SIMULATIE VAN QRSS SIGNALEN
(2012)

CLICK HERE FOR THE ENGLISH VERSION

Simulatie van QRSS signalen
QRSS signalen kunnen we simuleren. Uit de ontvanger komt immers gewoon audio. In de programmeertaal Python werd een simulatie programma voor QRSS signalen, ruis en stoorsignalen gemaakt. Dit zijn audio WAV files die met behulp van de QRSS decodeer programma's zoals Argo of Lopora gedecodeerd kunnen worden. We kunnen nu allerlei omstandigheden simuleren en zo bekijken hoe de diverse modulatie modes en software settings ten opzichte van elkaar presteren. Soms zie je de CHIRP modulatie. Ik was ervan overtuigd dat deze veel slechter zou zijn dan de andere. Want om een maximaal signaal uit de FFT analyse te krijgen, moet de frequentie van het signaal zo stabiel mogelijk zijn. En de CHIRP mode verloopt juist heel erg in frequentie! En we kunnen zien wat een S-punt (6 dB) nu eigenlijk doet. En stoorsignalen. En waarom een FFT analyse een window functie nodig heeft.

Het simulatie programma kun je vinden onder de volgende link: SIMULATIE PROGRAMMA VOOR QRSS SIGNALEN

De bij de testen genoemde configuratie files kun je in dit programma inlezen om WAV files te maken. Ook zijn deze configuratie files met een ASCII tekst editor te lezen, zodat je precies kunt zien welke settings voor het maken van de WAV files zijn toegepast. Overigens zijn de "conclusies" mijn heel persoonlijke opmerkingen, dit is absoluut geen serieus wetenschappelijk onderzoek!


Test modulatie modes


De modulatie modes met de call PA2OHH. Links FSK2, midden FSK3, rechts CHIRP mode.

FSK2
Dit is de gebruikelijke QRSS mode. Er zijn twee shifts. De lage shift is een pauze, de hoge shift een symbool (punt of streep). Een punt of een streep wordt aangegeven door de lengte van het symbool. Een punt symbool is 1 dot lengte, een streep symbool is 3 dot lengtes. Omdat er maar 2 shift frequenties zijn, is gekozen voor een totale shift voor FSK2 van 50% van die van de FSK3 en CHIRP mode.

FSK3
Er zijn drie shifts. Alle symbolen zijn even lang. De lage shift is een pauze, de middelste shift een punt en de hoge shift een streep. De lengte van ieder symbool is 1.5x de dot lengte van FSK2. Zo zijn de FSK2 en FSK3 boodschappen ongeveer even lang.

CHIRP
Er zijn drie soorten van symbolen. Een punt is een opgaande lijn, een streep is een neergaande lijn. En een pauze is een horizontale lijn. Alle symbolen zijn even lang. De lengte van ieder symbool is 3x de dot lengte van FSK2. de CHIRP boodschap is dan ongeveer even lang als de FSK2 en FSK3 boodschap. Want de CHIRP mode heeft geen pauze tussen punten en strepen van een karakter!

SHIFT
De shift is kleiner genomen dan de gebruikelijke 5 Hz. Voor FSK2 is 1.25 Hz shift genomen. Voor FSK3 en CHIRP maar 2.5 Hz. Met een kleinere shift passen er meer QRSS signalen in een bandje, zijn er minder onderlinge storingen en de CHIRP mode presteert beter met een kleine shift.


Signaalniveau (gevoeligheid)

Bij een constant ruisniveau zijn een aantal niveau's van het QRSS signaal gesimuleerd. Zo kunnen we de invloed van sterkte variaties van bijvoorbeeld een verdubbeling of halvering van het zendvermogen (3 dB) of een S-punt (6 dB) duidelijk zien.


6 dB zwakker (0.25x vermogen, een S-punt) dan het 0 dB referentie signaal.


3 dB zwakker (0.5x vermogen) dan het 0 dB referentie signaal.


Het 0 dB referentie QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2).


3 dB sterker (2x vermogen) dan het 0 dB referentie signaal.


10 dB sterker (10x vermogen) dan het 0 dB referentie signaal.


20 dB sterker (100x vermogen) dan het 0 dB referentie signaal.

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-reference-6db.cfg
12qrsssim1-reference-3db.cfg
12qrsssim1-reference0db.cfg
12qrsssim1-reference3db.cfg
12qrsssim1-reference10db.cfg
12qrsssim1-reference20db.cfg


Vergelijking met het menselijk gehoor

Dit is een heel interessante test! Alles in de natuur is geoptimaliseerd. Wanneer onze QRSS decodeer software net zo goed presteert als het menselijk gehoor, weten we dat we niet veel meer kunnen verbeteren!
Wel moeten we omstandigheden simuleren, waarbij het menselijk gehoor optimaal presteert. Dus maar 1 signaal. Want wanneer er meerdere signalen hoorbaar zijn, gaat het menselijk gehoor alle signalen combineren om conclusies te trekken. Bijvoorbeeld om te concluderen dat het een audio signaal van een breedbandige of smalbandige CW kortegolf ontvanger is, of muziek of onweer.
En het gehoor is niet bedoeld voor een dot tijd van 3 seconde. Dus simuleren we een enkel morse signaal met alleen maar ruis en een dot tijd van 0.2 seconde oftewel 6 woorden per minuut en passen we de settings van de QRSS decodeer software daarop aan. Mijn ervaring is dat 6 woorden per minuut een vrij optimale snelheid is voor heeeel zwakke signalen. Bekijk de plaatjes en luister naar de signalen door op de linkjes onder de plaatjes te klikken. En trek je eigen conclusies.


Audio file 10 dB hoger (10x vermogen) dan het QRSS referentie signaal, 6 woorden per minuut


Audio file 13 dB hoger (20x vermogen) dan het QRSS referentie signaal, 6 woorden per minuut


Audio file 16 dB hoger (40x vermogen) dan het QRSS referentie signaal, 6 woorden per minuut


Audio file 20 dB hoger (100x vermogen) dan het QRSS referentie signaal, 6 woorden per minuut

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-reference10db6wpm.cfg
12qrsssim1-reference13db6wpm.cfg
12qrsssim1-reference16db6wpm.cfg
12qrsssim1-reference20db6wpm.cfg


Ontvanger bandbreedte (lengte FFT sample reeks)


Normale bandbreedte.
Cosine window; Sample rate 5512; FFT samples 16384; Bandbreedte 417 mHz.


Grotere bandbreedte (2x).
Cosine window; Sample rate 5512; FFT samples 8192; Bandbreedte 834 mHz.


Kleine bandbreedte (0.5x).
Cosine window; Sample rate 5512; FFT samples 32768; Bandbreedte 208 mHz.

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-reference-3db.cfg


Stoorsignalen


Een stoorsignaal op de ondergrens van het QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2).


Een stoorsignaal in het midden van het QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2).


Een stoorsignaal op de bovengrens van het QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2).


Een stoorsignaal op de ondergrens en bovengrens van het QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2).

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-0dbinterfererlo.cfg
12qrsssim1-0dbinterferermid.cfg
12qrsssim1-0dbinterfererhi.cfg
12qrsssim1-0dbinterfererloandhi.cfg


Fading


Snelle fading (1 Hz).


Gemiddelde fading (0.1 Hz).


Langzame fading (0.01 Hz).

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-10db1hzfading.cfg
12qrsssim1-10db0.1hzfading.cfg
12qrsssim1-10db0.01hzfading.cfg


Zwaai (shift)


Kleine shift: Het 0 dB QRSS signaal met 1.25 Hz shift (0.625 Hz voor FSK2).


Referentie shift: Het 0 dB referentie QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2).


Grotere shift: Het 0 dB QRSS signaal met 5 Hz shift (2.5 Hz voor FSK2).


Nog grotere shift: Het 0 dB QRSS signaal met 10 Hz shift (5 Hz voor FSK2).


Heel grote shift die in de praktijk nooit wordt gebruikt: Het 0 dB QRSS signaal met 20 Hz shift (10 Hz voor FSK2).


Onderlinge storingen oftewel Co-interferentie. Diverse signalen storen elkaar.
Met een kleinere zwaai gebruiken ze minder frequentie ruimte en zouden ze misschien wel gescheiden zichtbaar zijn.
Ook is het verband tussen de mark en space signalen bij een kleinere shift beter te zien.

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-0db1.25hz.cfg
12qrsssim1-reference0db.cfg
12qrsssim1-0db5hz.cfg
12qrsssim1-0db10hz.cfg
12qrsssim1-0db20hz.cfg


ARGO speciale mode, de Polyfase FFT


Het 0 dB referentie QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2) weergegeven in Lopora.


Het 0 dB referentie QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2) weergegeven in Argo met Polyfase FFT.


Het 0 dB referentie QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2) weergegeven in Argo zonder Polyfase FFT.


Deel 2 van het 0 dB referentie QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2) weergegeven in Argo met Polyfase FFT.


Deel 2 van het 0 dB referentie QRSS signaal met 2.5 Hz shift (1.25 Hz voor FSK2) weergegeven in Argo zonder Polyfase FFT.


3 dB zwakker (0.5x vermogen) dan het 0 dB referentie signaal weergegeven in Lopora.


3 dB zwakker (0.5x vermogen) dan het 0 dB referentie signaal weergegeven in Argo met Polyfase FFT.


Deel 2 van het 3 dB zwakker (0.5x vermogen) dan het 0 dB referentie signaal weergegeven in Argo met Polyfase FFT.

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-reference0db6000rate.cfg
12qrsssim1-reference-3db6000rate.cfg


Window keuze

Voor deze test is een QRSS referentie signaal gesimuleerd met een 30 dB (1000x in vermogen) hoger en een 40 dB (10000x in vermogen) hoger stoorsignaal. Zonder window functie worden in de FFT analyse sterke ruisbanden rondom deze sterke stoorsignalen gegenereerd. Deze zijn hier zo sterk, dat het QRSS signaal nog maar nauwelijks zichtbaar is. Maar op het tweede plaatje is een window functie gebruikt. En... de ruisbanden zijn veel lager geworden. Door het toepassen van een window functie wordt de flanksteilheid van het FFT filter veel groter. Wel wordt het FFT filter iets breder. De verhoging van de flanksteilheid gaat dus ten koste van de selectiviteit. Het cosinus filter is een goed compromis tussen een goede flanksteilheid en goede selectiviteit.
Het Nuttall filter (3e plaatje) heeft een veel betere flanksteilheid, maar de selectiviteit is veel slechter geworden, de bandbreedte is 2x zo groot. De bandbreedte kan weer worden gehalveerd door het verdubbelen van de FFT sample reeks lengte, zie plaatje 4. Maar... Het Nuttall filter met dubbele FFT sample reeks lengte lijkt beter, maar dat is niet zo. Door de dubbele FFT sample lengte moeten de stoorsignalen ook 2x zo lang onveranderlijk stabiel zijn voor dit maximale resultaat en in de praktijk is dat bijna nooit het geval. Dus het simpele cosinus window of het triangular window is een prima keuze.


Geen window of ook wel rectangular window genoend.


Cosine window.


Nuttall window.


Nuttall window en dubbele FFT sample lengte 32768 in plaats van 16384 om een kleine bandbreedte in combinatie met een goed dynamisch bereik te realiseren.

Conclusies

Configuraties van de test signalen (te lezen met een tekst verwerker)
12qrsssim1-0dbstronginterferers.cfg


Eind Conclusies


Grabber voorbeeld van het QRSS signaal met 1.25 Hz shift voor FSK2 en 2.5 Hz voor FSK3 en CHIRP in plaats van de gebruikelijke 5 Hz


Weergave van het QRSS signaal met 1.25 Hz shift voor FSK2 en 2.5 Hz voor FSK3 en CHIRP in plaats van de gebruikelijke 5 Hz.


TERUG NAAR DE INDEX PA2OHH