Modi digitali    

Questo capitolo raccoglie alcune informazioni sui modi di trasmissione digitali che hanno maggiore seguito nell' ambito amatoriale. Viste la molteplicità di modi tecniche utilizzate in questo settore queste pagine non saranno sicuramente esaustive, ma intendono dare, specialmente al neofita, gli stimoli per iniziare a "fare qualcosa" in questo settore che ha riservato e riserva a molti grandi soddisfazioni radioamatoriali.

Inoltre, al di la di qualche informazione generica, in queste pagine si vuole dare la precedenza alle tecniche che utilizzano la sound blaster del p.c. come principale se non unico strumento di intercaccia con RTX. Infatti i programmi che utilizzano le s.b. del p.c. di stazione consentono di sperimentare nuovi modi di trasmissione senza impegnare grosse cifre in acquisto di attrezzature specifiche.         

• AGW PE (Packet Engine)

• CW - Morse 

• Hellschreiber 

• Packet

• PSK 31

• RTTY

• AMTOR

• PACTOR

• MFSK

• SSTV

• FAX (pagina in preparazione)

• Software per sound blaster

AGWPE

AGWPE consente di:

• utilizzare le  velocita di 300, 1200 e 9600 baud;

• gestire simultaneamente più porte (TNC);

• auto-regolare i parametri di traffico;

• utilizzare il tcp/ip per collegarsi ad internet via radio;

• effettuare operazioni di Yapp e packet cluster in simultanea;

• gestire l' indirizzamento dei pacchetti a diversi programmi utilizzati contemporaneamente 

Viste le potenzialità di questo software è necessario che ognuno ne approfondisca le modalità di installazione ed utilizzo per questo si può far riferimento ai seguenti links:

• Sito ufficiale dell' autore di AGWPE -  SV2AGW George Rossopulus (doc. & download software)

• Manuale di IK1CBD (manuale in lingua italiana)

Il pacchetto di programmi di SV2AGW si completa con alcune realizzazioni che sfruttano AGWPE fra le quali si segnala AGWMONITOR,   AGWCLUSTER,  AGWTERM. Quest' ultimo in particolare consente di operare in packet utilizzando la s.b. del p.c. con ottimi risultati ed grande facilità di configurazione ed utilizzo.  

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CW - Morse 

Il codice Morse o CW (abbreviazione di "continuous wave" cioè onda continua) è chiamato così in onore del suo inventore Samuel F.B. Morse, 1791-1872. Morse inventò il codice (e il telegrafo elettromagnetico) nel 1836.

Il codice consiste in una serie di punti e linee che identifica una lettera dell’alfabeto e i numeri dallo 0 al 9. Questo lo fa assimilare ad sistema digitale che è composto dalla trasmissione di zero di uno combinati in modo da sviluppare le varie tabelle (es. Ascii, EBCD, ecc.)

All’ inizio questo sistema di trasmissione fu utilizzato con sistemi diversi dalla radio come lampi luminosi, da segnali con bandierine, specchi, ecc. Anche con un paletto battendo sulla tubazione dell’acqua può essere utilizzato per comunicare con il codice Morse o per mezzo di qualsiasi codice di questo tipo.

Gli operatori dei Telegrafi usavano il codice Morse, con i cavi Telegrafici per inviare messaggi intorno al 1800. Questi messaggi erano conosciuti come ‘telegrammi’.

Con questo mezzo si diffondevano informazioni, anche a grande distanza, soddisfacendo le necessità più disparate.

Quando questi sistemi si convertirono in trasmissioni via etere il codice Morse diventò conseguentemente lo standard di questi tipi di comunicazioni.

Man mano che l’arte della Radio progredì i campi di applicazione aumentarono, la maggior parte delle navi (e poi gli aerei) furono dotate di trasmettitori e ricevitori utilizzati dapprima per le emergenze e poi per le comunicazioni in genere.

Attualmente è possibile ricevere e trasmettere segnali in CW, senza praticamente conoscere l’ alfabeto Morse, utilizzando il p.c. ed una modesta ed economica interfaccia e l’ ausilio di uno dei molti software disponibili ed a volte freeware.

Hellschreiber 

Hellschreiber, nato nel 1929, fu il primo sistema di trasmissione di testi con stampa diretta che ebbe largo impiego quando le telescriventi erano complesse e costose (il meccanismo di ricezione di Hell ha solo due parti mobili). Questo sistema trovò impiego principalmente per servizi di stampa e nelle comunicazioni militari continuando ad essere usato fino agli anni 1980. Attualmente si utilizza la denominazione "Feld-Hell", o "Field Hell" per questo sistema per differenziarlo meglio dai sistemi leggermente diversi da quelli originari.

Ogni carattere della trasmissione Feld-Hell viene rappresentato come una serie di punti, in una matrice, come la stampa effettuata da una stampante a punti. I punti vengono inviati uno alla volta, in modo simile al Codice Morse. Feld-Hell trasmette nel seguente ordine: ogni colonna dal basso in alto, quindi si passa alla colonna successiva da sinistra a destra.

on questa tecnica la una matrice di rettangoli bianchi e neri (pixels) costituita dai caratteri da trasmettere verrà trasmessa con velocità di 150 caratteri ogni minuto; ogni punto richiede quindi 400 ms per essere trasmesso. Dato che ci sono 49 pixels per ogni carattere, ogni pixel impiega 8,163 ms. La velocità effettiva in baud è di 1/8, 163 ms = 122,5 baud e il rendimento è di 2,5 caratteri/sec. O circa 25 PPM.

l Feld-Hell ha un rendimento molto buono quando la propagazione è ragionevolmente stabile (piccolo fading) e quando la media del livello del segnale è uguale alla media del rumore, o migliore. Feld-Hell è ragionevolmente immune da interferenza, ma si puo vedere pregiudicata fortemente da portanti nella frequenza e da segnali in CW.

Forse l’effetto più molesto è quello dovuto alle variazioni di temporizzazione a causa del fading dovuto a alle condizioni di propagazione via ionosferica, che fanno variare la distanza raggiungibile di molte migliaia di chilometri portando come conseguenza una variazione nel tempo di arrivo del punto per un massimo di 20 ms.

L’ RTTY  è un modo di comunicazione che deriva dalla tecnologia Radio Telescrivente che utilizzava il collegamento diretto da macchina a macchina e che si basa il codice Baudot. Questo modo cominciò a diffondersi fra i  radioamatori dopo la seconda Guerra Mondiale quando le macchine TTY surplus si potettero acquistare a prezzi ragionevoli. 

Le macchine TTY, tanto per rendere l' idea, non erano altro che ingombranti macchine da scrivere collegate ad un sistema ricetrasmittente e solo nella seconda meta tà degli anni 70 dotate di un monitor analogo a quello dei primi p.c..  

Analogamente a quinto avviene quando si trasmette in codice Morse quando si trasmette in telescrivente, il trasmettitore emette con continuità, trasmettendo una o due frequenze convenzionalmente conosciute come Mark e Space .

Per le trasmissioni RTTY venne adottata, dopo diverse sperimentazioni, la Manipolazione per Cambio di Frequenza o FSK. Con questo metodo la frequenza sale ogni volta che si invia un Mark, e ritorna alla frequenza inferiore per uno Space. La differenza tra le due frequenze, detta shift, è abitualmente, per uso radiantistico, è di 170 Hz. In campo commerciale vengono usati altri shift, come 425Hz e 850Hz.

Analogamente a quanto detto possono essere utilizzati sistemi operanti in AFSK, (Manipolazione con Cambio di Frequenza Audio). Con questo metodo  la stazione trasmittente genera i toni audio di Mark e Space e li inietta all’entrata del microfono con il risultato che la stazione ricevente ha in input gli stessi toni audio come se fossero generati in FSK. 

Con un po' di pratica diventa facile riconoscere trillo dei toni del Mark e Space caratteristico dell'  RTTY e con le possibilità offerte dai software attualmente utilizzati sarà facile sintonizzare correttamente il ricevitore.

Se il ricevitore è leggermente fuori dalla frequenza corretta i toni variano e il testo comincia a essere confuso e si arriva perfino a perderlo completamente. Per questo non è raro che la stazione trasmittente invii una serie di caratteri RYRYRYRYRY per facilitare le operazioni di  sincronizzazione.  Tuttavia, anche se il segnale è accuratamente sintonizzato, l’informazione può diventare confusa o perdersi completamente a causa dell’interferenza, fading o rumore. 

Quindi RTTY non rappresenta un sistema di trasmissione privo di errori.

Il codice Baudot, essendo un codice a 5 bit, offre  un numero massimo di 32 combinazioni. Ciò significa che ogni byte (corrispondente fisicamente ad un tasto) può assumere uno dei  32 valori elencati nella tabella Baudot che tra l' altro contiene anche i caratteri di controllo (es. spazio, ritorno del carrello, ecc.). Come si può intuire la limitatezza dei caratteri a disposizione non permetterebbe di soddisfare tutte le combinazioni per una trasmissione dei dati completa. Per questo RTTY adotta una soluzione è abbastanza similare a quella della tastiera  del Computer, nei quali c’è un tasto Shift  che consente di ottenere vari caratteri addizionali. In pratica, dal punto di vista logico, questo consente di raddoppiare le combinazioni a disposizione riuscendo ad ottenere 64 diversi codici fornendo i segni necessari per scrivere le 26 lettere dell’alfabeto in maiuscole e minuscole,  così il sistema RTTY opera sempre con lettere maiuscole.

Naturalmente Ia gestione della generazione del codice Baudot corrispondente al carattere è  demandato al  computer e quindi noi non dobbiamo far  e che digitare il nostro messaggio senza preoccuparci dei meccanismi interni che poi genereranno l' output.

A giorni nostri  l’ RTTY continua ad essere un modo ancora molto utilizzato, specialmente sulle bande HF,  dai radioamatori che, con l' avvento del “Personal Computer”, hanno potuto utilizzare una moltitudine di programmi scritti per questo tipo di traffico che di fatto hanno soppiantato la vecchia telescrivente a favore dell' accoppiata p.c. più TNC. 

Negli ultimi tempi si sta diffondendo in modo vorticoso il software che sfrutta, analogamente ad altri modi digitali, la scheda sound blaster del p.c. per sostituire il TNC consentendo di ottenere ottimi risultati a basso prezzo.      

Fra le varianti radioamatoriali dell' RTTY si segnala l’AMTOR (Amateur Teleprinting Over Radio), sviluppato negli anni 80 da Peter Martinez, G3PLX,  che deriva dal sistema commerciale SITOR (Simplex Telex Over Radio), sviluppato nel decennio precedente per uso marittimo.

L’AMTOR è un RTTY ancora relativamente semplice che implementa una semplice Tecnica di Rilevamento dell’Errore consentendo di rendere accettabile la qualità di trasmissione anche se non raggiunge i livelli di eccellenza necessari in alcuni settori essendo legato alle tecnologie in uso negli anni 60 (telescriventi) con limitazioni del tipo della serie di caratteri e la massima velocità di trasmissione (100 baud).

L'  AMTOR lavora in due modi. ARQ (Automatic Repeat Query) e FEC (Forward Error Correcting).

Nel modo ARQ i dati vengono inviati a gruppi di 3 caratteri. Ciascun carattere è composto da 5 bits di dati  (come in RTTY), e due bits aggiuntivi di controllo. Questi sono combinati in modo tale che vi siano sempre 4 marks e 3 spaces in ogni carattere. Quando la a stazione ricevente decodifica un' altra combinazione sa che è avvenuto qualche errore.
Il ricevitore risponde a ogni gruppo di 3 caratteri inviando a sua volta un codice ACK (ACKnowledge = Avviso di ricevimento) (se è OK), un NAK (Negative ACKnowledge = Ricevimento negativo). Ogni volta che la stazione trasmittente riceve un NAK, il gruppo di 3 caratteri viene inviato di nuovo. 

In modo FEC la stazione emittente invia ogni carattere due volte e questo modo permette di trasmettere a molte stazioni alla volta. La stazione ricevente non invia conferma dei dati ricevuti. Se una stazione ricevente riceve due volte lo stesso carattere, lo stampa, in caso contrario viene stampato un simbolo di errore. Questo modo non conferisce alla stazione ricevente la possibilità di chiedere un nuovo invio di un dato errato. 

Il PACTOR è un sistema di trasmissione particolarmente adatto con canali interferiti da rumore e condizioni fluttuanti in quanto utilizza di ARQ sincrono half duplex combinato con l’affidabilità del Packet Radio e con la trama a tempo fisso dell’ AMTOR.
Questa metodologia porta ad avere  dei significativi risultati in termini di

• changeover/break-in veloce e affidabile; 

• probabilità di errori non rilevata estremamente bassa (CRC 16 bit);

• compatibile ASCII al 100%; 

• Hardware di basso costo;

• facilità operativa;

• monitor del traffico;

• temporizzazione del sistema fissato in frequenza standard (DCF77, deflessione dei segnali TV e altre broadcast ad alta precisione);

• compressione di dati in linea;

• cambio automatico di velocità (100/200 baud) senza perdita di sincronizzazione;

1) Temporizzazione
La trasmissione basilare delle trame del PT è molto similare all’AMTOR , blocchi (pacchetti) contenenti l’informazione vengono confermati mediante un breve segnale di controllo (CS) inviato dalla stazione ricevente.
I livelli dello shift cambiano ad ogni ciclo per mantenere la memoria ARQ (vedere più sotto). Dal momento in cui la polarità dello shift resta chiaramente definita nel tempo di sincronizzazione, qualsiasi convenzione circa il Mark /Space diventa obsoleta.

Durata del ciclo: 1.25 sec.
Pacchetti: 0,96 sec = 192 (96) bits a 200 (100) baud.
Segnali di controllo: 0,12 sec = 12 bits, ciascuno di 10 msec di durata
Tempo per ricezione di CS: 0.29 sec. 

Il cambio di velocità di trasmissione altera solamente la struttura interna del pacchetto, tutti gli altri parametri di temporizzazione restano costanti.

2) Pacchetti
Struttura generale del pacchetto è formata da: 

testata :questo byte attiva la sincronizzazione rapida e fornisce informazione ausiliaria (memoria ARQ, modo listen)
dati: informazione binaria arbitraria
status: byte di controllo del sistema (2 bit numero di pacchetto, modo tx, richiesta di break-in, QRT)
CRC: controllo di ridondanza ciclica a 16 bits calcolata sul pacchetto intero (eccetto la testata) 

3) Segnali di controllo (CS) 
Si usano quattro CS. La stazione che chiama (‘master’) invia pacchetti speciali di sincronizzazione. Normalmente il ricevitore utilizza solo la sezione a 100 baud per ottenere una sincronizzazione rapida. La sezione a 200 baud fornisce informazione addizionale sulla qualità del canale: se viene ricevuta correttamente, il primo CS sarà il CS4 , in caso contrario si invierà il CS1. Dopo avere sincronizzato successivamente CS4 o CS1, la stazione master continuerà a inviare pacchetti di dati normali a 200 o 100 baud rispettivamente. Il primo carattere trasmesso contiene il ‘numero di livello del sistema (versione-software PACTOR), seguito dall’indirizzo del master (nominativo) 

4) Cambio della direzione di trasmissione. 
In modo similare all’ AMTOR, la stazione ricevente (RX) può cambiare la direzione di trasmissione sempre che abbia ricevuto un pacchetto valido. A questo scopo speciale si trasmette un pacchetto di “change over”, incominciando dalla trama di temporizzazione CS. La stazione trasmittente (TX) commuta in ricezione immediatamente dopo avere ricevuto il CS3 che costituisce la prima sezione del pacchetto “change over”. Dopo legge nel resto dei pacchetti e trasmette un CS (CS1 e CS3 = ricevuta, CS2 = rifiuto) temporizzato negli ultimi tre bytes della trama del pacchetto precedente, Per forzare un Break in, il TX imposta il BK-bit di stato .

5) Cambio di velocità.
L’abbassamento della velocità è utile in cattive condizioni o con velocità di entrata di dati molto basse (per esempio, con digitazione manuale), entrambe le direzioni vengono trattate asimmetricamente. 

i)  Riduzione della velocità. La stazione RX, dopo aver ricevuto qualche pacchetto non correttamente, può chiedere la riduzione della velocità, inviando CS4, che immediatamente forza la stazione TX a passare a 100 baud (tutti i pacchetti a 200 baud non confermati vengono ripetuti a bassa velocità) 

ii) Aumento della velocità. Tutti i pacchetti validi possono essere confermati con CS4, forzando un aumento della velocità di trasmissione. Se l’invio di pacchetti a alta velocità non viene confermato, dopo un certo numero di tentativi, il TX ritornerà automaticamente a ridurre la velocità di invio (per ulteriori dettagli vedere il ‘PT Handbook’ del WAA Research Group) 

6) Fine di un contatto PACTOR.
Il taglio di un collegamento ARQ conduce inevitabilmente al problema generato dalla necessità di trasmitterer un’ informazione senza ricevere la ricevuta finale (Secondo Teorema WAA). Il PT applica dei pacchetti speciali di QRT che offrono una soluzione costosa, ma efficace. Questi pacchetti contengono un bit di stato QRT attivo e l’indirizzo di RX nell’ordine inverso di bit (schema bassa velocità). Se si trova questo indirizzo durante il procedimento di sincronizzazione standby, l’RX risponde con una sola trasmissione del CS finale (I rapporti di temporizzazione di prima dello stand-by sono immagazzinati). Il metodo garantisce sempre un ben definito QRT.

7) Compressione dei Dati 
L’analisi   statistica della frequenza dei caratteri ha dimostrano che la media della quantità dell’informazione per carattere non supera i quattro bits. Per questo motivo, le trasmissioni di testi ASCII spesso conducono a un’eccedenza del 50%, che si può evitare utilizzando un codice di lunghezza variabile d’ accordo con la distribuzione del carattere. L’esempio più comune di tale codice, è il codice Morse. Nel PACTOR la compressione di dati (con il metodo di Huffman) utilizzata ottimizza l’efficienza, ottenendo fino al 100% dell’incremento della velocità. Ogni pacchetto contiene una stringa di dati compressi, le lunghezze dei codici dei caratteri variano tra 2 e 15 bits.

8) Memoria ARQ.
Nel sistema ARQ convenzionale il TX deve ripetere un pacchetto fino a quando non sarà ricevuto completamente esente da errori. E’ evidente che la probabilità di ricevere un pacchetto completo decresce drammaticamente con basso rapporto Segnale/Disturbo (S/N). L’unico modo di mantenere il collegamento in questo caso, è scorciando la lunghezza del pacchetto e/o applicare codici di correzione di errori che in cambio riducono grandemente la velocità massima di traffico quando le condizioni sono buone. Nel caso del pactor un suo meccanismo, modifica dei livelli di shift, interno gestisce queste situazioni minimizzandone gli effetti negativi. 

9) Memoria ARQ.
Questo modo è similare alla monitorizzazione in Packet radio: il ricevitore esplora alla ricerca di pacchetti validi che vengono rilevati mediante l’equivalenza con il CRC. Il metodo di ‘forza bruta’ fu scelto per assicurare il massimo di flessibilità, sebbene consumi un considerevole quantitativo della capacità disponibile della CPU.

10) Trasmissioni FEC 
Le chiamate CQ e le trasmissioni di bollettini vengono effettuate grazie a un mezzo speciale esente da protocollo. I pacchetti vengono trasmessi con una o più ripetizioni, lo spazio per CS ricevuto viene omesso. Dato che il modo listen non richiede sincronizzazione, la stazione che trasmette dispone di una grande libertà per scegliere la velocità e il criterio di ripetizione dei pacchetti.

11) Aspetti Pratici 
Il primo programma PACTOR funzionò in un computer Z80. Questo esperimento presto portò allo sviluppo di un ‘Controller PACTOR’ separato dal computer, che aveva incorporati modem e displays di sintonia. Sono stati aggiunti anche i modi convenzionali BAUDOT e AMTOR per mantenere la compatibilità e – ciò che può risultare più interessante – per potere effettuare facilmente paragoni. In condizioni tipiche, il traffico in modo PACTOR ci si attende che funzioni a una velocità 4 volte superiore a quella di un collegamento AMTOR.

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MFSK

Il sistema  MFSK non è molto diffuso nel mondo radiaoamatoriale. Infatti viene considerato da alcuni lo considerano adeguato come una tecnologi superata dai tempi. Questo non è vero in quanto, come è stato chiaramente dimostrato dalla recente fortunata rinascita e accettazione di Hellschreiber, le vecchie idee combinate con moderne tecniche quale il DSP possono essere molto efficaci. 

L' MFSK, come altri modi di derivazione militare, ha nell'  affidabilità al tempo delle apparecchiature e nei buoni  risultati nel fading (evanescenza) e condizioni ionosferiche cattive (senza dover ricorrere alla correzione dell’errore)  i suoi punti forza. L' avvento del p.c., con l' utilizzo della sound blaster, ha dato modo all’ MFSK di modernizzarsi diventando appetibile sia sotto il punto tecnico che economico.

MFSK (Multi Frequency Shift Keying) è una tecnica per trasmissione di dati digitali che usa toni multipli (estendendo la tecnica bitonale di RTTY a molti toni), ed sfrutta usualmente, ma non sempre, un tono alla volta.  La spaziatura del tono relativamente stretta, di modo da raggiungere notevoli quantità di dati per una data larghezza di banda 64 bps in una larghezza di banda di 316 Hz.

MFSK offre molti vantaggi. Vediamo quali:

· Elevato livello di reiezione di impulso e rumore di ampiezza di banda dovuto alla scarsa larghezza di banda del ricevitore di ogni tono.
· Bassa velocità in baud per maggiore sensibilità e reiezione multi-path – velocità di trasmissione più alta della velocità simbolo in baud.
· Potenza del trasmettitore costante
· Tolleranza degli effetti ionosferici, quali l’effetto doppler, il fading (evanescenza) e multi-path. 

Ci sono svantaggi con l’ MFSK ??? Il principale svantaggio è in relazione alla stretta spaziatura e con la stretta larghezza di banda dei detector a tono singolo dove la deriva può essere un problema e quindi è essenziale una accurata sintonia. Alle velocità più basse sono necessari dei buoni indicatori di sintonia e l’AFC. E’ importante che il transceiver sia molto stabile e che ci sia assai poca differenza tra le frequenze di trasmissione e quella di ricezione (preferibilmente meno di 5 Hz).

MFSK è un sistema nel quale impulsi individuali di differenti frequenze radio portano l’informazione e i dati portati dipendono dalla frequenza dell’impulso. Ciò è lo stesso che in FSK , per esempio radio telescrivente (RTTY), ma anziché solo due frequenze, ne vengono utilizzate molte di più, da 6 a 64. Come esempio, MFSK16 utilizza 16 toni. Ciascun tono trasmesso è come un punto del codice Morse, ma gli uni seguono gli altri senza pausa, in frequenze leggermente diverse.

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In rete è possibile reperire una grande quantità di software adatti ad essere utilizzati per lavorare con uno dei modi digitali che più ci aggrada. Nella tabella che segue sono raccolti alcuni fra quelli più famosi che e che possono essere reperiti in uno dei links segnalati in questo sito.