Оцифровка Радиосвязи

вольный перевод c пояснениями
апрель 2021

Радиоволны - это как воздух в современном мире. Они используется для различных целей, таких как мобильные телефоны, теле и радиовещание, аварийное, железнодорожное радио. Хотя диапазон радиоволн ограничен, ожидается, что его использование будет расширяться. Поэтому, эффективное использование радиоволн очень востребовано.


  Что такое цифровизация радиосвязи?

Радиолюбители стремятся эффективно использовать диапазон путем оцифровки, а сужение занимаемой полосы, является наиболее важным моментом. По сравнению с аналогом, цифровой метод может улучшить качество связи и эффективно использовать радиоволны.

В 1998 году Министерство внутренних дел и связи объявило, что японская лига любительского радио (JARL) исследует технологию оцифровки (хотя радиолюбители не обязаны использовать цифровые методы модуляции. Но! Это нужно, чтобы идти в ногу со временем). В результате JARL создал D-STAR (Digital Smart Technologies for Amateur Radio).

В спецификации D-STAR, указано, что радиостанции могут работать с шагом 10кГц не создавая взаимных помех. Минимальный шаг в FM, без взаимных помех, составляет 20кГц. Важно понимать, что оцифровка сама по себе, не означает эффективного использования радиоволн, а вот сужение занимаемой полосы, является важным моментом для эффективного использования радиоволн.

###


  От AM до SSB

В 1970 году, в северной части Осаки была проведена Osaka Expo (всемирная выставка Японии) На ней было обьявлено о переходе от AM (с занимаемой полосой частот 6кГц) к SSB, с полосой 3кГц, в голосовой связи на КВ. На УКВ, основным режимом был FM с занимаемой полосой частот 40кГц.

В то время, любительский диапазон 7МГц был переполнен AM радиостанциями, которые создавали QRM. Переход на SSB, резко улучшил ситуацию и позволил проводить DX QSO на малой мощности.


  Разница в полосе частот

На рисунке, сравнение количества работающих D-STAR, FM станций, в диапазоне 430МГц. Мы видим, сколько станций могут работать на частоте 433МГц ±60кГц. Итак, D-STAR может работать с шагом между каналами 10кГц, но в FM такой шаг не возможен, без взаимных помех. Это и есть эффективное использование радиоволн, за счет оцифровки!

###


  Почему GMSK?

В процессе экспериментов, специалисты JARL пришли к выводу что D-STAR должен быть разработан с использованием метода GMSK модуляции. Это позволило уменьшить полосу излучения и успешно обойти ограничения при дальней радиосвязи, в том числе и с помощью космических аппаратов.

Первый D-STAR микро-спутник был запущен в 2010 году. Название спутника — OUFTI-1 «CubeSat». Он построен группой бельгийских студентов из университета Льежа. Вес спутника 1 кг.

Разработка D-STAR продолжается и его полоса будет ещё уже, в будущем! Нет других цифровых режимов (для любительского радио) с такой узкой полосой. Разработчики ориентируются на шаг 6,25кГц, который является стандартом для коммерческого радио в США.

Министерство почты и телекоммуникаций попросило JARL ориентироваться на шаг 6,25 кГц для цифрового стандарта любительского радио. В результате JARL пришел к выводу, что объем данных должен быть уменьшен с 9600бит, до 4800бит и помещён в полосу 6,25кГц, для эффективного использования радиоволн.

Спецификация D-STAR DV
DV (Digital Voice) использует полосу спектра в 6.25 КГц для потоковой передачи голоса на скорости 4800бод. Из всей этой полосы 3600бод используется для передачи данных голосового кодека (2400 — непосредственно данные и 1200 — FEC) и оставшиеся 1200бод — для передачи данных нескольких типов: передачу сообщения до 20 символов, сопровождающего вызов, данных о позиции станции GPS для системы APRS, либо данные с последовательного порта станции.

C4FM который предлагает Yaesu, является одним из методов модуляции, называемый 4-FSK. Первоначально, C4FM должен был поддерживать шаг 6,25кГц, но позже они сделали 12,5кГц. При этом полоса разделена на две составляющие и звук может передаваться в одной половине 6,25кГц или в полном спектре 12,5кГц.

###

Гауссовская манипуляция с минимальным частотным сдвигом (GMSK - Gaussian Minimum Shift Keying), которая является разновидностью фазовой модуляции. В GMSK каждый символ несет 1 бит полезной информации.

При очень слабом радиосигнале GMSK-модуляция имеет преимущество перед 8PSK и другими режимами. В сотовой связи, стандарт GSM использует GMSK манипуляцию. Для коррекции ошибок используется избыточность кода.

Ширина спектра сигнала GMSK определяется произведением длительности передаваемого символа на полосу пропускания Гауссовского фильтра. Именно полосой пропускания и отличаются различные виды GMSK друг от друга. Чем меньше полоса пропускания фильтра Гаусса, тем уже полоса радиосигнала.

Преимуществом использования GMSK модуляции является постоянный уровень радиосигнала, что позволяет использовать в радиопередатчике нелинейный усилитель мощности. Это позволяет увеличить к.п.д передатчика, а значит его мощность и уменьшить размеры телекоммуникационных устройств. В конечном итоге это приводит к увеличению дальности связи.

GMSK-модуляция используется в автоматической идентификационной системе на флоте, в Bluetooth, GPRS, EDGE, CDPD и других приложениях.

###


  NXDN и другие

В мире коммерческого радио существует NXDN с шагом канала 6,25кГц, использующие метод FDMA. Icom и JVC KENWOOD используют эту систему для разработки своих продуктов.

Motorola разрабатывает DMR, в которой используется метод TDMA с шагом канала 12,5кГц, что в два раза превышает ширину полосы по сравнению с NXDN. DMR имеет два временных интервала шириной 12,5кГц.

Другими словами, в полосе 12,5кГц, могут работать два канала FDMA или два канала TDMA. D-STAR, разработанный JARL, использует метод FDMA, как и Yaesu с C4FM, но у последнего, в эту полосу, поместится только один канал.

Хорошо известный стандарт APCO P25 в режиме C4FM (4 значения FSK) имеет шаг 12,5 кГц и в режиме CQPSK*4 шаг 6,25кГц.


  Дополнение

R3ABM про D-PRS:
....APRS и D-STAR имеют совершенно разное назначение, по этому принципы построения таких сетей различны. D-PRS - это лишь дополнительный сервис в D-STAR с определенными ограничениями и предназначен для конкретной задачи - давать лишь рапорты позиций в дополнение к голосовым вызовам. Совместимость D-PRS с APRS - это всего лишь фича.

R7HJ и японский радиолюбитель Minami Otuka