FT8 sygnały poniżej poziomu szumu?

Krátka odpoveď znie: áno, FT8 naprawdę potrafi dekodować sygnały, które są fizycznie słabsze niż całkowity szum w kanale odbiorczym, ale má to dôležitý technický háčik v tom, ako ten šum definujeme.

Oto rozkład tego, jak to działa:

Referencyjna szerokość pasma (2500 Hz)

Kiedy widzisz w programie WSJT-X dane na przykład -21 dB, tento údaj nie je absolútny. Je vztiahnutý k štandardnej šírke pásma SSB filtra, čo je 2500 Hz.

• Jeśli sygnał ma poziom 0 dB, znamená to, že výkon signálu je rovnaký ako výkon šumu v celom 2500 Hz pásme.

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

Siła koncentracji (zysk wąskopasmowy)

FT8 jednak nie wykorzystuje całych 2500 Hz. Jeden sygnał FT8 zajmuje tylko około 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 sygnały w zależności od różnej szerokości pasma brzmią, możesz posłuchać na https://olgierd.github.io/ft8-vs-cw/ (Dzięki za wskazówkę Matej OK1TEH)

Dlaczego FT8 jest lepszy od CW lub SSB?

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

• Forward Error Correction (FEC): Dane są przesyłane z dodatkowymi informacjami. Nawet jeśli część tonów w szumie całkowicie zniknie, algorytmy matematyczne potrafią obliczyć i uzupełnić brakujące kawałki wiadomości.

• Časová integrácia: Sesja FT8 trwa 15 sekund. Oprogramowanie 'obserwuje' częstotliwość przez pełne 15 sekund i szuka w niej znanych wzorców (tonów). To tak, jakbyś długo patrzył na bardzo ciemne zdjęcie, aż twoje oczy zaczną rozpoznawać kontury.

Szerokość pasma to tylko początek opowieści. To, co czyni FT8 niemal 'magiczne' w wydobywaniu sygnałów z cyfrowego grobu, to kombinácia matematiky, presného načasovania a veľmi špecifickej modulácie.

Oto kluczowe filary, dzięki którym FT8 dominuje:

Synchronizacja czasowa i „Costas Arrays”

Czas jest krytyczny. FT8 działa w cyklach 15-sekundowych.

• Prečo je to dôležité? Dekoder dokładnie wie, kiedy sygnał się zaczyna, a kiedy kończy. Nie musi marnować mocy obliczeniowej na szukanie początku wiadomości w szumie.

• Costas Arrays: Na początku, w środku i na końcu każdej sesji przesyłane są specjalne sekwencje tonów (znaki synchronizacyjne). Dekoder szuka ich jak latarni morskich. Kiedy je znajdzie, dokładnie wie, jak 'wyrównać' resztę danych, nawet gdy sygnał jest ekstremalnie słaby.

Modulacja 8-GFSK (8 tonów)

FT8 nie używa tylko „pary tonów”, ale dokładnie 8 frekvencií (8-ary Frequency Shift Keying).

• Każdy ton reprezentuje 3 bity danych.

• G (Gaussian): Tony nie przełączają się skokowo, ale płynnie (przez filtr Gaussa), co minimalizuje emisję boczną i oszczędza pasmo.

• Konštantná amplitúda: W przeciwieństwie do SSB, gdzie moc waha się w zależności od głosu, FT8 nadaje zawsze na „pełnym gazie”. Umożliwia to końcowemu stopniowi nadajnika pracę w efektywnym trybie bez zniekształceń.

LDPC: Matematyczny superbohater (korekcja błędów)

To prawdopodobnie największy powód sukcesu. FT8 używa LDPC (Low-Density Parity-Check) kódy.

• Sama wiadomość (znaki, lokalizator) ma tylko 77 bitov.

• Po dodaniu kodowania LDPC nadaje się jednak łącznie 174 bitov.

• Čo to robí? Te dodatkowe bity to czysta matematyka. Jeśli z powodu szumów lub zakłóceń utracone lub uszkodzone zostanie aż 30-40% tonów, algorytm LDPC potrafi odtworzyć resztę wiadomości vypočítať. Je to ako skladačka, kde vám chýba tretina dielikov, ale vy presne viete, čo na nich musí byť, aby obraz dával zmysel.

Strukturalny protokół

W przeciwieństwie do CW (telegrafii), gdzie możesz nadawać cokolwiek, FT8 jest wysoko strukturalny. Dekoder z góry wie, że oczekuje:

1. Znak wywoławczy 1

2. Znak wywoławczy 2

3. Lokalizator lub raport

Ograniczając „słownik” protokołu, prawdopodobieństwo pomyślnego dekodowania przy niskim stosunku sygnału do szumu (SNR) dramatycznie wzrasta.

Podsumowanie: czy sygnały są poniżej poziomu szumu?

Z punktu widzenia pomiaru siły sygnału w FT8 dochodzi do pomieszania gruszek z jabłkami. Siła jest bowiem podawana na szerokość 2500 Hz, ale dekoder działa z szerokością około 50 Hz.

Podobny efekt można by zaobserwować przy odbiorze sygnału CW – na szerokim filtrze sygnał będzie w szumie, dla węższego filtra będzie lepiej, a dla jeszcze węższego filtra najlepiej.

Nie daj się nabrać – sygnały FT8 nie są poniżej poziomu szumu.