes MFSK, une erreur d’un délai de 5 ms représente seulement 5% de distorsion. Les systèmes PSK avec une détection asynchrone (le PSK-Hell est le seul exemple connu) s’en accommodent plutôt bien mais les modes PSK à démodulation synchrone conventionnelle comme le PSK31 s’en tirent mal avec de mauvaises trajectoires multiples, qui est très courant sur les bandes basses HF pendant la nuit. Le diagramme suivant illustre les trajectoires multiples et autres effets. L’ionosphère n’est pas un  miroir parfait, et en plus des différentes longueurs des trajets et par conséquent des temps de vol, il y a un délai considérable at the reflective layer puisque l’indice de réfraction et donc la vitesse des ondes radio changent.

Une illustration de trajectoires multiples, de fading selectif et des effets doppler.

 

5. Fading Sélectif

Le fading est un problème particulièrement insidieux puisqu’il dépend de plusieurs composantes difficiles - signaux faibles et par conséquent le bruit; le fading selectif qui provoque la distorsion de la forme des impulsions et certaines variations du niveau des fréquences et des délais d’arrivé différents. Comme cela apparaît dans le diagramme ci-dessus, plusieurs signaux avec des délais complètement différents et donc avec des phases aussi différentes peuvent arriver sur le récepteur et provoquer l’annulation ou l’augmentation de l’un ou l’autre. La disparition peut être très brusque, éliminant ou affaiblissant une portion étroite de fréquences à l’intérieur du signal. L’image suivante du spectrogramme est un exemple classique de cet effet. Le signal a une largeur exacte de 1 kHz (une transmission MT63 provenant de VK2DSG sur 14 MHz), et les lignes blanches en diagonale à travers l’image sont les effets de trajectoires multiples occasionnés par annulation selective à l’intérieur du signal. L’échelle horizontale du temps est d’environ 10 secondes.

 

Un signal MT63 avec du fading selectif

Le meilleur moyen de contrer ce problème est d’employer un système à bande étroite très sensible avec une rapidité de modulation très lente. Le PSK31 est un exemple moderne d’un tel mode. Le Hellschreiber (Feld-Hell et PSK-Hell) est aussi très efficace. Le MFSK est également très bon à cet égard, pourvu que la détection de chaque porteuse soit indépendante des autres ou que le système puisse s’accommoder du fait que certains symboles soient manquants (en utilisant par exemple un système de réduction d’erreur).

6. Modulation Doppler Ionosphérique

L’ionosphère est toujours en mouvement. C’est illustré dans le diagramme further up cette page. Comme la terre tourne, les couches polarisées changent en hauteur over centaines de kilomètres, et leurs densités d’ions et leurs indexes de réfraction changent aussi. Ainsi la hauteur réelle de la couche réfléchissant peut move at speeds up to centaines de km/hr, vitesse parfaitement suffisante pour alter the frequency slightly, although at least reasonably predictably.

L’ionosphère, particulièrement dans les régions près des pôles, peut être perturbée surtout par l’activité solaire, et cette variation aléatoire des propriétés de réfraction, comme les vagues dans l’océan, cause malheureusement une modulation importante et aléatoire de la phase, la fréquence et de l’amplitude des signaux. L’effet est bien sûr plus remarquable sur les trajectoires traversant les pôles, comme par exemple le long trajet entre la Nouvelle Zélande et l’Australie avec l’Europe. C’est surtout un problème avec les modes PSK mais cela n’affecte pas tous les modes de la même façon.

7. Signaux Interférents

Beaucoup d’interférences (Morse ou SSB) sont de nature impulsionnelles et peuvent être contrées par des systèmes conçus pour supporter ce bruit intermittent. Les porteuses et les interférences répétitives et continues sont difficile à éliminer. Le meilleur moyen d’y arriver est d’utiliser des systèmes à haute redondance et à large bande comme le multiplexage par division de fréquence (Orthogonal Frequency Division Multiplexing ou OFDM) ou la modulation par étalement de spectre (Spread Spectrum ou SS). Un codage de réduction d’erreur peut s’avérer être très efficace sur ce type d’interférence si le signal est réparti de sorte qu’une seule partie du soit interférée. Le MT63 est un exemple de ce type de stratégie, étalement dans le temps pour limiter les effets des bruits impulsionnels, et répartition en fréquence pour limiter les interférences des porteuses.

 

8. Dérive et Ecart Doppler

Ce problème signifie essentiellement que le signal reçu n’est pas accordé de façon optimale. Bien sûr les systèmes à bande étroite sont plus influencés. Le PSK ne tolère aucune dérive même la plus petite, tandis que le FSK est plus tolérant. Le MFSK n’est pas très tolérant, puisque le signal dérive rapidement à l’extérieur des filtres des canaux étroits. L’AM et les modes à bande large sont mieux. Le Feld-Hell, qui est un système de modulation AM, s’en tire très bien avec les liaisons satellite combinant sa bonne immunité au bruit avec une tolérance intense au mauvais accord.