PSK31

PSK31 ist eine Entwicklung von G3PLX , dem Erfinder von Amtor, der eine Idee von SP9VRC neu aufgegriffen hat. Ein 1000 Hz Ton wird nicht in der Frequenz umgetastet, wie bei RTTY oder Pactor-1, sondern er wird phasenmoduliert. Auf diese Weise kann eine extrem geringe Bandbreite erreicht werden. Bei der Frequenzumtastung von bspw. 170 Hz muß zu diesem Betrag, grob gerechnet, noch die Baudrate der Übertragung hinzuaddiert werden, um die notwendige Bandbreite zu erhalten. Bei einer Phasenmodulation eines Tones benötigt man eine Bandbreite von nicht viel mehr als der Baudrate, bei PSK31 sind das 31,25 Hz. Diese geringe Bandbreite kommt der Überbelegung der schmalen digitalen Fenster auf den Amateurfunkbändern sehr entgegen.

Das steht im Gegensatz zu Entwicklungen, wie bspw. MT63 von Pawel, SP9VRC. Dieser Mode belegt ca. 1 kHz, womit nur wenige Stationen auf einem Band Platz haben. Er sollte daher nur gelegentlichen Experimenten vorbehalten bleiben.

Bei PSK31 handelt es sich um einen unprotokollierten Mode, d.h. es gibt keine Fehlererkennung und -korrektur, wie beispielsweise bei Pactor. Dies ist also keine Betriebsart für den Betrieb mit Mailboxen oder die Übertragung von binären Files. Man kann damit "nur" QSO's fahren, was ja eigentlich das Hauptanliegen des Amateurfunks ist. Die niedrige Baudrate reicht für die übliche Tastaturgeschwindigkeit von "Otto-normal-OM" aber wirklich aus. Außerdem haben die übertragenen Zeichen eine variable Länge, wobei die häufig vorkommenden Zeichen kurz sind.

Damit ergibt sich eine effektive Übertragungsrate von ca. 50 Baud, was etwa RTTY entspricht.

Bei der Änderung der Phase um 180° muß man im allgemeinen mit der Erzeugung eines breiten Frequenzspektrums rechnen. Aus diesem Grund wird der 1000 Hz-Ton mit einer Frequenz von 31,25 Hz amplitudenmoduliert. In den Nulldurchgängen kann die Phase ohne die Erzeugung von Oberwellen umgeschaltet werden, ähnlich wie man das von nullspannungsgeschalteten Triacs kennt. Da die Umschaltung nur in diesen Nulldurchgängen erfolgen kann, ergibt sich eine Baudrate von eben 31,25 Baud. Es stehen dann in einer Halbwelle der 31 Hz-Schwingung (ein Bit) 32 Halbwellen der 1000 Hz-Schwingung zur Detektion des Phasenzustandes durch den DSP zur Verfügung.

Die Fehlersicherheit der Übertragung wird durch eine spezielle Kodierung auf der Senderseite und die sogenannte Viterbi-Dekodierung auf der Empfängerseite verbessert. Durch eine spezielle logische Verknüpfung von 20 aufeinanderfolgenden Bits wird eine Redundanz der Information erzeugt. Damit können beim Empfänger evtl. Übertragungsfehler eliminiert werden.

Dafür müssen beim Empfänger aber 20 Bit zunächst zwischengespeichert werden, was zu einer Verzögerung der Darstellung auf dem Bildschirm von ca. 0,6 s führt. Das stellt beim praktischen Betrieb aber kein Problem dar. Allerdings ist das nicht mit der Fehlerkorrektur der protokollierten Modes, wie Pactor, zu vergleichen. Es entstehen vor allem dann Übertragungsfehler, wenn eine Störung in das schmale DSP-Filter fällt. Dann muß die Fehlerkorrektur im Kopf des empfangenden OM’s stattfinden, so gut das dann noch geht.

Peter, G3PLX, hat neben der binären Phasenumtastung um 180° (BPSK) einen weiteren Mode mit verbesserter Redundanz entwickelt: QPSK. Hier werden vier Phasenzustände zur Informationsübertragung benutzt. Bei meinen eigenen Tests konnte ich jedoch keine deutliche Verbesserung der Übertragungssicherheit bemerken. Diesen Mode trifft man auch selten auf den Bändern an.

Besonderheiten im Betriebsdienst

Im Unterschied zum Pactor- oder Amtor-QSO können sich bei PSK31 auch Runden von mehreren Stationen bilden. Das wäre auch in Pactor möglich, denn der FEC-Mode, der für den CQ-Ruf benutzt wird, erlaubt sogar die Anpassung der Redundanz an die Ausbreitungsbedingungen. Üblich ist das aber dort nicht, wogegen man bei PSK31 leicht schon mal 4 und mehr Gegenstationen haben kann. In so einem Fall ist es unbedingt nötig, bei der Übergabe die Gegenstelle, die senden soll, jedes mal genau anzugeben. Man kann schließlich nicht, wie beim SSB-Betrieb, mal kurz die PTT-Taste loslassen, um zu sehen, ob man "alleine" ist. Gearbeitet wird, wie auch bei anderen digitalen Modes üblich, auf allen Bändern im oberen Seitenband.

Es gibt Aktivitätsfrequenzen auf den meisten Bändern:

3579.15, 7034.15, 10139.15, 14069.15, 21079.15 und 28079.15 kHz.

Dabei handelt es sich um die Display-Anzeige des Transceivers. Die Mark-Frequenzen sind entsprechend 1 kHz höher. Hier sind regelmäßig Stationen aus allen Erdteilen aufzunehmen, wobei die Hauptaktivitäten im 80 und 20 m-Band liegen. Ansonsten ist der Betrieb mit dem RTTY-Mode vergleichbar.

Da die Übertragung nicht fehlerfrei ist, sollten je nach Ausbreitungsbedingungen wichtige Informationen wiederholt ausgesendet werden. Es werden nicht nur 255 ANSI-Zeichen übertragen, darunter die deutschen Sonderzeichen, sondern auch rückwärts löschen ist bis zum Zeilenanfang möglich.

Die schmalen DSP-Filter erlauben erstaunlich störungsfreien Empfang, auch bei starkem QRM. Aus dem Grund sind die meisten Stationen mit Leistungen von weniger als 50 W QRV. Wenn allerdings starke Signale in der ZF-Bandbreite den Empfänger zuregeln, kommt das PSK-Signal unter Umständen nicht mehr an der Soundkarte an. Es empfiehlt sich daher, ein möglichst schmales CW-Filter bei Empfang einzuschalten. Das ist bei modernen Transceivern auch im USB-Betrieb möglich. Sollte dies auch über Menüs nicht einzurichten sein, kann man Split-Betrieb auf einer Frequenz machen, d.h. man empfängt im CW-Mode und sendet im USB-Mode. Dabei muß aber die Frequenzablage sorgfältig kompensiert werden.

 (Quelle: PSK31 − Der neue Fernschreibstandard im Amateurfunk? Dr. Reinhard
Krause–Rehberg -DK5RK- (krause@physik.uni-halle.de))

 

 

 Typischer Sound eines PSK31-BPSK-Signals
  

 Typischer Sound im PSK31-Bereich des 20m Bandes
 
 

 

Gestatten, PSK 31
Beim konventionellen PSK wächst die Bandbreite praktisch mit der Baudrate. Bei den derzeit verwendeten Verfahren liegt die Bandbreite im Bereich 300...500 Hz. Anders bei PSK 31, wie das Spektrum zeigt. Die Bandbreite des Empfangsfilters beträgt 62 Hz bei -64 dB. Ergo das schmalbandigste Verfahren im Amateurfunk. PSK 31 ist ein Eintonverfahren, die Phasendrehung beträgt 180Grad. Durch das Varicode-Verfahren - häufig benutzten Buchstaben werden, wie bei cw, kurze Zeichen zugeordnet - beträgt die Übertragungsgeschwindigkeit etwa 50 wpm.

Typisches Spektrum von PSK 31

Typisches Spektrum von PSK 31

Durch die Benutzung des schmalsten Filters in Sender und Empfänger erreicht PSK 31 ohne Fehlerkorrekturverfahren eine bessere Performance als die meisten anderen digitalen Betriebsarten. Deshalb leidet praktisch bei Signalschwund die Übertragunsqualität eines ,,Live-QSOs" kaum. Ein Vorteil von PSK 31 ist auch die relativ geringe Anfälligkeit gegenüber Störsignalen.

 

(Quelle: CQ DL 6/98 S. 474 Interessante Innovation: Neu: PSK 31 Manfred Salzwedel, DK4ZC)

 

 

PSK31

(mit der Software "p31sbw108" von G3PLX, August 1999)


PSK in der Nachrichtentechnik wird bereits seit mehreren Jahrzehnten verwendet, insbesondere in der Raumfahrt. PSK im Amateurfunk war bisher nur mit einem speziellen Modem oder mit dem DSP Modul "56002EVM" von MOTOROLA möglich, das erstmals von SP9VRC eingesetzt wurde. Dieses Modul kostet jedoch ca. DM 300.,--. Vor ca. zwei Jahren hatte G3PLX die Idee, PSK im Amateurfunk ohne Modem zu realisieren und statt dessen nur einen PC mit einer Soundkarte zu verwenden. PSK31 mit Soundkarte ist somit zur Zeit eine der allerneuesten digitalen Betriebsarten im Amateurfunk und wurde erst vor wenigen Jahren auf den Kurzwellenbändern eingeführt. PSK31 mit Soundkarte ist eine Entwicklung von G3PLX, der auch der Erfinder von Amtor ist. Die erste Software (Freeware) von G3PLX erschien im Dezember 1998.

PSK31 dürfte für alle Kurzwellenamateure interessant sein, die für ihre Antennen keine großen Grundstücke besitzen und nicht in einem freistehenden Haus wohnen und damit die umstrittenen Personenschutz- und HSM-Werte der RegTP nicht erfüllen können. Außerdem ist mit dieser digitalen Betriebsart auch DX mit sehr geringen Sendeleistungen möglich.

PSK31 ist keine Betriebsart für den Betrieb mit Mailboxen oder für die Übertragung von binären Files, sondern ein neues Fernschreibverfahren. Man kann damit nur QSOs fahren, sich mit einem einzelnen QSO-Partner oder sich gleichzeitig auf der genau gleichen Frequenz mit mehreren QSO-Partnern "unterhalten". Bei PSK31 tauscht man on-line geschriebene Texte , oder vorbereitete Texte über die Tastatur des PCs aus. Gearbeitet wird auf Kurzwelle in Stellung SSB des Transceivers und wie bei anderen digitalen Modes üblich, auf allen Bändern im oberen Seitenband (engl. USB) und ohne Speech Processor.

 

Was verbirgt sich hinter PSK31 ?

PSK heißt Phase Shift Keying. Dieses Verfahren wird bereits seit vielen Jahren in digitalen Datenübertragungseinrichtungen benutz (Satellitenfunk, Richtfunksysteme, Mobilfunksysteme in Japan, milit. Nachrichtenübermittlungen, Diplomatenfunk zwischen Botschaften auf Kurzwelle) und bietet gegenüber ASK/FSK-Systemen den Vorteil des besseren Störabstandes. Ich beziehe mich heute ausschließlich auf BPSK (Binary Phase Shift Keying), oder auch seltener 2-PSK genannt, obwohl das Programm von G3PLX auch QPSK (Quarternary Phase Shift Keying oder 4-PSK) kann. - Erklärungen hierzu evtl. bei einer späteren praktischen PSK31-Vorführung - Es gibt außerdem auch noch 8-PSK- und 16-PSK-Verfahren, die ich aber heute nicht vorstellen werde.

Hinter der Bezeichnung PSK31 verbirgt sich eine bipolare, phasenmodulierte "Amplitudenumtastung" eines Sendesignals mit einer modulierenden Taktfrequenz (Baud data clock) von 31,25 Hz und einem jeweiligen Phasensprung zwischen 0° und 180° (siehe Anlage I mit Blockschaltbild und Signalfolgen eines PSK-Signals). Die erste Signalfolge zeigt ein rechteckförmiges Sendesignal s'(t) aus einzelnen Schwingungszügen mit der Zeitdauer eines Bits, deren Phasenlagen sich um 0° und 180° unterscheiden. Bei PSK31 wird die Phasenlage eines 1000 Hz Tons (kann auch eine andere NF Frequenz sein, z.B. 1300 Hz) durch die Taktfrequenz immer dann allmählich auf Null abgesenkt, wenn für eine Änderung der Bitfolge von "1" auf "0" oder umgekehrt eine 180° Phasenumtastung erfolgen soll. Die Absenkung der NF Amplitude ist deshalb erforderlich, damit die Erzeugung von Oberwellen bei der Phasenumtastung möglichst klein gehalten wird. Das gezeigte bipolare Rechtecksignal hat in Wirklichkeit keine steile Flanken wie dargestellt, sondern ähnelt mehr einem Kosinus um bei dem 180° Umtastvorgang eine möglichst kleine Amplitude des 1000 Hz Tons umzutasten. Dies geschieht über entsprechende Filter und vermindert die Erzeugung von Oberwellen. Ganz lassen sich jedoch Oberwellen bei einer Phasenumtastung nicht vermeiden. Die Amplitudenabsenkung steht aber nur alle 32 ms zur Verfügung. Bei einer Taktfrequenz von 31,25 Hz entsprechen 32 ms ein Bit, so daß sich eine Baudrate von 31,25 ergibt. Damit stehen empfängerseitig (DSP) 64 Halbwellen zur Auswertung (Schwellwertentscheider) zur Verfügung.

Mathematisch läßt sich die bipolare Phasenumtastung durch folgende Formeln darstellen:

s(t) ist die übertragene Information / Nachricht in der Phase, A ist die Amplitude.

PSK31 ist eine Betriebsart, die bei sehr geringer Bandbreite ein äußerst robustes Verhalten unter schwierigen Übertragungsbedingungen aufweist. Die entstehende Bandbreite bei der Phasenumtastung (Phasenmodulation) ist nicht viel größer als die Baudrate, d. h. bei PSK31 sind das 31,25 Hz. Die Bandbreite ist bei PSK31 wesentlich kleiner als bei RTTY (FSK) oder PACTOR, weil bei diesen Betriebsarten zu den Shiftfrequenzen, grobgerechnet noch die Baudrate der Nachrichtenübertragung hinzugerechnet werden muß. Die Bandbreite des PSK31 Signals ist wesentlich kleiner als ein RTTY oder PACTOR Signal. Anlage II zeigt den spektralen Vergleich und die Intermodulationsprodukte zwischen einem PACTOR- und einem PSK31-Signal (blau, handkoloriert). Die beiden Frequenzmarker haben einen Abstand von 200 Hz. Das PACTOR-Signal entsteht durch Frequenzumtastung. Auch eine Phasenumtastung, verbunden mit der Amplitudenmodulation des PSK-Trägertons, führt zu einem sog. Doppelpeak im Spektrogramm, dessen Abstand von der Mitte +/- 15 Hz beträgt, d. h. es entsteht ein sauberes Zweitonsignal. Linke Frequenz 985 Hz, rechte Frequenz 1015 Hz. Zu erkennen ist, daß in unmittelbarer Nähe des PSK-Signals keine Intermodulationsprodukte vorhanden sind und diese erst nach einem Abstand von ca. +/- 100 Hz von der Mitte entstehen. Dies wird beim Senden durch entsprechende digitale Filtertechniken der Software erreicht. Das blaue PSK-Signal zeigt das Spektrum am Line-Ausgang der Soundkarte bevor es gesendet wird. Der Störabstand verringert sich nach der Übertragung über den Sender um ca. 20 dB. Wenn der Sender übersteuert wird, verringert sich der Intermodulationsabstand erheblich, d. h. die Intermodulationsprodukte nehmen stark zu. Außerdem verschwendet man hierdurch unnötig HF-Leistung. Es ist daher unbedingt erforderlich, daß der Sender niemals übersteuert wird. Bei richtig eingestelltem Pegel der Soundkarte kann man bei seinen QSO-Partnern einen Störabstand zwischen 25 bis 30 dB erreichen.

Die Leistung des PSK-modulierten Signals ist, bei gleichen Signalparametern, um den Faktor 2 höher als bei ASK. Dies äußert sich bei der Demodulation in einer doppelten Amplitude des Signals und in einem um Faktor 4 (d.h. 6 dB) höheren Störabsand. Es zeigt sich damit, daß PSK bei sonst gleichen Parametern ASK und FSK in der Effizienz und Störempfindlichkeit überlegen ist.

Verkleinert man z.B. theoretisch bei gleicher Sendeleistung die Bandbreite im Sender und Empfänger von 500 Hz auf 50 Hz, dann erhält man - angenähert - ein Signal- / Rauschverhältnis, daß bei 50 Hz um 10 dB größer ist als bei einer Bandbreite von 500 Hz. Man kann also die Sendeenergie bei PSK31 um 90 % verringern, um bei der Gegenstation dasselbe S/R (S/N) zu erreichen.

Ich denke, daß diese Kurzbeschreibung über PSK31 in diesem Rahmen vorerst genügt. Wer sich für die prinzipielle Technik und PSK-Systeme interessiert, findet in der Literatur sehr detaillierte Beschreibungen. Außerdem bietet auch die Hilfedatei des neuesten PSK31-Programms, Version 1.08 eine sehr gute Erklärung der speziellen PSK31-Technik. Bevor wir zum Thema "Was braucht man um QRV zu werden ?" kommen, möchte ich noch die verblüffende Übertragungssicherheit und die spezielle Kodierung (Zeichensatz) der neuen Betriebsart ansprechen.

 

Übertragungssicherheit und der spezielle Zeichensatz

Die verblüffende Übertragungssicherheit bei PSK31 ist auf zwei wesentliche Faktoren zurückzuführen, erstens auf die sehr geringe Bandbreite des Signals und zweitens auf einen speziellen Zeichensatz mit Zeichen variabler Länge (Varicode).

Bandbreite:

Vorteil: ein schmalbandiges Signals ist wesentlich störunanfälliger als ein breitbandiges Signal.

Nachteil: der QSO-Partner muß sich sehr genau auf die Empfangsfrequenz abstimmen. Das PSK31-Programm bietet hierzu jedoch eine sehr gute Abstimmhilfe an. Man kann sich mit der Abstimmhilfe auf fast 1 Hz genau auf die Gegenstation abstimmen. Empfangsseitig sind schmalbandige ZF-Filter zu empfehlen. Ich benutze in der 1. ZF ein 100 Hz Filter.

Spezieller Zeichensatz (Varicode):

Bei PSK31 handelt es sich um einen unprotokollierten Mode. Er verfügt nicht über eine Fehlererkennung oder eine Fehlerkorrektur wie z.B. RTTY oder PACTOR, benutzt aber statt dessen im Alphabet Zeichen variabler Länge. Diese Zeichenlängen sind aus einer Analyse mehrerer hundert englischer Texte mit 128 verschiedenen ASCII-Zeichen entstanden. Selten vorkommende Zeichen sind lang (bis zu 10 Bits), häufig vorkommende Zeichen sind kurz. Zum Beispiel besteht der Buchstabe "e" aus 2 Bits, "o" aus 3 Bits, "a" aus 4 Bits, "F" aus 7 Bits, usw. Der Durchschnitt liegt zwischen 6 bis 7 Bits je Zeichen. Die einzelnen Bitfolgen für jedes Zeichen haben weder ein Startbit oder ein oder mehrere Stopbits wie es z.B. bei einem protokollierten Mode wie RTTY üblich ist. Protokolliert heißt, daß jedes Zeichen im Alphabet aus einer gleich langen Bitfolge besteht und somit von der Sendezeit her gleich lang ist. Durch die variable Länge der Zeichen (Zeitgewinn) ist es deshalb mit PSK31 sogar möglich, eine effektive Übertragungsrate von bis zu 50 Baud zu erreichen und außerdem wenn bei RTTY z.B. ein Stopbit bei der Übertragung ausfällt, verliert das System die Synchronisation. Bei PSK31 gibt es das nicht. Ausnahmslos alle Zeichen fangen mit einer "1" an und enden mit einer "1" und werden mit einer Bitfolge von zwei Nullen "00" getrennt. Innerhalb eines Zeichens gibt es keine zwei aufeinanderfolgende "0". Insgesamt umfaßt die PSK31-Software für Windows 255 verschiedene ANSI-Zeichen, darunter auch die deutschen Sonderzeichen.

Was braucht man um QRV zu werden ?

Um in PSK31 QRV zu werden, ist kein zu großer Aufwand erforderlich. Wer bereits auf Kurzwelle QRV ist, braucht lediglich nur noch einen PC mit Soundkarte. Für PSK31-Betrieb mit Soundkarte benötigt man keinen TNC und auch kein besonderes Modem.

Transceiver:

An den Transceiver werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Die erforderliche Frequenzkonstanz der modernen Kurzwellen-Transceiver (Kenwood, Yaesu, Icom) reicht meistens aus. Es ist jedoch empfehlenswert, den Transceiver vor Aufnahme des PSK31-Betriebs einige Minuten vorher einzuschalten, damit die eingestellte Frequenz während eines QSOs konstant bleibt. Von Vorteil wären eine separate Datenbuchse wie z.B. bei Kenwood-Transceivern und ein schmalbandiges CW-Filter (100 Hz oder min. 250 Hz). Es geht aber auch ohne Datenbuchse.

PC:

Für PSK31 ist mindesten ein 386 PC mit Windows 3.x und eine 16-bit Soundblaster kompatible Soundkarte erforderlich.

Inzwischen gibt es sehr viele PSK31 Programme für den Amateurfunk, mit übersichtlichen und unübersichtlichen Bedienoberflächen, mit kostenloser und kostspieliger Software, mit und ohne Logfunktionen, für Einkanal- oder Mehrkanalempfang, aber die Großmutter aller PSK31 Programme für Funkamateure ist und bleibt das Ende 1998 vorgestellte und revolutiönäre Programm von Peter Martinez, G3PLX.

Die zur Zeit auf Kurzwelle am häufigsten benutzten PSK31 Programme sind:

Die Reihenfolge ist kein Werturteil.

(Quelle: http://www.qsl.net/t16/Berichte/PSK31/PSK31.htm)

 

 

 

 

PSK63 - A super-fast PSK mode!

 

 

 Typischer Sound eines PSK63-Signals