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PA3FWM的数字业余模式的信噪比和实验性新数字模式:EbNaut [复制链接]

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离线咸康然
 
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只看楼主 倒序阅读 0楼 发表于: 01-06
PA3FWM,是大名鼎鼎 http://websdr.ewi.utwente.nl:8901/ 的制造者,最近看到他个人网站,上面有很多好东西,特此转载,以供学习!    
https://www.pa3fwm.nl/technotes/tn09b.html https://www.pa3fwm.nl/technotes/tn13d.html  中国大陆在0~8.3KHz段的主要业务是水上移动和水上无线电导航,8.3KHz~9KHz的主要业务是气象辅助、水上移动和水上无线电导航,没有次要业务。


数字业余模式的信噪比

Pieter-Tjerk de Boer,PA3FWM pa3fwm@amsat.org
(这是我为荷兰业余无线电杂志Electron 撰写的文章的一部分的改编版本,2015 年 2 月。)
据称,WSPR 信号的接收效果比噪声低 29 dB。29 dB 是 800(功率)的因数,因此听起来非常令人印象深刻:比噪声弱 800 倍的东西仍然可以完美解码。其他模式需要更强的信号,例如PSK-31 的噪声低7 dB,或者需要更少的信号,例如OPERA-32 的噪声低35 dB。但这些令人印象深刻的数字意味着什么?
业余无线电模式引用的信噪比 (SNR) 传统上基于 2500 Hz 的接收器带宽,因为这些模式通常使用普通的 SSB 接收器接收,其 IF 滤波器的宽度约为 2500 Hz。实际信号通常要窄得多,例如在 WSPR 的情况下约为 6 Hz。所以这很奇怪:我们将 6 Hz 宽信号的功率与总 2500 Hz 宽滤波器中接收到的噪声功率进行比较。测量接收机实际使用的带宽中的 SNR 会更有意义;但可能很难确定或定义“真实”接收带宽。
专业人士使用不同的方式来表达 SNR,这不需要随机选择噪声带宽。他们指定了一个称为 Eb/N0 的量。Eb 是每比特的能量,N0 是 1 Hz 的噪声功率。因此,该比率的分母与业余爱好者使用的相当,尽管是 1 而不是 2500 Hz。然而,诀窍在于分子:业余爱好者将接收到的功率放在那里,而专业人士则使用接收到的每比特能量。示例:假设我们接收到 6 pW 信号,即每秒 6 pJ(皮焦耳),这足以每秒传输 2 位,则 Eb = 3 pJ/位。
作为一个例子,让我们考虑一下如果我们将 WSPR 的速度提高两倍,将会发生什么变化?即,信标的所有位必须在 1 分钟内发送,而不是 2 分钟。每个符号将持续一半的时间,即 0.342 秒,因此频率(因为 WSPR 是 FSK 信号)需要是两倍分开;因此信号宽度变为两倍。接收器需要两倍宽的滤波器,因此将接收两倍的噪声,因此需要两倍强的信号才能获得良好的接收效果。使用指定SNR的“业余方式”,在2500Hz带宽中,所需的SNR因此加倍,即变得高3dB。如果我们将其计算为实际接收带宽中的噪声,则所需的 SNR 将保持不变。那么 Eb/N0 呢?N0 不变。Eb 也没有改变,因为虽然所需的功率增加了一倍,但我们也得到了两倍的比特数;所以每比特的能量保持不变。
因此,Eb/N0 是衡量调制技术(包括纠错码 (FEC))性能的非常诚实且有意义的衡量标准。事实上,Eb/N0 是一个很好的衡量标准,以至于可以得出它的基本极限。早在 1948 年,克劳德·香农 (Claude Shannon) 就在数学上证明,如果 Eb/N0 小于 -1.59 dB,则无论使用何种智能调制、编码和信号处理,都不可能无差错地传输比特!CE Shannon:通信的数学理论,1948 年。)


该表对一些著名的业余模式在 2500 Hz 下所需的 SNR 以及 Eb/N0 方面进行了比较。我们清楚地看到,由于数据速率存在巨大差异,在最低 SNR 下工作的模式在 Eb/N0 方面不一定也是最有效的。
不过,我们必须对表中的数字持保留态度。对于大多数模式来说,工作和不工作之间没有明确的界限;这种转变是渐进的。因此,专业人员总是为特定的误码率指定所需的 Eb/N0。此外,正如一些脚注中所讨论的那样,通常并不清楚人们想要计算什么。
CW(莫尔斯电码)在表中列出了 3 次,数字来自不同的来源,但在 Eb/N0 方面非常吻合。第一个 CW 条目基于 W2RS 对 80 年代和 90 年代通过 Oscar-13 进行的 ZRO 测试的分析,其中参与者必须以 10 WPM 的速度复制数字组,重复 3 次,因此数字较低位(W2RS:人耳的弱信号能力,http://web.archive.org/web/20050207235207/http ://www.n1bug.ne​​t/tech/w2rs/ humanear.html)。第二个条目基于 ON7YD 对 QRSS-3 信号的实验:非常慢的莫尔斯电码,其中一个点持续 3 秒,并且不是通过耳朵复制而是从瀑布显示中复制(ON7YD:QRSS3 挑战http://on7yd.strobbe。欧盟/QRSS/)。第三个条目基于我自己制作最佳软件 CW 解码器的尝试(http://wwwhome.cs.utwente.nl/~pt ​​deboer/ham/rscw /)。 对于大多数其他模式,我使用了http://www.qsl.net/kp4md/wsprmodes.htm
中的 SNR 数字 。
然而,Eb/N0 也不是最终的衡量标准:它纯粹是衡量通道使用效率的衡量标准,假设通道仅向信号添加纯白噪声。实际上,大多数无线电信道还存在其他缺陷,例如脉冲噪声(例如由闪电引起)或由于衰落导致的信号强度变化。Eb/N0 没有说明该模式对此的处理效果如何。比较例如 PSK31 和 WSPR:它们所需的 Eb/N0 相似,但是虽然 PSK31 中的短暂淡出立即导致丢失一些字母,但 WSPR 对此相当不敏感,因为消息的所有字母都“分散”在整个2分钟传输。

VLF 上的 BPSK


在过去几年中,一些业余无线电爱好者在低于 9 kHz 的 VLF 范围内进行了极低频率的实验。那里没有官方的业余频段,但由于 8.3 kHz 以下的频率尚未由 ITU 分配,一些业余爱好者已申请许可(或获得许可)在那里进行传输。由于波长超过30公里,任何实用的业余天线都太小;因此效率非常小,因此有效辐射功率也非常小。
2014 年 5 月,英国的 DF6NM 和 Paul Nicholson 做了一项实验(并在 RSGB LF 邮件列表上报道了这一情况),他们在 132 分钟内以 8270 Hz 的频率传输了一条净 46 位消息,传输距离超过 1028 公里,有效发射功率为小于 10 µW。他们使用 BPSK:二进制相移键控,即将传输信号相位翻转 180 度以在 0 和 1 之间变化。这可以简单地使用机械继电器来完成,因为传输的符号每个持续 30 秒。Paul Nicholson 为这些实验开发了一种非常强大的纠错码 (FEC),以及解码该代码的软件,即使用大量计算从噪声中提取信号http://abelian.org/fec/。如表所示,结果非常接近香农极限。
然而,这种技术几乎只适用于 VLF,因为它需要非常稳定的传播:在这 132 分钟内,信号的相位不允许有太大漂移。此外,以更高的速度(在更高的频段)执行此操作时,计算负载也会出现问题。
[注:在文章撰写后、印刷之前,该技术也成功用于跨大西洋甚低频传输;参见http://w4dex.com/vlf/8822hz_dec14/ ]
表中数字的更多理由:
SSB 语音数据速率: 20 位/秒,来自 http://storage.sk.uni-bonn.de/Milca/ssv/content/ssv_s143_en.xhtml
CW 10 wpm ZRO 测试数据速率: ZRO 测试只有数字,平均长度为 2.04 秒,每个数字 3.3 位,重复 3 次,为 0.54 位/秒。SNR 和 Eb/N0 基于 ZRO 测试中的“Z8”级。
CW 12 wpm RSCW 和 QRSS3:字母 AZ 和数字 0-9 总共有 69 个点和 63 个破折号,因此平均字符需要 2+(69/36.)*2+(63/36.)*4=12.833 点时间。假设所有字符的概率相同(随机文本),则每点时间给出 2log(36)/12.8333 = 0.403 位。在 12 WPM 时,点需要 0.1 秒,因此 4 位/秒。对于 QRSS3,在 3 秒点时间下,0.403/3 = 0.134 位/秒。
OPERA: 每条消息 51 位,其中 28 位数据,4 位未使用,19 位校验和。由于校验和位可能仅用作最后检查,而不是用于搜索最有可能的消息(因为存在额外的 FEC 开销),因此它们可以被视为数据。
RTTY: 45.45 波特,每个 5 个字母字符添加一个起始位和停止位,因此每 7 位中只有 5 位包含用户信息。
WSPR 和 JT65: 分别在 111 秒内处理 50 个用户数据位,在 46.8 秒内处理 72 个用户数据位。一半的能量进入同步位。可以说,没有这一点,人们也可以做到这一点,但代价是在接收方进行大量搜索。


  



实验性新数字模式:EbNaut


Pieter-Tjerk de Boer,PA3FWM pa3fwm@amsat.org
(这是我为荷兰业余无线电杂志Electron 撰写的文章的一部分的改编版本,2016 年 8 月。)
早些时候 [11]我写过一些业余爱好者使用具有强纠错码的慢速 BPSK 调制在弱信号的 VLF 上发送消息的文章,其中几乎达到了香农极限。有效辐射功率不到 10 微瓦,8.27 kHz 从德国穿越到英国约 1000 公里,2014 年 12 月以同样的方式穿越大西洋,使用约 150 微瓦。
此后,Paul Nicholson 进一步发展了这项技术,并将其实现在任何人都可以在 PC 上运行的软件中,从而为业余爱好者创建了一种新的数字模式,称为 EbNaut [7]。然而,它并不是真正的普通 QSO 模式。人们需要一种在整个传输过程中相移不会发生太大变化的传播路径,实际上将其限制在 LF 和 VLF 范围内。接收方需要大量的计算能力。但最重要的是,接收器必须相当准确地知道预期的传输频率、时间和参数。软件无法自行搜索信号,并且通常信号也太弱而无法在瀑布显示等设备上看到。这是一个有意识的设计选择;否则,部分传输能量将被“浪费”以帮助接收器识别信号并与其同步;然后该能量就不再可用于实际的消息。因此,实际上,EbNaut 主要用于实验和测试,通过rsgb_lf_group邮件列表进行协调。

参考:


[7] http://www.abelian.org/ebnaut/
[11] PA3FWM:数字业余模式的信噪比。电子,2015 年 2 月;并在这个网站上



[ 此帖被咸康然在2024-01-06 19:09重新编辑 ]
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只看该作者 1楼 发表于: 01-07
只见到IARU 1 区的玩8kHz用过这个模式
=BG2KAJ C类 KG2KAJ Amateur Extra JJ1RRS 二アマ=
=  业  余  无  线  电  考  操  作  证  爱  好  者  =

WAPC&WAJA达成了!奔向JCC和JA FM DX……
我写过的关于业余无线电的文章汇总:bg2kaj.cn
离线咸康然
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只看该作者 2楼 发表于: 01-07
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bg2kaj:只见到IARU 1 区的玩8kHz用过这个模式 (2024-01-07 14:01) 

不仅局限于8khz,在各种频率都可以测试
BI4PYM
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只看该作者 3楼 发表于: 01-25
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