Weak Signal - WSJT (K1JT)

(by IK1UWL)

PARTE I

Cosa è WSJT
WSJT è l'acronimo di Weak Signal by K1JT.
Joe K1JT (astronomo premio Nobel per la scoperta delle Pulsar ), era stato colto dalla voglia di fare meteor-scatter, ma non gli piacevano i sistemi dell'epoca (credo ci fosse la possibilità di trasmettere in CW ultraveloce, registrare e poi rallentare l'eventuale ping), per cui si inventò un nuovo modo digitalizzato per fare questa attività; è il modo FSK441 che è uno dei modi attualmente presenti nel software WSJT. Poi si appassionò all'idea di fare EME in 2 m., ma all'epoca aveva una stazione modesta, una sola yagi e poche centinaia di watt, così si mise a studiare anche questo modo. All'epoca si faceva EME solo in CW e con questo modo era necessario avere come minimo 4 yagi lunghe 10 m. ed 1,5 kW, anche così si riusciva a fare QSO solo quando le condizioni erano favorevoli, tipo Luna al perigeo (cioè vicina) e basso rumore di fondo cosmico. I segnali erano affetti da distorsioni fortissime e con forti QSB legati al fatto che la Luna non è uno specchio perfetto ed in più si muove rispetto a noi (librazione); gli echi che tornano dalla superficie irregolare della Luna hanno fasi differenti e variabili, quindi si sommano o sottraggono di momento in momento. E, dovendo percorrere circa 750.000 chilometri, sono talmente deboli da essere spesso inferiori al rumore radio. Quest'ultimo era un problema ben noto ad un radioastronomo come Joe, che professionalmente era abituato ad usare tecniche di media sul lungo periodo per estrarre segnali coerenti dal rumore incoerente. Ma non gli sembrava che segnali in CW fossero il tipo migliore da usare, quindi si mise a studiare teoria dell'informazione per approfondire il problema.

JT65, come codifica il messaggio
Il punto di partenza è stata un'analisi di cosa si doveva trasmettere, come minimo, per fare un QSO valido. Le regole dell'EME, allora come oggi, sono: scambio dei nominativi e scambio di un report. Poiché in CW decodificare numeri era difficile, era entrato in uso la convenzione di dare O (come OK) quando si erano sentiti entrambi i nominativi, di dare RO (Roger O) quando si era sentito la O di conferma dello scambio dei nominativi, di dare R (Roger) quando si era ricevuta la conferma. A questo punto il QSO era completo, ma era abitudine terminare con 73 ossia saluti. OOO, RO RO, RRR, 73 73, ripetuti in Morse sono musicali e facili da intuire.
Quindi il QSO minimo, senza fronzoli ed abbellimenti, tra I1YST ed IK1UWL è:

Da un punto di vista digitale, dando ad un punto il valore di un bit, allo spazio un altro bit, ed ad una linea tre bit, due nominativi più OOO codificati lettera per lettera in CW tipicamente necessitano di circa 170 bit. Ma perché insegnare ad un computer a codificare lettera per lettera?
Un nominativo consiste di un prefisso di uno o due caratteri di cui uno deve essere una lettera, seguito da un numero e da un suffisso di una a tre lettere. Pertanto il numero dei nominativi possibili è 37x36x10x27x27x27 cioè circa 262 milioni (37 e 27 prevedono tutte le lettere (e i numeri) più il caso di loro assenza).
Quindi bastano 28 bit (2³⁸ è > 268 milioni) per codificare in modo univoco ogni nominativo standard.
Tutti i locatori Maidenhead a 4 cifre sono 32.400, 2¹⁵ è 32.768, quindi bastano 15 bit per codificare un locatore.
Volendo trasmettere due nominativi ed un locatore servono quindi 28+28+15 = 71 bit più uno per tipizzare il messaggio, cioè 72 bit, nettamente meglio dei 170 del CW per i soli nominativi. Notare che si prevede di trasmettere anche il proprio locatore.
Il JT65 usa questo sistema di codifica, che lo rende più compatto e quindi più potente.

(Dato che una parte dei valori da 28 bit non è necessario per i nominativi, alcuni sono stati assegnati a simboli tipo CQ o QRZ, a trasmettere CQ NNN dove NNN rappresenta la frequenza di ascolto, o a trasmettere –NN oppure R-NN dove NN è un rapporto.
La stessa codifica permette la trasmissione di un messaggio qualunque composta da 13 caratteri di un alfabeto di 43 caratteri (26+10+7 segni di interpunzione) usando il 72esimo bit ad indicare che si tratta di un testo generico anziché nominativi e locatore.)

FEC (Forward Error Correction)
Quando si trasmette un pacchetto di dati di dimensioni fisse, si usa aggiungere qualcosa che aumenta le probabilità di verificare che il messaggio è giunto correttamente o, ancor meglio, di ripararlo. Questo è il FEC, codice di correzione dell'errore. Nel caso del messaggio base di 72 bit del JT65, a questo vengono aggiunti 306 bit particolari. Da chi?
Tra i tanti sistemi nati a scopo correzione d'errore, è stato scelto il codice Reed-Solomon RS(63,12), che codifica ogni messaggio da 72 bit in 63 gruppi da 6 bit (63x6=378 – 72 = 306). I caratteri aggiunti sono scelti in modo da rendere i gruppi "quanto più possibile differenti tra loro" in senso matematico. Senza entrare in ulteriori dettagli, faccio notare che in questo modo, anche in presenza di errori, è pressocchè impossibile scambiare un assieme di questi gruppi per un altro assieme.
Ci sono quindi da trasmettere 63 diversi gruppi, sotto forma di 63 toni di diversa frequenza. Viene poi generata una opportuna sequenza pseudo-random di bit riordinando i simboli in una matrice 7x9 e leggendoli colonna per colonna, questa serve per l'identificazione del tono di sincronismo, vedi oltre.

Sistema di trasmissione
JT65 usa sequenza alternate di trasmissione e ricezione della durata di un minuto ciascuna, in cui vengono scambiati i toni dei pacchetti ed il tono di sincronismo.Per quanto le due stazioni siano precise in frequenza e ben sincronizzati gli orologi dei due computer, ci sono inevitabilmente delle differenze di taratura, a cui si aggiunge l'effetto Doppler nel caso di echi lunari (sui 144 MHz si arriva a 350 Hz di Doppler). Quindi bisogna aggiungere un riferimento di frequenza cioè un tono di sincronismo, trasmesso in modo tale da essere riconoscibile dagli altri, e con una sequenza riconoscibile per rappresentare un riferimento di tempo. Il tono di sincronismo ha frequenza 1270,5 Hz ed è trasmesso molto spesso, circa per un terzo del tempo, ogniqualvolta è presente un 1 nella sequenza pseudo-random preventivamente generata, diventando così il tono dominante.
(Nella videata di JT65 vi è un display a cascata che mostra lo spettro che viene ricevuto. Il tono di sincronismo forma quasi una riga continua, mentre a destra si vedono dei puntini sparsi corrispondenti ai toni).
La trasmissione inizia a t=1 s (dall'inizio di ciascun minuto UTC) e termina a t=47,8 s.
Il tempo di 46,8 s è diviso in 126 intervalli in ognuno dei quali (0,372 s) viene trasmesso uno di 65 toni predefiniti, distanti tra loro circa 2,7 Hz per il modo JT65A, occupando una banda occupata di 170 Hz.
Il tono di sincronismo viene trasmesso ogniqualvolta è presente un 1 nella sequenza pseudorandom preventivamente generata. Questa sequenza è strettamente correlata al tempo dell'orologio del computer trasmittente, quindi porta con sé l'informazione di tempo.

Sistema di ricezione
Gli apparati devono essere in modo USB. Il segnale audio presente in una banda larga 2700 Hz viene digitalizzato dalla scheda audio del computer alla cadenza di 11025 campioni al secondo. Questi campioni vengono accumulati in una matrice, ogni casella della quale è larga circa 1 Hz e alta circa 91 ms.
Ogni riga rappresenta lo spettro in frequenza del segnale in quel breve periodo; ogni colonna rappresenta il numero totale di volte in cui è stato ricevuto quel tono, e la sua sequenza temporale.
Verso la fine di ciascun minuto di ricezione, il software comincia con l'analizzare queste colonne (facendo un'analisi di Fourier ) alla ricerca della sequenza caratteristica del segnale di sincronismo, quando la individua sa quale è l'errore relativo di tempo (DT) rispetto all'altro computer e l'errore relativo in frequenza (DF). Valuta anche la bontà di questa identificazione (Sync, tra 0 e 10), e la paragona alla soglia prefissata dall'utente; se accettabile, prosegue.
A questo punto, essendo nota la frequenza di riferimento, può andare a vedere cosa c'è nelle colonne corrispondenti ai 63 toni. Le caselle delle colonne sono state tutte riempite dal rumore di fondo che essendo casuale dovrebbe riempirle in uguale misura per ogni colonna, mentre alcune di quelle corrispondenti ai 63 toni dovrebbe presentare un numero maggiore di campioni. Ecco identificato anche il pacchetto e la sua sequenza di trasmissione. Applicando la procedura inversa alla codifica, il software può ora presentare il messaggio relativo a quel minuto, purchè l'errore in tempo e frequenza sia contenuto, circa +- 4 s e +- 600 Hz.
Nella videata di JT65 compaiono, nel riquadro in alto, tre righe, rispettivamente di colore verde, rosso, e azzurro (vedi figura qui sotto).
La riga verde rappresenta l'intensità media di quanto presente nella banda passante durante il minuto di ricezione.
La riga rossa rappresenta le colonne della matrice, in orizzontale la frequenza, in verticale l'intensità:
La riga azzurra rappresenta il risultato della ricerca di correlazione con la sequenza pseudo random (ricerca del tono di Sync), anch'esso eseguito colonna per colonna, in orizzontale la differenza di tempo DT tra gli orologi dei due PC, in verticale l'indice di correlazione, quando c'è un picco più alto quello è il risultato dell'analisi di Fourier che è alla base del processo di decodifica:

Paragone CW, JT65
Il software indica nella decodifica il rapporto S/N (segnale/disturbo), espresso in dB rispetto al rumore presente in una banda larga 2700 Hz. Da simulazioni e prove pratiche la decodifica risulta possibile con segnali aventi SNR>-24 dB e praticamente impossibile con SNR<=-27 dB. Per confrontarlo con il CW dobbiamo prima stabilire con quale larghezza di banda si lavora in CW. Supponendo di usare 100 Hz cioè 1/27 della banda di riferimento del JT65, queste figure di rumore migliorerebbero di 14 dB diventando –10 dB per segnali sicuramente decodificabili. I migliori operatori CW riescono a decodificare segnali pari al rumore, quindi il JT65 ha un vantaggio di 10 dB pari a quasi due punti S.


PARTE II

Uso di WSJT, modo JT65
Sul sito physics.princeton.edu/pulsar/K1JT è disponibile il software (cliccare Download) ed il manuale (cliccare Documentation), in inglese ed anche in versione tradotta, tra cui in Italiano, a mia cura. Il manuale tratta sia il modo di funzionamento che l'uso dei vari modi, FSK441 per il Meteor Scatter, JT6M per la banda dei 50 MHz, JT65A, B, C per il DX con segnali ultradeboli.
JT65A si presta per l'uso in HF, e sta cominciando a diffondersi, grazie alla sue capacità di consentire un DX estremo, al di là di quanto fattibile in CW, che tra l'altro comincerà lentamente ad essere meno praticato dai nuovi operatori non essendo più obbligatorio il suo apprendimento. Per l'uso di WSJT è sufficiente usare la stessa interfaccia che si usa per il PSK31 tra scheda audio del PC e radio.
La versione 5.9.7 di WSJT è nata con alcuni perfezionamenti (non descritti nel manuale che è antecedente) dedicati appunto all'uso in HF del modo JT65A. Le varianti sono:

1. Nel menu "Band" sono ora previste tutte le bande da 1,8 a 2304 MHz.
2. È stata aggiunta la voce "Quick decode" nel menu "Decode>JT65>Quick decode". Cliccando su questa, il software inizia la decodifica al t=48 s anziché al t=53 s (questo tempo era necessario per l'EME dove un segnale torna dalla Luna anche 3,5 s dopo). Molto utile soprattutto con computer di modesta velocità dove la decodifica può durare anche più di 10 s.
   Nota per gli operatori: Se tardate a decidere cosa trasmettere, il vostro minuto è già cominciato ed il vostro sistema è già passato in trasmissione, cliccate sul campo all'estrema destra del messaggio che vorreste venga trasmesso, questo forza il software che passa subito a trasmettere il nuovo testo.
3. Come nelle versioni precedenti, un doppio clic sinistro sul nominativo decodificato copia questo nominativo nel campo "To Radio" e nei messaggi da trasmettere.
   Un doppio clic destro fa la stessa cosa, in più attiva "Auto On" ed infine modifica la tabella messaggi sia inserendo i nominativi anche nei rapporti, sia mettendo dei rapporti numerici (il livello in dB) anziché OOO ecc.
4. C'è un nuovo tasto "TxDF=0" Se non lo si clicca, la trasmissione avviene con le frequenze standard (tono di sincronismo a 1270,5 etc.). Se però il segnale del corrispondente è molto spostato, come evidenziato dal parametro DF, ciccandolo si sincronizza la frequenza del nostro segnale con la sua. Ad esempio: siete sintonizzati a 14,076 e trovate un CQ con DF=-450 Hz. Doppio clic sul tono di sincronismo per settare il Freeze DF a –450, poi cliccate TxDF. Questo cambierà a "TxDF=-450" (illuminato rosso) e la vostra trasmissione avverrà con toni shiftati di –450 Hz, praticamente isoonda col corrispondente.
5. Il parametro "Tol" e quindi la larghezza di "Freeze DF" è regolabile a passi di 5 Hz con i tasti F11 ed F12 (oltre ad essere regolabile per dimezzamenti successivi con clic destro o sinistro sul valore di Tol).
6. Tasti di esecuzione rapida:
   Alt-D equivale a cliccare su "Decode".
   Ctrl-d forza la decodifica anche per livelli di "Sync" inferiori al prescelto.
7. Quanto sopra si trova nella pagina WSJT_Quick_Reference.pdf allegata alla distribuzione attuale del software.

Nota di Giorgio IK1UWL – Ricordate di regolare sempre l'orologio del PC con precisione dell'ordine del secondo. Errori anche di pochi secondi precludono la decodifica.

Bibliografia:
WSJT6.pdf (in formato zip), traduzione italiana del manuale originale, reperibile sul nostro sito nella sezione Downloads qui: WSJT6

JT65-ita.pdf (in formato zip), traduzione della descrizione del modo JT65 reperibile sul nostro sito nella sezione Downloads qui: Protocollo di comunicazione JT65

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