Extreem zwakke signalen

Een beknopt overzicht van enkele veel gebruikte technieken bij het ontvangen van extreem zwakke signalen.

Onder ander vanwege de onmogelijkheid om op 136 kHz een antenne met een redelijk rendement te gebruiken, heeft men op deze band vaak te maken met extreem zwakke signalen. Daarnaast vereisen zowel de aanwezigheid van het sterke LORAN-C(1) signaal op 100 kHz als de aanwezigheid van eveneens sterke NDB(2) signalen vanaf 200 kHz een behoorlijke selectiviteit van de ontvangstinstallatie.

Het gebruik van smalle filters is traditioneel een van de middelen om dit te bereiken.

Het is een open deur intrappen als we zeggen, dat om smalle filters te kunnen gebruiken, men ook een smal en vooral stabiel signaal nodig heeft.

Een beetje rekenwerk

Om u een idee te geven waarover we spreken, maken we eerst een kleine rekensom.

Bij een 12 WPM CW signaal duurt de punt ongeveer 0,1 seconde. We kunnen zeggen, dat 5 punten opeenvolgend, inclusief tussenpauzes, zo'n 1 seconde duurt.

Zonder verder op de theorie in te gaan, kunnen we stellen dat 3 keer de frequentie van het kortste teken als bandbreedte van het filter nodig is. Dit maakt 1/30 seconde of te wel 30 Hz. Dit is de minimale filterbandbreedte nodig voor een 12 WPM signaal. Het zogenaamde ideate filter dus.

Gebruiken we hiervoor een standaard SSB filter (2,4 kHz), dan is zo'n filter dus 80 keer breder dan noodzakelijk en zal het dus ook 80 keer zoveel energie doorlaten als strikt noodzakelijk is. Immers het door ons gewenste signaal is slechts 30 van de 2400 Hz breed. Anders gezegd: de ongewenste energie is zo'n 19 dB sterker dan het gewenste signaal.

De bovengenoemde waarde is alleen van toepassing op machineverwerking.

De meeste mensen hebben namelijk bij de geboorte een ingebouwd en zelflerend psychisch audiofilter gekregen. Hierdoor zijn we ons vaak niet bewust, dat we aan het filteren zijn. Mensen, die met een gehoorapparaat verblijven in ruimtes met veel verschillende geluidsbronnen, weten precies wat hier bedoeld wordt.

Gaan we met de seinsnelheid naar beneden, dan zal dit tot gevolg hebben, dat het aandeel van "nutteloze" energie steeds groter zal worden. Als we geen aanvullende maatregelen nemen zal dit dus weinig effect hebben. Analoog aan ons gedrag, wanneer we willen spreken met iemand in een ruimte met veel achtergrondrumoer, zullen we dan ook de volgende maatregelen nemen:

We ontvangen niet meer signaal dan strikt noodzakelijk is.
We verwijderen alle overbodige signalen en concentreren ons op de door ons gewenste/verwachte signalen.

Waarom smalle signalen?

Iedereen, die wel eens getracht heeft om zwakke datasignalen te detecteren, weet dat hoe lager de datasnelheid is, hoe smaller het filter gemaakt kan worden. Of te wel: hoe lager de bit-rate, hoe smaller de bandbreedte kan zijn. Met andere woorden: als we een zwak signaal hebben, moeten we onze energiebundel zo smal als mogelijk maken. Dit geldt zowel voor de zender als de ontvanger.

Heel theoretisch kunnen we dan ook de volgende stelling verkondigen: Hoe lager de datasnelheid, hoe lager de benodigde bandbreedte en hoe lager het benodigde vermogen is om een acceptabel signaal/ruis niveau te krijgen. Dit geldt zolang de uitkomst nadert tot nul. Nul is als waarde uitgesloten.

QRSS

QRS betekent in de Q-code zoiets als: "Ga alstublieft wat langzamer seinen!"

Een goede CW-operator zal vaak automatisch langzamer gaan seinen, indien hij een slecht ontvangstrapport krijgt. Ook QRP-ers zien vaak of van het gebruik van hoge seinsnelheden. Dit om de kans op een succesvol QSO te vergroten. QRSS is als naam gekozen voor de extreem langzame CW, zoals die gebruikt wordt door zendamateurs, welke experimenteren met extreem zwakke signalen in het LFgebied (136 kHz).

Wat verstaan we onder QRSS?

De uitdrukking QRSS wordt meestal gebruikt in combinatie met de duur van de punt in seconden. Dus QRSS90 betekent dus een puntlengte van 90 seconden.

We praten over QRSS als de seinsnelheid lager is dan 2 WPM. In de praktijk is bij QRSS de seinsnelheid vele malen lager. Zo is bij QRSS90 de seinsnelheid 0,0133 WPM of misschien wat meer aansprekend: 0,798 woorden per uur!

De benodigde bandbreedte is dan 0,033 Hz of te wel 33 mHz (milli-Hertz).

Zouden we dit willen opnemen met een SSB filter, dan bedraagt het ongewenste component 48 dB.

Beter is het natuurlijk de vergelijking te maken met gebruikmaking van een heel smal CW filter (30 Hz). Echter dan praten we nog altijd over 29 dB. Wanneer we CW 12 WPM in een 30 Hz filter vergelijken met een QRSS90 signaal in een 0,033 Hz filter, dan kunnen we theoretisch stellen, dat we voor het QRSS-signaal 900 keer (-29 dB) lager vermogen nodig hebben om dezelfde signaal/ruis verhouding te krijgen.

Het zal iedereen duidelijk zijn, dat er wel erg veel van het concentratievermogen van een mens gevraagd wordt om bij seinsnelheden van 0,8 woorden per uur op het gehoor nog iets zinnigs op papier te zetten. Daarom wordt de detectie verder overgelaten aan een machine (computer). Dit laatste hoeft overigens nog geen automatische decodering in te houden!

Hoe detecteren we met de computer geluidsignalen?

Bij QRSS en ook andere smalbandige communicatietechnieken zoals PSK31 wordt veelal gebruik gemaakt van een PC met een geluidskaart.

Feitelijk gebeurt er het volgende op de computer:

Het programma neemt periodiek (bijvoorbeeld iedere milliseconde) een monster van het geluid over een bepaald frequentiegebied. Dit monster wordt in kleine plakjes bekeken. Vervolgens wordt van elk plakje (een deel van het geluidsmonster dus) de amplitude bekeken en opgeslagen in een tabel. Meestal gebeurt dit met een A/D converter. De gebruikte analysetechniek staat bekend als de Fourier analyse.

Hoe smaller het frequentiegebied dus is, hoe nauwkeuriger een signaal gedetecteerd kan worden.

Een daarvoor geschikt programma analyseert zo het ontvangen geluidssignaal en verwerkt dit in een tabel met drie velden: X, Y en Z en een heleboel rijen.

In het X-veld staat de frequentie van het signaal, in het Y-veld staat het tijdstip en in het Z-veld wordt de sterkte van het signaal weggeschreven.

Een ander programma (of deel van het programma) geeft deze tabel weer als een waterval. Op de X-as staat de frequentie, de Y-as dient voor het tijdstip, de waarde van het Z-veld wordt vertaald door het pixel op XY meer of minder helderheid of een andere kleur te geven.

Het zal duidelijk zijn, dat wanner de tabel eenmaal gevuld is, deze tabel weer voor andere analyses kan worden gebruikt. Op deze manier kan een en ander vertaald worden naar mensleesbare tekens.

Natuurlijk is het mogelijk om aan de hand van de watervalprojectie het signaal visueel te decoderen en is lang niet altijd verdere machineverwerking noodzakelijk.

Ontvangsttechnieken

Het zal duidelijk zijn, dat voor het kunnen ontvangen van smalbandige signalen stabiele zenders en ontvangers nodig zijn. Wanneer er bij QRSS een afwijking zou zijn van 0,033 Hz in de 90 seconden, zou dit betekenen dat de sterkte in die periode gehalveerd zou zijn en dus de gevoeligheid met 3 dB is afgenomen.

Indien dit zich zou voortzetten in de volgende geluidsmonsters, dan is het voor de software heel moeilijk te locken op het juiste signaal.

Visueel zouden we het misschien nog volgen als er geen andere signalen zouden zijn, maar bij veel storing is het heel moeilijk, ook visueel, de juiste conclusies te trekken.

Immers het signaal verdwijnt dan in de totale chaos (= ruis).

Bij dit alles moeten we bedenken dat het bier gaat om signalen, welke meestal nauwelijks of niet sterker zijn dan de ruis. Alleen de regelmaat bepaalt of we te maken hebben met ruis of een signaal.

Er kan worden gesteld, dat radio's met een analoge VFO niet geschikt zijn om dit soon signalen correct te verwerken. De stabiliteit van zo'n VFO is uit te drukken in korte en langdurige stabiliteit. De typische langdurige stabiliteit van een dergelijk VFO (100 Hz/uur) maakt dat de bruikbare bandbreedte 0,05 Hz of hoger is.

Fig. 1
Figuur 1.

Een bijkomend probleem is dat de hier gebruikte bandbreedte in een watervalspectrum veelal ruim onder 100 Hz ligt. Hierdoor zou het VFO uit het bereik kunnen lopen.

Naast de technische stabiliteit is er ook nog de faseverschuiving van het signaal ten gevolge van propagatie. (Doppler-effect)

In feite is het verschuiven van de fase hetzelfde als het veranderen van de frequentie. Als een signaal van 1 kHz 360° naar achteren verschuift, zal dit feitelijk resulteren in een signaal van 999 Hz, ofwel een verschil van 1 Hz! Bij 136 kHz spreken we over een golflengte van ruim 2 kilometer. Door wisselingen in het pad kan heel eenvoudig de afstand 1 kilometer groter of kleiner worden. Dit resulteert dus in 180° faseverschuiving.

Dit laatste zal er al snel toe leiden, dat we niet geneigd zijn om smallere filters te gebruiken dan abosluut noodzakelijk is. Gelukkig is de propagatie op LF een stuk stabieler dan op HF. Hierdoor kunnen we vaak wel heel smalle filters toepassen in het LF gebied.

Dual Frequency CW (DFCW)

Uit het bovenstaande blijkt, dat het softwarematig "locken" een probleem zou kunnen zijn. Immers na een rustpauze kan het soms moeilijk zijn op het juiste signaal te "locken". Immers QRN kan behoorlijk roet in het eten gooien. Daarnaast duurt zo'n QSO wel erg tang met daarbij het risico, dat ondertussen de propagatie verandert. Daarom is er een nieuwere methode ontwikkeld, waarvan de effectieve snelheid zo'n 2,5 tot 3 keer zo hoog is als QRSS.

Wanneer men een CW-sigmaal digitaal bekijkt, dat bestaat het signaal uit een serie enen en nullen. Heel simpel gesteld zou men een streep kunnen vertalen in '1110': drie keer een 1, gevolgd door een 0, een punt kunnen we als '10' voorstellen en de tussenperiode tussen twee karakters als '00'.

Bij traditionele CW en QRSS worden de tussenperiodes, '0' dus, weergegeven door geen signaal, terwijl de lengte (de duur) van wel een signaal de hoeveelheid enen weergeeft.

Bij DFCW is het element "duur" vervangen door het element "frequentie" en zijn karakters bevrijd van de nul.

Alleen de karakterruimte is behouden. Men gebruikt dus bij DFCW voor strepen een andere toon dan voor de punten, maar de duur is voor zowel punt als streep even lang. In figuur 1 is het woord CQ twee keer weergegeven. Het bovenste in traditioneel CW/ QRSS, terwijl de onderste hetzelfde woord, met dezelfde puntlengte in DFCW is weergegeven.

Op deze manier kan zo de tussen ruimte tussen punten en strepen vervallen. De tussenruimte tussen karakters kan men beperken tot 2 lengten. Hierdoor kan men een grote tijdwinst boeken.

Toen het idee van DFCW voor het eerst werd geintroduceerd, was er heel wat scepsis over de leesbaarheid van frequentieshift signalen, maar in de praktijk schijnt het eerder gemakkelijk te zijn om de tekens van het scherm te lezen.

Om het lezen gemakkelijker te maken, vooral tijdens een opeenvolging van punten of strepen, wordt een korte ruimte (⅓ van de puntlengte) toegevoegd tussen de punten en de streepjes. Dit vermindert de gemiddelde snelheid een beetje, maar verbetert wel de leesbaarheid en ook vermindert zo de inschakelduur van de eindtrap (duty cycle). Vooral (transistor?) PA's schijnen dit bijzonder op prijs te stellen.

Andere technieken

Naast deze, op telegrafie gebaseerde, technieken worden er ook digitate technieken gebruikt. De meest hoopgevende hiervan is WOLF (Weak signal Operation on LF).

Dit is een digitate mode met een bit-rate van 10 bits per seconde. Deze mode wordt gekenmerkt door een vorm van FEC (Forward Error Correction). FEC is een heel woord, feitelijk is het niet meer dan, in het geval van WOLF, 5 keer de karakters herhalen en het resultaat een keer op het scherm weergeven. Dit in tegenstelling tot vele andere digitate communicatieprotocollen, welke werken met een checksum. Deze vragen pas om herhaling, als achteraf de checksum niet correct is. Omdat bij FEC de foutcorrectie vooraf gebeurt, gebruiken we flier het be-grip "forward error correction".

De door WOLF gebruikte correctiemethode is overigens ietsjes slimmer dan de hier genoemde "kale" FEC.

Het voert te ver om in het kader van dit artikel verder op deze correctiemethode in te gaan.

WOLF is feitelijk een BPSK signaal van 10 B/sec. De theoretische bandbreedte is dus 10 Hz. Echter, afhankelijk van hoe de BPSK gemoduleerd wordt, kunnen de zijbanden, tot op een paar honderd Hertz, vrij sterk zijn. Dit kan natuurlijk al snel Leiden tot ergernis van andere gebruikers op de smalle band. Gelukkig kent WOLF de mogelijkheid om de overgangstijd van de faseverschuiving te verhogen. Hier-door nemen de zijbanden sterk af.

Ten slotte

Een QSO maken met extreem zwakke signalen is niet iets wat we snel 'even' doen. De inhoud van de QSO's is daarnaast meestal beperkt tot het hoogst nodige om een QSO 'rond' te krijgen.

Ook worden er bepaald geen hoge datasnelheden behaald. Maar het is wel een methode om het uiterste uit zowel mens als machine te halen. In die zin zouden we kunnen spreken van voorlopers in de techniek.

Naast technische en operationele vaardigheden wordt van de operators ook een flinke portie geduld en doorzettingsvermogen gevraagd.

Veel mooier gezegd: het werken met extreem zwakke signalen is in alle opzichten een echte uitdaging!

Notes

LORAN-C (Long Range Navigation) is een plaatsbepalingssysteem, welke vooral door de scheepvaart wordt gebruikt. De het dichtst bij Nederland gelegen zender is gestationeerd op het Duitse eiland Sylt.
NDB zijn Non Directional Beacons en hebben een soortgelijke functie als het LORAN-C voor de luchtvaart. In Nederland is het NDB van Stadskanaal (STK) de laagste in frequentie: 315 kHz.

Enige nuttige links met o.a. informatie over gebruikte softeware:
https://www.weaksignals.com/

Gebruik 136 kHz

Volgens de geldende voorschriften mogen houders van een Nederlandse F-vergunning tussen 135,7 en 137,8 kHz met maximaal 400 watt op secundaire basis de mode AlA gebruiken.

Er is geen officieel bandplan voor 136 kHz.

Dat betekent natuurlijk niet dat er tussen de gebruikers geen afspraken zijn. Min of meer algemeen houdt men zich aan de volgende afspraken:

135,7 - 136,0 kHz	Test en transatlantische ontvangst venster.
135,980 - 136,050 kHz	Aanbevolen transatlantisch venster tussen Europa en Noord-Amerika.
136,0 - 137,4 kHz	Telegrafie.
137,4 - 137,6 kHz	Non-Telegraphy digitale modes.
137,6 - 137,8 kHz	Zeer langzame telegrafie (QRSS) met 137,7 kHz als centrale frequentie.
137,7 - 137,8 kHz	Aanbevolen transatlantisch venster voor contacten tussen Europa en Noord-Amerika.

Johan, PA3AIN.

Rob's web