FT8-Signale unter dem Rauschpegel?

Die kurze Antwort lautet: ja, FT8 kann tatsächlich Signale dekodieren, die physisch schwächer sind als das gesamte Rauschen im Empfangskanal, aber es gibt einen wichtigen technischen Haken, wie wir das Rauschen definieren.

Hier ist eine Erklärung, wie es funktioniert:

Referenzbandbreite (2500 Hz)

Wenn Sie im Programm sehen WSJT-X Daten beispielsweise -21 dB, dieser Wert ist nicht absolut. Er bezieht sich auf die Standardbandbreite des SSB-Filters, die 2500 Hz.

• Wenn das Signal auf dem Niveau 0 dB, bedeutet, dass die Signalstärke gleich der Rauschstärke im gesamten 2500 Hz-Bereich ist.

• Wenn das Signal -21 dB, bedeutet, dass es tief im Rauschen „versunken“ ist, wenn wir es als Ganzes betrachten.

Konzentrationsstärke (Narrowband-Gewinn)

FT8 nutzt jedoch nicht die gesamten 2500 Hz. Ein FT8-Signal belegt nur etwa 50 Hz. Die Physik lässt es nicht zu: Wenn Sie das Rauschen des 2500 Hz-Bereichs in kleine 50 Hz-Abschnitte unterteilen, gibt es in jedem dieser kleinen Abschnitte erheblich weniger Rauschen. Indem FT8 sich auf eine sehr enge Bandbreite „konzentriert“, erzielt es einen enormen Vorteil gegenüber SSB.

Wie Signale in Bezug auf verschiedene Bandbreiten klingen, können Sie hören unter https://olgierd.github.io/ft8-vs-cw/ (Danke für den Tipp Matej OK1TEH)

Warum ist FT8 besser als CW oder SSB?

Für das menschliche Ohr benötigen wir einen bestimmten Abstand des Signals vom Rauschen (SNR). Digitale Modi wie FT8 verwenden Techniken, die das Ohr einfach nicht kann:

• Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC): Daten werden mit redundanten Informationen gesendet. Selbst wenn ein Teil der Töne im Rauschen vollständig verloren geht, können mathematische Algorithmen die fehlenden Teile der Nachricht berechnen und ergänzen.

• Zeitintegration: Eine FT8-Sitzung dauert 15 Sekunden. Die Software „beobachtet“ die Frequenz für volle 15 Sekunden und sucht nach bekannten Mustern (Tönen). Es ist wie wenn man lange auf ein sehr dunkles Foto starrt, bis die Augen beginnen, Konturen zu erkennen.

Die Bandbreite ist nur der Anfang der Geschichte. Was FT8 fast „magisch“ macht, wenn es Signale aus dem digitalen Grab zieht, ist eine Kombination aus Mathematik, präziser Timing und sehr spezifischer Modulation..

Hier sind die Schlüsselpfeiler, die FT8 dominieren:

Zeitliche Synchronisation und „Costas-Arrays“

Zeit ist entscheidend. FT8 arbeitet in 15-Sekunden-Zyklen.

• Warum ist das wichtig? Der Decoder weiß genau, wann das Signal beginnt und wann es endet. Er muss keine Rechenleistung verschwenden, um den Beginn der Nachricht im Rauschen zu suchen.

• Costas-Arrays: Am Anfang, in der Mitte und am Ende jeder Sitzung werden spezielle Tonsequenzen (Synchronisationsmarken) gesendet. Der Decoder sucht sie wie Leuchttürme. Wenn er sie findet, weiß er genau, wie er den Rest der Daten „ausrichten“ kann, auch wenn das Signal extrem schwach ist.

Modulation 8-GFSK (8 Töne)

FT8 verwendet nicht nur „ein paar Töne“, sondern genau 8 Frequenzen (8-ary Frequenzverschiebungsschlüsselung).

• Jeder Ton repräsentiert 3 Bits Daten.

• G (Gaussisch): Die Töne wechseln nicht sprunghaft, sondern sanft (über einen Gaussfilter), was die Seitenausstrahlung minimiert und die Bandbreite spart.

• Konstante Amplitude: Im Gegensatz zu SSB, wo die Leistung je nach Stimme schwankt, sendet FT8 immer auf „Vollgas“. Dies ermöglicht dem Endstufenverstärker, im effizienten Modus ohne Verzerrung zu arbeiten.

LDPC: Mathematischer Superheld (Fehlerkorrektur)

Das ist wahrscheinlich der größte Grund für den Erfolg. FT8 verwendet LDPC (Low-Density Parity-Check) Codes.

• Die eigentliche Nachricht (Tags, Locator) hat nur 77 Bits.

• Nach Hinzufügen der LDPC-Codierung werden jedoch insgesamt 174 Bits.

• Was macht das? Diese zusätzlichen Bits sind reine Mathematik. Wenn aufgrund von Rauschen oder Störungen bis zu 30 – 40 % der Töne verloren gehen oder beschädigt werden, kann der LDPC-Algorithmus den Rest der Nachricht berechnen.. Es ist wie bei einem Puzzle, bei dem ein Drittel der Teile fehlt, man aber genau weiß, welche Teile das sein müssen, damit das Bild einen Sinn ergibt.

Strukturprotokoll

Im Gegensatz zu CW (Telegraphie), wo Sie alles senden können, ist FT8 hoch strukturiert. Der Decoder weiß im Voraus, dass er erwartet:

1. Rufzeichen 1

2. Rufzeichen 2

3. Locator oder Bericht

Da das „Wörterbuch“ des Protokolls begrenzt ist, steigt die Wahrscheinlichkeit einer erfolgreichen Dekodierung bei niedrigem Signal-Rausch-Verhältnis (SNR) dramatisch.

Zusammenfassung: Sind Signale unter dem Rauschpegel?

Aus der Sicht der Messung der Signalstärke kommt es bei FT8 zu einer Mischung von Birnen und Äpfeln. Die Stärke wird nämlich auf einer Breite von 2500 Hz angegeben, aber der Decoder arbeitet mit ca. 50 Hz Breite.

Ein ähnlicher Effekt würde sich beispielsweise beim Empfang eines CW-Signals zeigen – bei einem breiten Filter ist das Signal im Rauschen, bei einem schmaleren Filter wird es besser und bei einem noch schmaleren Filter am besten.

Lassen Sie sich also keine Bären aufbinden – FT8-Signale sind nicht unterhalb des Rauschpegels.