FT8 signals below the noise level?

Krátka odpoveď znie: áno, FT8 skutočne dokáže dekódovať signály, ktoré sú fyzicky slabšie ako celkový šum v prijímacom kanáli, ale má to dôležitý technický háčik v tom, ako ten šum definujeme.

Here is a breakdown of how it works:

Reference bandwidth (2500 Hz)

When you see in the program WSJT-X údaj napríklad -21 dB, tento údaj nie je absolútny. Je vztiahnutý k štandardnej šírke pásma SSB filtra, čo je 2500 Hz.

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

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

Narrowband gain

FT8 však nevyužíva celých 2500 Hz. Jeden FT8 signál zaberá len približne 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.

You can listen to how signals sound with different bandwidths at https://olgierd.github.io/ft8-vs-cw/ (TNX for the tip Matej OK1TEH)

Why is FT8 better than CW or SSB?

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

• Forward Error Correction (FEC): Dáta sú vysielané s nadbytočnými informáciami. Aj keď sa časť tónov v šume úplne stratí, matematické algoritmy dokážu chýbajúce kúsky správy vypočítať a doplniť.

• Časová integrácia: FT8 relácia trvá 15 sekúnd. Softvér „pozoruje“ frekvenciu celých 15 sekúnd a hľadá v nej známe vzory (tóny). Je to ako keď sa dlho pozeráte na veľmi tmavú fotografiu, až kým vaše oči nezačnú rozoznávať obrysy.

Šírka pásma je len začiatok príbehu. To, čo robí FT8 takmer „magickým“ pri vyťahovaní signálov z digitálneho hrobu, je kombinácia matematiky, presného načasovania a veľmi špecifickej modulácie.

Here are the key pillars that make FT8 dominate:

Time synchronization and 'Costas Arrays'

Time is critical. FT8 operates in 15-second cycles.

• Prečo je to dôležité? Dekodér presne vie, kedy signál začína a kedy končí. Nemusí plytvať výpočtovým výkonom na hľadanie začiatku správy v šume.

• Costas Arrays: Na začiatku, v strede a na konci každej relácie sú vyslané špeciálne sekvencie tónov (synchronizačné značky). Dekodér ich hľadá ako majáky. Keď ich nájde, presne vie, ako „zarovnať“ zvyšok dát, aj keď je signál extrémne slabý.

8-GFSK modulation (8 tones)

FT8 nepoužíva len „pár tónov“, ale presne 8 frekvencií (8-ary Frequency Shift Keying).

• Each tone represents 3 bits of data.

• G (Gaussian): Tóny sa neprepínajú skokovo, ale hladko (cez Gaussov filter), čo minimalizuje bočné vyžarovanie a šetrí šírku pásma.

• Konštantná amplitúda: Na rozdiel od SSB, kde výkon kolíše podľa hlasu, FT8 vysiela stále na „plný plyn“. To umožňuje koncovému stupňu vysielačky pracovať v efektívnom režime bez skreslenia.

LDPC: Mathematical superhero (Error Correction)

Toto je pravdepodobne najväčší dôvod úspechu. FT8 používa LDPC (Low-Density Parity-Check) kódy.

• Samotná správa (značky, lokátor) má len 77 bitov.

• Po pridaní LDPC kódovania sa však vysiela celkovo 174 bitov.

• Čo to robí? Tieto extra bity sú čistá matematika. Ak sa kvôli šumu alebo rušeniu stratí alebo poškodí až 30 – 40 % tónov, LDPC algoritmus dokáže zvyšok správy vypočítať. Je to ako skladačka, kde vám chýba tretina dielikov, ale vy presne viete, čo na nich musí byť, aby obraz dával zmysel.

Structured protocol

Unlike CW (telegraphy), where you can send anything, FT8 is highly structured. The decoder knows in advance that it expects:

1. Callsign 1

2. Callsign 2

3. Locator or report

By having a 'dictionary' of the protocol limited, the probability of successful decoding at low signal-to-noise ratio (SNR) dramatically increases.

Summary: are the signals below the noise level?

From the perspective of measuring signal strength, FT8 mixes pears with apples. The strength is reported at a bandwidth of 2500 Hz, but the decoder works with approx. 50 Hz bandwidth.

A similar effect would be observed when receiving a CW signal - on a wide filter, the signal will be in noise, for a narrower filter it will be better, and for an even narrower filter best.

So don't let anyone pull the wool over your eyes - FT8 signals are not below the noise level.