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Technik

Digitale Sprachübertragung auf Kurzwelle

Spätestens seit der IC-9100 D-STAR auch auf Kurzwelle anbietet, wird wieder über digitale Sprachübertragung auf Kurzwelle gesprochen. Nun ist GMSK, die Modulationsform von D-STAR, nicht eben die geeignetste für die rauen Realitäten des Kurzwellen-Übertragungskanals, und so ganz neu ist dieses Thema auch nicht. So wirklich durchgesetzt hat sich bisher kein Verfahren, aber es entspricht der Stellung des Amateurfunks als Experimentalfunkdienst, hier mal ein wenig zu experimentieren.

Vorab – die Anregung zu diesem Beitrag sowie viele Informationen entstammen Episode 47 des Video-Blogs „Ham Radio Now“, der den Vortrag von Mel Whitten und Dave Witten bei der Digital Communications Conference 2012, HF Digital Voice: FDMDV2 and CODEC 2 , in voller Länge bringt. Wer sich für das Thema der digitalen Sprachübertragung näher interessiert, dem sei dieser Beitrag sehr empfohlen.

Die fundamentale Idee digitaler Sprachübertragung ist, Störungen, Schwunderscheinungen und Interferenzen vom Hörer fern zu halten und so ein ermüdungsfreies Hören zu ermöglichen. Gleichzeitig sollen Übertragungsverfahren spektral effizient sein und nur sehr geringe Latenzzeiten haben, um rasche Mikrofonübergaben zu ermöglichen („wie bei SSB“).

D-STAR mit seiner GMSK-Modulation nicht besonders effizient, nicht sehr robust gegen Störungen durch Mehrwege-Ausbreitung und hat zudem eine deutlich merkbare Latenz.

Für die Sprachübertragung auf Kurzwelle werden allgemein Mehrträgerverfahren verwendet, wobei die Träger im Basisband erzeugt und einem SSB-Sender zugeführt werden. Die einzelnen Träger sind mit einer sehr langsamen Symbolrate moduliert, z.B. quarternäre Phasenmodulation (QPSK) mit 50 Baud.

Die Unterschiede liegen mal wieder im notwendigen Codec, der die Sprachsignale so reduzieren muss, dass sie über die schmalen Funkkanäle übertragen werden können – Ziel ist immer, höchstens die Bandbreite von SSB, also etwa 2,7 kHz, einzunehmen.

Das frühe AOR 9800 Modem, ein kommerzielles Produkt aus Japan, nutzte den AMBE-Vocoder (Advanced Multiband Excitation), den auch D-STAR nutzt, also ein patentrechtlich geschütztes Verfahren. Dieses Modem hatte wohl dem Vernehmen nach das Problem, dass die Synchronisation recht oft verloren ging und nur mühsam wieder hergestellt werden konnte.

Das ab 2007 von Francesco Lanza, HB9TLK, propagierte FDMDV-Programm konnte mehrere Codecs nutzen. Der SPEEX-Codec ist zwar frei, aber für Voice-over-IP-Anwendungen (wie TeamSpeak) optimiert und eignet sich nicht für Übertragungsraten unter 2 kiloBit/s (kbps). Zudem benötigt er ein 8 dB höheres Signal-Rausch-Verhältnis als SSB. Populär war der MELP-Codec (Mixed Excitation Linear Prediction). Der Source-Code von MELP ist zwar leicht zu finden (z.B. hier), aber leider patentrechtlich geschützt. MELP ist für die Verwendung durch US-Regierungsstellen kostenlos, und seine experimentelle Verwendung durch Funkamateure wurde eine Zeitlang geduldet, aber wohl nicht mehr. FDMDV wird nicht mehr gepflegt, auch der Quellcode ist nicht mehr verfügbar.

Das neue System FreeDV (ursprünglich FDMDV2) nutzt den frei verfügbaren CODEC2 von David Rowe, VK5GDR. Innerhalb einer Bandbreite von nur 1,125 kHz werden 14 Träger mit jeweils 50 Baud QPSK-Modulation übertragen. Zur notwendigen genauen Abstimmung der Stationen auf einander wird RSID verwendet, das von Patrick Lindecker, F6CTE, propagierte Identifikationsverfahren auf der Basis von Reed-Solomon-Codes verwendet.

Das verwendete Mehrträger-Verfahren ist übrigens nicht OFDM (Orthogonal Frequency Divison Multiplexing). Ein Problem von OFDM ist das große Verhältnis von Spitzenleistung und Durchschnittsleistung (peak to average power ratio, PAPR), das hohe Anforderungen an die Linearität stellt.

FreeDV kann bereits für Verbindungen genutzt werden, Mit-Experimentatoren findet man z.B. über K7VE’s QSO Finder. Das System ist aber noch sehr in der Entwicklung, Version 0.96 kürzlich  führte ein neues Format mit 1600 bps ein (statt 1400 wie bisher), das bis auf 2 dB an SSB in puncto Signal-Rausch-Verhältnis heran kommen soll.

FreeDV hat aktuell keine Vorwärts-Fehlerkorrektur und auch kein Interleaving, was die Robustheit gegen Mehrwege-Ausbreitung reduziert. Größter Wert wird auf geringste Latenzzeiten gelegt, der kurzzeitige Ausfall der Verbindung nicht als so gravierend angesehen. Dies bleibt nicht ohne Kritik. In der Ham Radio Now-Episode stellen die Digital-Gurus Bob McGrier, N4HY, und Phil Karn, KA9Q, ihre Gegenposition ausführlich dar:

  • Extreme Mehrwege-Kanäle wie auch Kurzwelle brauchen Bit-Interleaver, auch wenn dies zu höheren Latenzen führt.
  • Alternativ könnten Spread-Spectrum-Verfahren genutzt werden, die im Frequenzsprung-Verfahren arbeiten – mit sehr geringen spektralen Leistungsdichten könnten die sogar mit existierenden Betriebsarten ko-existieren.
  • Fazit: „You need to go wide, or you need to go long, but you have to do the one or the other“.

Das FreeDV-Team tut genau das Gegenteil: go short, go narrow – kleine Latenz, kleine Bandbreite, aber eben auch keine wirkliche Sicherheit gegen kurzzeitige Aussetzer, die hingenommen werden.

Kristoff Bonne, ON1ARF, arbeitet an einer VHF/UHF-Implementierung, die dann direkt mit D-STAR konkurrieren würde. Verwendet wird der CODEC2 mit 2400 bps und ein Software-GMSK-Modem. In der bereits erwähnten Ham Radio Now Episode führt er eine Übertragung vor, bei der im Sender ein Raspberry Pi und im Empfänger ein Pandaboard werkelt.

Und hier wird es nun wirklich interessant: offenbar kommen all diese Verfahren mit sehr kleinen und preiswerten Software-Plattformen aus, die sicher auch in existierende Geräte eingebaut werden könnten. In die selbe Richtung geht ein Statement der FreeDV-Gruppe, die bereits um kommerzielle Hardware-Implementierungen wirbt. Die Gruppe möchte das FreeDV-Modem auf einer STM32F4DISCOVERY-Evaluationsplattform implementieren, die in den USA bereits für US-$ 14,55 zu haben ist.

Eine persönliche Anmerkung: angesichts dieser interessanten und konsequent der Open Source-Idee verpflichteten Entwicklungen verstehe ich die mit so viel Verve geführte Diskussion D-STAR vs. MOTOTRBO vs. DMR vs. APCO25 usw. Diskussion hierzulande nicht. Wenn schon Digitalfunk nur mit Amateurmitteln, dann doch bitte FreeDV!

Diskussionen

5 Gedanken zu “Digitale Sprachübertragung auf Kurzwelle

  1. Vielen Dank für diesen Beitrag. Für mich geht es bei dem Umstieg auf digitale Sprachübertragung um eine Qualitätsverbesserung. Damit meine ich vor allen Dingen eine Verbesserung der Audio-Qualität. Ganz ehrlich, wenn ich eine D-Star-Übertragung höre, bekomme ich nach spätestens 3-4 minuten erhebliche Kopfschmerzen, weil es sich einfach nicht „rund“ (und somit angenehm) anhört.

    Das gleiche Probem habe ich mit den Signalen, die aus diesem „Sprach-Extraktor“ kommen. Diese Entwicklungsrichtung ist für mich absolut nicht nachvollziehbar, ich sehe keine Verbesserung der Übertragung. Wenn man schon eine gewisse Robustheit gegenüber Störungen haben möchte, dann wäre meiner Meinung nach der bessere Schritt in Richtung Frequenzhopping oder Spreizspektrumtechnologie zu gehen. Gerade die erste angesprochene Möglichkeit ist doch heutzutage durch die moderne (und somit schnelle) Signalerzeugung und -ver bzw. -bearbeitung einfach möglich und man hat neben der Robustheit gegen Störsignale noch den Vorteil, dass man so auch noch mehr gleichzeitige Verbindungen in einem Band unterbringt als mit den bisher gebräuchlichen Übertragungsarten.

    vy73,
    Dietmar, DL4HAO

    Verfasst von Dietmar DL4HAO | 5. April 2013, 8:49 am
    • Verlustbehaftete Codecs gehen halt immer mit einer Verschlechterung der Sprachqualität einher. Ich höre oft D-STAR und Kopfschmerzen bekomme ich keine … aber ich weiß natürlich, was Du meinst. Und ist SSB wirklich besser?

      Spread Spectrum ist eine interessante Möglichkeit. Die Frage ist, wie kompatibel es wirklich mit existierenden Verfahren ist. Einerseits die „rauschähnliche“ Natur, die dann von Schmalbandnutzern nicht mehr wahr genommen wird – aber nur, wenn die Grenzen hinsichtlich der spektralen Leistungsdichte auch wirklich eingehalten werden. Kann man diese Disziplin allen Funkamateuren zutrauen?

      Noch größere Probleme habe ich mit der Robustheit des Breitbandverfahrens gegenüber Störungen durch Schmalbandnutzer. In Matlab funktioniert so etwas immer toll, aber in der Realität sind Beeinträchtigungen durch Nichtlinearitäten im Empfangszweig unvermeidlich. Ich arbeite beruflich unter anderem an Impulse Radio Ultra-Wideband Systemen, da sind diese Probleme auch nicht unbekannt.

      Die herkömmlichen, analogen Übertragungsverfahren wird man ja nicht von heute auf morgen ablösen können. Daher halte ich Experimente mit sehr schmalbandigen digitalen Übertragungsverfahren durchaus für sinnvoll.

      Spread Spectrum auch Kurzwelle hätte aktuell wohl auch ein paar rechtliche Probleme, da die Bandbreite ja regulatorisch begrenzt ist. Ob man mit der von Phil, KA9Q, vorgetragenen Überlegung weiterkommt, das ja Frequenvy Hopping Spread Spectrum zu einem diskreten Zeitpunkt nur eine geringe Bandbreite belegt und die Regulierungsbehörde einem ja nicht vorschreiben könne, wie schnell man seine Frequenz wechselt, möchte ich mal dahin gestellt lassen …

      vy 73,
      Hermann, DF2DR

      Verfasst von Hermann Schumacher | 5. April 2013, 8:43 pm
      • Hermann, danke dass Du auf meinen Kommentar geantwortest hast.

        Ob SSB wirklich besser ist, hattest Du gefragt. Meiner Meinung nach ist das (zur Zeit halt noch) der Fall. Aber auch nur dann, wenn sich die Funkamateure auch an die Spielregeln halten. Da ich sehr gerne qualitativ gute Verbindungen habe, fühle ich mich erheblich durch Kollegen gestört, die sich z.B. nicht an Bandpläne halten, in der Hauptsache zu Contest-Zeiten!

        Da ist dann an etlichen Wochenenden keinerlei Kontaktpflege mit Freunden und Bekannten aus Afu-Kreisen möglich weil z.B. im 20m Band oberhalb der 14.300 nach Kornflakes gebrüllt wird was das Zeug hält und solche Stationen werden nicht (noch nicht, da arbeite ich aber dran🙂 ) disqualifiziert, wenn sie sich -nicht- an die Empfehlungen der Bandpläne halten.

        Wo soll man denn dann noch im 20m Band hingehen, wenn selbst oberhalb von 14.300 alles zugemüllt wird… -das- sind so Fragen, die mich bewegen und wenn eine Digital-Sprechfunk-Betriebsart auf Kurzwelle einen sicheren und möglichst ungestörten Sprechfunkbetrieb zu solchen Zeiten ermöglicht, dann wäre ich auch mit einer Begrenzung der Audio-Qualität (Stichwort „Codec“) einverstanden. Hier ist also eine Vorwärts-Fehlerkorrektur sehr sinnvoll, auch wenn es dadurch zu deutlichen „Mikrofon-Übergabepausen“ kommt.

        Aber bisher haben wir (Funkamateure) es ja noch nicht einmal geschafft, uns in einem vernünftigen Miteinander selbst auf den Bändern zu organisieren. Anders kann ich es mir nicht erklären, warum nicht wenigstens ein 2,7 (wenn schon nicht 3) khz Abstand von bestehenden Funkgesprächen in SSB und den bereits vorhandenen, bewährten und etablierten Digimodes, die solch eine Bandbreite verwenden, eingehalten wird.

        Auch da würde ich mir eine deutliche Verbesserung wünschen, wenn sich ein neuer und weltweit anerkannter Standard für Digital-Sprechfunk auf Kurzwelle etablieren würde. Mit der Einführung von Anruf-Frequenzen und dann entsprechendem Ausweichen auf andere Frequenzen in einem gewissen Raster. Halt organisierter, zivilisierter, vernünftiger, um ein gutes Miteinander zu ermöglichen.

        Dir und allen Lesern ein schönes Wochenende,
        vy73 aus Schleswig-Holstein,
        Dietmar, DL4HAO

        Verfasst von Dietmar DL4HAO | 6. April 2013, 8:17 am

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  1. Pingback: Jenseits von D-STAR, MOTOTRBO, DMR und Co.: FreeDV | D-STAR Relais DB0ULM - 31. März 2013

  2. Pingback: Erste Verbindung in FreeDV | Neues aus der Funkbude - 4. Oktober 2014

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