日志
JT65 数字通信模式（1）
2012-04-18 11:30
JT65是一个用于极端微弱信号业余无线电通信的数传协议代号。它被专门设计用来优化进行在50MHz、V/UHF和L波段的地-月-地 (EME) 联络，而且有效地遵从QSO确定的标准和程序。
自从无线电被发明之后，最早应用的编码方式是CW（摩尔斯电码），摩尔斯电码是通过开关控制等幅信号的有或无，由人来实现编码和解码的一种通讯编码方式。摩尔斯电码通讯系统具有设备简单容易实现，而且所需的传输信号带宽很小，抗干扰能力强等特点，一度被认为是进行弱信号通讯的最佳方式。但是。对于操作像业余流星散射和EME联络那样，对每个分贝讯噪比都要计较的极其微弱信号通讯的时候，就有需要去探究其他的调制方法了。现代个人电脑提供了采用声卡对音频信号进行数字处理的能力，因此，结合现代信息论和电脑的软硬件技术，就有可能设计开发出一种针对用于像在EME传输通道上所遇到的那些极端地微弱信号沟通的通讯模式。 信息论是现代数字通信系统的基础，信息论认为在通讯系统中传输的本质内容是信息，发送端需要把文字、话音或图象等等信息编码表示成具体的消息，再将这些消息载至信号上，才能在实际的信号通讯系统中传输。信号到达了接收端将有噪声和失真的信号经过各种处理和变换，最后变成文字、话音或图象等形式的消息，人们再从中得到有用的信息。在信息论里面，其中著名的香农噪音信道编码定理指出，尽管噪音会干扰通信信道，但信息还是有可能性在一个指定的最大信道传输率的前提下，以任意低的错误率传送数据信息。根据信息论的这些理论，要在非常低的信噪比中达成低的错误率，需要将有用信息的精确编码放入被精心组织有冗余度的一种更紧凑的格式之内。通俗地解释上面绕口的结论就是，通讯系统为了要在噪声干扰很大的无线电通道上能有效而可靠地传送信息，必须要做下面的四项工作： 第一，编码。信息需要被精确地编码。我们最熟悉的摩尔斯电码就是一种编码方式，把所要传输的字符用按键的长短组合来表示。严格来说，我们说话的话音也是一种编码的形式，它是采用元音和辅音的组合来表示信息的。通过比较摩尔斯电码和语音两种编码方式我们会发现，摩尔斯电码是每一个字母符号对应于一个唯一的编码符号，其所有的编码符号都没有歧义性，而语音这种编码方式则存在着很多的同音异字和同字多音情况，在通讯中会引起抄收的错误，所以其编码并不精确。因此，对于无线电通讯来说，语音这种编码并不是一个好的编码方案。人类为了克服语音的这种弊病，采用字母解释法等方式，对语音信息进行再度的编码，减少自然读音编码所带来的歧义性，以提高信息传递的准确性。根据需要传输信息的不同特点和要求，人们通过利用不同的编码方式对文字、声音或图象等进行编码。在JT65协议中，所传送的信息被分成三类分别进行编码。 第二，压缩。为了更有效地提高传输通道带宽的利用率，缩短信息的传输时间，以最小的发射功率取得最大的传输量，有必要对所传输的信息进行压缩，即对信息进行信源编码。信源编码将压缩传输信息的冗余度，去除信息中的多余部分，只保留所传输信息的关键部分。就像我们要对货物运送之前，先想方设法减小货物本身的重量和体积的道理一样。对于不同的信息有不同的压缩方法，我们熟悉的摩尔斯电码就是采用了可变字长编码压缩技术，对于出现概率大的字母用短编码（例如对字母E用一个短点“滴”表示，对字母T用一个长划“达”表示），而对于使用概率小的字符用长编码（例如对字母Q用四个点划组合“达达滴达”表示）。无线电简语自刚开始进行无线电通讯和有线电报时就已经广泛地被使用，我们业余无线电之中最熟悉的Q短语是另一个众所周知的简语，也是一种信息压缩的形式。例如用QTH三个字母代表“你的或我的位置是在........地方”，QRZ代表“谁在呼叫我？”，73代表“向你致敬和问候”等等。他们在通信理论中被称为是“信源编码”信息的简单形式。在JT65协议中，所传送的信息被“信源编码”成一个72位固定长度的二进制码序列。 第三，纠错。要在吵杂、扭曲和不定的传输信道上确保所传输信息的完整性，还需要在传输信息中加入冗余和纠错信息，以提高传输信息的可靠性，即对信息进行信道编码。这里的加入冗余和前面的信息压缩是没有矛盾的，信息压缩是把无用的信息排除掉，也就是通常所说的“把罗嗦的废话去掉”，而这里所加入的冗余则是经过有选择地加入某些信息使得在传输时即使受到干扰而丢失了一部分信息，你仍然能够在接收时再恢复得到正确的信息。例如，我们打电话的时候常把自己认为重要的话语重复几遍，就是为了让对方能全部听明白你所说的内容。这里有一个比喻就是把所要运输的货物进行包装，使之能适应在运输途中的重压、震动和潮湿等恶劣的环境，保护货物免受伤害。现代数字通讯系统中，通过对数字信息进行数学运算处理，产生出纠错码，加入到传输的信息里，当信息受干扰而丢失一部分时，通过纠错运算，可以正确地完全恢复原来的信息。这一过程被称为“前向纠错”或FEC。在JT65协议中，选择采用里德所罗门码 RS（63,12）编码方式，还加上了信道符号交织和格雷编码纠错方法。 第四，调制。为了使信息能被无线电传输，一个被编码的信息必须在一个载波上用一些形式的调制使载波留下印记。就好象货物最终是采用汽车、火车、轮船或是飞机等运输工具来进行运输，货物必须要装载到运输的交通工具上一样。信息能够通过改变载波的振幅，频率，相位或任何的组合被传送出去，即信息传输需要进行调制处理。例如：通常的摩尔斯电报就是用开关键控载波（CW）(调幅的一个特例)，我们的话音传输是对载波进行调幅（AM和SSB）或者调频（FM）等。JT65协议信息则是采用65个频移键控的音频载波来进行调制和传输，这也是JT65方式中“65”这个数字的含义。 经过加工处理后所产生的无线电信号在使它衰减超过250dB的一个EME 信道上传播，并增加了噪音以及振幅、频率和相位变化的“通道调制 ”，无线电波到达接收端，接收信号经解调和解码，信息经过纠错功能，把其还原成正确的结果提交给使用者。现代数字通讯技术的整个流程就如图 1 所描述的一样。  有了上面的铺垫以后，下面我们就来剖析JT65数字通信模式是如何运用现代信息论来对传输的信息进行处理的。JT65信息编码以下经过几个阶段的处理：用户的信息首先被“信源编码”成一个仅有72位二进制码的紧凑形式。该序列再被装入成为12组6位的信息符号，然后由一个里德所罗门编码器增加了51个奇偶符号。信息进行63个信道符号交织，格雷编码后，对64个音频载波进行频移键控调制并传输。采用第65个载波频率来传送一个同步引导信息, 两个音频载波的间隔低于最低数据音频载波。还有一些任意选择进一步确定的详细信息包装和分类信道符号等。 |
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