FT8-Signale unter dem Rauschpegel?

Krátka odpoveď znie: áno, FT8 kann tatsächlich Signale dekodieren, die physisch schwächer sind als das gesamte Rauschen im Empfangskanal, ale má to dôležitý technický háčik v tom, ako ten šum definujeme.

Hier ist eine Erklärung, wie es funktioniert:

Referenzbandbreite (2500 Hz)

Wenn Sie im Programm sehen WSJT-X Daten beispielsweise -21 dB, tento údaj nie je absolútny. Je vztiahnutý k štandardnej šírke pásma SSB filtra, čo je 2500 Hz.

• Wenn das Signal auf dem Niveau 0 dB, znamená to, že výkon signálu je rovnaký ako výkon šumu v celom 2500 Hz pásme.

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

Konzentrationsstärke (Narrowband-Gewinn)

FT8 nutzt jedoch nicht die gesamten 2500 Hz. Ein FT8-Signal belegt nur etwa 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.

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?

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

• Forward Error Correction (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.

• Časová integrácia: 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 kombinácia matematiky, presného načasovania a veľmi špecifickej modulácie.

Hier sind die Schlüsselpfeiler, die FT8 dominieren:

Zeitliche Synchronisation und „Costas-Arrays“

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

• Prečo je to dôležité? 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 frekvencií (8-ary Frequency Shift Keying).

• Jeder Ton repräsentiert 3 Bits Daten.

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

• Konštantná amplitúda: 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) kódy.

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

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

• Čo to robí? 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 vypočítať. Je to ako skladačka, kde vám chýba tretina dielikov, ale vy presne viete, čo na nich musí byť, aby obraz dával zmysel.

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.