Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/1

Prof. Dr.-Ing. M. HartjeFachbereich

Elektrotechnik & Informatikhartje@etech.hs-bremen.de

FreeDV- den SSB-TRX fit für die digitale

Sprachübertragung machen

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Übersicht

Digitale Sprachübertragung – wie geht das?

FreeDV – wie kann ich das nutzen?

Vorführungen (wenige)

Video (youtube.com dk5hh suchen)

Eine Bitte an Video-Filmer: mir eine Kopie anbieten!

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Was wäre das einfachste?

Digitale Sprachübertragungsverfahren lassen sich mit den vorhandenen Geräten einfach nutzen

Neue Geräte haben das Verfahren als Modulationsverfahren / „Betriebsart“ eingebaut

Mit einer kleinen Modifikation kann man die vorhandene Technik nachrüsten

Unsere Welt sieht leider anders aus!!!

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Anforderungen an digitale Sprachübertragung auf KWKann ich meine vorhandene Technik weiter verwenden?

Erreiche ich damit auch weiterhin alle meine bisherigen Gesprächspartner?

Ist die Betriebstechnik (QSO) mindestens so einfach wie bei SSB?

Geht das nur auf bestimmten „Kanälen“?

Muss ich mich irgendwo anmelden?

Brauche ich Internet in der Station dafür?

Wie aufwendig ist die zusätzliche Technik?

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HF-Sprechfunk

AM - Nutzbandbreite: 6 kHz

FM > 29,5 MHz: 12 kHz

SSB seit Mitte der 1960ziger JahreNutzbandbreite < 3 kHz (USA: < 2,7 kHz)

Digitale Modulationen (heute noch im Anfang)

Versuche in der Vergangenheit (ca 15 J)

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Situation auf HF-Bändern Enge Belegung geringes Frequenzband Erkennung: „das ist Amateurfunk“ QRN Splatter vom Nachbarkanal QSB (Ionosphäre)

Für das Frequenzband

Selektiv im Frequenzband

Zeitlich nicht konstant

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Wo stehen wir?Stehen wir vor einem Umbruch? (AM SSB)

Was lehrt uns die vergangene Umstellung? (VHF, UHF → DSTAR, DMR, APCO25, TETRA)

Wir wollen keine patentgeschützten Verfahren!

Unsere HF-Geräte werden sehr alt!

keine Verfahren mit bindender Anmeldung und Organisation!

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Digitale Modulation Sprache HFVergleichbar zu den Textbetriebsarten (aber hier: reine Datenübertragung)nutzt die SSB-Aufbereitung mit Bandbreite <= 3 KHzVorteil: vorhandene Technik nutzen!

(keine neuen Funkgeräte kaufen müssen!)Vorsatzgeräte (Typ Modem)

FDMDV (CELP-Codec) mit 1200 Bit

AOR: 1200 Bit mit OFDM

HamDRM (Dream)DSTAR für HF (Bandbreite > 6 kHz)

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In Zukunft digitale Sprachübertragung – warum?

Akzeptanz des Standards für Kommunikation erforderlich?Integration in die neuen Geräte möglich

Geht noch weniger?Muss es bessere Audioqualität geben?

Anforderungen an SprachübertragungDX und ContestKlönen (Runden)

Stark unterschiedlich

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KommunikationsstandardEingeschränktes FrequenzbandSchnelles WechselsprechenPoint-to-multi pointMöglichst störungsfreie Übertragung von

SpracheKommunikation unter gestörten

BedingungenKeine „Kanäle“ (– im Vergleich zu VHF)

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Worauf beruht der Standard?

Sprachverständlichkeit als Ziel:Erkennen der PhonemeWorterkennungSatzerkennungSinnbildung

Was können / wollen wir weglassen?

Was wollen wir auch noch?Sprecher erkennen Emotionen erkennen

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Verminderung der Datenrate für kleine Übertragungsbandbreiten

Erreichbares Minimum beipersönliche Stimmmerkmale entfernenmit Textübertragung dannSpracherkennung (TX) und TTS (RX)

Digitalisierung + CodierungDatenreduktion (Quellencodierung)

RedundanzIrrelevanz

MP3, OGG-Vorbis, lineare Prediction

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Kodierung und wechselnde Redundanz

Quellen-Codierung

Signal

RedundanzIrrelvanz

Kanal-Codierung

Leitungs-Codierung

Redundanz

Quellen-decodierung

Signal

Redundanz

Kanal-decodierung

Leitungs-decodierung

Fehlerkorrektur + * Störungen

Kanal

Kanal

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Digital Voice Radio System

A/Dcodecenc

FECenc

mod

HF/VHFKanal

D/Acodecdec

FECdec

demod

Störung

TX

RX

bekanntNicht so gut bekannt

ISO: Ebene 1

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Quellencodierung

Was können wir bei der Sprachübertragung

weglassen?

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Sprache ermöglicht

Physikalische Stimmerzeugung mathematisch modellieren

AnalysierenSynthetisierenDifferenz zwischen Modell und Momentanwerten

Übertragung mit Fehlern möglich, da Satzverständlichkeit das Ziel ist

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Sprachkodierung im Überblick

SignalformkodierungZeitbereich

Skalare QuantisierungVektorquantisierung (mit Codebüchern)

FrequenzbereichTeilbänder (SBC)Transformationscodierung

Parametrische Kodierung (Vokoder)Sinusmodellierung (20-40 Schwingungen)Vokoder

Klassischer Vokoder (zB 16 Filterkanäle 2,4-3,2 kBit/s, IMBE, AMBE)

Prädiktionsvokoder (Allpolfilter mit 10 Koeffizienten; CELP, auch CODEC2)

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Parametrische Vocoder

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Modell eines Vocoders

Impuls-generator

Rausch-generator

Sprachtraktmodell(Filter)

Grund-frequenz stimmhaft

stimmlos

Energie

Änderung aller Parameter inkurzen Zeitscheiben: typisch 20 ms

Nachteil: nur zwei Anregungszustände

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Vocoder (Dudley: 1939)

MELP – patentiert, geringe Bitraten, DoDQualität eingeschränktOptimiert für Sprachverständlichkeit

AMBE – patentiertes Verfahren

CELP – Codebook Exited Linear Prediction

Teil vom MPEG-4 (IEC 14496-3)

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Aufgabe der Sprachcodierung

Abtastwerte (mit zB 16 bit bei 8 ks/s = 128 kBit/s)Aufgabe: Reduziere auf 1200 bit/s (Faktor: 100!)Frage: Was kann wegfallen?

Erkennbare SpracheNatürliche Sprache mit Sprechererkennung

Spracherzeugungsmodell modellieren, und Parameter übertragen

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Sinusansatz der Sprachmodelle

Pitch Period35 samplesor 4.4ms at 8kHzsample rate

Time (samples)

Amplitude(16 bit samples)

Q:www.rowetel.comErsteller: D. Rowe, VK5DGR

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Sinusansatz der Sprachmodelle

Amplitude(dB)

Frequency (Hz)

Pitch 230Hz or 4.3ms

Harmonics of 230Hz

1

2

3

4

5

6 7

8 9 10 1112

13

14

Ziffern: Oberschwingungen

Q:www.rowetel.comErsteller: D. Rowe, VK5DGR

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Codecs und deren Datenraten sowie der Qualitätsbewertung MOS

Aus Fellbaum: Digitale Sprachübertragung

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Kanalcodierung – FEC

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Vorausschauende Fehlerkorrektur (FEC)

Untersuchung möglicher Kanaleigenschaftenz.B. frequenzselektives FadingAlle Formen von überlagernden Störung

Bestimmung der möglichen Bitfehler und zeitlichen EigenschaftenVorsorgeprinzip darauf angepasst„mehrfache Prüfsummen“ ermöglichen

Erkennung von FehlernKorrektur von Fehlern

FEC für Codec2 schützt besondersTonhöhe und Filterkoeeffizienten

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„Leitungskodierung“

Modem als Leitungskodierer

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Aufgabe eines „Modems“'hohe' Übertragungsrate bereitstellen / sichern

optimale Nutzung der festgelegten Bandbreite

optimale Nutzung der Kanaldynamik (Signal-Störabstand)

Verzerrungen des „Bandes“ vermindern

Physikalische Anpassung an Kanal logische Bits in Übertragbares umwandeln

Modulation von Bits

Vice versa im Demodem

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Vocoderdaten übertragen?Niedrige Datenrate niedrige BandbreiteSicherung gegen Fehler erfordert Kanalstörungen zu untersuchenEinfache Anwendung bei Inband-ÜT SSB, oder FMHuckepack bei DSTAR-Datenkanal?

Lösungsansatz aus 2007: G3PLX: FDMDV

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ModemsGMSK (für VHF gut Beispiel DSTAR)

Einschränkungen bei selektivem Fadingzu hohe Bandbreite (QPSK 1,5 Bit / Hz)

Mehrfrequenz-VerfahrenOFDM mit optimalem AbstandFDM (DV)

FreeDVFDM-VerfahrenGUIModemverfahrenFrei von Patenten (DV hat sonst immer

patentierte Verfahren)Von Funkamateuren für Funkamateure

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FreeDV Frame

Mehrere Frame-Definitionen (weitere Entwicklung)

Mehrere Bitraten im Modem („historisch“ Dez. 2012: 1400 bit/s )

Empfohlene Einstellung derzeit „1600 bit/s“Sprachdaten CODEC2: 1275 bit/sText (Varicode): 25 Bit/sFehlersicherung (FEC) 300 Bit/s

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FreeDV Modem1600 bit/s mit FDM verteilt (parallel) auf

16 DQPSK mit 50 Symb/s (2 Bit/Symb)

1 DBPSK mit 50 Symb/s (1 Bit/Symb) + 10 dB Amplitude (nur Synchronisation)

Frequenzabstand: 75 Hz (wg. Seitenbändern der QPSK-Modulation)

(Vorführung?) – Folie

Beispiel DL9BQ TX- 80m RX: WebSDR

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80 m mit 100 W (DL9BQ)

7 ·10-2 = 7 %

3 ·10-2 = 3 %

BERBit Error Rate

ZeitZeit

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Vergleich SSB-DVAudio-Beispiel (BER 6%)

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FDMDV2 - Modem

Frequency Division Multiplex Digital Voice

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Codec2 – OpenSource Vocoder + FreeDV Modem für HF

GUI für Quellen-, Kanal- und LeitungscodierungVocoder: 1200, 1300, 1400, 2500 Bit/sFEC-RoutinenFDMDV-Modem (andere Eigenschaften möglich)

16 Träger, Δf=75Hz, DQPSK , 50 Symbole/sBandbreite: 1,2 KHz, 1 Synchronisations-Träger1600 Bit/sÜbertragen im Sprachkanal SSB oder FMschnelle Frequenzkorrektur 200 Hzumschaltbarer großer Frequenzabstand (125 Hz)

B = 2 kHzTexte und Befehle können übertragen werden

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FDMDV BlockschaltbildSymbolrate

50 Hz

raised root cosine

Abtastrate8000 Hz

fu: 900fM:1500fo: 2100

1400 Bps

Q:www.rowetel.comErsteller: D. Rowe, VK5DGR

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Konstellationsdiagramm FDMDV

InformationPilotton

Pilotton

Q:www.rowetel.comErsteller: D. Rowe, VK5DGR

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Modem = KanalcoderDerzeitiger Projektstand:

Erste praktische Realisierungen von Kanalkodern mit Forward Error Correction-Zusatz und Schutz wichtiger SprachbitsBitfehler von einigen % werden ausgeglichen

Beispiel 40m: FadingFrequenzselektives FadingDurchlaufendes Fading ändert sich von

Durchgang zu Durchgang

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FDMDV2 auf 40 m V0.961 23.3.13

QSB

QSB-laufend selektives Fading

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Folgende Durchgänge (40m)

300 Hz/s120 Hz/sFrequenzänderung des QSB

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Radio-Station

TRXRechner

Ext

. S

ound

Mikro

Lautspr.

Int.

So

und

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Vorführung

FreeDV

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TX mit Modem

Modem verlängert die Verstärkerkette

Übersteuerung erzeugt Clipping Bitfehler

Beispiel Überlagerung mehrere Sinusschwingungen

Vorführung GRC-PAPR

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Dynamik des Signals

Spannungsverhältnis ¼ 12 dB

Mehr Töne: höherer Dynamikumfang(zB statt 14 für 1400 Bit/s 16 für 1600 Bit/s)

Clipping der Spitzen erzeugt Bitfehler

Wenige Bitfehler sind durch FEC ausgleichbar

Vorschlag mit Beispiel zum Einstellen des TX:CW (SSB-Einton) 100W (Average)

FreeDV 15W (Average) (über Mic-Gain)

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Aussteuerung

Für SSB-BetriebTX: Mikrophonregler + ALCRX: RF-Gain + AGC + AF-Gain

Mit FreeDV

Amplitude zum SenderMikrophonempfindlichkeit zum CodecAussteuerlautstärke RX zum CODECLautstärke des decodierten Signals

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Heutiger Stand FreeDV

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Stand (1)

Opensource Quellcode fürCODEC2FreeDV

Binärcode für

LINUX-DistributionenWindowsMACJava (Android) noch in weiterer Entwicklung

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Stand (2)Modem

FDMDV – Mehrfrequenzverfahren mit schneller Synchronisation 1,1 bis 1,3 kHzGMSK mit „besserem“ CodecDiskussion über OFDM-Verfahren (wer macht es?): Ziel: 800 Hz: neue MWGeringere Bitraten auch bei CODEC2

HardwarePC (Shackanwendung)Raspberry(?), CubieBoard, Beaglebone (Vorsatz)Entwicklung: DSP Einbau in GeräteEntwicklung Speakermike (Vorsatzgerät)

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Blockschaltbild „Speakermike“ Vorsatzgerät

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Speakermike produktionsreifer

Entwurf zum „Speaker-Mike“

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Speakermike FREEDV verwendet STM32F4- Microcontroller Softwareentwicklung weit

fortgeschritten Hardwareentwürfe fertig

Produktion ab Herbst 2014 erwartet Erwarteter Preis: 150 EUR

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Alternative: Kleinstrechner

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Mögliche Kleinstrechner

Raspberry PI

Cubieboard

4-fache Leistung RasPiBeagleBoneBlack

Futro A210

Dual-Core

Bildquellen: Werkbilder

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Beispiel mit Cubiboard 2

Cubieboard 2 (dual-core) 74 €

2 USB-Soundkarten 6 €

Steckernetzteil mit Kabel 4 €

Speicherkarte 3 €

Vollständiges autarkes

Interface 90 €

Es geht auch preiswerter

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EntwicklungstrendsSpeakermike mit preiswertem DSPImplementierung auf Mikrorechnern (PI, Cubie, BeagleBone Black, Futro A210)Headless Modem – derzeit durch SkripteModulationsverfahren OFDM?SDR-Transceiver als Partner ergänzen mit integriertem Modem2€-USB-Soundkarte mit PTT (hamlib, CM108)Codec2 verändern (selbst experimentieren!!!)

Fließkomma / Festkomma-ImplementierungenHigh Quality CodecLow bitrate (erwartetes Limit: 800 Bps)FEC in Diskussion

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ZusammenfassungWie funktioniert digitale Sprachübertragung

bei niedrigen Bitraten?Wie kann man Sprache kodieren?Was ermöglichen Codec2 und FreeDV?Was ist bei der Anpassung den SSB-TRX zu

beachtenWo finde ich weitere Informationen?

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Quellen / Diskussion

www.freedv.org (zum Einstieg!)

Dort: QSO-Finder

Dort: link zu Google-group DV

GRC-Beispiele / Folien

Diskussion???