PSK31

PSK31 o "Phase Shift Keying, 31 Baud", también BPSK31 y QPSK31, es una computadora popular. Modo de radioteletipo generado por tarjeta de sonido, utilizado principalmente por operadores de radioaficionados para realizar conversaciones de teclado a teclado en tiempo real, con mayor frecuencia utilizando frecuencias en las bandas de radioaficionados de alta frecuencia (casi onda corta). PSK31 se distingue de otros modos digitales en que está específicamente sintonizado para tener una velocidad de datos cercana a la velocidad de escritura y tiene un ancho de banda extremadamente estrecho, lo que permite muchas conversaciones en el mismo ancho de banda que un solo canal de voz. Este ancho de banda estrecho hace un mejor uso de la energía de RF en un espacio muy estrecho, lo que permite que los equipos de potencia relativamente baja (5 vatios) se comuniquen globalmente utilizando la misma propagación de ondas celestes que utilizan las estaciones de radio de onda corta.

Historia

PSK31 fue desarrollado y nombrado por el radioaficionado inglés Peter Martinez (distintivo de llamada G3PLX) y presentado a la comunidad de radioaficionados en general en diciembre de 1998.

El sistema de modulación BPSK de 31 baudios utilizado en PSK31 fue presentado por Pawel Jalocha (SP9VRC) en su programa SLOWBPSK escrito para la radio EVM de Motorola. En lugar de la modulación por cambio de frecuencia tradicional, la información se transmite mediante patrones de inversiones de polaridad (a veces llamados cambios de fase de 180 grados). PSK31 fue recibido con entusiasmo y su uso se extendió rápidamente por todo el mundo, otorgando una nueva popularidad y tono a la conducción de las comunicaciones digitales al aire. Debido a la eficiencia del modo, se volvió, y sigue siendo, especialmente popular entre los operadores cuyas circunstancias no permiten la instalación de grandes sistemas de antena, el uso de alta potencia o ambos.

Uso e implementación

Una muestra de transmisión PSK31

enviado como PSK31 (QPSK).

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Un operador de PSK31 normalmente usa un transceptor de banda lateral única (SSB) conectado a la tarjeta de sonido de una computadora que ejecuta el software PSK31. Cuando el operador ingresa un mensaje para la transmisión, el software produce un tono de audio que suena, para el oído humano, como un silbido continuo con un leve trino. Luego, este sonido se alimenta a través de un conector de micrófono (usando un atenuador resistivo intermedio para reducir la potencia de salida de la tarjeta de sonido a los niveles del micrófono) o una conexión auxiliar al transceptor, desde donde se transmite.

Desde la perspectiva del transmisor, el sonido equivale a poco más que alguien silbando en el micrófono. Sin embargo, el software cambia rápidamente la fase de la señal de audio entre dos estados (de ahí el nombre de 'modulación por cambio de fase'), formando los códigos de caracteres. Estos cambios de fase cumplen la misma función que los dos tonos utilizados en RTTY tradicional y sistemas similares.

Para decodificar PSK31, el silbido de audio recibido de la salida de auriculares del transceptor se alimenta a la entrada de audio de la tarjeta de sonido de una computadora y el software lo decodifica. El software muestra el texto decodificado.

Debido a que PSK31 se desarrolló para su uso a través de la tarjeta de sonido de una computadora, desde entonces se han creado muchos programas para usar la misma tecnología para otros modos, como RTTY, Hellschreiber y Olivia MFSK. Entonces, una vez que se ha configurado para ejecutar PSK31, una computadora se puede usar para una variedad de modos de transmisión de mensajes digitales.

Aparte de un transceptor de radio estándar y una computadora con una tarjeta de sonido, se requiere muy poco equipo para usar PSK31. Normalmente, bastará con una computadora más antigua y algunos cables, y muchas aplicaciones de software PSK31 son gratuitas y de código abierto. Muchos operadores ahora usan un dispositivo de interfaz/módem disponible comercialmente (o "nomic") entre sus computadoras y radios. Estos dispositivos incorporan la adaptación de impedancia necesaria y el ajuste del nivel de sonido para permitir que la salida de la tarjeta de sonido se inyecte en la entrada del micrófono, envíe la salida de audio de la radio a la entrada de la tarjeta de sonido y maneje la transmisión de la radio. recibir conmutación. Las interfaces de la tarjeta de sonido a la radio suelen utilizar transformadores de aislamiento tanto en las rutas de audio de envío como de recepción. para eliminar el zumbido causado por los bucles de tierra. Muchas interfaces también incorporan su propia tarjeta de sonido y pueden alimentarse y ejecutarse desde la computadora a través de una sola conexión USB. Algunos transceptores modernos tienen estas interfaces incorporadas y solo requieren una conexión USB desde la computadora a la radio.

Resistencia a interferencias

Al igual que otros modos digitales de banda estrecha, PSK31 a menudo puede superar las interferencias y las malas condiciones de propagación en situaciones en las que fallan la voz u otros métodos de comunicación. Sin embargo, PSK31 fue diseñado solo para uso recreativo de aficionados y, debido a su velocidad relativamente lenta y control de errores limitado, no es adecuado para transmitir grandes bloques de datos o texto, o datos críticos que requieren una alta inmunidad a los errores.

PSK31 funciona bien en rutas de propagación que conservan la fase y resiste bien el desvanecimiento (QSB). Sin embargo, puede verse afectado negativamente por los modos de propagación, como las rutas transpolares, en las que el "aleteo" o las rutas múltiples pueden interrumpir la continuidad de la fase de la señal. En tales casos, el uso de QPSK (ver más abajo) suele ser beneficioso.

Algún software es compatible con las variantes PSK10 y PSK05, que se ejecutan a 10 baudios y 5 baudios, respectivamente. Estas velocidades más lentas sacrifican el rendimiento para proporcionar una mayor resistencia al ruido y otras interferencias. Por el contrario, PSK63 se usa cada vez más para intercambios más rápidos, especialmente durante la operación de concursos de radioaficionados.

Información técnica

PSK31 generalmente se crea mediante un software que genera una forma de onda modulada en amplitud y fase que se convierte en una señal analógica de frecuencia de audio mediante una tarjeta de sonido. En la variante más utilizada, BPSK31, la información binaria se transmite impartiendo un cambio de fase de 180 grados (un 'cero' binario) o ningún cambio de fase (un 'uno' binario;) en cada intervalo de símbolo de 32 ms. El cambio de fase de 180 grados para un "cero" el código de bits se produce en una amplitud nula.

Como se muestra en la figura, se utiliza un filtro de coseno para suavizar los tiempos de subida y bajada de la forma de onda de audio y eliminar los clics de tecla. Toda la amplificación posterior de la señal debe ser lineal para preservar la forma de onda de modulación y garantizar un ancho de banda ocupado mínimo. En la práctica, esto significa limitar el volumen de audio de transmisión por debajo del nivel en el que el transmisor genera retroalimentación de control de nivel automático (ALC) y deshabilitar cualquier compresión de audio o procesamiento de voz.

El Varicode es una especie de código Fibonacci donde los límites entre los códigos de caracteres están marcados por dos o más ceros consecutivos. Como todos los códigos de Fibonacci, dado que ningún código de carácter contiene más de un cero consecutivo, el software puede identificar fácilmente los espacios entre caracteres, independientemente de la longitud del carácter. La secuencia inactiva, enviada cuando un operador no está escribiendo, es una secuencia continua de cambios de fase, que no se imprimen en la pantalla. Martinez arregló el alfabeto de caracteres de modo que, como en el código Morse, los caracteres que aparecen con más frecuencia tengan las codificaciones más cortas, mientras que los caracteres más raros usan codificaciones más largas. Llamó a este esquema de codificación "varicode".

Se eligió la velocidad de símbolos de PSK31 de 31,25 Hz porque una velocidad de escritura normal de unas 50 palabras por minuto requiere una velocidad de bits de unos 32 bits por segundo, y específicamente porque 31,25 Hz se podría derivar fácilmente de los 8 kHz. frecuencia de muestreo utilizada en muchos sistemas DSP, incluidos los utilizados en las tarjetas de sonido de computadora comúnmente utilizadas para el funcionamiento de PSK31 (31,25 Hz es 8 kHz dividido por 256, por lo que se puede derivar de 8 kHz dividiendo la frecuencia por la mitad ocho veces seguidas).

Variantes de BPSK31 y QPSK31

Uso coloquial del término 'PSK31' en la radioafición suele implicar el uso de la variante más utilizada de PSK31: modulación por desplazamiento de fase binaria (BPSK). La variante BPSK de PSK31 no utiliza control de errores. QPSK31, la variante basada en modulación por desplazamiento de fase en cuadratura (QPSK), utiliza cuatro fases en lugar de dos. Es sencillo cambiar de BPSK a QPSK si surgen dificultades durante un contacto; QPSK31 tiene la misma cantidad de símbolos por segundo y, por lo tanto, el mismo ancho de banda que la variante BPSK. En un receptor coherente, la probabilidad de error de bit de QPSK es la misma que para BPSK que funciona a la misma potencia, lo que hace que QPSK31 sea el modo generalmente preferible desde el punto de vista de la robustez y, por lo tanto, del alcance.

El uso de cuatro puntos de constelación en lugar de dos proporciona el doble de la velocidad de bits de la capa física, lo que permite agregar información redundante para proporcionar un grado de corrección de errores de envío. Cuando se usa QPSK, después de codificar en varicode, los bits de la señal de datos binarios están sujetos a un código de canal de tasa 1/2, lo que significa que por cada bit de información, se calculan y transmiten dos bits de código. Para eso, se utiliza un código convolucional con longitud de restricción 5 (es decir, los últimos cinco bits de la entrada se incorporan para seleccionar dos bits de salida por bit de entrada).

Los bits resultantes se asignan a un conjunto cuaternario de fases. En el receptor, se debe usar un decodificador para el código convolucional, generalmente el Algoritmo de Viterbi, que puede reconstruir la secuencia enviada más probable, incluso si se recibieron varios símbolos incorrectamente. La decodificación óptima debe tener en cuenta la misma longitud limitada de bits de información que la codificación, lo que genera un retraso de decodificación de 5 símbolos, que corresponde a 160 ms de retraso.

Eficiencia del espectro en comparación con otros modos

La eficiencia y el ancho de banda estrecho de PSK31 lo hacen muy adecuado para operaciones de baja potencia y banda saturada. Los contactos PSK31 se pueden realizar con una separación de menos de 100 Hz, por lo que con una operación disciplinada se pueden realizar al menos veinte contactos simultáneos de PSK31 uno al lado del otro en el ancho de banda de 2,5 kHz requerido para un solo contacto de voz SSB.

Frecuencias comunes

Las siguientes frecuencias de radioaficionados se usan comúnmente para transmitir y recibir señales PSK31. Normalmente ocupan el borde inferior de la sección de modos digitales de cada banda. Los operadores de PSK31 generalmente usan la banda lateral superior (USB), incluso en frecuencias por debajo de 10 MHz, donde la convención normalmente exige una banda lateral inferior. Esto se debe a que (a) las señales luego se propagan hacia arriba en la sección de modo digital desde la "base" frecuencia, y (b) el uso de QPSK requiere que ambas estaciones utilicen la misma banda lateral.

* El uso actual a partir de 2010, basado en la observación, se centra en 7.070,15 y 21.070,15. 7,035.15 se usa comúnmente en la Región 2 a partir de 2012. No hay una lista autorizada, ya que las frecuencias están determinadas por convención común.

** PSK pasó de 18.100 a 18.097 debido al uso de FT8 de la frecuencia 18.100 a partir de noviembre de 2019.

El plan de bandas de la Región 1 de IARU se revisó en marzo de 2009 para reflejar la banda ampliada de 40 metros. La sección de solo CW dentro de Europa, África, Medio Oriente y la antigua URSS ahora es de 7.000 a 7.040. La Región 2 - América - le siguió en septiembre de 2013. La Región 3 - Sur de Asia y Australasia - aún no ha sincronizado su plan de banda con las Regiones 1 y 2.