Введение автора перевода

    Сегодня работа с узкополосными сигналами подразумевает широкое использование вычислительной техники. Ранее такое оборудование было просто недоступно радиолюбителям, но  с развитием компьютерной техники, увеличением вычислительных ресурсов стало возможным ввести в пользование новые виды исключительно цифровых радиосвязей. Но конечно в профессиональной аппаратуре все сложнее.

   Примером является автономный спектральный анализ. Он строится на быстром преобразовании Фурье и применительно к цифровым данным представляет собой мощный метод анализа сигналов и особенно распознавания слабых сигналов с ярко выраженной периодичностью на фоне посторонних сигналов и шумов. Это было использовано для обнаружения пульсаров, анализа сигналов в звуковом диапазоне частот, увеличения разрешения астрономических наблюдений, для поиска сигналов от внеземных цивилизаций. В последнем случае усилитель на полевых транзисторах  (GaAs), подключенный к приемной параболической антенне диаметром 84 фута, управляет гетеродинным приемником, в котором подвергается анализу (в реальном масштабе времени) полоса шириной 400 кГц. Сигнал подается одновременно на 8 млн. каналов с полосой 0,05 Гц. Цифровой анализатор спектра систоит из 20000 ИС и полмиллиона твердых переходов (сделанных вручную). За 20 с он обнаруживает узкополосные сигналы, которые на 60 дБ слабее, чем шум приемника. А это соответствует потоку радиоволн, имеющему полную мощность менее 1 нВт и огибающему весь земной шар!

    В настоящее время радиолюбителями-энтузиастами написано программное обеспечение для подобного анализа. В нем есть ограничение по полосе частот и невозможно программное декодирование нескольких каналов. Зато все работает со стандартным устройством - звуковой картой. Подобная технология распространена на длинноволновом любительском диапазоне. Но нет причин ее ограничивать на других любительских диапазонах ввиду ее высокой эффективности на дальних трассах.

1. Введение (особенности диапазона 136 кГц)

   Существуют несколько причин очень низкого уровня сигналов и соответственно низкого отношения сигнал-шум на диапазоне 136 кГц.

   Один из путей улучшения соотношения сигнал-шум состоит в предельном  сужении полосы пропускания приемника. При этом полезный сигнал лучше выделяется на фоне мешающих сигналов. Но любой информационный сигнал имеет свою полосу занимаемых частот, и требуется определенная полоса пропускания  у приемника для демодуляции соответствующих сигналов. Например для SSB сигналов эта полоса составляет не менее 2,4 кГц, а для CW - не меньше 100 Гц. В приемнике с очень узкой полосой пропускания невозможна демодуляция этих сигналов. Поэтому используется особая методика приема сигналов с уровнем ниже чем уровень шумов на входе приемника.

2. Полоса пропускания приемника

   В диапазоне 136 кГц как наиболее эффективный доминирует CW режим приема и передачи. Минимальная ширина полосы пропускания на приемной стороне определяется спектром переданного сигнала. В случае с CW (манипуляция несущей частоты), полоса занимаемых частот зависит от скорости "ключевания" (количества переданных знаков в единицу времени). Стандартная скорость измеряется по "Парижской системе". Данный термин возник на заре развития радиотехники, когда для измерения скорости  передачи телеграфных сигналов начало использоваться слово PARIS. Слово PARIS имеет точную длину в 50 точек, включая пустые промежутки. Стандартная скорость передачи по этой системе составляет 60 знаков в минуту или 12 слов "PARIS" в 1 минуту (WPM), что составляет длительность равную длине 600 точек за 1 минуту, или 10 точек в за 1 секунду. Но поскольку каждая точка отделяется пустым пространством той-же длины, то фактическая длина  "точечного цикла"  удваивается. Если продолжительность серии точек составляет 12 слов в 1 минуту (12WPM), то это приводит к появлению промежуточного сигнала в 5 Гц. Если радиосигнал модулируется подобной последовательностью, то результирующая полоса занимаемых частот составит 10 Гц. Но в зависимости от качества модуляции в реальной системе происходит расширение спектра передаваемого сигнала. Побочные продукты спектра не несут полезной инфомации, могут рассматриваться как потери энергии и источник помех (QRM).

   Предполагая, что единственным источником шумов является "белый шум" самого приемника, то полный шум приемника  будет прямо пропорционален полосе пропускания. Эталоном для сравнения будет являться стандартная скорость передачи в 12 WPM, полоса приемника оптимизирована к полосе занимаемых частот сигнала. Ниже приводится таблица для сравнения соотношения сигнал-шум (SNR) к вышеописанной полосе:

   Видно, что существенное улучшение соотношения сигнал-шум может быть достигнуто при редуцированном CW режиме приближенном к непрерывной несущей. В диапазоне 136 кГц стандартом стал 3 sec./dot (длительность одной точки 3 сек.). Такой режим получил название QRSS (производное Q-кода, слово QRS - пожалуйста уменьшите скорость передачи).

   При очень низких скоростях передачи практически невозможен слуховой прием, поскольку на слух сложно оценивать длительности точек и тире. Стабильность частоты передатчика и гетеродина приемника должна быть очень высока и тем стабильнее, чем уже полоса пропускания. К счастью на 136 кГц это не является проблемой и стабильность в 0,1 Гц легко может быть достигнута. Другой проблемой может стать построение узкополосного фильтра и трудность настройки на сигнал. Лет 10 назад это действительно стало бы проблемой, но с  развитием цифровых способов обработки аналоговых сигналов и появлением DSP (цифровой анализ сигнала), появилась реальная возможность для развития "медленного телеграфа" (slow SW)!

3. Цифровая обработка сигнала (DSP)

3.1 Основы цифровой обработки сигнала (DSP)

   Цифровая обработка сигнала (DSP) - одно из магических выражений, которые вы можете слышать время от времени. Это кажется уделом специалистов, инженеров-электронщиков. И ранее для реализации этой технологии были необходимы сложные специализированные устройства (DSP - процессоры, кстати они в настоящее время широко распространены в различных устройствах, связанных с обработкой звуковых сигналов). Однако "железный" DSP - процессор может быть заменен связкой: компьютер не ниже Pentium + звуковая плата + программное обеспечение. 

   DSP технология предполагает, что входной аналоговый сигнал будет преобразован в цифровую форму, обработан и затем вновь преобразован в аналоговую форму на выходе. Данный процесс выполняется при помощи Аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

   При аналого-цифровом преобразовании  автоматически,  в известном временном интервале производится измерение мгновенных значений амплитуд определенное число раз, называемое сэмплированием сигнала. В результате на выходе получается серия измерений где в каждом из них мы знаем амплитуду сигнала и точное время, когда это было измерено.

   После этого производится более или менее сложный анализ цифровой последовательности.  Далее это может интерпретироваться как цифровые данные или обратно преобразовываться в аналоговую форму. Преобразование тем точнее, чем чаще производится измерение, короче временные интервалы. Над цифровыми данными могут выполнены самые различные измерения, но мы обсудим только фильтрацию сигналов!

3.2 Быстрое преобразование Фурье (FFT)

4. Сверхузкополосные режимы модуляции

4.1 Одночастотная непрерывная модуляция (QRSS)

   Что такое QRSS?
QRSS это крайне низкая скорость передачи телеграфных сигналов. Аббревиатура взята из Q-кода. Что бы воспользоваться этим в полной мере необходим узкополосный сигнал и приемник с адаптированной к переданному сигналу полосой пропускания. В качестве приемника используется программа персонального компьютера, создающая  "узкополосный цифровой фильтр" на основе алгоритма FFT (быстрое преобразование Фурье). Преимущество этой технологии в том, что вы сразу получаете серию фильтров с помощью которых можно сразу контролировать широкую полосу эфира (широкую по меркам диапазона 136 кГц). Необязательно точно настраиваться на сигнал и можно одновременно видеть и принимать многие сигналы любительских радиостанций. Но есть и обратная сторона - невозможность в большинстве случаев слухового контроля сигналов. Производится своего рода визуальный их анализ на экране компьютера!

   Результат работы программы анализа входных сигналов представляется в графическом виде, где по осям ординат представляются время и частота. Если время отложено по вертикали, то такой экран называется waterfall display (дисплей водопада), если же время представляет горизонтальная ось  - тогда экран будет называться  curtain display (дисплей завесы). Все это может показаться непонятным, и внизу показан рисунок в качестве примера - дисплей завесы.

4.2 Двухчастотная непрерывная модуляция (DFCW)

   При стандартной скорости  CW (непрерывный режим передачи) с длительностью точки 3 секунды, обычное QSO (радиосвязь) будет длиться около 30 минут. За это время могут значительно изменяться условия прохождения радиоволн. Поэтому был разработан новый режим с расширением скорости передачи с коэффициентом от 2,5 до 3.

   Полагаю, что подобный сигнал не вызовет трудностей его визуального декодирования!

4.3 Сравнение отношения сигнал/шум в зависимости от длины точки (практические результаты)

4.3.1  DK8KW

В апреле 2000 года Geri Kinzel (DK8KW) сравнил QRSS и обычный CW(слуховой прием):           

            "Этим утром я провел несколько экспериментов с QRSS по возможности приема сигналов с уровнями ниже уровня шума. Я использовал калиброванный синтезатор частоты  (Adret 2230), с 0-120 dB аттенюатором и шагом 1 dB (Schlumberger BMD500) и Praecitronic MV61 - селективный измеритель уровня.  С BNC T- коннектором я принимал нормальный шум диапазона включая спектральные линии маяков LORAN на частоте 137.500 kHz (+/- 50 Hz) с одной стороны и выходной сигнал синтезатора частоты с другой стороныt. С аттенюатором я мог выставить уровень выходного сигналаСЧ от 0 dBm (50 Oм) до -80dBu ( 0dBu = 0.775V на нагрузке 75 Oм = +9dBm, -80dBu = -71dBm) сигнал на MV62 (+/- 1 dB). На диапазоне было совершенно "тихо" -110dBu (S4, -101dBm) и LORAN "линии" были отлично видны. Включив полосу пропускания приемника в  100 Гц на MV62 и каскадный 250 Hz/500 Гц CW фильтр в IC-746 я проверил, что сигнал СЧ также хорошо прослушивается, как и воспринимается программой  Spectrogram с обычными параметрами. Я установил "3-5 секундную длину точки" QRSS (5.5k дискретизация, 16bit моно, 16384 точек FFT = 0.3 Гц разрешение, 60 dB масштаб, 300 мс. временной масштаб, 10 x усреднение) и получил следующие результаты:

    John Andrews (W1TAG) также провел несколько измерений. Он использовал приемник Icom R75 и 6 футовую приемную магнитную антенну, выходная мощность передатчика в 10 мВт излучалась малогабаритной магнитной антенной через регулируемый аттенюатор. Приемный сигнал декодировался программой ARGO. Уровень сигнала передатчика постепенно уменьшался до тех пор пока его можно было визуально наблюдать:

Длина точки	Снимок с экрана	Измер. уровень (vs. 6WPM)	Теорет. уровень (vs. 6WPM)
0.2сек. 6WPM		0dB	0dB
3 сек.		-10dB	-11.8dB
10 сек.		-15dB	-17dB
30 сек.		-19dB	-21.8dB
60 сек.		-23dB	-24.8dB

    Для всех измерений разница между теоретическим и практическим результатом составила +/- 2dB, но я принимаю за факт, что на 6WPM(6 слов в 1 минуту) самое низкое отношение сигнал/шум (SNR) из всех представленных скриншотов. Полные сведения по измерениям можно найти здесь.

    В марте 2002 G3YXM и G3NYK сравнили нормальный CW и QRSS со скоростями - 3 сек/точка, 10 сек/точка и 60 сек/точка на радиотрассе длиной более 220 км. G3YXM передавал сигнал с постепенно уменьшающейся выходной мощностью, а  G3NYK принимал сигнал: