5.3. SZYBKOŚĆ 9600 BIT/S
Opracowany przez
Jamesa Millera, G3RUH modem przeznaczony dla szybkości transmisji 9600 bit/s stał się
faktycznym standardem w technice amatorskiej. Modem ten przewidziany początkowo do
zastosowań satelitarnych rozpowszechnił się szybko w łącznościach naziemnych. Wymaga
on zastosowania bezpośredniej modulacji FSK, tzn. modulacji diody waraktorowej
generatora VFO w nadajniku i dostarczenia sygnału wejściowego bezpośrednio z
dyskryminatora FM. Sygnał FSK przy tej szybkości zajmuje pasmo częstotliwości
przekraczające zakres przenoszenia modulatorów i torów m.cz. fabrycznych radiostacji
nadawczo-odbiorczych. Sygnał ten zawiera składowe niskoczęstotliwościowe, które mogą
wywierać ujemny wpływ na pracę układów pętli synchronizacji fazy (PLL) w syntezerach
częstotliwości. Problem ten straci na znaczeniu w miarę rozpowszechniania się sprzętu
wyposażonego w cyfrowe syntezery częstotliwości (DDS, patrz rozdział: Cyfrowa Obróbka
Sygnałów). Jak wynika z przytoczonych wyżej rozważań, w łącznościach naziemnych możliwe
byłoby zastosowanie modulacji amplitudowo-fazowej (QAM) według standardu V.29 i podobnych.
Niewielki wymagany wzrost stosunku sygnału do szumu pozwala na zachowanie standardowej
szerokości pasma przenoszenia i rezygnację z przeróbek radiostacji. Częstotliwość
podnośnej w standardzie V.29 wynosi 1700 Hz i leży w środku przenoszenia typowego
kanału fonicznego.
Modem G3RUH generuje cyfrowo sygnał m.cz., tak że możliwa jest
kompensacja charakterystyki przenoszenia nadajnika. Cechą charakterystyczną modemu G3RUH
jest układ kodujący (ang. scrambler). Jego zadaniem jest takie przekodowanie nadawanej
informacji, aby zawierała ona średnio taką samą liczbę zer i jedynek (brak składowej
stałej). Zmodulowany częstotliwościowo sygnał w.cz. zachowuje dzięki temu swoją średnią
wartość odpowiadającą częstotliwości nośnej. Bez tego dodatkowego kodowania częstotliwość
nadawanego sygnału miałaby stałą odchyłkę w przypadku wystąpienia dłuższych ciągów zer
lub jedynek w sygnale nadawanym. Do kodowania używany jest rejestr przesuwny o długości
17 bitów. Sygnał wyjściowy rejestru podawany jest przez sprzężenie zwrotne na wejścia
kilku z jego stopni. Na wyjściu tak sprzężonego rejestru otrzymywany jest
pseudoprzypadkowy ciąg bitów o prawdopodobieństwie wystąpienia zer i jedynak równym
w przybliżeniu połowie. Zaletą tej metody jest łatwość dekodowania sygnału po stronie
odbiorczej. Jako dekoder stosowany jest rejestr o identycznej długości i takich samych
sprzężeniach zwrotnych. Metoda ta stosowana jest szeroko w wielu przypadkach, m. in. w
omawianych dalej technikach rozpraszania widma. W modemie G3RUH stosowane są sprzężenia
zwrotne z wyjścia na wejście i na 12 stopień rejestru. Wielomian opisujący działanie
kodera wygląda więc następująco: Y = 1 + X^12 + X^17.
Dla dopasowania sygnału nadawanego do charakterystyki przenoszenia
toru nadajnika jest on też dodatkowo filtrowany za pomocą filtru cyfrowego typu F.I.R
(filtry cyfrowe omówione są w rozdziale poświęconym cyfrowej obróbce sygnałów). Głównie
chodzi tu o kompensację spadku charakterystyki w zakresie najniższych, często już
kompensowanych w pętli PLL, częstotliwości. Ze względu na znacznie różniące się konstrukcje
układów pętli fazowych w syntezerach i różniące się częstotliwości graniczne filtru w
pętli wybór właściwej charakterystyki kompensacji w modemie musi być wykonany doświadczalnie
poprzez wybór jednej ze stojących do dyspozycji charakterystyk filtru cyfrowego. W
standardowej wersji modemu użytkownik ma do wyboru 16 charakterystyk filtru zapisanych
w pamięci EPROM. Wybór charakterystyki dokonywany jest za pomocą zwieraczy na płytce
drukowanej modemu. W miarę potrzeby możliwe jest dodanie dalszych 16 charakterystyk
filtru w dodatkowej pamięci EPROM.
Szerokość pasma m.cz wynosi 7,5 - 8 kHz, co przekracza znacznie
pasmo przenoszenia wzmacniaczy modulacyjnych.
Tak ukształtowany sygnał modulujący podawany jest bezpośrednio na
diodę waraktorową generatora VFO w nadajniku (w większości spotykanego obecnie sprzętu
nadawczo-odbiorczego konieczne jest dorobienie dodatkowego wejścia). Przy dewiacji 3 kHz
sygnał w.cz. zajmuje pasmo ok. 20 kHz. Konieczne jest tu stosowanie czystej modulacji
częstotliwości, a nie modulacji fazy. Ze względu na charakterystyki regulacji pętli
synchronizacji fazy (PLL) stosowanej w większości sprzętu, pasmo przenoszenia ograniczone
jest od dołu do wartości 30 Hz lub więcej. Stosunkowo najmniej problematyczne są przeróbki
starszego sprzętu wyposażonego w generatory kwarcowe lub radiostacji uniwersalnych
FM/SSB wyposażonych w dodatkowy mieszacz i generator kwarcowy. Zbytnie ograniczenie
pasma przenoszenia od dołu może być przyczyną błędów w odbiorze i nadmiernej liczby
powtórzeń. Jednocześnie dokonywanie jakichkolwiek przeróbek w pętli syntezera wymaga
odpowiedniego doświadczenia i dostępu do przyrządów pomiarowych. W przeciwnym przypadku
może dojść do znacznego pogorszenia czystości sygnału nadawanego.
Należy zwrócić uwagę, że ponieważ sygnał modulujący podany jest
bezpośrednio na diodę waraktorową z pominięciem układów ograniczania dewiacji lub
automatycznej regulacji wysterowania dewiacja a więc i czystość a zarazem zrozumiałość
sygnału zależna jest jedynie od dbałości operatora i jego staranności w doborze właściwej
amplitudy modulacji.
Sygnał odbierany musi być doprowadzony do modemu bezpośrednio z
wyjścia dyskryminatora z pominięciem toru m.cz. odbiornika (ze względu na zbyt wąskie
pasmo przenoszenia, również i w tym przypadku konieczne jest dorobienie dodatkowego
wyjścia). Po przejściu przez analogowy filtr dolnoprzepustowy o częstotliwości
granicznej 6 kHz doprowadzany jest on do układu dekodującego zawierającego opisany
powyżej rejestr przesuwny (ang. descrambler). Do prawidłowej demodulacji sygnału
konieczne jest jeszcze odtworzenie sygnału zegarowego. W układzie modemu G3RUH
dokonywane jest ono za pomocą cyfrowej pętli synchronizacji fazy.
Schemat blokowy modemu przedstawiono na rysunku 5.6, a schemat
ideowy - na rysunku 5.7.
[rys. 5_06]
[rys. 5_07]
[rys. 5_07b]
Udoskonaleniem konstrukcji G3RUH jest modem opracowany przez
niemieckiego krótkofalowca DF9IC. Dzięki wykorzystaniu programowanych matryc logicznych
PAL konstrukcja modemu jest znacznie uproszczona w stosunku do oryginału. Modem ten
dostosowany jest poza tym do pracy z większymi szybkościami transmisji do 76,8 kbit/s
włącznie. Modem G3RUH może być połączony z kontrolerem TNC2 za pomocą wtyku oznaczonego
"modem disconnect" (w amerykańskich modelach - J4).
W modemach wzorowanych bezpośrednio na konstrukcji amerykańskiej
(TAPR), np. PK-80/87/88, MFJ-1270/1274/1276, TNC-200/220 i Tiny-2, do podłączenia modemu
konieczne są sygnały: TXdata (J4 - nóżka 19), TXclock (J4 - nóżka 11), RXdata
(J4 - nóżka 17), DCD (J4 - nóżka 1) i masa (J4 - nóżka 15). Pozostałe nóżki wtyku
pozostają połączone parami (a więc 1 - 2, 3 - 4 itd.). W modemach konstrukcji
niemieckiej (TNC2C, TNC2S, TNC2DL itp.) wyprowadzenia sygnałów na wtyku są nieco
inne i może być konieczne zastosowanie kabla przejściowego. W kontrolerach firmy
Landolt sygnał TXclock jest doprowadzony do nóżki 2, masa - 4, TXdata - 5, RXdata - 8
i DCD do nóżki 10. Jeszcze inaczej wyglądają wyprowadzenia na wtyku kontrolerów firmy
Eisch. W praktyce przed podłączeniem modemu do kontrolera konieczne jest dokładne
zapoznanie się z obydwoma schematami. Jeszcze inny układ wyprowadzeń mają np. kontrolery
TNC2 produkowane w kraju przez firmę PYFFEL. Firma ta oferuje jednak modem dla szybkości
9600 bit/s wyposażony we wtyczkę o pasującym układzie dlatego też rezygnuję z przytaczania
układu sygnałów.
Modem PAR-96 (BayCom) jest przeznaczony do bezpośredniego
połączenia z komputerem przez złącze szeregowe i do współpracy z programami zastępującymi
kontroler TNC, analogicznie jak to miało miejsce w przypadku modemu BayCom dla szybkości
transmisji 1200 bit/s. Modem ten współpracuje z programami BayCom i PC/Flexnet (po dodaniu
sterownika Par-96). Jego konstrukcja zbliżona jest do układu modemu DF9IC. Zastosowanie
w nim programowanych matryc logicznych upraszcza wprawdzie układ, ale stanowi trudną do
przebycia przeszkodę dla osób pragnących zbudować go w warunkach domowych. Nowszym
rozwiązaniem modemu dla złącza drukarki jest modem PICPAR zawierający mikrokontroler
z serii PIC zamiast programowanych matryc logicznych. Również i tu konstrukcja w
warunkach domowych wymaga zaopatrzenia się kontroler z zaprogramowaną zawartością
pamięci PROM.
Modem opracowany przez austriackiego krótkofalowca OE5DXL jest
pozbawiony tej wady, dzięki prostocie układu i zastosowaniu łatwo dostępnych części
świetnie nadaje się do domowej konstrukcji. Jego schemat w wersji dla komputera Atari
przedstawiony jest na rysunku 5.8a. Składa się on z filtrów dolnoprzepustowych w torach
nadawczym i odbiorczym oraz układu przełącznika nadawanie-odbiór zrealizowanego na
podwójnym przerzutniku monostabilnym 74HC123. Modem podłączony jest do złącza
szeregowego komputera i jest też z niego zasilany. Większość funkcji modemu G3RUH,
włącznie z kodowaniem danych zrealizowana jest programowo w sterownikach L2STX (dla
komputerów Atari ST, STE i TT) i L2PCX (dla komputerów PC/AT). Po wymianie
kondensatorów w filtrach może on być też dostosowany do szybkości transmisji
4800 bit/s albo 19200 bit/s. Wartości kondensatorów ulegają zmianie proporcjonalnie
do szybkości transmisji. Uruchomienie modemu wymaga ustawienia za pomocą
potencjometru 500 k wzmocnienia, tak aby w pp.1 napięcie miało wartość międzyszczytową
ok. 4 V. Na wyjściu toru nadawczego należy dołączyć potencjometr do regulacji dewiacji
częstotliwości.
Rysunki 5.8b i 5.8c przedstawiają schemat modemu w wersji dla
komputerów PC. Tor nadawczy modemu zawiera oprócz identycznego jak poprzednio filtru
dolnoprzepustowego dodatkowy układ synchronizatora danych złożony z przerzutnika
monostabilnego typu 4538 i przerzutnika typu D (4013). Ten sam przerzutnik monostabilny
w połączeniu z drugą połowką obwodu 4013 synchronizuje dane odbierane. Filtr
dolnoprzepustowy w torze odbiorczym jest identyczny jak w wersji dla Atari. Odmiennie
niż w wersji Atari rozwiązane zostało przełączanie nadawanie-odbiór - użyty został
sygnał RTS. Drugi z przerzutników monostabilnych zawartych w obwodzie 4538 ogranicza
maksymalny czas nadawania. Ze względu na niski pobór prądu modem zasilany jest ze
złącza szeregowego. Rysunek 5.8d przedstawia przebiegi napięć w najważniejszych
punktach obwodu.
[rys. 5_08a]
[rys. 5_08b]
[rys. 5_08c]
[rys. 5_08d]
Przeróbki radiostacji mogą, w zależności od typu, okazać się dość
skomplikowane. W niektórych przypadkach może być konieczne zastosowanie modulacji
kwarcowego generatora odniesienia dodatkowo do modulacji generatora VFO w pętli
fazowej. W innych przypadkach częstotliwość filtru w pętli synchronizacji fazy jest
dostatecznie niska i pozwala na nadawanie niskoczęstotliwościowych składowych sygnału
modulującego bez dalszych zmian. Również praktyczne wykonanie połączeń zależy w znacznym
stopniu od modelu i wykonania radiostacji. W większości przypadków konieczne jest
wykonanie wewnątrz odpowiednich połączeń i wmontowanie dodatkowego wtyku. W niektórych
typach (np. YAESU FT-23/73) można wykorzystać wtyczkę przewidzianą do podłączenia
podakustycznej blokady szumów (CTCSS). Ze względu na ciągłe zmiany i udoskonalenia
sprzętu nadawczo-odbiorczego rezygnuję tu z przytaczania dokładnych opisów jego
przeróbek. Szybkość transmisji 19200 bit/s wymaga także wymiany filtrów p.cz. na
typy o większej szerokości pasma.
W przeciwieństwie do transmisji z szybkością 2400 bit/s, gdzie
najważniejsze parametry kontrolera mogły pozostać bez zmiany (tzn. zachować wartości
stosowane w transmisji z szybkością 1200 bit/s), przy szybkości 9600 bit/s konieczna
jest zmiana wielu z nich. Przykładowo parametr TXDelay powinien być jak najmniejszy,
dla radiostacji przełączanych elektronicznie jego wartość może wynosić 2 lub 3, dla
radiostacji przełączanych za pomocą przekaźników - od 4 do 9. Nie powinien on
przekraczać wartości 10. W dupleksowych łączach między stacjami węzłowymi powinien
on mieć nawet wartość 0. Parametr DWAIT powinien przyjmować wartość 0 a FRACK - 2.
Na łączach dupleksowych konieczne jest także ustawienie parametru FULLDUP na ON.
Innymi zalecanymi wartościami są MAXFRAME = 7 i PACLEN = 255. Podane oznaczenia
parametrów odpowiadają stosowanym w oprogramowaniu TAPR, ich odpowiedniki występujące
w oprogramowaniu WA8DED (TF) wymienione są w instrunkcji programu, a także w instrukcji
sterowników TFPCX, TFPCR i TFKISS.
Oporniki (tolerancja 2%): 3,3 k, 2 x 4,7 k, 9 x 10 k, 12 k, 18 k, 27 k, 33 k, 39 k, 47 k,
56 k, 82 k, 8 x 100 k,
potencjometr: 10 k,
kondensatory: 2 x 100 pF, 220 pF, 470 pF, 4 x 1 nF, 3,3 nF, 4,7 nF, 21 x 100 nF,
3 x 10 uF/16V (tantalowe),
obwody scalone: U1, U3 - 4029, U4, U7, U12, U14, U18 - 74HC164, U5, U17 - 74HC74, U6,
U13 - 74HC86, U8 - 74HC161, U9, U19 ZN429E-8 lub ZN426E-8 firmy Ferranti, U10 - LM339,
U11 - 74HC14, U16 - TL084CN,
U2 - pamięć EPROM 2764 albo 27128 (może być w wykonaniu CMOS),
U15 - pamięć EPROM 27128 (2764, 27256, może być w wykonaniu CMOS),
stabilizator napięcia 5V (nie występuje na schemacie): 7805,
dioda zabezpieczająca (nie występuje na schemacie): 1N4001.
Oporniki: 1 k, 4,7 k, 2 x 10 k, 18 k, 22 k, 27 k, 3 x 47 k, 2 x 100 k, 150 k, 2 x 220 k,
330 k,
potencjometry: 500 k, potencjometr do regulacji dewiacji na wyjściu filtru nadawczego
(nie występuje na schemacie),
kondensatory: 2 x 470 pF, 1000 pF, 2 x 1 nF, 2 x 47 nF, 3 x 100 nF, 2 x 220 nF, 10 uF,
47 uF (lub 100 uF),
obwody scalone: 74HC123, TL064 (TL084),
diody: 4 x 1N4148, dioda zenera 4,7 V,
tranzystor: krzemowy npn dowolnego typu.
Oporniki: 4 x 1 k, 4,7 k, 2 x 10 k, 18 k, 2 x 22 k, 27 k, 3 x 47 k, 3 x 56 k, 2 x 100 k,
150 k, 2 x 220 k, 330 k, 1 M,
potencjometry: 500 k, potencjometr do regulacji dewiacji na wyjściu filtru nadawczego
(nie występuje na schemacie),
kondensatory: 3 x 470 pF, 1000 pF, 2 x 1 nF, 2 x 47 nF, 3 x 100 nF, 2 x 220 nF, 2 x 10 uF,
obwody scalone: 4538, 4013, TL064 (TL084),
diody: 6 x 1N4148, 2 diody zenera 6,8 V,
tranzystor: krzemowy npn dowolnego typu.
Wielu użytkowników pakiet radio jest niestety przyzwyczajonych do
szybkiego i przeważnie nie przysparzającego problemów uruchomienia sprzętu pracującego z
szybkością 1200 bit/s i nie docenia nakładu pracy niezbędnego do uruchomienia stacji i
pełnego wykorzystania jej możliwości. Sygnały w standardzie modulacji G3RUH zawierają
szerokie widmo składowych, w tym składowych o b. niskiej częstotliwości, które często
nie są przenoszone prawidłowo przez używane obecnie radiostacje amatorskie. Dla kompensacji
charakterystyki przenoszenia nadajnika modem G3RUH wyposażony jest w filtr cyfrowy o
przełączanej charakterystyce przenoszenia. W zależności od wykonania do wyboru stoją
16 lub 32 charakterystyki. Znalezienie charakterystyki optymalnej lub zbliżonej do niej
wymaga więc pewnego nakładu pracy. Należy nawiązać połączenie z najbliższym węzłem lub
skrzynką i kolejno w trakcie łączności przełączać charakterystyki filtru aż do znalezienia
takiej, przy której liczba niezrozumiałych pakietów (a w konsekwencji i liczba powtórzeń)
będzie minimalna. Czynność ta musi być wykonana tylko raz dla każdej ze stosowanych
radiostacji.
Drugim parametrem wymagającym optymalizacji jest amplituda sygnału
wyjściowego modemu. Sygnał ten doprowadzany jest bezpośrednio do diody waraktorowej
nadajnika z pominięciem jakichkolwiek filtrów i układów ograniczenia lub automatycznej
regulacji wzmocnienia. Amplituda sygnału decyduje więc bezpośrednio o dewiacji nadajnika.
Sprawa jest dosyć krytyczna ponieważ:
- zbyt mała dewiacja ogranicza poważnie zasięg stacji w ogólności a zastosowany standard
modulacji cyfrowej jest b. wrażliwy na siłę odbieranego sygnału i zbyt mała dewiacja
szybko ogranicza lub uniemożliwia prawidłowy odczyt pakietów po stronie odbiorczej. Powoduje
to szybki wzrost liczby powtórzeń pakietów. W krańcowym przypadku transmitowane są
wyłącznie powtórzenia.
- zbyt duża dewiacja oznacza poszerzenie pasma nadawanego sygnału i powstanie zakłóceń
w kanałach sąsiednich a także po przekroczeniu zakresu dynamiki demodulatora u
korespondenta obniżenie zrozumiałości pakietów wskutek zniekształceń nieliniowych
sygnału. Również i w tam wypadku szybko wzrasta liczba powtórzeń pakietów.
Znalezienie poziomu zbliżonego do optimum może również w
najprostszym przypadku wymagać stopniowych zmian amplitudy sygnału (większość rozwiązań
modemów i kontrolerów wyposażona jest w potencjometr do regulacji amplitudy - przeważnie
zresztą dostępny z zewnątrz) tak aby uzyskać minimum powtórzeń pakietów i w konsekwencji
maksymalną efektywną szybkość transmisji. Również i ta czynność musi być wykonana tylko
raz dla każdej z radiostacji.
Wielu operatorów lekceważy jednak powyższe wskazania i podejmuje
próby korzystając z fabycznego lub przypadkowego ustawienia parametrów. Efektem jest
najczęściej znaczna liczba powtórzeń blokująca kanał i dająca wrażenie, że szybkość
transmisji niewiele różni się od szybkości dla 1200 bit/s lub jest nawet niższa.
Konsekwecją tego są niestety najczęściej długie dyskusje nt. nieprzydatności tego
lub innego modelu radiostacji czy modemu, często też jego sprzedaż albo poszukiwanie
sprzętu, który (przypadkiem) sprawdził się u któregoś z innych użytkowników.
W rzeczywistości w technice (tak jak zresztą w całej przyrodzie) nie ma nic za
darmo i większe szybkości transmisji trzeba okupić także większym nakładem pracy.