ANATOMIA DE JT65 parte 3

Este es el tercer artículo sobre descripción del modo de transmisión digital JT65.

En el anterior articulo habíamos visto que JT65 maneja siempre mensaje de 72 bit en el cual esta codificado la información estandarizada o un posible texto de máximo 13 caracteres.  El hecho que es siempre de 72 caracteres tiene ventajas en el lado de recepción ya que la integridad del mensaje pasa por controlar el tamaño del mismo.

Como el objetivo de JT65 es hacerlo robusto en ambientes de señales débiles y mucho ruido entonces a los 72 bits del mensaje se le adiciona 306 bits de información correspondiente a Forward Corrección Error FEC (corrección de errores hacia adelante).  Esto es una información redúndate pero que ayuda a el receptor detecte y corrija posibles errores en la recepción causados por la debilidad de la señal.

Esto es equivalente a un método tradicionalmente usado en radio afición, si yo quiere enviar mi indicativo de llamada HK3EU, acostumbro a decir “Hotel Kilo tres Eco Unión” con lo cual en vez de enviar 5 caracteres de mi indicativo trasmito 20 que constituye información redúndate  pero que ayuda a que un receptor reciba correctamente mi indicativo en condiciones de ruido.

Ahora bien, para mensajes digitales  se puede agregar la información redundante usando procesos matemáticos desarrollados a partir de consideraciones probabilísticas para lograr un código eficiente en cuanto a longitud y capacidad de corregir un número grande de posibles errores.

Para el caso de JT65 se escogió un código FCE llamado Reed-Salomon  en honor a Irwin Reed y Gustave Salomon que desarrollaros el soporte matemático en 1960. El FCE de Reed-Salomon es extensamente usado en el mundo de las telecomunicaciones, está incluido en la telefonía celular y en la televisión digital terrestre TDT y también en el almacenamiento de información en discos CD, DVD y discos duros.

Para el JT65, Reed-Salomon genera 306 bits de FCE que se adicionan a los 72 bit del mensaje para un total de 378 bits que son los que se van a transmitir realmente. Debemos entonces distinguir que el mensaje es de 72 bits y 378 lo vamos a llamar “codewords” (palabra de código).

En la práctica esto se logra segmentando los 72 bits del mensaje en 12 segmentos o símbolos de 6 bits cada uno, esto es codificado por Reed-Salomon RS(63,12) en 63 simbolos de 6 bit cada uno (63 x 6 = 378 bits).  Podemos  imaginarnos los datos colocados en una matriz de 63 columnas y 6 filas donde están nuestros 378 bits de codewords.

Los 63 bits van a ser transmitidos por medio de 64 diferentes tonos en un modelo de modulación FSK (Frequency Shift keying) en donde cada intervalo se emiten 64 diferentes tonos dependiendo del valor del bit correspondiente. En realidad se emiten 64 tonos y uno adicional usado para sincronización por lo que en total el sistema trabaja con 65 tonos y de ahí su denominación JT65, JT por Joe Taylor su creador y 65 por los 65 tonos. Actualmente hay otra variante, JT9 en donde se emiten 8 tonos más uno de sincronismo.

Una transmisión de JT65 consta de 126 intervalos continuos de 0,372 segundos de duración, lo cual toma 126 x 0,372 = 46,872 segundos (~47 seg). En cada intervalo se transmite 65 posibles tonos de amplitud constante que son 64 de datos y uno de sincronización. El primer tono utiliza la frecuencia de 1270,5 Hz  y la frecuencia de los diferentes tonos está dada por la fórmula 1270,5 + 2,6917(N+2) donde N es el número del tono de 1 a 63. Esto significa que los tonos están uniformemente separados 2,6917 Hz y el ancho de banda seria de 65*2,6917 = 174,96 Hz. Esto corresponde a la especificación JT65A.  Hay una variante llamada JT65B que utiliza separación de tonos el doble 2,6917*2 = 5,3834 y otra llamada JT65 con separación 4 veces mayor (doble que JT65B). Debido a los estrechos márgenes de los intervalos se requiere que la propia señal lleve información de sincronismo y que las secuencias entre transmisión y recepción sean estrictamente controladas. Todas las transmisiones de JT65 deben empezar 1 segundo después del inicio del minuto UTC y se transmiten 126 secuencias separadas 0,372 segundos (126 * 0,372 seg = 46,872) por lo que la transmisión termina aproximadamente en el segundo 48. El tono de sincronismo se emite como un 1 en cada uno de los intervalos.

Los 65 tonos son generados en la tarjeta de sonido de un computador y lucen como tonos audibles de audio los cuales son entregados al micrófono  un transmisor de SSB en modalidad USB que los traslada en frecuencia a la frecuencia de operación en radio. El resultado en radiofrecuencia es una señal de 65 diferentes frecuencias moduladas en amplitud en un ancho de banda de 175 Hz (JT65A).

Cuando la señal de JT65 es detectada por el radio receptor como una señal de USB el receptor la baja a banda base y la entrega como una señal de audio de 0 a 3 kHx. Esta señal de audio se entrega a un tarjeta de sonido de un computador que no es otra cosa sino un DSP (Digital Signal Procesor) que maneja la señal en forma digital. Lo primero es convertir la señal recibida que es análoga a una información digita con una velocidad de muestreo de 11025 muestras (samples) por segundo. La información digital es procesada por el computador usando técnicas de análisis conocido como Transformada de Fourie esperando encontrar un tono de sincronismo. Pueden haber varios como trasmisiones simultáneas se estén realizando.

Cuando el procesador detecta la frecuencia de sincronismo conoce entonces que tan separado es el desvió (frequency Offset FO)en la banda base.  Conocido el desvió (off set) puede entonces detectar los 63 tonos que le permitirán encontrar lo 378 bit de la codeword del mensaje recibido.

El codeword de 378 bits es procesado por Reed-Salomon inversa para extraer los 72 bit del mensaje de JT65 con eliminación y corrección de errores. Finalmente los 72 bit del mensaje se decodifican a texto más entendible por los humanos.

 

 

 

 

Comunicaciones, corrección de errores

Antes de escribir el tercer artículo sobre el modo JT65 quisiera hacer algunos comentarios teóricos sobre teoría de comunicaciones que tiene que ver con correcciones de error ya que el modo JT65 obtiene su rendimiento porque aplica soluciones de corrección de error de acuerdo a las últimas técnicas aplicadas.

Transcribo la definición de “Comunicaciones “ que está en Wikipedia:

La comunicación (del latín communicatĭo, -ōnis1​) es la actividad consciente de intercambiar información entre dos o más participantes con el fin de transmitir o recibir significados a través de un sistema compartido de signos y normas semánticas. Los pasos básicos de la comunicación son la formación de una intención de comunicar, la composición del mensaje, la codificación del mensaje, la transmisión de la señal, la recepción de la señal, la decodificación del mensaje y finalmente, la interpretación del mensaje por parte de un receptor.

Si la distancia entre los dos o más participantes es grande entonces hablamos de Telecomunicaciones.

Las comunicaciones consiste en mensajes que se envía a la distancia utilizando un medio de transporte. Este puede ser el habla o conversación, señales de humo, palomas mensajeras, correo, etc.  En telecomunicaciones se usa las ondas electromagnéticas para llevar los mensajes por ese motivo a la frecuencia que lleva los mensajes se le conoce con el nombre de “Onda Portadora” y en ingles se dice “Carrier” que tiene el mismo significado literal.

Fig 1: La palabra hablada es una forma de comunicaciones. Los mensajes son las frases compuestas de palabras codificadas en sonidos.

Cuando las comunicaciones se hace a distancia el medio portador por lo general se deteriora llegando a afectar la integridad de los mensajes portados. En el caso de radiocomunicaciones decimos que la intensidad de la señal se debilita a la distancia y que tenemos una “señal débil” (en inglés Weak signal).  Cuando la señal es débil entonces el receptor tiene dificultades de distinguir algunos signos contenidos en el mensaje.

También en el caso de radio en la zona de recepción no solo llegan las señales que nos interesan si no otras ondas electromagnéticas generadas  por diferentes fuentes.  Todas las señales que recibimos diferente al mensaje deseado lo llamamos ruido. Como la señal deseada  y el ruido son magnitudes físicas que se pueden medir entonces en tecnología de radio se habla de la relación señal a ruido que es el resultado de dividir la intensidad de la señal por la intensidad del ruido.  Si la señal es mayor que el ruido el resultado será mayor a cero en caso contrario menos. En la práctica esta relación no se mide o expresa en la división sino en función logarítmica y se usa la unidad decibel.  Si la medida en decibel es negativa significa que el intensidad de ruido es mayor que la señal.

Cuando en el ambiente del receptor se combinan señales débiles y mucho ruido, la recepción de mensajes se complica y algunos elementos del mensaje se pierden, entonces decimos que tenemos error en la recepción. Uno que otro error puede ser tolerable pero si el número de errores es importante puede volver nula la recepción o ininteligible. El número de datos perdidos con relación al total de datos transmitidos nos da una magnitud de la frecuencia de errores y se convierte en el factor para calificar la calidad de la transmisión.

Los errores son entonces un problema al cual hay que buscarle soluciones que consiste en encontrar mecanismos para “corregir errores”.  Si se presenta un error pero lo corregimos es como si el error no hubiera existido. Sin darnos cuenta corrección de errores estamos haciendo desde que el hombre empezó a comunicarse por ejemplo con el habla.

Miremos este dialogo:

La persona de la derecha emite un mensaje “Mi teléfono es el 5387”.

La persona de la izquierda no escucho bien el mensaje especialmente en la parte que tiene números y que necesita ser recibido exacto, es decir sin error.  La persona de la derecha dice entonces: “Me repite el número” informando al de la izquierda que ha habido error en la recepción y solicitando repetición del mensaje.

El de la izquierda procede a repetir el mensaje de números y el de la derecha le dice “Ok” como confirmación que el mensaje está completamente recibido, sin error.

Este modo de corrección de errores se conoce con el nombre de “Corrección de Errores hacia Atrás” porque el error es detectado en la recepción y envía de retorno (hacia atrás) una indicación de “recibido con error” lo que provoca que el emisor del mensaje reenvié el mensaje con el deseo que en la segunda recepción se evite el error.  El mecanismo de reenvió puede repetirse varias veces si fuera necesario hasta que el receptor considere que ha recibido el mensaje sin error.

En el caso anterior la comunicación es de doble vía (dúplex) ya que los dos participantes pueden emitir y recibir pero hay casos de comunicaciones en una sola vía el que transmite no puede recibir y el que recibe no puede transmitir.  Este es el caso de una emisora comercial de radio, una estación de radioaficionados llamando CQ (aún no sabemos quién va a ser la estación corresponsal), una sonda espacial enviando las fotos que tomo a Júpiter, etc.

Los radioaficionados, quizás sin darnos cuenta, también tenemos una técnica de correcion de error:

Cuando transmitimos por radio debemos enviar el indicativo de llamada que nos distingue como radioaficionados debidamente licenciados por el gobierno, en este ejemplo “HK3EU” consta de cinco caracteres. Esta información debe ser recibida precisa y sin error .

Si la transmitimos por voz (fonia) deberíamos decir simplemente “H” “K” “3” “E” “U” pero en la práctica se transmite como “Hotel Kilometro tres España Uruguay” o equivalente.  La razón de transmitir así es que a pesar que el mensaje en muchísimo más largo al recibirse se puede garantizar que será recibido más exacto.

Observe que el mensaje correcto es únicamente cinco caracteres “HK3EU” pero es enviado como 5 palabras que contiene información redúndate y que va a ayudar al receptor a encontrar el carácter correcto.

Por ejemplo el receptor escucha la última palabra  como “*RUG*AY”  con dos errores en la recepción del primero y quinto carácter, sin embargo la mente humana por un proceso de selección asocia que la única palabra posible debe ser “URUGUAY” y anota como carácter recibido “U” a pesar que hubo dos errores de recepción.

Este método de enviar mensajes con información redundante para que ayuden a corregir errores en la recepción se denomina “Corrección de Errores hacia Adelante”  y en la literatura en ingles seria “Forward Correction Error” y se abrevia como FCR.

En teoría mientras más información redundante enviemos mejor posibilidad tenemos de corregir errores adelante.

En el ejemplo anterior hemos visto una forma de FCR basado en la capacidad deductiva de la mente humana. Ahora bien en las transmisiones modernas la codificación de los mensajes la realizan máquinas y la información tiene forma digital, entonces el tema de cómo crear código redundante para incluir FCR es un tema de estudio para logra un código eficiente en cuanto a producir código redúndate lo menor posible que garantice la mayor capacidad de corrección.

Lo que se hace en la práctica en someter a la información a transmitir a una serie de procesos matemáticos  predefinidos para crear otro código ampliado con información redúndate  y que será trasmitida. En el lado receptos someten al código recibido a unos procesos matemáticos que realizan operaciones inversas a las usadas en el lado transmisor y así recuperar la información originalmente enviada.

Las operaciones matemáticas a realizar se formulan en algo que se llama “Algoritmo” que son implementados en el software de un computador.  Como la información a transmitir ya tiene forma binaria, resulta muy fácil entregársela a un computador para que realice la operación de agregar el código adicional necesario para tener un método de FCR.

En la actualidad hay varios algoritmos para tener FCE y todos los días aparecen más, puede ser temas de otro artículos. Por ahora este artículo es con el propósito de comentar que existe el FCR (Fordwar Correcion Error) es decir, corrección de error hacia Adelante que permite hacer transmisiones más precisas corrigiendo errores .

El tema es que el modo de transmisión JT65 usado por los radioaficionados recurre a técnicas de FCR para lograr hacer transmisiones casi libre de error en ambientes de señales débiles y mucho ruido, en los cuales otros modos de transmisión fracasan por el elevado número de errores detectados en la recepción.

 

 

 

 

 

 

 

Antes de escribir el tercer artículo sobre el modo JT65 quisiera hacer algunos comentarios teóricos sobre teoría de comunicaciones que tiene que ver con correcciones de error ya que el modo JT65 obtiene su rendimiento porque aplica soluciones de corrección de error de acuerdo a las últimas técnicas aplicadas.

Transcribo la definición de “Comunicaciones “ que está en Wikipedia:

La comunicación (del latín communicatĭo, -ōnis1​) es la actividad consciente de intercambiar información entre dos o más participantes con el fin de transmitir o recibir significados a través de un sistema compartido de signos y normas semánticas. Los pasos básicos de la comunicación son la formación de una intención de comunicar, la composición del mensaje, la codificación del mensaje, la transmisión de la señal, la recepción de la señal, la decodificación del mensaje y finalmente, la interpretación del mensaje por parte de un receptor.

Si la distancia entre los dos o más participantes es grande entonces hablamos de Telecomunicaciones.

Las comunicaciones consiste en mensajes que se envía a la distancia utilizando un medio de transporte. Este puede ser el habla o conversación, señales de humo, palomas mensajeras, correo, etc.  En telecomunicaciones se usa las ondas electromagnéticas para llevar los mensajes por ese motivo a la frecuencia que lleva los mensajes se le conoce con el nombre de “Onda Portadora” y en ingles se dice “Carrier” que tiene el mismo significado literal.

Fig 1: La palabra hablada es una forma de comunicaciones. Los mensajes son las frases compuestas de palabras codificadas en sonidos.

Cuando las comunicaciones se hace a distancia el medio portador por lo general se deteriora llegando a afectar la integridad de los mensajes portados. En el caso de radiocomunicaciones decimos que la intensidad de la señal se debilita a la distancia y que tenemos una “señal débil” (en inglés Weak signal).  Cuando la señal es débil entonces el receptor tiene dificultades de distinguir algunos signos contenidos en el mensaje.

También en el caso de radio en la zona de recepción no solo llegan las señales que nos interesan si no otras ondas electromagnéticas generadas  por diferentes fuentes.  Todas las señales que recibimos diferente al mensaje deseado lo llamamos ruido. Como la señal deseada  y el ruido son magnitudes físicas que se pueden medir entonces en tecnología de radio se habla de la relación señal a ruido que es el resultado de dividir la intensidad de la señal por la intensidad del ruido.  Si la señal es mayor que el ruido el resultado será mayor a cero en caso contrario menos. En la práctica esta relación no se mide o expresa en la división sino en función logarítmica y se usa la unidad decibel.  Si la medida en decibel es negativa significa que el intensidad de ruido es mayor que la señal.

Cuando en el ambiente del receptor se combinan señales débiles y mucho ruido, la recepción de mensajes se complica y algunos elementos del mensaje se pierden, entonces decimos que tenemos error en la recepción. Uno que otro error puede ser tolerable pero si el número de errores es importante puede volver nula la recepción o ininteligible. El número de datos perdidos con relación al total de datos transmitidos nos da una magnitud de la frecuencia de errores y se convierte en el factor para calificar la calidad de la transmisión.

Los errores son entonces un problema al cual hay que buscarle soluciones que consiste en encontrar mecanismos para “corregir errores”.  Si se presenta un error pero lo corregimos es como si el error no hubiera existido. Sin darnos cuenta corrección de errores estamos haciendo desde que el hombre empezó a comunicarse por ejemplo con el habla.

Miremos este dialogo:

La persona de la derecha emite un mensaje “Mi teléfono es el 5387”.

La persona de la izquierda no escucho bien el mensaje especialmente en la parte que tiene números y que necesita ser recibido exacto, es decir sin error.  La persona de la derecha dice entonces: “Me repite el número” informando al de la izquierda que ha habido error en la recepción y solicitando repetición del mensaje.

El de la izquierda procede a repetir el mensaje de números y el de la derecha le dice “Ok” como confirmación que el mensaje está completamente recibido, sin error.

Este modo de corrección de errores se conoce con el nombre de “Corrección de Errores hacia Atrás” porque el error es detectado en la recepción y envía de retorno (hacia atrás) una indicación de “recibido con error” lo que provoca que el emisor del mensaje reenvié el mensaje con el deseo que en la segunda recepción se evite el error.  El mecanismo de reenvió puede repetirse varias veces si fuera necesario hasta que el receptor considere que ha recibido el mensaje sin error.

En el caso anterior la comunicación es de doble vía (dúplex) ya que los dos participantes pueden emitir y recibir pero hay casos de comunicaciones en una sola vía el que transmite no puede recibir y el que recibe no puede transmitir.  Este es el caso de una emisora comercial de radio, una estación de radioaficionados llamando CQ (aún no sabemos quién va a ser la estación corresponsal), una sonda espacial enviando las fotos que tomo a Júpiter, etc.

Los radioaficionados, quizás sin darnos cuenta, también tenemos una técnica de correcion de error:

Cuando transmitimos por radio debemos enviar el indicativo de llamada que nos distingue como radioaficionados debidamente licenciados por el gobierno, en este ejemplo “HK3EU” consta de cinco caracteres. Esta información debe ser recibida precisa y sin error .

Si la transmitimos por voz (fonia) deberíamos decir simplemente “H” “K” “3” “E” “U” pero en la práctica se transmite como “Hotel Kilometro tres España Uruguay” o equivalente.  La razón de transmitir así es que a pesar que el mensaje en muchísimo más largo al recibirse se puede garantizar que será recibido más exacto.

Observe que el mensaje correcto es únicamente cinco caracteres “HK3EU” pero es enviado como 5 palabras que contiene información redúndate y que va a ayudar al receptor a encontrar el carácter correcto.

Por ejemplo el receptor escucha la última palabra  como “*RUG*AY”  con dos errores en la recepción del primero y quinto carácter, sin embargo la mente humana por un proceso de selección asocia que la única palabra posible debe ser “URUGUAY” y anota como carácter recibido “U” a pesar que hubo dos errores de recepción.

Este método de enviar mensajes con información redundante para que ayuden a corregir errores en la recepción se denomina “Corrección de Errores hacia Adelante”  y en la literatura en ingles seria “Forward Correction Error” y se abrevia como FCR.

En teoría mientras más información redundante enviemos mejor posibilidad tenemos de corregir errores adelante.

En el ejemplo anterior hemos visto una forma de FCR basado en la capacidad deductiva de la mente humana. Ahora bien en las transmisiones modernas la codificación de los mensajes la realizan máquinas y la información tiene forma digital, entonces el tema de cómo crear código redundante para incluir FCR es un tema de estudio para logra un código eficiente en cuanto a producir código redúndate lo menor posible que garantice la mayor capacidad de corrección.

Lo que se hace en la práctica en someter a la información a transmitir a una serie de procesos matemáticos  predefinidos para crear otro código ampliado con información redúndate  y que será trasmitida. En el lado receptos someten al código recibido a unos procesos matemáticos que realizan operaciones inversas a las usadas en el lado transmisor y así recuperar la información originalmente enviada.

Las operaciones matemáticas a realizar se formulan en algo que se llama “Algoritmo” que son implementados en el software de un computador.  Como la información a transmitir ya tiene forma binaria, resulta muy fácil entregársela a un computador para que realice la operación de agregar el código adicional necesario para tener un método de FCR.

En la actualidad hay varios algoritmos para tener FCE y todos los días aparecen más, puede ser temas de otro artículos. Por ahora este artículo es con el propósito de comentar que existe el FCR (Fordwar Correcion Error) es decir, corrección de error hacia Adelante que permite hacer transmisiones más precisas corrigiendo errores .

El tema es que el modo de transmisión JT65 usado por los radioaficionados recurre a técnicas de FCR para lograr hacer transmisiones casi libre de error en ambientes de señales débiles y mucho ruido, en los cuales otros modos de transmisión fracasan por el elevado número de errores detectados en la recepción.

 

 

 

 

 

 

 

 

Anatomia de JT65, parte 2

En la primera parte tratamos de los antecedentes para llegar al modo JT65, en esta segunda parte estudiaremos como se crean los mensajes de JT65.

Primero que todo hay que decir que JT65 ha sido diseñado exclusivamente para comunicaciones de Radioaficionados en ambientes de señales muy débiles y con mucho ruido. Para cumplir con estos estrictos requerimientos el sistema es muy limitado en facilidades para trasmitir información y es muy lento comparado con otros modos.

La primera razón para desarrollar JT65 fue facilitar los contactos de Radioaficionados usando rebote Lunar. Un radioaficionado emite una señal de radio en dirección a la Luna donde rebota y la señal retorna a la tierra donde es captada por un segundo radioaficionado. La Luna está a 400.000 km de la tierra y la señal recorre dos veces esta distancia, además, la Luna dista mucho de ser un reflector perfecto, es más por su forma dispersa la señal recibida en todas direcciones, entonces la señal que finalmente retorna a la tierra es extremadamente débil. Los primeros contactos de rebote Lunar recurrían a transmisores con potencias de varios kilovatios y usar complejos de antenas direccionales.  Actualmente los radioaficionados usando JT65 y trasmisores modestos de unos 100 vatios con antenas yagis para logran buenos contactos usando rebote Lunar. Fue tanto el rendimiento y eficiencia del JT65 en rebote Lunar que su funcionalidad fue trasladada para ser usados en las comunicaciones de HF (onda corta) y es tal su rendimiento que contactos entre radioaficionadas localizados en cualquier lugar de la tierra son posibles usando potencias de 10 o menos vatios.

La eficiencia del JT65 empieza en el estudio de como son los mensajes que intercambian los radioaficionados. La mayoría de los mensajes de radioaficionados tienen (o deberían tener) esta forma:

“WA1XYZ de HK2ABC  (alguna información) (cambio)”

La primera palabra es el indicativo a quien enviamos el mensaje y la segunda es el indicativo de quien envía el mensaje. La partícula “de” es una conjunción gramatical  que en si no contiene información.

Si el mensaje no es enviado a un receptor específico sino a todo el que lo quiera oír, entonces reemplazamos la primera palabra por “CQ”. Podemos pensar que CQ es un indicativo que significa todos los indicativos.

Después de las dos palabras de indicativos se emite el contenido del mensaje propiamente dicho, la longitud es muy variable y el contenido muy diverso.

Al final se emite una palabra para indicar fin del mensaje. En fonia se acostumbra la palabra “cambio” (en inglés “over”) y en CW emiten el carácter “K”.

Ahora bien, una forma de operar los radioaficionados es lograr contactos con otras estaciones del mundo y cuantas más mejor, esto hace parte del mundo del DX y entonces el campo del mensaje que consideramos como información es muy simple y de pocas palabras. Se reducen a información sobre la localización de la estación, reporte de señal, confirmación que todo está correcto y una despedida.

JT65 está optimizado para pasar estrictamente la información necesaria para confirmar contactos entre radioaficionados. No se puede pasar información sobre saludos, felicitaciones, equipos que uso, estados de ánimo, informes de tiempo, nada de eso.

El indicativo de llamada es en realidad la identificación de los radioaficionados en todo el mundo. Es una combinación de números y letras que es única para cada radioaficionado. Los indicativos son asignados por el gobierno de cada país y siguen una estandarización internacional. Los dos primeros caracteres pueden ser números o letras (caracteres alfanuméricos) e indican el país o estado, ejemplo HK es Colombia, YV es Venezuela, LU es Argentina, etc. Hay países que utilizan solo una letra ejemplo F para Francia G para gran Bretaña, Estados Unidos puede ser A, K, N o W.  De los dos primeros caracteres uno de ellos puede ser un numero pero al menos uno de los dos debe ser una letra, ejemplo 5K es Colombia, 9X Rwanda, S7 Seychelles (en el Océano Indico).

Después de 1 o 2 caracteres de país viene un número que indica la zona del país donde está el operador y después sigue de 1 a 3 letras que distingue al operador individualmente.

Cuando nos referimos a letras no se hace diferencia entre mayúsculas y minúsculas y solo se tiene en cuenta 27 letras del alfabeto usado en inglés y no se tiene en cuenta la eñe del español, ni vocales acentuadas ni caracteres de otros idiomas.  Los números posibles son 10 entonces cuando decimos letras son 1 de 27 posible, un número es 1 de 10 y si decimos alfanumérico son 37 posible.

Entonces los  indicativos de llamada posibles serian:

37 x 36 x 10 x 27 x 27 x27 = 262.177.560 combinaciones

Es decir que cualquier indicativo es una de los 262 millones de posibles combinaciones.  Para escribir números tan grande como 262 millones en sistema binario (en 0 y 1 como se usa en los computadores) se necesitan 28 bits.  228 = 268.435.456 mayor que 262 millones.

En JT65 los indicativos de llamada van a ser codificados y manejados como un número de 28 bits que corresponde al número de combinación del indicativo entre los cerca de 260 millones de combinaciones posibles.

¿Qué ventaja tiene esto?  La información resulta más compacta. En el método tradicional un carácter se codifica en código ASCII de 8 bits (Byte) por carácter, entonces 6 caracteres del indicativo requiere de 48 bits. Aún resulta más compacto que la telegrafía, ejemplo transmitir  el indicativo HK3GZV seria:

…. — …– –. –.. …-,

Requiere de 13 puntos, 10 rayas más los espacios y si consideramos el punto como un bit y la raya como 3 bits necesitaríamos más de 60 bit para enviarlo.

Entonces en JT65 no se transmite los indicativos de llamada como una colección de 6 posibles caracteres si no como un numero de 28 bit que corresponde a la combinación de ese indicativo. Como pueden empezar a notar JT65 está diseñado única y exclusivamente para  para transmitir información relacionada con radioaficionados.

Una información que se ha considerado para transmitir por los radioaficionados es la localización geográfica de la estación. En vez de transmitir el número de grados de longitud y latitud geografía se transmite un código de 2 letras y dos números llamado “Grid Locator” o “Maidnhead grid”. Este código indica un cuadrado de 2 grados de longitud y 2 grados de latitud donde está la estación. En este momento no hablaremos de cómo se codifica el Grid Locator pero podemos decir que como la circunferencia tiene 360 grados, un cuadrado de grid corresponde a 180×180 = 32.400 posibles grid de 2×2 grados y que necesitamos un numero de 15 bits (215 = 32.768) para registrarlo.

JT65 ha sido optimizado para pasar un número pequeño de mensajes normalizados. Un contacto normal de 2 estaciones seria el siguiente:

A -> B              “CQ HK3AAA  FJ24”

A<-B                “HK3AAA WA1XXX ED12”

A->B                “WA1XXX HK3AAA -10”

A<-B                “HK3AAA WA1XXX -06”

A->B                “WA1XXX HK3AAA RRR”

A<-B                “HK3AAA WA1XXX RRR”

A->B                “WA1XXX HK3AAA 73”

A<-B                “HK3AAA WA1XXX 73”

Este es un dialogo QSO originado por la estación HK3AAA con un llamado CQ que fue respondido por la estación WA1XXX. Todos los mensajes incluyen los dos indicativos y el primer indicativo es el del destinatario del mensaje y el segundo de quien emite el mensaje. En los dos primeros mensajes se intercambian el “Grid Locator” (FJ24, ED12).

En el segundo par de mensajes se intercambian la información sobre intensidad de la señal recibida. En JT65 se informa sobre la relación de  señal/ruido expresada en decibeles a diferencia de lo común de reportar el valor subjetivo de S (59 o 599).

En la tercera parte se intercambian indicación de RRR (puede ser RR o R o R73) confirmando que el comunicado ha sido exitoso, equivalente al tradicional “Roger” o QSL usado en fonia.

Por último, se intercambian el tradicional 73 como formal despedida entre colegas.

La información sobre intensidad de la señal son simple números que pueden ser convertido a un número binario, con  8 bit es más que suficiente, y los pocos datos de RRR o 73 pueden ser también codificados en pocos bits, por lo tanto los mensajes más largos son los que incluyen los dos indicativos y el “Grid Locator”. Un indicativo requiere 28 bit y el “Grid Locator” 15, entonces para cualquier mensaje se requieren 28 + 28 + 15 = 71 bits.

Al diseñarse el JT65 si tuvo en cuenta una pequeña adición: Se decidió usar un bit más para llegar a 72, este bit adicional se usa para indicar si el mensaje es del tipo estándar usado para el comunicado, mensajes tipo 1 o considerarlo de tipo 2 que contiene un texto libre introducido por el operador.  El texto libre puede constar de letras números o algunos caracteres especiales (, – : etc) para un alfabeto de 43 caracteres posibles. La limitante es que el texto codificado de 43 posibles caracteres debe caber en 71 bits posibles. El cálculo indica que el máximo número de caracteres es de solo 13.

— 13 es la máxima potencia de 43 (4313) que puede ser contenida binariamente en 71 bits, o más matemáticamente es el mínimo entero del cálculo de 71 log2/log43 (71 * 0,3/1,63 = 13,07) –

En resumen, en JT65 no se transmiten caracteres si no un mensaje siempre de 72 bits que pueden ser mensajes estándar (tipo 1) o de texto máximo de 13 caracteres (tipo 2).

En el próximo articulo nos referiremos a como 72 bit del mensaje se hace robusto para ambientes de señales débiles y como se transmite por radio.

 

 

 

 

 

 

 

Anatomía del modo JT65, parte 1

Actualmente (año 2017) ha aparecido en el campo de los Radioaficionados de Onda Corta un modo de comunicación conocido como JT65 del cual se han derivados otros como el JT9 y el FT8.  Estos modos tienen algunas características interesantes que vale la pena estudiar que lo diferencia de los modos más tradicionales y que lo hacen más eficiente.  El presente artículo trata de analizar como el modo JT65 trabaja y debido a la variedad de técnicas que utiliza va a ser escrito en varias partes.

El primer modo de transmisión en radio, que sorprendentemente aún se sigue usando, es la telegrafía más conocida en el mundo de los radioaficionados como CW (continuos wave). La telegrafía fue diseñada para transmitir textos escritos, es decir, emite los diferentes caracteres que forman una palabra  que a su vez forman frases con información coherente. Su objetivo era transmitir mensajes escritos a la distancia en lo que se constituyó el “telegrama”.

Los radioaficionados ha usado la telegrafía también desde el principio pero el objetivo no es enviar textos coherentes sobre un tema si no que se usa principalmente para confirmar que se ha hecho contacto entre dos estaciones. Por lo menos este es el objeto del DX pero también existe las excepciones y muchos radioaficionados mantienen verdaderos diálogos usando telegrafía. Los mensajes de los radioaficionados consta de palabras codificadas como son el indicativo de llamada (HK3EU, WA3CDF, F5JJH, etc), los códigos Q (QAP, QRZ, QTH, etc) palabras abreviadas (TX, DE, TN, 73 etc) y rara vez transmiten palabras de uso corriente.

En telegrafía se emite uno a uno los caracteres que forman una palabra. Cada carácter se convierte a un símbolo de código llamado Morse en honor a su inventor. El código Morse consiste en una combinación de puntos y rayas único para cada letra.  Es así como la letra “A” se codifica como “- .”, la letra “B” como “- . . .”, … la ”M” como “- -“ etc.  La telegrafía por ser un sistema primitivo solo se pueden emitir las 27 letras del alfabeto usado en el inglés, los numero (0, 1’ …, 9), algunos caracteres especiales  como la coma, guion, etc.  No se hace distinción entre letras mayúsculas y minúsculas ni existen códigos para caracteres usados en otros idiomas como la “eñe”  del español  o las vocales con acento.

Esencialmente la telegrafía es codificada y decodificada por humanos lo que le produce una desventaja ya que esta propensa a tener errores propios del comportamiento humano.  Para eliminar el factor humano se inventó el Teletipo en el cual una maquina se encarga de codificar o decodificar los caracteres  de acuerdo a unas tablas que da el código para cada carácter. En transmisiones de radio el teletipo paso a llamase “Radioteletipo” y se abrevia como RTTY.

Tanto la telegrafía, CW, como el RTTY transmiten mensajes codificando uno a uno los caracteres de un texto preestablecido.  En los últimos años ha aparecido un modo conocido como PSK31 que su objetivo es mejorar y modernizar el RTTY cambiando la codificación y el modo de transmitir. Con la aparición de los computadores personales PC,  la implementación de RTTY y PSK31 se ha movido a los PC. El usuario introduce el texto a enviar usando el teclado del PC, computacionalmente los caracteres se codifican y se preparan para ser transmitido,  los PC suministran la información procesada como señales de audio que se entregan a transmisores de banda lateral (SSB) como los usados por los radioaficionadas. El transmisor emite la información por ondas electromagnéticas que serán captadas por el receptor remoto de la estación corresponsal. La señal de radio recibida por el receptor se entrega al PC que usando procesos computacionales decodifica el carácter recibido y lo presenta en la pantalla del PC.

El efecto en forma simplificada es como si el emisor oprime una tecla en su PC y causa que el carácter aparezca en la pantalla del PC del receptor remoto. Por eso estos sistemas son conocidos actualmente como “orientados a teclado”.

CW, RTTY, PSK31 y otros modos similares son muy eficientes para transferir textos a la distancia, pero cuando estas informaciones son enviadas por ondas de radio se presentan algunos inconvenientes. Con la distancia las señales de radio se debilitan dificultando que el receptor capte la señal enviada, además se presenta ruido que también afecta al receptor y de esta manera el receptor se confunde afectando la fidelidad de la señal recibida y el codificador puede equivocarse en la detección del carácter recibido.  Bajo estas circunstancias algunos caracteres del mensaje recibido son cambiados.  Uno que otro cambio de caracteres puede ser aceptable ya que la mente humana puede corregir el error por contexto, pero si el número de caracteres cambiados es alto el texto se vuelve ininteligible y la comunicación se vuelve inutilizable.

Para ese ambiente de señales débiles y mucho ruido es que ha aparecido el modo JT65 con el objetivo de lograr comunicaciones confiables. En el campo de la exploración aeroespacial ha surgido el problema de lograr comunicaciones y transmisión de imágenes y datos de sondas espaciales enviada a nuestros planetas cercanos pero que se encuentran a varios cientos de millones de kilómetros, además estas sondas no disponen de mucha energía entonces sus transmisores son de potencia modesta y por lo tanto las señales recibida en la tierra son muy pero muy débiles. La  NASA y algunos científicos han estudiado el problema de cómo lograr comunicaciones muy confiables y exactas  de señales extremadamente débiles captadas de las sondas espaciales.  JT65 incorpora varias de las técnicas usadas en la exploración espacial para lograr comunicaciones Tierra-Luna-Tierra y de HF con señales muy débiles, el resultado en HF ha sido la posibilidad de obtener comunicaciones precisas con un transmisor de apenas unos vatios con casi cualquier lugar del mundo y comunicaciones de rebote Lunar con apenas unos 100 vatios y equipo comúnmente usado por los radioaficionado.

El modo JT65 y similares como JT9 y FT8, surgen de un proyecto denominado  WSJT “Weak Signal Joe Tailor” (Weak = débil) auspiciado por el Dr Joseph Hooton Taylor (Joe Taylor), un insigne radioaficionado K1JT, eminente científico profesor de la Universidad de Pricenton y Hardvard honrado con el premio Nobel de Física en 1993 por sus estudios de astrofísica relacionado con la detección de Pulsares con radiotelescopios.

Como se transmite enl JT65 será el tema del siguiente artículo.

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Fotografía de Joe Taylor inventor de JT65

 

 

 

Modificación Yaesu FT-840

Tengo un transceptor Yaesu FT-840 en perfecto estado de funcionamiento y he querido adaptarlo para comunicaciones por medios digitales (RTTY, PSK31, JT-65 principalmente) o operarlo a control remoto.  El TS-840 fue diseñado años atrás cuando estos medios o no existían o no se habían desarrollado por lo cual no incluye soluciones para estos tipos de operación. Si embargo el TS-840 tiene características excelentes que lo permite usar cómodamente en modos digitales.

Dispone de un sistema de CAT que, aunque rudimentario,  permite leer y cambiar de frecuencia y bandas desde un PC que es lo básico para operación remota desde un PC (en un artículo anterior se trató el tema de la conexión CAT con el FT-840). En la parte trasera del equipo dispone de un conector RCA para operación del PTT y otro conector RCA donde se suministra el audio saliente del equipo.  Una dificultad es que la única entrada de audio al equipo, que es la entrada de micrófono, solo esta disponible por el frente del equipo en un conector de 8 pines.

La presente modificación, relativamente simple, consiste en tener un conector para micrófono (audio in) en la parte posterior del equipo y de esta manera conectar los equipos de interface para conexión a un PC, todos por la parte posterior del equipo:  CAT, PTT, audio-in, audio-out.

Fig 1.  Este es mi equipo FT-840. La entrada de micrófono es hace por el conector de 8 pines situado a la izquierda parte inferior del equipo.

Fig 2.  La tapa trasera del equipo, que puede ser fácilmente removida, se le adiciono un conector RCA en el lado izquierdo (en la foto se ve arriva de color rojo). Esto se consigue perforando la lamina (que es de aluminio) con una broca de 1/4″ y colocando un conector RCA hembra.

Foto 3. Muestra el conector RCA por el lado interno de la tapa. El conector RCA requier de dos conexiones, una de tierra y la otra es su conector central.

 

Foto 4.  Se observa la s conexiones interna realizadas. Es simple toma en paralelo de el enchufe localizado en la esquina cerca del conector (J1014). El cable gris del enchufe viene directamente del conector de micrófono de la parte delantera.

Fig 5. Se muestra el esquema de la modificación.

Manchas Solares, ciclo 24

Articulo leido en el Programa Colombiano para Radioaficionados el domingo 19 de Marzo 2017.

 

En el año 1610 Galileo Galilei invento el telescopio, lo dirigió al cielo y descubrió eventos que transformaron la forma de pesar sobre el universo. Confirmo la valides de las teorías heliocéntricas, es decir que los planetas giran alrededor del Sol y no de la tierra.

Uno de los descubrimientos al usar el telescopio fue que el Sol presentaba manchas negras sobre su superficie brillante. Esto choco con el pensamiento, imperante en la época, de que todos los cuerpos celestes eran perfectos e inmaculados. Las manchas en el Sol no son permanentes sino que aparecen y desaparecen en un periodo de unos 10 días y aparentemente están sobre la superficie del Sol y por lo tanto se podía deducir una rotación del Sol sobre su eje de aproximadamente 27 días terrestres.

Hay muchas referencias sobre observación de las manchas en el Sol con anterioridad a Galileo, pero después que se dispuso del telescopio, en 1610, se han hecho observaciones continuadas y detalladas.

La aparición de manchas en el Sol es muy variable, hay periodos de mucha actividad seguidos por periodos de nula o casi nula aparición de manchas. A finales del siglo 18 (1700s) había suficiente datos estadísticos sobre aparición de manchas que los astrónomos dedujeron que las manchas solares siguen un ciclo casi constante de 11 años entre máximos y mínimos de actividad.

Como hemos comentado el sol es una esfera que gira sobre sí mismo teniendo un eje que en perpendicular a al eclíptica lo que significa un ángulo de unos 23 grados de inclinación con respecto al eje de la tierra. Entonces podemos considerar al Sol tiene polos,  donde está el eje y el ecuador solar seria la línea equidistante a los polos y podemos medir la latitud para diferentes lugares de la superficie.

Las manchas aparecen en ambos hemisferios en latitudes que van de lo 5º a los 40º, nunca en la línea ecuatorial ni en lo polos. Cuando el número de manchas alcanza su máximo se llama “máximo solar” y el punto de baja actividad será “mínimo solar”. Al principio del ciclo las manchas solares tienden a aparecer en latitudes altas (40º) y a medida que se aproxima al máximo solar aparecen manchas con mayor frecuencia y a latitudes más bajas hasta que se alcanza el máximo, continuando con aparición de manchas en bajas latitudes hasta llegar al mínimo con casi nula aparición de manchas. Poco tiempo después del máximo solar empiezan a aparecer esporádicas manchas en latitudes altas (40º) atribuidas a la iniciación del siguiente ciclo.

Como hemos dicho anteriormente un ciclo solar es de aproximadamente 11 años, no es un número exacto pero 11 años es el promedio, tampoco los ciclos son iguales, ha habido ciclos con máximos (número de manchas en un mes) con valores muy dispares.  Un ciclo solar se cuenta como el periodo entre dos mínimos solares.

Las manchas solares han sido motivo de estudio para encontrarle una explicaion y aun hay mucho por conocer.  Sin embargo sabemos que son producidas en zonas de la superficie que tienen una temperatura menor que su entorno. Al ser zonas más frías, emiten menos luz y parecen como zonas oscuras. No son negras si no que lucen negras en comparación que la zona aledaña mucho más brillante.

También sabemos que las manchas son originadas por la aparición de un fuerte campo magnético  en el sitio de la mancha, que provocan remolinos en los gases de la superficie del sol. Algunas manchas son tan activas que pueden provocar el lanzamiento de chorros de materia desde la superficie del sol (plasma) que debido a la velocidad con que son lanzados pueden abandonar la abrasión del sol y lanzarse al espacio.

El material arrojado por la mancha solar no es otra cosa sino átomos de hidrogeno muy caliente y a mucha velocidad.  Parte de estas emisiones pueden llegar a la Tierra y son tan energéticos que podrían acabar con la vida en la Tierra pero, para nuestra seguridad, la tierra tiene un campo magnético exterior que actúa como un escudo he impide la llegada a la superficie de la tierra de esas partículas. Sin embargo, en los polos de la tierra, donde el campo magnético es más débil, muchas de estas partícula pueden penetrar y causan un espectáculo llamados auroras boreales.

En general, en periodos de máxima actividad solar (muchas manchas) significa que el sol radia muchas partículas al espacio que puede llegar a la tierra causando que las capas altas de la atmosferas se ionicen. Cuando una capa de la atmosfera está fuertemente ionizada actúa como un reflector para las frecuencias de radio entre 1 y 30 MHz.  Esto tiene vital importancia para las comunicaciones de radio y muy especial para los radioaficionados que utilizan habitualmente esta frecuencias conocidas como Ondas Cortas o HF.

En máximos solares, cuando hay muchas manchas, la ionización de la atmosfera es alta, las ondas de radio son reflejadas y es posible lograr comunicaciones a muy largas distancias. En cambio en mínimos solares, la ionización de la atmosfera desaparece y no es posible hacer comunicaciones a larga distancias.

Como hemos comentado las observaciones sistemáticas de las manchas se ha venido realizando desde 1610, posterior a la invención del telescopio, pero aparentemente el Sol entró en un periodo de casi nula actividad desde 1650 hasta el año 1700 (conocido como el mínimo de Maunder). Después de 1700 el sol entro periodo de continuos ciclos con una frecuencia  de 11 años bastante regular. A partir de 1755 se ha llevado anotaciones de los diferentes ciclos y en la actualidad estamos en el ciclo 24.

El ciclo 24 ha resultado muy singular. El anterior ciclo 23 se inició en el año 1996 y termino en 2007 con un máximo en el año 2000 de más de 150 manchas por mes. El ciclo 24 fue pronosticado para empezar en el año 2008 con un máximo para el 2012 pero sorprendentemente el sol permaneció casi quieto hasta el año 2010 cuando empezó su actividad del ciclo y aumento hasta el año 2012 cuando se obtuvo un máximo de 80 manchas por mes pero empezó a decrecer y luego hizo un pequeño aumento para 2015 llegando a un pico de 60 manchas por mes y a partir de ahí ha iniciado un descenso significativo y en la actualidad, marzo 2017 el sol está casi quieto con escasísimas aparición de manchas. Se estima que este ciclo (24) debe terminar en el 2019 para luego espesar el ciclo 25 hacia el 2019 o 2020.

Lo cierto es que el ciclo 24 ha resultado ser uno de los ciclos más débiles en cuanto actividad solar. El mayor en los últimos tiempos fue el ciclo 22 entre 1986 a 1997 con un máximo en 1990 con más de 170 manchas por mes. El anterior ciclo 21 (1976-1986) fue un poco más débil que el 22 pero después del ciclo 22 la intensidad ha estado en franca reducción.

Los estudios actuales han tratado de asociar los ciclos de actividad solar con el clima en la tierra. Parece ser que si la actividad solar se reduce la temperatura media de la tierra se baja y lo contrario, en periodos de alta actividad solar, la tierra se calienta.  La poca actividad solar entre 1650 y 1700 conocido como el mínimo de Maunden está asociado con una bajada de la temperatura que se reporto por esa época. Hay cuadros de pintura representando escenas de nieve en ciudades del Mediterráneo lo cual no es usual actualmente.

Los ciclos 8 y 9 a principio del siglo 19 fuero también muy débiles correspondiendo con un periodo de enfriamiento de la tierra. El año 1816 es conocido como el año sin verano, ya que este fue muy frio en Europa.