Digitala trafiksätt: FT8, RTTY, PSK och mer

Ett digitalt trafiksätt gör om meddelanden till ljudtoner som en dator skapar och tolkar. Radion behöver bara vara en vanlig SSB-sändare, eller en FM-sändare på VHF, medan programmet sköter kodning, felrättning och tidtagning. Med det kan du ha kontakter över halva jorden på några watt, i ett brus som skulle dränka en telefonisignal. Den här artikeln förklarar principerna, går igenom FT8 steg för steg och beskriver de andra trafiksätten: från RTTY och PSK31 till WSPR, APRS och Winlink.

Datorn som modem#

Hos de flesta digitala trafiksätt sker modulationen i datorn. Programmet bygger en följd av ljudtoner, vanligen någonstans mellan 200 och 3 000 Hz, och skickar den via ljudkortet till sändarens mikrofoningång eller USB-ljudkort. Sändaren behandlar tonerna som tal: den väljer sidband, oftast det övre (USB), och flyttar ljudet upp till radiofrekvensen, se Amplitudmodulation: AM, DSB och SSB. Mottagaren gör motsatsen, och programmet tolkar tonerna. För radion är en FT8-signal alltså en ton som byter frekvens, och en transceiver som klarar SSB klarar FT8. Hur toner kan bära bitar, med frekvensskift (FSK) eller fasskift (PSK), beskrivs i Digital modulation.

Det som skiljer trafiksätten åt är avvägningen mellan hastighet, känslighet och bandbredd. Brus är jämnt fördelat över frekvensen, så en smalare signal släpper in mindre brus (Brus och signal-brusförhållande). Genom att sända långsamt och smalt, och lägga på felrättande kod (Felrättande kodning), kan man avkoda signaler som ligger under bruset i en vanlig telefonikanal. Priset är tid. Shannons gräns, som förklaras i Bandbredd, kanalkapacitet och Shannons gräns, säger att man vid svag signal bara kan överföra få bitar per sekund. Figur 1 visar hur smala de moderna trafiksätten är jämfört med telefoni.

Ljudkort och gränssnitt#

För att en dator ska kunna köra digitala trafiksätt behöver den tre förbindelser med radion (figur 2): ljud från radion till datorn (mottagning), ljud från datorn till radion (sändning) och en styrning som slår om radion mellan mottagning och sändning, kallad PTT (eng. push to talk). Många transceivrar har dessutom en CAT-port (eng. computer aided transceiver) som låter programmet läsa av och ställa in frekvens och sidband.

I praktiken finns det några vanliga lösningar. Moderna transceivrar har ofta ett inbyggt USB-ljudkort, så att en enda USB-kabel ger både ljud och styrning. Äldre radioapparater kopplas till en extern gränssnittsmodul med ljudtransformatorer och en isolerad PTT-krets, eller till datorns ljudkort med en egen kabel. WSJT-X kan växla till sändning med CAT-kommandon, med VOX (ljudstyrd sändning) eller med seriekabelns DTR- och RTS-signaler². Programmet vill ha ett ljudkort som samplar 48 000 gånger per sekund med 16 bitar.

Tre saker avgör om det blir ett rent och snällt trafiksätt:

• Ljudnivån. Matar du in för mycket ljud blir sändarens förstärkare överstyrd. Då uppstår distorsion, övertoner och bredbandigt "skräp" kring signalen, som stör alla i närheten (Linjäritet, intermodulation och dynamik). WSJT-X-dokumentationen råder dig att sänka sändningsnivån (reglaget Pwr) från maximum tills radions uteffekt precis börjar minska, och att tonen ska vara helt jämn, utan klick².
• Effekten. En FT8-signal har konstant amplitud och sänds under mer än tre fjärdedelar av tiden. Slutsteget belastas därför som vid en kontinuerlig bärvåg. Kör med klart lägre effekt än radions maximum: svaga signaler avkodas ändå, och sändaren håller sig sval och linjär. Se Sändaren: oscillatorer och förstärkare.
• Brum och störningar. En galvaniskt isolerad ljudkoppling minskar brum från jordslingor. Ferritkärnor på USB-kablar hjälper mot högfrekvent ström på kabeln (Vad är EMC?). Hur en hel station kopplas ihop beskrivs i Bygga en amatörradiostation.

Med en mjukvarudefinierad radio (SDR) går det ännu enklare, eftersom signalen redan är digital i apparaten. Principen är densamma: det är programmet som modulerar och demodulerar.

Tid: klockan är en del av systemet#

FT8, FT4, WSPR och flera andra moder delar in tiden i fasta perioder som börjar vid bestämda sekunder på UTC-klockan. Båda stationerna måste veta när en period börjar. Mottagaren söker efter signalens synkroniseringsmönster inom ett begränsat tidsfönster, och går din dators klocka fel hamnar din sändning utanför motpartens fönster eller så avkodas den inte alls.

WSJT-X kräver att datorns klocka kan synkroniseras till UTC inom ±1 sekund², och i praktiken siktar man på bättre än så. Programmet visar för varje avkodad signal tidsavvikelsen DT i sekunder. Om nästan alla stationer du hör har samma DT-avvikelse åt samma håll är det din egen klocka som går fel. Som tidskälla används ofta en NTP-tjänst via internet (eng. network time protocol), eller en GPS-mottagare när du kör ute i fält utan nät. Hur tid och frekvens hålls exakta i samhället beskrivs i Tidssignaler och frekvensnormaler, och GPS-tidens ursprung i Satellitnavigering.

FT8 steg för steg#

FT8 utvecklades av Steve Franke (K9AN) och Joe Taylor (K1JT) och kom 2017 i programmet WSJT-X. Namnet står för Franke–Taylor och åttatonig frekvensmodulation. FT8 är gjort för snabba kontakter under dåliga förhållanden och har blivit ett av de mest använda trafiksätten på kortvåg. Det passar inte för samtal: ett meddelande rymmer bara 77 bitar, och längre text får man vänta på.

Perioder och meddelanden#

FT8 körs i 15-sekundersperioder som börjar vid hel, kvart över, halv och kvart i³. Själva sändningen tar 12,64 s, så att det blir en liten marginal för klockavvikelser. Enligt vedertagen praxis väljer den station som kallar CQ period, och motparten svarar i nästa. Programmen kallar perioderna "jämna" (:00 och :30) och "udda" (:15 och :45). Allt som en station sänder är ett standardmeddelande med två anropssignaler och antingen en lokatorruta, en rapport, eller en avslutning (RRR, RR73 eller 73)³. Tabell 1 visar ett komplett utbyte mellan två påhittade stationer.

Tabell 1. Ett FT8-QSO mellan SM0AAA (JO99, Stockholmsområdet) och SM5BBB (JO65, Skåne). Anropssignalerna är påhittade.

Rapporten i FT8 är inte RST utan det mätta signal-brusförhållandet i dB. En lokatorruta, här JO99, anger ungefärligt läge på jorden enligt Maidenhead-systemet, där jordytan delas in i rutor på två bokstäver, två siffror och eventuellt två bokstäver till. Ett komplett utbyte tar fem till sex perioder, alltså 75–90 sekunder (figur 3). Programmet kan svara automatiskt, men du har kvar ansvaret för vad din station sänder, och du ska kunna avbryta direkt.

Det finns även särskilda meddelandetyper, bland annat för expeditioner (så kallat DXpedition-läge, där en station kan kvittera en kontakt och kalla nästa i samma sändning), för tävlingar och för korta telemetrimeddelanden³. Mer om DX-jakt och tävlingar står i DX, contest, diplom och friluftsaktiviteter.

Så byggs en FT8-signal#

Figur 4 följer ett meddelande från 77 bitar till radiosignal. Först läggs 14 bitar kontrollsumma (CRC) på, så att mottagaren kan avgöra om det avkodade meddelandet är rätt. Sedan kodas de 91 bitarna med en felrättande LDPC-kod (174, 91) till 174 bitar, varav 83 är paritetsbitar. Bitarna delas i grupper om tre, och varje grupp väljer en av åtta toner. De 58 datasymbolerna kompletteras med tre synkroniseringsmönster om sju symboler (Costas-matriser) i början, mitten och slutet, så att det blir 79 symboler³.

Varje symbol är en ton som varar 0,160 s, och tonerna ligger 6,25 Hz från varandra. Det ger en symbolhastighet på $1/\mathrm{0,160}=\mathrm{6,25}$ baud, en sändningstid på $79·\mathrm{0,160}=\mathrm{12,64}$ s och en bandbredd på ungefär $8·\mathrm{6,25}=50$ Hz. Tonbytena mjukas upp (det är därför trafiksättet kallas GFSK, Gaussiskt filtrerad FSK) så att signalen inte blir bredare än nödvändigt. Mottagaren söker igenom hela ljudbandet efter synkmönstren, provar sig fram till rätt tidsförskjutning och frekvens, och låter felrättningen reda ut resten. CRC:n gör att felaktiga avkodningar kan sorteras bort.

Spektrum och vattenfall#

I WSJT-X visas mottagen ljud som ett spektrum och som ett vattenfall: frekvens vågrätt, tid lodrätt och signalstyrka som ljusstyrka eller färg. Samma sorts bild finns i SDR-program (Mjukvarudefinierad radio). Under varje period syns de samtidiga FT8-signalerna som smala lodräta streck (figur 5). Eftersom varje signal är bara 50 Hz bred ryms det i teorin $2700/50=54$ signaler i en vanlig telefonikanal. I praktiken är det färre, eftersom stationerna inte lägger sig perfekt jämnt, men det förklarar varför ett litet segment på ett band kan hysa hundratals samtidiga kontakter.

Vattenfallet använder du till att välja en ledig sändfrekvens. Lägger du dig ovanpå en annan station förstör ni för varandra. Är bandet mycket fullt är det bättre att vänta än att höja effekten.

FT4, WSPR, JS8Call och andra svagsignalmoder#

FT8 är bara ett av flera trafiksätt i WSJT-X-familjen. De har olika periodlängder och passar olika förhållanden (tabell 2).

Tabell 2. Trafiksätt i WSJT-X och deras användning, enligt programmets användarhandbok (version 2.7.0).²

FT4 är en snabbare släkting, avsedd för tävlingar. Det använder 7,5 s perioder och fyra toner med 20,83 Hz mellanrum, och en sändning varar 5,04 s. Det är ungefär 3,5 dB mindre känsligt än FT8 och behöver 1,6 gånger så stor bandbredd, alltså ca 80 Hz²³.

WSPR (uttalas "visper", eng. weak signal propagation reporter) är inget samtalssätt utan en fyr. Din station sänder ett meddelande med anropssignal, lokatorruta och uteffekt i dBm på en period om två minuter, och andra stationer rapporterar vad de hörde till en gemensam databas, WSPRnet. Med två minuters sändningar kan WSPR avkodas ned till −31 dB i 2 500 Hz². Den som sänder med bara en watt kan se på en karta hur långt signalen nådde, vilket gör WSPR till ett utmärkt sätt att pröva en antenn eller se hur utbredningen förändras (Kortvågsutbredning: MUF, LUF och hopp). Signalen är bara några hertz bred.

JS8Call använder samma modulation som FT8 men gör den till ett "chattläge": längre meddelanden kan skickas tangentbord till tangentbord, och stationer kan vidarebefordra meddelanden åt varandra. Bandbredden är 50 Hz⁴. Trafiksättet används bland annat för beredskapsövningar (Amatörradio i beredskap).

MSK144 och Q65 är inriktade på särskilda utbredningsformer, som meteorspridning och EME; det senare behandlas i Amatörsatelliter, ISS och EME, och spridningsformerna i Sporadiskt E, meteorspridning, norrsken och EME.

Äldre smalbandsmoder#

Före FT8 dominerade några trafiksätt som fortfarande används. De är mer utrymmeskrävande och mindre känsliga, men låter dig prata, om än långsamt.

• RTTY (eng. radioteletype) skickar tecken med frekvensskift mellan två toner. Amatörer använder normalt 45,45 baud och 170 Hz skift. Trafiksättet är populärt i tävlingar och bygger på den gamla fembitarskoden för fjärrskrivare.
• PSK31 skickar 31,25 symboler per sekund med fasskift och är nästan lika smalt som FT8, ca 31 Hz. Det används för "samtal" via tangentbordet. Vanlig aktivitetsfrekvens är 7,040 MHz på 40 m och 14,070 MHz på 20 m⁵.
• Olivia och liknande MFSK-moder använder många toner och kraftig felrättning för att fungera i brus och störningar, till priset av mycket låg skrivhastighet. De finns i flera varianter med olika antal toner och bandbredder.
• SSTV (eng. slow-scan television) skickar stillbilder som ljudtoner inom en telefonikanal, och en bild tar ungefär några minuter. Aktivitetsfrekvensen på 20 m är 14,230 MHz⁵. Amatörerna får även SSTV-bilder från rymdstationen ISS, se Amatörsatelliter, ISS och EME.
• CW (telegrafi) kan också ses som ett digitalt trafiksätt, med människan som modem; se Morsetelegrafi.

Digital röst (DMR, D-STAR och System Fusion) är något annat: där digitaliseras talet i själva radion, utan dator och ljudkort. Det beskrivs i Repeatrar och digital röstkommunikation.

Packet radio och AX.25#

Vid packet radio delas data upp i paket som skickas med en adress, en kontrollsumma och möjlighet till återsändning. Protokollet AX.25 är en anpassning av X.25 för amatörradio. Varje paket innehåller sändarens och mottagarens anropssignaler, så identifieringen ligger inbyggd i protokollet. På 2 m körs vanligen 1 200 bit/s med ljudtoner (AFSK) över en FM-sändare, och snabbare moder finns på UHF. Alla stationer delar samma frekvens och lyssnar först innan de sänder, en teknik som kallas CSMA (Multipel access och duplex). Vid kollision sänder stationerna om efter en slumpmässig väntetid.

Protokollet lever kvar inom APRS och i de nät för e-post via radio som beskrivs nedan.

APRS: positioner och korta meddelanden#

APRS (eng. automatic packet reporting system) är ett system för att sprida positioner, väderdata och korta meddelanden i realtid. APRS bygger på AX.25-paket utan kvittens på länknivå (så kallade UI-ramar): en station sänder sin position med jämna mellanrum, och alla som hör den kan se den. I Europa används 144,800 MHz, vilket stämmer med IARU Region 1:s bandplan, där segmentet 144,794–144,9625 MHz är avsatt för digitala moder⁶. Bandplanen anger även 432,500 MHz för APRS på 70 cm. Överföringen sker vanligen med 1 200 bit/s.

Ett APRS-nät består av några olika delar (figur 6):

• En spårare (eng. tracker), ofta en liten sändare med GPS i en bil, ett fartyg eller en ryggsäck, som skickar sin position med jämna mellanrum.
• En digipeater (förkortning för digitalt repeater) som tar emot paket och sänder dem vidare, så att räckvidden växer. Paketet innehåller en väglista som anger hur många gånger det får upprepas. Det förhindrar att paket cirkulerar för evigt.
• En iGate (internetport), en mottagare på 144,800 MHz som är ansluten till internet. Den för in de hörda paketen i det globala servernätet APRS-IS. Den kan också göra tvärtom och sända ett meddelande från nätet till en radiostation i närheten.
• Kartsidor och appar som läser från APRS-IS och visar stationerna på en karta.

APRS-positioner är offentliga och sparas i databaser, så tänk efter innan du lägger ut hemmaadressen eller en resväg i realtid.

Winlink: e-post via radio#

Winlink är ett världsomfattande system för e-post via amatörradio. Du skriver meddelandet i ett program, programmet skickar det till en radiogateway (RMS), och gatewayn förmedlar det vidare till internet eller till en annan radiostation. Systemet används på kortvåg och VHF, och det är viktigt för beredskapsövningar eftersom det fungerar utan fungerande mobilnät. På kortvåg används datatrafiksätt som PACTOR, VARA och ARDOP, där de två förstnämnda är proprietära medan ARDOP är öppet. Som alla amatörradiosändningar får Winlink-trafik inte krypteras för att dölja innehållet, vilket är en grundprincip i amatörtjänsten (Vad är amatörradio?). Mer om hur nödtrafik och nät organiseras finns i Amatörradio i beredskap.

Frekvenser och bandplaner#

Frekvenserna i tabell 3 är dialfrekvenser. De anger vad radion visar när den står i USB-läge, medan själva signalen ligger på dialfrekvensen plus ljudtonens frekvens. Ljudtonen ligger inom radions SSB-passband, ofta ungefär 200–3 000 Hz, så signalerna upptar ett fönster på några kilohertz ovanför den angivna frekvensen.

Tabell 3. Vanliga dialfrekvenser (MHz, USB) för några digitala trafiksätt. Praxis, inte regler; ett streck betyder att ingen kontrollerad uppgift finns.⁵

Frekvensen är praxis, men den måste rymmas inom två saker. Först PTS regler: du får bara sända på de band och med den effekt som PTSFS 2025:1 anger, se Amatörbanden och bandplaner. På 60 m är bandet i Sverige 5,3515–5,3665 MHz med högst 15 W e.i.r.p., och i en av källorna anges 5,357 MHz för FT8. Den andra gränsen är IARU Region 1:s bandplan, som för kortvåg i den kontrollerade versionen från 2016 har segment för smalbandiga trafiksätt. På 80 m ligger sådana vid 3 570–3 600 kHz, på 30 m vid 10 130–10 150 kHz och på 20 m vid 14 070–14 099 kHz. FT8 på 40 m ligger enligt den versionen i segmentet för alla moder (7 050–7 200 kHz). Bandplanerna revideras, så kontrollera alltid aktuell version.

God ton med digitala trafiksätt#

Reglerna för god ton i Trafikteknik: så kör man ett QSO gäller även här. Några saker är särskilt viktiga:

• Lyssna först. Titta i vattenfallet en eller två perioder innan du kallar, så att du inte sänder över pågående kontakter.
• Håll nere ljudnivå och effekt. En ren signal på låg effekt är bättre än en överstyrd på hög (se ovan).
• Kontrollera klockan. Går klockan fel stör du utan att veta om det.
• Logga i UTC. Datum och tid i UTC, frekvens och trafiksätt hör till loggen. Hur loggar används för diplom och bekräftelser beskrivs i DX, contest, diplom och friluftsaktiviteter.

Kontrollfrågor#