Оливия МФСК

Спектрограмма (водопад) сигнала Olivia 16/500 с частотой 7073,25 кГц.

Olivia MFSK — протокол любительской радиотелетайпы , использующий множественную частотную манипуляцию (MFSK) и предназначенный для работы в сложных (низкое соотношение сигнал/шум плюс многолучевое распространение ) условиях на коротковолновых диапазонах . Сигнал может быть принят 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 называются Olivia X / Y (или, альтернативно, Olivia Y / X ), где X относится к количеству различных передаваемых звуковых тонов, а Y относится к полосе пропускания в герцах , по которой распространяются эти сигналы. Примеры распространенных режимов Оливии: 16/500, 32/1000 и 8/250.

История

Протокол был разработан в конце 2003 года Павлом Ялочей . Первые эфирные испытания провели два радиолюбителя Fred OH/DK4ZC и Les VK2DSG на трассе Европа-Австралия в 20-метровом любительском диапазоне. Испытания доказали, что протокол работает хорошо и может обеспечить регулярные межконтинентальные радиосвязи с использованием радиочастотной мощности всего в один ватт. С 2005 года Olivia стала стандартом передачи цифровых данных в условиях белого шума, замираний, многолучевого распространения , флаттера (полярная траектория) и полярных сияний.

Добровольное распределение каналов

Поскольку сигналы Olivia можно декодировать, даже если принимаемые сигналы чрезвычайно слабы ( отношение сигнал/шум -14 дБ ), сигналы, достаточно сильные для декодирования, иногда находятся ниже минимального уровня шума , и поэтому их невозможно найти вручную. В результате радиолюбители добровольно приняли решение о выделении каналов для этого режима. Такая канализация позволяет правильно настроить на прием и декодирование даже незаметно слабые сигналы. По общепринятому соглашению любительские станции инициируют контакты, используя режимы 16/500 или 32/1000, а затем переключаются на другие режимы для продолжения разговора. В следующей таблице перечислены общие центральные частоты, используемые в любительских радиодиапазонах , и они основаны на сотрудничестве сообщества после введения новых цифровых режимов любительского радио и, как следствие, перекрытия с частотами вызова Olivia на некоторых любительских радиодиапазонах.

Рекомендуемая Оливией частота звонков (двигаться после установления QSO)

Группа	Центральная частота ( МГц )	Частота набора	Количество тонов/пропускная способность (начальная)	Примечания
160 метров	1,8270 МГц	1,8255 МГц	8/250	(Регион 2 МСЭ; вторичный)
160 метров	1,8390 МГц	1,8375 МГц	8/250	(регионы ITU 1, 3; первичный, международный)
80 метров	3,5830 МГц	3,5815 МГц	8/250
40 метров	7,0400 МГц	7,0385 МГц	8/250	(Международный/DX)
40 метров	7,0730 МГц	7,0715 МГц	8/250	(Основной DX)
30 метров	10,1430 МГц	10,1415 МГц	8/250
30 метров	10,1440 МГц	10,1425 МГц	16/1000	(Потенциал - помните о других станциях и режимах)
20 метров	14,0730 МГц	14,0715 МГц	8/250
20 метров	14,1075 МГц	14,1060 МГц	16/1000, 32/1000
17 метров	18,0990 МГц	18,0975 МГц	8/250
15 метров	21,0730 МГц	21,0715 МГц	8/250
12 метров	24,9230 МГц	24,9215 МГц	8/250
10 метров	28,1230 МГц	28,1215 МГц	8/250

Комбинации тонов и полосы пропускания

Olivia 8/250-Сигнал обнаружен на SDR в Новой Зеландии

Разговоры с использованием Olivia традиционно инициируются с использованием либо Olivia 16/500 (16 тонов в полосе пропускания 500 Гц), либо Olivia 32/1000 (32 тона в полосе пропускания 1000 Гц). После установления связи стороны, осуществляющие связь, совместно решают, будет ли другой режим лучше соответствовать текущим условиям распространения . Возможное количество тонов, которые можно выбрать: 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 и 256, причем большее количество тонов обеспечивает большую избыточность данных, но снижает пропускную способность, а меньшее количество тонов обеспечивает более высокую пропускную способность за счет меньше избыточности. Доступные полосы пропускания для Olivia: 125 Гц, 256 Гц, 512 Гц, 500 Гц, 1000 Гц и 2000 Гц, при этом более широкие полосы пропускания обеспечивают более высокую пропускную способность, а более узкие полосы пропускания обеспечивают более низкую пропускную способность. Наиболее часто используемые комбинации: 4/125, 8/250, 8/500, 16/500, 16/1000 и 32/1000.

Технические детали

Будучи цифровым протоколом, Olivia передает поток символов ASCII (7-бит). Символы передаются блоками по 5. Передача каждого блока занимает 2 секунды, поэтому эффективная скорость передачи данных составляет 2,5 символа в секунду или 150 символов в минуту. Наиболее распространенная полоса пропускания передачи составляет 1000 Гц , а скорость передачи данных — 31,25 тонов MFSK в секунду. Для адаптации к различным условиям и в целях экспериментирования можно изменить 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 представляет собой код прямого исправления ошибок, основанный на функциях Уолша .

Оба уровня имеют одинаковую природу: они представляют собой код FEC «1 из N». Для первого слоя ортогональными функциями являются (ко)синусоидальные функции 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 из этих 32 мог быть отправлен только один ) улавливает тон с наибольшей амплитудой.

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 (тут и происходит преобразование Адамара) и выбирает наибольшую.

Для оптимальной производительности настоящие демодуляторы работают с мягкими решениями, и окончательное (жесткое) решение о декодировании символа принимается только на втором уровне. Таким образом, демодулятор первого уровня фактически вырабатывает мягкие решения для каждого из 5 битов, связанных с тоном MFSK, вместо того, чтобы просто выбирать самый высокий тон для принятия жестких решений для этих 5 битов.

Чтобы избежать простых передаваемых шаблонов (например, постоянного тонального сигнала) и минимизировать вероятность ложной блокировки синхронизатора, символы, закодированные функцией Уолша, проходят через скремблер и перемежитель. Этот этап просто сдвигает биты и выполняет исключающее ИЛИ с заранее определенными векторами скремблирования, поэтому он не улучшает производительность в отношении белого (некоррелированного) шума, но результирующий шаблон приобретает определенные отличительные характеристики, которые очень помогают синхронизатору.

Приемник автоматически синхронизируется, выполняя поиск возможных сдвигов по времени и частоте в поисках соответствующего шаблона. Диапазон поиска частоты обычно составляет ±100 Гц, но по желанию пользователя может достигать ±500 Гц.

Слой МФСК

Режим по умолчанию передает 32 тона в полосе пропускания звука 1000 Гц, а интервалы между тонами составляют 1000 Гц/32 = 31,25 Гц. Тоны имеют такую ​​форму , чтобы минимизировать количество энергии, передаваемой за пределы номинальной полосы пропускания.

Точная формула формы:

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

где x находится в диапазоне от −π до π.

Участок окна («формула формы»)

Коэффициенты представляют форму символа в частотной области и были рассчитаны с помощью процедуры минимизации, которая стремилась обеспечить наименьшие перекрестные помехи и наименьший частотный перелив.

Тоны передаются 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 при повторной отправке одного и того же символа. Поскольку символы имеют плавную форму, нет необходимости поддерживать постоянную фазу, что обычно имеет место, когда не используется форма (например, квадратная).

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

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

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

Уровень функций Уолша FEC

Уровень модуляции системы передачи Olivia в режиме по умолчанию отправляет один из 32 тонов одновременно. Таким образом, каждый тон представляет собой символ, несущий 5 бит информации. Для кода FEC для формирования блока берутся 64 символа. Внутри каждого блока берется один бит из каждого символа и формируется 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 шумом, только один бит каждого 64-битного вектора становится испорченным, таким образом, ошибки передачи равномерно распределяются по символам внутри блока.

Два уровня (MFSK+функция Уолша) кода FEC можно рассматривать как двумерный код: первое измерение формируется вдоль оси частоты самой 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 чередование битов применяются для того, чтобы сгенерированные шаблоны символов выглядели более случайными и с минимальной самокорреляцией. Это позволяет избежать ложных блокировок приемника.

Перемежение битов: функция Уолша для первого символа в блоке строится из 1-го бита 1-го символа, 2-го бита 2-го символа и т. д. Вторая функция Уолша состоит из 2-го бита 1-го символа, 3-го бита 2-го символа и так далее.

Скремблирование: функции Уолша шифруются с помощью псевдослучайной последовательности 0xE257E6D0291574EC. Функция Уолша для 1-го символа в блоке скремблируется с помощью скремблирующей последовательности, 2-я функция Уолша скремблируется с порядком, повернутым вправо на 13 бит, 3-го символа с порядком, повернутым на 26 бит, и так далее.

Образцы

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

Конкурсы

Contestia — это цифровой режим, созданный непосредственно на основе Olivia, но не такой надежный. Это скорее компромисс между производительностью и скоростью. Он звучит и выглядит почти идентично Оливии, его можно настроить таким же образом, но его скорость чуть более чем в два раза выше. Режим разработал Ник Федосеев, UT2UZ, в 2005 году.

Режим Contestia, как и Olivia, имеет 40 форматов — некоторые из них считаются стандартными и все имеют разные характеристики. Форматы различаются по полосе пропускания (125, 250, 500, 1000 и 2000 Гц) и количеству используемых тонов (2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 или 256).

Стандартные форматы Contestia (пропускная способность/тоны) — 125/4, 250/8, 500/16, 1000/32 и 2000/64. Наиболее часто используемые форматы — 250/8, 500/16 и 1000/32. Повышенная скорость Contestia достигается за счет использования меньшего размера блока символов (32) вместо Olivia (64) и использования 6-битного набора десятичных символов вместо 7-битного набора ASCII , который использует Olivia.

Этот сокращенный набор символов не выводится ни в верхнем, ни в нижнем регистре (например, RTTY ). Некоторым транспортным сетям может не понравиться использовать этот режим, поскольку он не поддерживает символы верхнего и нижнего регистра, а также расширенные символы, встречающиеся во многих документах и ​​сообщениях. Это не представляет проблемы для обычных цифровых чатов в рамках радиолюбительской связи.

Внешние ссылки

• Веб-сайт, содержащий техническую информацию о протоколе Olivia, текущие активные рекомендуемые частоты вызовов на ВЧ и ссылки на активное сообщество Olivia.
• Исходный код GPL C++ для Linux и Cygwin (веб-архив)