(Einige Ergänzungen hinzugefügt am 29.1.99)

Die Eigenschaften von PSK31 auf einen Blick:

• QSO-Betrieb ähnlich wie RTTY, kein Einphasen zwischen zwei Partnerstationen notwendig
• Chat-Betrieb zwischen mehreren Stationen auf derselben Frequenz möglich
• extrem schmalbandiges Verfahren (32Hz), schmalbandiger als CW (120BpM)
• durch Differenzphasenmodulation (DPSK) und extreme Schmalbandigkeit sehr robustes Übertragungsverfahren, QSO-Betrieb bis an die Hörbarkeitsgrenze des modulierten Signales möglich
• nicht zur Datenübertragung geeignet (kein Transfer von Programmdateien, da sehr langsam und kein ARQ Betrieb), kein Übertragungsverfahren für leblose Mailbox-QSOs, sondern für angeregte QSOs

Wie wird man in PSK31 QRV ?

• PSK31 gibt es inzwischen auf folgenden Hardwareplattformen, die Software ist Freeware, zu investieren ist lediglich in die Hardware:
• EZ-lite mit dem SHARC DSP ADSP210061 Floating Point (ca. 350DM) mit MPSKWIN, ein Windows-Terminalprogramm mit integriertem Audio-Spektrumsanalysator (0-4kHz) und DSP-Software. In der Ansicht sind in der Spektrumsanzeige drei PSK-Signale zu sehen, wobei das mittlere mitgeschrieben wurde. Die beiden äusseren Signale sind um ein Vielfaches lauter, als das mitgeschriebene Signal, das man akustisch nicht mehr wahrnehmen kann.
• EVM65002 Motorola DSP KIT (ca. 350DM) bipt106.bi.ehu.es/psk31.html
• DSK50 Texas Instruments TMS320C50 (100$ US) bipt106.bi.ehu.es/psk31.html
• Soundblaster (WIN95/LINUX) bipt106.bi.ehu.es/psk31.html

Weitere Informationen und Hörproben findet man hier: bipt106.bi.ehu.es/psk31.html.

Einige technische Erläuterungen zu PSK31

PSK31 überträgt den eingeschränkten ASCII-Zeichensatz von 0 bis 128. Es ist auch eine Version mit dem erweiterten Der ASCII-Zeichensatz 0-255 erhältlich, wobei die es Frage ist, ob das für den CHAT-Betrieb notwendig ist. Die ASCII-Zeichen werden vor der Übertragung in Varicode umkodiert. Varicode ist ein Quellencode, der von Peter (G3PLX) definiert wurde. Quellencodes sind optimal in Bezug auf die Länge eines Zeichen. Oft verwendete Zeichen wie Leerzeichen oder 'e' werden kürzer kodiert als seltene, wie Satzzeichen und große Buchstaben. Der bekannteste Quellencode ist das Morsealphabet, das 'e' ist nur ein Punkt, hingegen sind Satzzeichen und seltene Buchstaben wie das 'Q' länger.

Die binäre Übertragung bei PSK31 erfolgt durch Differenzphasenmodulation (DPSK). Hier wird im Gegensatz zum bekannten FrequenzShiftKeying (FSK) nicht zwischen zwei Frequenzen umgeschaltet, sondern die Information steckt in der Phasenlage einer Trägerfrequenz oder besser in der Differenz der Phasenlage zwischen zwei folgenden Schritten. DPSK ist wesentlich robuster gegenüber Störeinflüssen als FSK, jedoch ist der Aufwand bei der Demodulation höher. Das folgende Bild verdeutlicht die Unterschiede der Modulationsverfahren:

Die Länge eines einzelnen übertragenen Bits beträgt bei PSK31 32ms, das entspricht einer Übertragungsrate von 31.25 Bits/s, daher der Name PSK31 . Bei PSK31 entspricht ein Phasenwechsel der Übertragung einer logischen NULL, das bedeutet, wenn der Modulator mit lauter logischen NULLen gespeist wird, wechselt alle 32ms die Phase der Trägerfrequenz.

Beim einem abrupten Phasenwechsel, wie er im Bild zu sehen ist, treten hohe Frequenzanteile auf, die ein breitbandiges Signal zur Folge haben. Bei PSK31 wird daher die Signalamplitude zum Phasenumschaltpunkt hin auf Null reduziert. Damit schwankt die Amplitude eines PSK-modulierten Signals. Bei PSK31 wird das durch eine Amplitudenmodulation mit einem cosinusförmigen Signal erreicht. Alle 32ms kann ein Phasenwechsel stattfinden, damit ergibt sich für die Periode der verwendeten Cosinusfunktion ein Wert von 2*32ms=64ms. Das entspricht einer Frequenz von 15.62Hz. Ein solches Signal ist identisch mit einem mit 15.62Hz amplitudenmoduliertem Signal ohne Träger oder einem Zweitonsignal, mit zwei Frequenzen im Abstand von 31.25Hz. Es hat daher die Bandbreite von 31.25Hz. Dieses Signal wird immer dann abgestrahlt, wenn keine Information übertragen wird (Phasenwechsel = logisch NULL). Das reale modulierte PSK31 Signal benötigt etwas mehr Bandbreite, man kann aber von einer praktischen Bandbreite von ca. 60Hz ausgehen. Aufgrund von Verzerrungen im Sender (IM-Produkte etc.) wird man im empfangenen Spektrum zusätzliche Oberwellen finden, die sich bei Vielfachen von 15.62Hz finden, die jedoch abgeschwächt sind (Lattenzaun). PSK31 ist eine lineare Modulation, so daß man darauf achten muß, den Sender nicht zu übersteuern und den Speechprocessor auszuschalten.

Bis jetzt wurde stets davon ausgegangen, daß sich die Phase um 180° ändert. Dieses Verfahren nennt man DBPSK (DifferentialBiPhaseKeying) oder kurz BPSK, in einem Übertragungsschritt von 32ms kann nur eine NULL oder eine EINS übertragen werden, je nachdem, ob ein Phasenwechsel stattfindet oder nicht. Läßt man anstelle von 180° auch Phasenwechsel von +90° und 270° zu, so können vier Werte unterschieden werden (0°, 90°, 180°, 270°), d. h. bei gleicher Schrittweite von 32ms kann die doppelte Menge an Information übertragen werden. Das schöne ist, die Bandbreite des Signals nimmt dabei nicht zu. Die folgende Tabelle verdeutlicht eine mögliche Zuordnung der Phasenlagen zu jeweils zwei Bits:

Wie man sieht, können nun zwei Bits in derselben Zeit von 32ms übertragen werden. Dieses Verfahren nennt QPSK oder QuadPhaseShiftKeying. Natürlich kann man auch acht (=3 Bit) oder 16 (=4Bit) Phasenübergänge unterscheiden, mit jeder Verdopplung überträgt man ein Bit mehr in derselben Zeit, d.h. bei gleicher belegter Bandbreite, steigt der Datendurchsatz. Natürlich hat alles seinen Preis. Mit Erhöhung der möglichen Phasenzustände steigt die Empfindlichkeit gegenüber Störeinflüssen, da nun auch der Wert der Phase feiner unterschieden werden muß. Für die Praxis bedeutet das, bei schlechter Übertragungsqualität ist BPSK besser als QPSK, dafür braucht es aber auch doppelt so lange um dieselbe Information zu übertragen. Dies ist eine der fundamentalen Erkenntnisse der Informationstheorie, die Shannon als erster wissenschaftlich formuliert hat. In einfachen Worten bedeutet das: man kann immer eine Information von einem Punkt A zu einem Punkt B übertragen, egal über wieviel Leistung mein Sender verfügt, wenn die Übertragungszeit nur genügend lang ist (korrekterweise gelten noch einige Voraussetzungen für die Art der Störung, auf die hier aber nicht eingegangen wird).

PSK31 überträgt die Information BPSK- oder auch QPSK-moduliert. Mit QPSK kann die doppelte Anzahl von Bits bei gleicher Bandbreite übertragen werden.

Was nutzt die doppelte Baudrate, wenn eigentlich beim PSK31-QSO nur in die Tasten gehauen und keine Computerdateien übertragen werden, also eine Erhöhung der Übertragungsrate eigentlich unnötig ist?

In PSK31 wird diese Erhöhung der Übertragungsrate zur Verbesserung der Fehlersicherheit der Übertragung genutzt. Kurzwellenübertragungen zeichnen sich u. a. durch impulsartige Störungen aus, d. h. es werden kurze Teile der Übertragung ausgelöscht. Zur Fehlerkorrektur verwendet PSK31 einen sogenannten Faltungscodierer.

Es soll kurz versucht werden, zu veranschaulichen, wie so etwas funktioniert:

Wird ein Bit übertragen und ich bekomme am Empfangs aufgrund einer Störung dieses Bit nicht mit, so ist es normalerweise ein für alle mal verloren. Stellen wir uns einmal folgende Situation vor. Wir sitzen an einem Teich, der Blick auf den Teich wird durch sporadisch dahin ziehende Nebelschwaden (Störungen) getrübt. Die Übertragung von Information erfolge durch Werfen von Steinen in den Teich. Sehen wir einen Stein ins Wasser fallen so entspricht dies einer logischen EINS, sehen wir keinen, einer logischen NULL. Der Teich hat eine wunderbare Eigenschaft. Fällt ein Stein ins Wasser, obwohl gerade (hoffentlich nur) Nebel unseren Blick trübt, so können wir, wenn der Nebel nicht zu lange andauert, dennoch an den Wellen im Teich feststellen, daß ein Stein ins Wasser fiel, d. h. die Information ist nicht verloren gegangen. Wenn wir das verstanden haben, dann kennen wir auch schon das Grundprinzip der Faltungskodierung. Ein Faltungskodierer wird am Eingang im Sender mit einem Bitstrom gespeist. Am Ausgang kommt ein neuer Bitstrom heraus. Die Ausgangsfolge ist abhängig von sich bereits im Kodierer befindlichen Bits. Grob gesprochen, je mehr Bits im Kodierer die Ausgangsfolge des Kodierers beeinflussen, um so besser seine Robustheit gegenüber Störungen, (ein einzelnes Bit erzeugt, um im obigen Bild zu bleiben, sehr viele Wellen). Allerdings steigt der Aufwand zur Dekodierung recht schnell mit der Anzahl der Bits im Kodierer an. Die Anzahl der Bits im Kodierer, die Einfluß auf die Ausgangsfolge haben, nennt man Beeinflussungslänge eines Faltungskodierers.

PSK31 nutzt einen solchen Faltungskode zur Fehlerkorrektur. Da der Fehler im Empfänger ohne Rückfrage beim Sender korrigiert wird, nennt man solche Verfahren FEC oder Forward Error Correction. Die Dekodierung des Faltungskodes erfolgt im Empfänger mit einem sogenannten Viterbi-Dekoder. Der bei PSK31 verwendete Faltungskode verdoppelt die Anzahl der zur Übertragung notwendigen Bits, d. h. jedes in den Kodierer geschobene Bit erzeugt zwei Bits am Ausgang. Die möglichen Ausgangssymbole sind dann (00,01,10,11). Damit in derselben Zeit, dieselbe Anzahl von Zeichen übertragen werden kann, wird bei PSK31 bei Verwendung des Faltungskodierers von BPSK auf QPSK-Modulation umgeschaltet. Die Verdopplung der Kanalkapazität wird für den längeren Faltungscode verwendet, der ja genau doppelt soviele Bits generiert. BPSK ist bei starkem Störpegel robuster. Die Fehlerrate bei Verwendung von QPSK ist aber unterhalb eines bestimmten Störgrads deutlich geringer, als bei BPSK. Bei Störungen hat QPSK aus oben besagten Gründen gegenüber BPSK Vorteile, da es die Möglichkeit birgt aufgrund der Faltungskodierung gestörte Bits aufgrund des sich ergebenden Bitmusters (Bild: Wellen im Teich) zurekonstruieren.

Struktur eines PSK Demodulators

Das folgende Bild gibt die grobe Struktur eines PSK-Demodulators wieder. Zugegeben, es sieht etwas komplex aus. Das Ganze als analoge Schaltung zu realisieren ist in der Tat eine größere Aufgabe und mit einigen Schwierigkeiten verbunden. Mit der digitalen Signalverarbeitung, die heute Dank schneller Prozessoren auch in die Praxis umzusetzen ist, können solche Demodulatoren einfach als Programm geschrieben werden. Die aufwendige analoge Schaltungstechnik wird durch ein universell einsetzbares digitales Signalverabeitungssystem ersetzt. Die Funktionalität, die vorher in der analogen Schaltung quasi als HARDWARE fest vorgegeben war und nur an ein paar Trimmern geringfügig parametriert werden konnte, wird durch ein einfach zu veränderndes Programm, eine SOFTWARE ersetzt. Auch hier wird die Hardware wieder einmal von der Software verdrängt.

Ein paar erläuternde Worte zur Struktur des Demodulators.

Der Demodulator kann auch als ein Empfänger für den Empfangsbereich 0 bis 4kHz (in etwa Bandbreite des Audioausgangssignals eines KW-Empfängers) angesehen werden.

Bleiben wir bei der Vorstellung, daß es sich um einen Empfänger für den Frequenzbereich von 0-4kHz handelt. Unser TRX sorgt dafür, daß der interessierende Frequenzbereich, z. B. 3578.00 bis 3582.00 kHz auf 0-4kHz heruntergemischt wird, der TRX ist also der Transverter für unseren PSK-Empfänger. Wir wissen aus der Praxis, daß wir dann ein HF-Signal bei 3580.00kHz als einen Ton von 2kHz hören, ein Signal bei 3580.15kHz als einen Ton von 2150Hz usw...

Will man eine bestimmte PSK Sendung empfangen, so muß man den Empfänger darauf einstellen, wie man das auch von einem normalen Empfänger gewohnt ist. Dazu dient ein VFO und ein Mischer, hier ist das der NCO (numerical controlled oscillator) und ein Quadraturmischer (dazu spaeter).

Ein PSK31 Signal belegt ca. 60Hz Bandbreite, daher können in diesen 4kHz über 60 PSK QSOs stattfinden. In der Praxis hat man durch das SSB-Filter nur einen Bereich von ca. 300Hz bis 2.700Hz zur Verfügung, darunter und darüber ist das Audiospektrum meist abgeschnitten, durch IF-SHIFT läßt sich die Filterkurve aber meist über einen Bereich bis knapp 4kHz schieben. Da die meisten PSK QSOs in der Umgebung einer bestimmten Frequenz stattfinden und PSK sehr schmalbandig ist, genügt es meist den Empfänger einmal so einzustellen, so daß man die Umgebung dieser Frequenzen beobachten kann, bei 3580.15 also den Empfänger z.B. auf 3579.0 kHz einstellen. Man kann dann den Bereich 3579.3 bis 3581.7 mit einem SSB-Filter beobachten und dort Betrieb machen, durch IF-SHIFT kann man auch noch etwas höher in der Frequenz gehen z. B. bis 3582.5kHz.

Funktionsprinzip des PSK-Empfängers

Eingangssignal des PSK-Demodulators ist das NF-Ausgangssignal des Transceivers. Dieses enthält in der Stellung SSB und bei neutraler IF-Shift Audio-Frequenzen zwischen 300 und 2700Hz, was der Durchlassbandbreite eines SSB-Filters entspricht. Dieser 2.4kHz breite Durchlassbereich kann mittels der IF-Shift in gewissen Grenzen innerhalb des Bereiches 0-4kHz verschoben werden, wie bereits oben erwähnt, so daß ein Bereich von ca. 4kHz beobachtet werden kann.

Soll nun ein bestimmter PSK 'Kanal' innerhalb dieses Fensters empfangen werden, benötigt man einen Empfänger, der einen Bereich von 0-4kHz überstreichen kann und dessen Selektionsfilter das ca. 60Hz breite gewünschte PSK-Signal ausfiltern und demodulieren kann. Aus der normalen Funktechnik kennen wir das Superheterodyn-Prinzip oder kurz Super, wobei das gewünschte Empfangssignal zunächst auf eine Zwischenfrequenz abgemischt, dort gefiltert und anschliessend mit einem Produktdetektor das modulierende Signal zurückgewonnen wird.

Fortsetzung folgt

Viel Spaß bei PSK31
es 73 de Mike, DL6iAK

PS: Kommentare sind erwünscht !

© 1998-2001 Michael Keller