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DK5JG > 4FSK 04.11.98 11:48l 201 Lines 9056 Bytes #-9327 (0) @
BID : 4B8DB0OVN004
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Read: DC9RD
Subj: 4fsk.html
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<html>
<head>
<titel>4-PSK</title>
</head>
<body bgcolor="#ffffff">
<h1 align="center">4-FSK - eine Alternative zu 2-FSK ?</h1>
<p align="center">von Marten, DL8MDV</p>
<p>
Seit nun etwa 8 Jahren wird mit steigender Beliebtheit auf den 70 cm
Benutzerzugängen 9600 Bd FSK nach dem G3RUH Standard eingesetzt.
Im kommerziellen mobilen Datenfunk Modacom wird allerdings bereits seit
mehreren Jahren eine vierstufige FSK eingesetzt, die eine effektive
Übertragungsgeschwindigkeit von 7200Bit/s bei einer Kanalbandbreite
von 12,5 kHz erlaubt. Dies ermutigte uns, ebenfalls Versuche mit einer
vierstufigen FSK zu unternehmen, um die Datenrate auf dem Usereinstieg zu
erhöhen. Derzeit betreiben wir bei DB0OVN in Neuss einen
Duobaud-Einstieg mit 9600 Bd FSK und 1200 Bd AFSK sowie zeitweise 9600 Bd
4-FSK. Demnächst wird jedoch der 1200 Bd Zugang zugunsten eines
ständigen 9600 Bd 4-FSK (19200 Bit/s) Zugangs abgeschaltet.
</p>
<h2>Bandbreite</h2>
<p>
Die zur Verfügung stehende Kanalbandbreite im 70cm Band beträgt im
allgemeinen 25 kHz @-60dB. Bei einer Schrittgeschwindigkeit von 9600 Bd
(9600 Signalwechsel pro Sekunde) wird die Bandbreite nahezu optimal
ausgefüllt, ohne nennenswerte Spektralanteile im Nachbarkanal zu
erzeugen. Eine Verdopplung der Schrittgeschwindigkeit auf z.B. 19200Bd
würde die Bandbreite des Sendesignals bei gleichem Hub auf 40 kHz
vergrößern und zu Nachbarkanalstörungen führen, so
dass diese erst wieder in einem größeren örtlichen Abstand
belegt werden können. Aufgrund der begrenzten Anzahl von
Digipeaterfrequenzen sicherlich keine optimale Lösung.
</p>
<p>
Die maximal nutzbare Schrittgeschwindigkeit beträgt demnach ca. 9600Bd.
Um dennoch eine höhere Datenrate zu erreichen, bietet sich die
Möglichkeit an, bei gleichbleibender Schrittgeschwindigkeit nicht nur
1Bit wie bisher, sondern mehrere Bits pro Schritt zu übertragen. Bei
Verdopplung der Datenrate auf 19200 Bit/s müssen 2 Bits pro Schritt
übertragen werden. Hierfür ist eine vierstufige FSK notwendig, was
bedeutet, dass das Signal am optimalen Abtastpunkt vier anstatt wie bisher
zwei (diskrete) Zustände erreichen kann. Abb. 1a zeigt ein
Augendiagramm eines üblichen 2-FSK Signals (G3RUH), Abb. 1b ein
vierstufiges FSK Signal.
</p>
<table border="0" align="center">
<tr><td><img src="fsk1a.jpg"></td><td><img src="fsk1b.jpg"></td></tr>
<tr><td>Abb. 1a</td><td>Abb. 1b</td></tr>
</table>
<h2>Erzeugung eines 4-FSK-Signals</h2>
<p>
Die Erzeugung eines 4-FSK Signals ist fast so einfach wie ein 2-FSK Signal
und geschieht durch die Programmierung eines FIR-Filters mit dem Unterschied,
dass nicht nur der entsprechende Tabellenwert der Impulsantwort bei
einem 1 Bit addiert wird und bei einem 0 Bit nicht, sondern vorher mit der
entsprechenden Gewichtung des Dibits (2 Bit) multipliziert wird. In diesem
Fall also
</p>
<table border="0" align="center">
<tr><td>00</td><td>-</td><td>0 * Tabellenwert</td></tr>
<tr><td>01</td><td>-</td><td>1 * Tabellenwert</td></tr>
<tr><td>11</td><td>-</td><td>2 * Tabellenwert</td></tr>
<tr><td>10</td><td>-</td><td>3 * Tabellenwert</td></tr>
</table>
<p>
Die Reihenfolge wurde so gewählt, dass sich bei dem Übergang von
einer Stufe zur nächsten jeweils nur 1 Bit ändert. Das hat den
Vorteil, dass bei einem Entscheidungsfehler im Demodulator oft nur 1 Bit
falsch erkannt wird und bei einer zukünftigen Fehlerkorrektur dieser
Fehler leichter korrigiert werden kann.
Vor der Erzeugung dieses Signals wird wie üblich eine NRZI-Kodierung und
eine Verwürfelung vorgenommen, um die Daten unabhängig von der
Phasenlage dekodieren zu können sowie die Synchronisation zu erleichtern.
</p>
<h2>Synchronisation des 4-FSK-Signals</h2>
<p>
Die Synchronisation eines 4-FSK-Signals ist ungleich schwieriger als die
eines 2-FSK-Signals. Bei einem Vergleich der Abb. 1a und 1b fällt
deutlich auf, dass die horizontale Augenöffung eines 4-FSK-Signals
wesentlich kleiner ist. Die Streuung der Signaldurchgänge von 01 nach 11
für die Taktrückgewinnung ist ca. drei mal größer als
bei einem 2-FSK-Signal. Aus diesen "Nulldurchgängen" wird der optimale
Abtastzeitpunkt bestimmt (1/2 Bitdauer später). Da die Synchronisation
in wenigen Millisekunden erfolgen soll, wird folgende Strategie angewendet:
<br>
Bei Aktivierung des Senders wird für 15ms + TXD ein 2-FSK-Signal
gesendet. In dieser Zeit kann die DPLL (digitale Regelschleife) schnell
einrasten. Nach dem Einrasten schaltet die DPLL intern auf "halten", so dass
nur noch sehr langsam nachgeregelt wird. Nach den 15ms wird der Sender auf
4-FSK umgeschaltet und 2 ms lang zur Framesynchronisation Flags gesendet.
Voraussetzung für das "halten" des Taktes ist eine genaue Takterzeugung
(9600 Hz) bei Sender und Empfänger.
</p>
<h2>Dekodierung des 4-FSK-Signals</h2>
<p>
Die Dekodierung des 4-FSK-Signals erfolgt durch Abtastung mittels eines
D/A-Wandlers zum optimalen Abtastzeitpunkt (vertikale Markierung in Abb. 1b).
Der Abtastwert wird mit den Schwellwerten (horizontale Markierungen)
verglichen und das entsprechende Dibit in den Descrambler geschoben.
</p>
<p>
<dl>
<dt>Beispiel:</dt>
<dd>
Wert unterhalb des unteren Schwellwertes: 00
</dd>
<dd>
Wert zwischen dem unteren und dem mittleren Schwellwert: 01
</dd>
</dl>
<p>
Da es sich in unserer Implementierung um feste Schwellwerte handelt und keine
AGC (automatische Verstärkungsregelung) vorhanden ist, muss die
Ausgangsspannung des Empfängers einstellbar sein, um die Spannungen
richtig zu interpretieren. Um das Einstellen der Spannung zu erleichtern,
wurden zwei weitere Komparatorschwellen programmiert, die eine LED aktivieren,
wenn sich die maximale Spannung in einem bestimmten Bereich befindet.
Dies funktioniert natürlich nur in Richtung Digi -> User.
</p>
<h2>Betriebserfahrungen</h2>
<p>
Mittlerweile liegen ausreichende Betriebserfahrungen vor, um konkrete
Aussagen treffen zu können:
</p>
<p>
Aufgrund fehlender AGC im Decoder wurde bisher nur die Richtung Digi->User
getestet. Deshalb wird die Richtung User->Digi weiterhin mit 9600Bd 2-FSK
betrieben, allerdings mit NRZ-M Kodierung, um 2-FSK und 4-FSK parallel
betreiben zu können.
</p>
<ul>
<li>
Der Signal-Rauschabstand muss um mindestens 10 dB größer sein, als
bei einem 2-FSK Signal, um die gleiche Bitfehlerrate zu erreichen (1/3 der
vertikalen Augenöffnung eines 2-FSK-Signals).
</li>
<li>
Voraussetzung ist ein 9k6 tauglicher Transceiver. Modulation des VCO wie bei
japanischen Geräten üblich, sind absolut unbrauchbar.
Der Frequenzgang muss nahezu 0 Hz bis 6 kHz überstreichen.
</li>
<li>
<p>
Der Empfänger sollte gruppenlaufzeitoptimierte ZF-Filter besitzen.
Die Anpassung des 1. ZF-Filters sollte zur Optimierung abgleichbar sein.
Abb. 2a und 2b zeigen je ein 2- und 4-FSK Signal, empfangen mit einem
Eigenbautransceiver.
</p>
<table border="0" align="center">
<tr><td><img src="fsk2a.jpg"></td><td><img src="fsk2b.jpg"></td></tr>
<tr><td>Abb. 2a</td><td>Abb. 2b</td></tr>
</table>
<p>
Um die Anforderungen an den Empfänger zu verdeutlichen, zeigt Abb. 3a
ein 2-FSK-Signal und Abb. 3b ein 4-FSK-Signal, demoduliert mit einem
japanischen Empfänger bei einer ZF-Bandbreite von 12,5 KHz@-6dB.
Gesendet wurde mit einem Quarzsender, der allerdings eine untere
Grenzfrequenz von 20 Hz besitzt (Koppelkondensator).
</p>
<table border="0" align="center">
<tr><td><img src="fsk3a.jpg"></td><td><img src="fsk3b.jpg"></td></tr>
<tr><td>Abb. 3a</td><td>Abb. 3b</td></tr>
</table>
</li>
<li>
<p>
Die Frequenzkonstanz des Transceivers muss ebenfalls hoch sein, da sich die
Verzerrungen des ZF-Filters bei einem Frequenzoffset stärker bemerkbar
machen (Abb.4a und 4b).
</p>
<table border="0" align="center">
<tr><td><img src="fsk4a.jpg"></td><td><img src="fsk4b.jpg"></td></tr>
<tr><td>Abb. 4a</td><td>Abb. 4b</td></tr>
</table>
</li>
<p>
Sind diese Voraussetzungen erfüllt, ist ein brauchbarer 4-FSK-Betrieb
möglich. Bei Download-Versuchen wurden Bitraten von 11000-14000 Bit/s
erreicht, allerdings nur bei rauschfreien Signalen. Möglicherweise ist
eine FEC (Vorwärtsfehlerkorrektur) sinnvoll, um auch bei leicht
verrauschten Signalen eine fehlerarme Übertragung zu gewährleisten.
Versuche mit Fehlerkorrekturverfahren werden evtl. in Zukunft noch
unternommen.
</p>
<p>
Eine Alternative zu 2-FSK ist 4-FSK -aufgrund der Ansprüche an den
Transceiver- jedoch noch nicht, aber in jedem Fall eine Ergänzung.
Eine sinnvolle Strategie zur Einführung ist sicherlich die Errichtung
von Duobaud Einstiegen mit 9600Bd 2-FSK und 9600Bd 4-FSK, so dass der User
selbst testen kann, ob sein Transceiver 4-FSK tauglich ist oder nicht.
</p>
<p>
Text und Bilder: Marten, DL8MDV
<br>
HTML-Umsetzung: Burkhard, DK5JG
</p>
</body>
</html>
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