Introductie Digitale mode / digitale spraak
Digi mode is in de radiowereld de verzamelnaam van een veelheid aan modulatievormen (en protocollen) voor digitale signaal overdracht.
Wat er dan digitaal overgedragen wordt, kan van alles zijn..
- berichten / gegevens (data)
- afbeelding
- video (streaming)
- ...
- en ook spraak / Digital Voice (DV)
- of een combinatie van bovenstaande
Dit artikel is bedoeld als introductie tot deze wereld. Een wereld met veel theorie, techniek, termen en afkortingen.
Digitaal
Tegengesteld aan analoog. Een digitaal signaal heeft slechts twee discrete waarden: aan-uit of 1-0. Tussen deze twee uitersten zijn er geen tussenliggende waarden gedefinieerd. De bit is de eenheid van digitale informatie. Bit is de afkorting van binary digit of binair cijfer (1 of 0). Een byte is een samenstelling van 8 bits.
Door een draad (seriële kabel) worden de bits achter elkaar (serieel) verstuurd.
Dit gaat vergelijkbaar bij eenvoudige modulatie technieken via de ether. Bits worden na elkaar verzonden.
De overdrachtssnelheid wordt bepaald door de tijd per bit. Een hogere overdrachtssnelheid vergt een grotere bandbreedte.
CW
Het is een beetje hoe je er naar wil kijken, maar CW is de oudst bekende digitale mode... Een vast radiosignaal dat aan en uit geschakeld wordt (bekend als 'continuous wave' of CW).
Om informatie over te brengen moet een code afgesproken worden. Samuel Morse bedacht de Morse code.
RTTY
RTTY (Radio TeleTYpe) is een telecommunicatiesysteem dat bestaat uit 2 telextoestellen die met elkaar verbonden zijn via radio.
RTTY gebruikt verschillende modulatie methodes, waarvan FSK (Frequency-Shift Keying) de meest gebruikelijke is. De frequentie van het signaal schuift heen en weer van de frequentie voor het weergeven van een 0 en de frequentie voor het weergeven van een 1.
Ook nu is een afspraak (code) nodig om informatie (de tekens) over te brengen. De (vijf-bit) Baudotcode is door Emile Baudot ontworpen.
AMTOR (Amateur Teleprinting Over Radio) is vergelijkbaar met RTTY.
Bits versus Modulatie
Bij eenvoudige modulatie technieken worden de bits één voor één achter elkaar verzonden. Dit wordt 2-level modulatie genoemd. Een lage frequentie vertegenwoordigd bijvoorbeeld de "0" en een hoge frequentie vertegenwoordigd de "1".
Elke signaalwisseling brengt dan 1 bit over. Als voorbeeld: 4800 signaalwisselingen per seconden (4800 baud) levert 4800 bits/sec op.
Er zijn echter complexere modulatievormen waarbij meer dan twee niveaus bestaan per signaalwisseling. Veelal wordt fasemodulatie toegepast. In het Engels PSK (Phase Shift Keying). Deze techniek wordt ook bij modems toegepast.
Een sinus is voltooid na 360 graden. Tijdelijk wordt de draaggolffrequentie 45 graden of 90 graden of 135 graden of 180 graden eerder of later gestuurd. Op die manier zijn er acht (8-level) verschillende sinusposities te onderscheiden. Hiermee kunnen dan drie bits (2^3 = 8) per signaalwisseling worden gecodeerd. Bij een signaalwissel snelheid van 4800 baud worden dan 19600 bits/sec overgedragen.
Wordt de fase 90 of 180 graden eerder of later gestuurd, dan krijg je 4-level modulatie. Dit geeft vier niveaus per signaalwisseling. Bij een signaalwissel snelheid van 4800 baud worden dan 9600 bits/sec overgedragen.
De 4-level of 8-level PSK of FSK modulatie technieken zijn de basis voor veel moderne digitale modi.
Mode - Modulatie - Protocol
Het is een wirwar aan termen in de digitale modi wereld... De term modulatie is bij zendamateurs een bekend begrip.
Een Protocol is een afspraak meestal in de vorm van een aantal uit te voeren stappen.
Termen voor Modi, Protocollen en Modulatie worden soms door elkaar gebruikt. Dat is op zich niet zo erg, maar wel verwarrend. Zo is de momenteel zeer populaire FT8 mode een Protocol (7 stappen van 15 seconden elk) uitgezonden in 8-FSK (8-level FSK).
Audio (voice)
Hoe zet je analoog audio om naar een digitale waarde?
Door op een aantal momenten te meten wat de amplitude is van het audio signaal en die waarde(n) om te zetten in een reeks van (digitale) getallen. Dit proces wordt sampling (bemonstering) genoemd.
Dit omzetten wordt meestal uitgevoerd door een analoog naar digitaal omzetter of AD-converter (ADC).
Termen die hierbij horen zij:
- sample-frequentie (aantal metingen per seconde)
- resolutie (aantal bits per sample)
Een betere kwaliteit vergt een hogere sample-frequentie en voldoende bits per sample. Derhalve ook meer bytes, en dus een hogere bitrate. Een hogere bitrate geeft ook een grotere bandbreedte van het radio signaal.
Het weer terug krijgen van audio vanuit een digitaal signaal (stream) gebeurt met een digitaal naar analoog omzetter of DA-converter (DAC).
Gedigitaliseerde spraak wordt vaak afgekort tot DV (Digital Voice).
Tekensets (data)
De (vijf-bit) Baudotcode is een voorbeeld van een tekenset. Speciaal ontworpen voor de telex.
Er zijn vele tekensets ontworpen. De bekendste is de ASCII tekenset.
De standaard ASCII-tabel bestaat uit de 94 zichtbare tekens (hoofdletters en kleine letters, cijfers, leestekens en enkele andere symbolen), de spatie, en 33 stuurcodes. De stuurcodes representeren geen zichtbare tekens, maar zijn opdrachten aan uitvoerapparaten (of geven informatie over de gegevens die verstuurd worden). De bekendste stuurcodes zijn wel carriage return, linefeed en DEL.
De ASCII code bestaat uit 7 bits. Met 7 bits kun je 2 tot de macht 7 = 128 tekens maken.
Huh... een byte bestaat toch uit 8 bits...
Storing en ruis
Net als bij analoge modulatie is er bij digitale communicatie ruis en storing. Hinderlijk en lastig, maar het 'lezen' van een 1 in plaats van een 0 heeft grote consequenties. Een voorbeeld in ASCII:
Stel dat 1000010 (= letter B) verzonden is en 1001010 (= letter J) ontvangen (in een woord als "Bouwen" valt dat misschien niet eens op...).
Bij digitale audio leveren fouten (soms) hoorbare 'kliks' of hogere frequentie bijproducten op.
Fout herkenning
Door bit(s) toe te voegen kun je controleren of de voorgaande bits juist zijn overgekomen. Dat is één van de redenen waarom de ASCII code uit 7 bits bestaat. Het 8e bit wordt gebruikt als pariteitsbit. Een pariteitsbit geeft aan of een binaire code een even (of oneven) aantal logische enen heeft.
Deze methode geeft geen zekerheid. Vallen twee bits om, dan lijkt het alsnog te kloppen. Valt het pariteitsbit om, dan wordt ten onrechte een fout herkend.
Het toevoegen van extra bits wordt redundantie genoemd.
Door meer redundante bits (of bytes) toe te voegen wordt de herkenning van fouten beter. Eén van die technieken is CRC (Cyclic Cedundancy Check).
Bij het herkennen van een fout zal om heruitzending gevraagd moeten worden (of fouten accepteren).
Fout correctie
Bij foutcorrectie is de ontvanger in staat om uit de foutief ontvangen informatie te herleiden wat de meest waarschijnlijk verzonden informatie was. Hierbij wordt gebruikgemaakt van redundante fout corrigerende code (veelal extra bytes). Een wiskundig algoritme is dan in staat te bepalen welke bits gecorrigeerd moeten worden. De foutkans wordt hierdoor verkleind, maar is nooit helemaal nul.
Foutcorrectie voorkomt dus heruitzenden.
Fout correctie voegt dus ook extra bit(s)/bytes toe. Dit gaat ten koste van de efficiëntie in data overdracht.
Afhankelijk van de toepassing is het dus een keuze hoever je moet (of wilt) gaan.
Bij b.v. C4FM is 1/3 van de Voice datastroom in gebruik voor fout correctie bits. Dus slechts 2/3 is beschikbaar voor het daadwerkelijke (digitale) audio signaal.
De techniek voor foutcorrectie wordt meestal FEC (Forward Error Correction) genoemd.
Opmerking: zowel bij herkenning als correctie kunnen ook de redundante bits beschadigd zijn...
Compressie
Datacompressie is het 'samenpersen' van digitale gegevens in minder bits dan oorspronkelijk. Er zijn heel veel compressie technieken ontwikkeld. Denk bijvoorbeeld aan mp3 en jpeg.
Een voorbeeld van audio compressie is de GSM-code. Het digitaal spraaksignaal (dat bij vaste telefonie wordt gecodeerd met 64 kbit/s) wordt gecomprimeerd is tot 13 kbit/s. Een factor 5!! En toch met een acceptabel hoorbaar verlies van kwaliteit.
Voor de drie HAM Radio digitale netwerken (D-Star, DMR en System Fusion) wordt dezelfde audio compressie techniek gebruikt, de AMBE+ codex (DMR en System Fusion gebruiken AMBE+2).
In de praktijk
Bovenaan deze pagina vind je een lijstje van digi modes die in de radio amateur wereld in gebruik zijn (en op deze website nader worden geïntroduceerd). De lijst is ver van compleet, maar voor nu een aardig begin...
