FT8 signály pod úrovní šumu?

Krátka odpoveď znie: áno, FT8 skutečně dokáže dekódovat signály, které jsou fyzicky slabší než celkový šum v přijímacím kanálu, ale má to dôležitý technický háčik v tom, ako ten šum definujeme.

Tady je rozklad toho, jak to funguje:

Referenční šířka pásma (2500 Hz)

Když vidíte v programu WSJT-X údaj například -21 dB, tento údaj nie je absolútny. Je vztiahnutý k štandardnej šírke pásma SSB filtra, čo je 2500 Hz.

• Pokud je signál na úrovni 0 dB, znamená to, že výkon signálu je rovnaký ako výkon šumu v celom 2500 Hz pásme.

• Pokud je signál -21 dB, znamená to, že je hlboko „utopený“ v šume, ak by sme sa naň pozerali ako na celok.

Síla soustředění (Narrowband gain)

FT8 však nevyužívá celých 2500 Hz. Jeden FT8 signál zabírá jen přibližně 50 Hz. Fyzika nepustí: ak rozdelíte šum z 2500 Hz pásma na malé 50 Hz úseky, v každom takomto malom úseku je podstatne menej šumu. Tým, že sa FT8 „sústredí“ na veľmi úzku šírku pásma, získava obrovskú výhodu oproti SSB.

Jak signály vzhledem k různé šířce pásma znějí, si můžete poslechnout na https://olgierd.github.io/ft8-vs-cw/ (Díky za tip Matej OK1TEH)

Proč je FT8 lepší než CW nebo SSB?

Pre zrozumiteľnosť ľudským uchom potrebujeme určitý odstup signálu od šumu (SNR). Digitální módy ako FT8 používajú techniky, ktoré ucho jednoducho nedokáže:

• Forward Error Correction (FEC): Data jsou vysílána s nadbytečnými informacemi. I když se část tónů v šumu úplně ztratí, matematické algoritmy dokážou chybějící kousky zprávy vypočítat a doplnit.

• Časová integrácia: FT8 relace trvá 15 sekund. Software „pozoruje“ frekvenci celých 15 sekund a hledá v ní známé vzory (tóny). Je to jako když se dlouho díváte na velmi tmavou fotografii, až vaše oči začnou rozpoznávat obrysy.

Šířka pásma je jen začátek příběhu. To, co dělá FT8 téměř „magickým“ při vytahování signálů z digitálního hrobu, je kombinácia matematiky, presného načasovania a veľmi špecifickej modulácie.

Zde jsou klíčové pilíře, díky nimž FT8 dominuje:

Časová synchronizace a „Costas Arrays“

Čas je kritický. FT8 pracuje v 15-sekundových cyklech.

• Prečo je to dôležité? Dekodér přesně ví, kdy signál začíná a kdy končí. Nemusí plýtvat výpočetním výkonem na hledání začátku zprávy v šumu.

• Costas Arrays: Na začátku, uprostřed a na konci každé relace jsou vysílány speciální sekvence tónů (synchronizační značky). Dekodér je hledá jako majáky. Když je najde, přesně ví, jak „zarovnat“ zbytek dat, i když je signál extrémně slabý.

Modulace 8-GFSK (8 tónů)

FT8 nepoužívá jen „pár tónů“, ale přesně 8 frekvencií (8-ary Frequency Shift Keying).

• Každý tón reprezentuje 3 bity dat.

• G (Gaussian): Tóny se nepřepínají skokově, ale hladce (přes Gaussův filtr), což minimalizuje boční vyzařování a šetří šířku pásma.

• Konštantná amplitúda: Na rozdíl od SSB, kde výkon kolísá podle hlasu, FT8 vysílá stále na „plný plyn“. To umožňuje koncovému stupni vysílačky pracovat v efektivním režimu bez zkreslení.

LDPC: Matematický superhrdina (Oprava chyb)

Toto je pravděpodobně největší důvod úspěchu. FT8 používá LDPC (Low-Density Parity-Check) kódy.

• Samotná zpráva (značky, lokátor) má jen 77 bitov.

• Po přidání LDPC kódování se však vysílá celkem 174 bitov.

• Čo to robí? Tyto extra bity jsou čistá matematika. Pokud se kvůli šumu nebo rušení ztratí nebo poškodí až 30 – 40 % tónů, LDPC algoritmus dokáže zbytek zprávy vypočítať. Je to ako skladačka, kde vám chýba tretina dielikov, ale vy presne viete, čo na nich musí byť, aby obraz dával zmysel.

Strukturovaný protokol

Na rozdíl od CW (telegrafie), kde můžete vysílat cokoliv, FT8 je vysoce strukturovaný. Dekodér předem ví, že očekává:

1. Volací znak 1

2. Volací znak 2

3. Lokátor nebo report

Tím, že je „slovník“ protokolu omezený, pravděpodobnost úspěšného dekódování při nízkém poměru signál/šum (SNR) dramaticky stoupá.

Shrnutí: jsou signály pod úrovní šumu?

Z pohledu měření síly signálu tak při FT8 dochází k míchání hrušek s jablky. Síla je totiž uváděna na šířku 2500 Hz, ale dekodér pracuje s cca. 50 Hz šířkou.

Podobný efekt by se například projevil při příjmu CW signálu – na široký filtr bude signál v šumu, pro užší filtr to bude lepší a pro ještě užší filtr nejlepší.

Tak si nenechte věšet bulíky na nos – FT8 signály nejsou pod úrovní šumu.