日志
JT65 数字通信模式（5）
2012-04-18 15:55
在传输中划分出来的126个时间段被对应于126位伪随机同步引导编码序列。在126位伪随机同步引导编码序列中，分别散布着有63个 "0" 和 "1" 信号，其中的 "1" 是代表同步信号， "0" 代表JT65编码发送的信息信号。在进行调制时，当伪随机同步引导编码序列中是 "1" 时，在对应的时间段内送出1270.5 Hz的载波，而当伪随机同步引导编码序列中是 "0" 时，则该时间段内送出需要发送的信息信道符号序列所对应的音频载波（见图8所示）。
 从图8可见JT65协议的调制实际上是以跳频的方式工作的，图中显示的是一段信息传输的跳频图谱。不同的传输信息所得到的跳频图谱是不一样的，但同步编码序列是一样的。JT65调制后的信号听起来就好象是由一些简单音阶组成的乐曲一样。在WSJT程序界面的SpecJT窗口里，通过显示出的瀑布图形方式也能实时地看到那些所接收到的信号信息传输跳频图谱。 如同用摩尔斯电报方式进行EME通讯时采用反复地传输三遍“O”代替信号报告“599”，使信号更容易被抄收的做法一样，JT65也是使用了特殊的信号格式以强健和有效率的方式来传达简语消息。这些简语消息在传输序列中被交替扭转同步和数据信号的位置来传送。在简语信息传输过程中无须传输同步编码序列，每个简语信息传输使用长度为1.486秒（ 16384个取样）的时间段交替地传输两个音频载波，连续传输45.5秒。这一对音频载波中，低频率的音频载波采用与同步载波一样的频率还是1270.5 Hz，另一个频率是1270.5 +26.92 nm Hz ，其中参数n = 2, 3, 4，对应于简语消息RO，RRR和73；参数m为数值1、2和4，对应于JT65子模式A、B和C。调制后的波形同样是相位连续方式改变频率的等幅正弦波。例如对于JT65B模式代表短语消息" RRR "的一对音频载波分别是低频率的音频载波1270.5 Hz和高频率的音频载波1432.02 Hz，调制后的信号频谱图如图9所示。  从图9可见，JT65协议发送 " RRR" 信息是采用以特定频率和转换率交替切换的两个音调来传输的，信息的能量很集中，因此，这种波形很容易被识别和从“正常” JT65信息中区分出来。的确，正如许多操作者都已经发现，JT65简语消息很容易被操作者利用视觉和听觉以及计算机进行解码。简语消息不需要精确的时间同步，因此在一个传输期间中他们可能随时被启动。在QSO中的简语信息变成与时间无关，而且发射机和接收机之间的频率偏移已经在前面几次QSO的过程中被高精度地同步了。因此，这些信息能被操作者安全可靠地确定视为是来自于最近被解码的电台。 现在我们应该清楚地理解了JT65数字通信模式的工作原理， JT65数字通信模式像莫尔斯电码所做的一样，不直接地传送消息字符字元。相反地，整个消息被编码转变为独特的72位二进制序列，并形成64个六位符号的序列。这些符号被打乱顺序以后在一个无线电信道上传输；他们其中的一些可能完好无损地到达，而有些被噪音所破坏。如果很多符号在概率意义上界定是正确的，则全部72位压缩的讯息可完全恢复出来。被解码的二进制序列然后被翻译回人可读的所传送的消息。该编码方案和强大的FEC保证信息从来不会收到片言只语，消息成分也不会互相混淆，而且接收到的呼号也不会出现一些字符丢失或不正确的现象。在呼号中的字母O或者R不会被混淆成是信号报告“O”或确认信号“R”，也不会把呼号N8CQ误解成是网格定位，又或者把网格定位EM73被误解成是一个呼号。如果你预约的电台没有出现而恰巧另外的一个电台在他的频率上呼叫，你永远不会错误地判断出呼叫的是你预约的那个电台。 6.接收和解调 业余无线电接收机接收到从月球上反射回来的微弱EME信号，经过信号放大和SSB解调处理以后，输出的音频信号被送到电脑的声卡输入端。电脑通过软件对JT65信号进行解调工作。在 WSJT 软件里面，使用众所周知的数字信号处理技术（DSP） 把收到的JT65 信号转换为基带信号和对序列进行分析。首先，对大约0~3 kHz频率范围的音频讯号进行处理，音频讯号以11025bit/s的额定采样率被数字化。然后，数字信号经过低通滤波器和过取样的二个步骤。再利用离散傅里叶变换计算变化的2048次取样的区块功率频谱和检查存在的伪随机同步引导编码序列。检测和“锁定”建立同步模式所需的频率和时间偏移，其中可能包括多普勒频移和EME的路径延迟，以及错误的频率校准和时钟设置等。通常其频率同步精度大约是1.5Hz，而时间同步精度是0.03秒的范围。一旦“同步”被建立起来，程序会再测量音频载波块中各组的同步音频载波频率和符合平滑曲线的结果，从而使跟踪和补偿的频率漂移缩小，而不需要相位相干跟踪之间的符号。有了准确的同步信息之后，程序会以同步音频载波频率为基准，用2.7m Hz来分解这些频谱（参数m为1、2和4，对应于JT65子模式A、B和C。例如，对于JT65B子模式，m= 2，则频率间隔是5.4 Hz），计算出65个频谱中其余64个载波的每一个符号。对于非常微弱的信号，他们基本上是和噪音一样的形式。可能有许多数据音频载波被埋在噪音里，然而，通常在每个音频载波间隔中的载频信号将比其他有更大的幅度，WSJT软件用已知的随机高斯噪声统计特性，去计算传输符号每一个可能的值的概率。在这些概率信息的基础上，同步测量频谱的符号，得到收到的基本资料。经过去格雷编码和符号交织后的符号被传送给解码器。在WSJT软件中对JT65信号的解码分三个阶段进行：简语消息解码器、软判决里德所罗门解码器和深入搜索解码器。 WSJT软件除了在接收信号频谱中寻找预期的已调制伪随机同步音频载波模式之外， 软件还寻找具有JT65简语消息指定的调制音频载波模式。用之前传输的同步音频载波来对接收信号频谱中的频率进行测量和比较，以及测试确定遵从指定的调制方波周期。如果频率和调制都匹配，而且信号的振幅也超过预设的阈值，则程序判别检测到一个简语信息。因为接收前面信息时已经保证了系统频率和时间的偏差度，因此程序可设定低阈值的同时维持非常低的误报率。 里德所罗门编码最重要的是要非常经济地用明确的数学算法去解码数据，如果采用原始的做法，即使像RS（ 63,12 ）这样的小型纠错码也可能是非常困难或需要花费很长时间去纠错和译码，这是因为对于一个72位编码序列，就需要对每个2^72=4.7×10^21这样庞大数目的信息序列的所有可能编码全部都与所收到的频谱去进行比较来寻找出一个相关结果的匹配。但是一个简单的估计表明，即使以今天CPU速度为3 GHz的电脑、无限的存储器和一个非常有效率的程序，用这种方式去解码一个收到的信息将需要大约二亿年，因此这种做法是非常不现实的。WSJT软件采用了最先进的里德所罗门解码算法。它是根据Ralf Koetter和Alexander Vardy的研究成果，并采用他们公司CodeVector技术的计算机代码许可。这个叫做“K-V里德所罗门解码器”，对所收到的信息符号值给予概率软判决，解码器对每个传输数据符号分析提供一个明确的结果，无论它得出的是72位的传输信息或者表明“没有结果” 的标志都是非常严密精确的。根据WSJT软件手册介绍，以一个经过仔细衡量的信号电平函数作为WSJT解码器的错误率。就WSJT的规模，K-V里德所罗门解码器对于JT65B信号在信噪比下降到约-23至-25 dB由“几乎全部能解码”到“几乎全部解码失败”展现一个陡峭的过渡。他们的研究结果进一步表明，对于“干净”的数据（只加入高斯噪声和衰落，但没有其他的干扰信号）， K-V里德所罗门解码算法对RS(63,12) 的错误解码是非常罕见的，从概率来说在你的一生之中都几乎无法碰到一个。 如果万一 K-V里德所罗门解码器软判决不能产生一个结果怎么办呢？要考虑去匹配所有相关的2^72个可能存在的用户信息嫌生命太短，但是幸运的是真正的EME QSO所传送的一些独特的信息实际上是远小于2^72的，而且你最感兴趣的那些就更少了。现在很多的电台日志软件都有一个对于呼号的所谓“SUPER CHECK”的功能，当在你参加业余电台比赛中只听到一个呼号的片段，把这个呼号片段输入进去，程序就会在一个活跃于电台比赛的呼号名单上搜寻符合的呼号，并且把其中认为可能性最大的用绿色字体显示出来。例如有个呼号我隐隐约约只听到“V9？M”，于是我把“V9M”输入程序，在“SUPER CHECK”框中给出“RV9CM、RV9MA、VE9MF、VE9KM和VE9MY”这几个呼号，而且RV9CM用绿色字显示，因为我在另外的波段里早些时间曾经和这个电台通联过，于是我用RV9CM去呼叫，果然得到确认的回答。在WSJT软件中也是一样，而且做得更严密。如果里德所罗门解码器在合理的时间内没有找到匹配后，里德所罗门解码器搜索算法发出“超时”的指示，在WSJT软件中，采用称之为“深入搜索”的算法程序，试图用可行的匹配滤波器方法进行更深入的搜索解码。深入搜索是以一个真实呼号和网格定位名单数据库为基础。在名单中载有已知活跃在VHF/UHF波段EME通联活动的全球近5000个电台的呼号和他们的网格定位信息，对这些呼号大多数的EME操作员都非常熟悉，而且每一个WSJT软件使用者也都可以维护他们自己的名单数据库文件, 增加或删减他们认为合适的呼号，WSJT软件的默认呼号数据库命名为CALL3.TXT。在WSJT深入搜索解码器中，把数据库中的每个名单项目与“CQ”和 WSJT软件使用者的呼号相配对，用来作假设测试的消息。在当前的名单数据库中如果有N个呼号，将产生大约2N个消息，这些消息将按照JT65协议进行完全的编码, 然后用这些编码的频谱去匹配测试接收到的信道符号。对每个编码传输信息都进行判别，包括所有的前向纠错（FEC）的符号。实际上，呼号数据库定义了一组匹配过滤器，为接收信息所定义、设计和调整来实现最佳的敏感性，使你可能合理地得到一个接收信息的子集。“深入搜索”的算法程序对于在数据库中没有的呼号信息、任意的纯文本或者除了“CQ”以外都不敏感。这样一来，逐个进行匹配测试的数目就大为减少了，运算所需的时间也在可以接受的范围之内。深入搜索解码器能很大程度地帮助你去尝试决定哪一个电台可能发送微弱的CQ信号 、回答你发出CQ的电台 或者你最后QSO的结束。这些信息将以有明显敏感性的K-V里德所罗门算法来解码。根据WSJT软件手册介绍，对于规定子集的任何信息，深入搜索解码器提供大于约4 dB的敏感性，而仍然维持低误码率。显然那4 dB的敏感性基本上相当于是所谓的“列表增益”，这个与CW操作者抄收到熟悉的呼叫号或预先安排的通联的情况一样。 从上面的介绍我们可以学习到许多现代数字通讯系统中采用的新理论和新技术，并且了解到如何通过把这些理论成果和计算机软硬件技术有机地糅合在一起应用在业余无线电通讯领域中。JT65数字通讯协议作为一个高度精确的通信协议，让我们从利用听觉解码信息扩展到利用计算机进行信号处理并采用视觉进行信息读取，业余无线电通讯技术也从模拟发展到数字，让我们感受到业余无线电通讯技术飞跃发展的同时体验到数字通讯技术的神奇效果。利用这些技术手段使我们能够克服器材和个人操作技巧的不足，克服大自然造成的种种障碍，达成了深空通讯的梦想，技术的神奇进一步扩展了我们的视野，使业余无线电活动迈向了一个新的高度。 |
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