FreeDV- den SSB-TRX fit für die digitale Sprachübertragung

FreeDV- den SSB-TRX fit
für die digitale
Sprachübertragung
machen
Prof. Dr.-Ing. M. Hartje
Fachbereich
Elektrotechnik & Informatik
hartje@etech.hs-bremen.de
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/1
Übersicht
Digitale Sprachübertragung – wie geht
das?
FreeDV – wie kann ich das nutzen?
Vorführungen (wenige)
Video (youtube.com  dk5hh suchen)
Eine Bitte an Video-Filmer: mir eine
Kopie anbieten!
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/2
Was wäre das einfachste?
Digitale Sprachübertragungsverfahren
lassen sich mit den vorhandenen
Geräten einfach nutzen
Neue Geräte haben das Verfahren als
Modulationsverfahren / „Betriebsart“
eingebaut
Mit einer kleinen Modifikation kann man
die vorhandene Technik nachrüsten
Unsere Welt sieht leider anders aus!!!
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/3
Anforderungen an digitale
Sprachübertragung auf KW
Kann ich meine vorhandene Technik
weiter verwenden?
Erreiche ich damit auch weiterhin alle
meine bisherigen Gesprächspartner?
Ist die Betriebstechnik (QSO) mindestens
so einfach wie bei SSB?
Geht das nur auf bestimmten „Kanälen“?
Muss ich mich irgendwo anmelden?
Brauche ich Internet in der Station dafür?
Wie aufwendig ist die zusätzliche Technik?
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/4
HF-Sprechfunk
AM - Nutzbandbreite: 6 kHz
FM > 29,5 MHz: 12 kHz
SSB seit Mitte der 1960ziger Jahre
Nutzbandbreite < 3 kHz (USA: < 2,7 kHz)
Digitale Modulationen (heute noch im
Anfang)
Versuche in der Vergangenheit (ca 15 J)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/6
Situation auf HF-Bändern





Enge Belegung  geringes Frequenzband
Erkennung: „das ist Amateurfunk“
QRN
Splatter vom Nachbarkanal
QSB (Ionosphäre)
Für das Frequenzband
Selektiv im Frequenzband
Zeitlich nicht konstant
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/7
Wo stehen wir?
Stehen wir vor einem Umbruch?
(AM  SSB)
Was lehrt uns die vergangene Umstellung?
(VHF, UHF → DSTAR, DMR, APCO25, TETRA)
Wir wollen keine patentgeschützten
Verfahren!
Unsere HF-Geräte werden sehr alt!
keine Verfahren mit bindender
Anmeldung und Organisation!
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/8
Digitale Modulation Sprache HF
Vergleichbar zu den Textbetriebsarten (aber
hier: reine Datenübertragung)
nutzt die SSB-Aufbereitung mit
Bandbreite <= 3 KHz
Vorteil: vorhandene Technik nutzen!
(keine neuen Funkgeräte kaufen müssen!)
Vorsatzgeräte (Typ Modem)
FDMDV (CELP-Codec) mit 1200 Bit
AOR: 1200 Bit mit OFDM
HamDRM (Dream)
DSTAR für HF (Bandbreite > 6 kHz)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/9
In Zukunft digitale
Sprachübertragung – warum?
Akzeptanz des Standards für
Kommunikation erforderlich?
Integration in die neuen Geräte möglich
Geht noch weniger?
Muss es bessere Audioqualität geben?
Anforderungen an Sprachübertragung
DX und Contest
Stark unterschiedlich
Klönen (Runden)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/10
Kommunikationsstandard
 Eingeschränktes Frequenzband
 Schnelles Wechselsprechen
 Point-to-multi point
 Möglichst störungsfreie Übertragung von
Sprache
 Kommunikation unter gestörten
Bedingungen
 Keine „Kanäle“ (– im Vergleich zu VHF)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/11
Worauf beruht der Standard?
Sprachverständlichkeit als Ziel:
Erkennen der Phoneme
Worterkennung
Satzerkennung
Sinnbildung
Was können / wollen wir weglassen?
Was wollen wir auch noch?
Sprecher erkennen
Emotionen erkennen
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/12
Verminderung der Datenrate für
kleine Übertragungsbandbreiten
Erreichbares Minimum bei
persönliche Stimmmerkmale entfernen
mit Textübertragung dann
Spracherkennung (TX) und TTS (RX)
Digitalisierung + Codierung
Datenreduktion (Quellencodierung)
Redundanz
Irrelevanz
MP3, OGG-Vorbis, lineare Prediction
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/13
Kodierung und wechselnde Redundanz
Redundanz
Signal
QuellenCodierung
Redundanz
Irrelvanz
KanalCodierung
LeitungsCodierung
Fehlerkorrektur
Kanal
Störungen
+ *
Kanal
Signal
Quellendecodierung
Kanaldecodierung
Leitungsdecodierung
Redundanz
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/15
Digital Voice Radio System
A/D
D/A
codec
enc
codec
dec
FEC
enc
mod
Störung
HF/VHF
Kanal
FEC
dec
demod
Nicht so gut bekannt
TX
RX
bekannt
ISO: Ebene 1
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/16
Quellencodierung
Was können wir bei der
Sprachübertragung
weglassen?
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/17
Sprache ermöglicht
Physikalische Stimmerzeugung
mathematisch modellieren
Analysieren
Synthetisieren
Differenz zwischen Modell und
Momentanwerten
Übertragung mit Fehlern möglich, da
Satzverständlichkeit das Ziel ist
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/18
Sprachkodierung im Überblick
Signalformkodierung
Zeitbereich
Skalare Quantisierung
Vektorquantisierung (mit Codebüchern)
Frequenzbereich
Teilbänder (SBC)
Transformationscodierung
Parametrische Kodierung (Vokoder)
Sinusmodellierung (20-40 Schwingungen)
Vokoder
Klassischer Vokoder (zB 16 Filterkanäle  2,4-3,2
kBit/s, IMBE, AMBE)
Prädiktionsvokoder (Allpolfilter mit 10 Koeffizienten;
CELP, auch CODEC2)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/19
Parametrische Vocoder
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/20
Modell eines Vocoders
Grundfrequenz
Impulsgenerator
Rauschgenerator
stimmhaft
Sprachtraktmodell
(Filter)
Energie
stimmlos
Änderung aller Parameter in
kurzen Zeitscheiben: typisch 20 ms
Nachteil: nur zwei Anregungszustände
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/21
Vocoder (Dudley: 1939)
MELP – patentiert, geringe Bitraten, DoD
Qualität eingeschränkt
Optimiert für Sprachverständlichkeit
AMBE – patentiertes Verfahren
CELP – Codebook Exited Linear
Prediction
Teil vom MPEG-4 (IEC 14496-3)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/24
Aufgabe der Sprachcodierung
Abtastwerte (mit zB 16 bit bei 8 ks/s =
128 kBit/s)
Aufgabe: Reduziere auf 1200 bit/s
(Faktor: 100!)
Frage: Was kann wegfallen?
Erkennbare Sprache
Natürliche Sprache mit Sprechererkennung
 Spracherzeugungsmodell modellieren, und
Parameter übertragen
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/25
Sinusansatz der Sprachmodelle
Amplitude
(16 bit samples)
Pitch Period
35 samples
or 4.4ms at 8kHz
sample rate
Time (samples)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/26
Q:www.rowetel.com
Ersteller: D. Rowe,
VK5DGR
Sinusansatz der Sprachmodelle
Pitch 230Hz or 4.3ms
Amplitude
(dB)
1
Ziffern:
Oberschwingungen
2
5
8
6 7
3
9 10 11
12
13
14
4
Harmonics of 230Hz
Frequency (Hz)
Q:www.rowetel.com
Ersteller: D. Rowe,
VK5DGR
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/27
Codecs und deren Datenraten
sowie der Qualitätsbewertung MOS
Aus Fellbaum: Digitale Sprachübertragung
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/28
Kanalcodierung – FEC
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/29
Vorausschauende
Fehlerkorrektur (FEC)
Untersuchung möglicher Kanaleigenschaften
z.B. frequenzselektives Fading
Alle Formen von überlagernden Störung
Bestimmung der möglichen Bitfehler und
zeitlichen Eigenschaften
Vorsorgeprinzip darauf angepasst
„mehrfache Prüfsummen“ ermöglichen
Erkennung von Fehlern
Korrektur von Fehlern
FEC für Codec2 schützt besonders
Tonhöhe und Filterkoeeffizienten
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/30
„Leitungskodierung“
Modem als Leitungskodierer
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/31
Aufgabe eines „Modems“
'hohe' Übertragungsrate bereitstellen / sichern
optimale Nutzung der festgelegten Bandbreite
optimale Nutzung der Kanaldynamik (SignalStörabstand)
Verzerrungen des „Bandes“ vermindern
Physikalische Anpassung an Kanal
logische Bits in Übertragbares umwandeln
Modulation von Bits
 Vice versa im Demodem
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/32
Vocoderdaten übertragen?
Niedrige Datenrate  niedrige
Bandbreite
Sicherung gegen Fehler  erfordert
Kanalstörungen zu untersuchen
Einfache Anwendung bei Inband-ÜT 
SSB, oder FM
Huckepack bei DSTAR-Datenkanal?
Lösungsansatz aus 2007:
G3PLX: FDMDV
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/33
Modems
GMSK (für VHF gut  Beispiel DSTAR)
Einschränkungen bei selektivem Fading
zu hohe Bandbreite (QPSK 1,5 Bit / Hz)
Mehrfrequenz-Verfahren
OFDM mit optimalem Abstand
FDM (DV)
FreeDV
FDM-Verfahren
GUI
Modemverfahren
Frei von Patenten (DV hat sonst immer
patentierte Verfahren)
Von Funkamateuren für Funkamateure
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/34
FreeDV Frame
Mehrere Frame-Definitionen (weitere
Entwicklung)
Mehrere Bitraten im Modem („historisch“
Dez. 2012: 1400 bit/s )
Empfohlene Einstellung derzeit „1600 bit/s“
Sprachdaten CODEC2: 1275 bit/s
Text (Varicode): 25 Bit/s
Fehlersicherung (FEC) 300 Bit/s
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/35
FreeDV Modem
1600 bit/s mit FDM verteilt (parallel) auf
16 DQPSK mit 50 Symb/s (2 Bit/Symb)
1 DBPSK mit 50 Symb/s (1 Bit/Symb)
+ 10 dB Amplitude (nur Synchronisation)
Frequenzabstand: 75 Hz (wg.
Seitenbändern der QPSK-Modulation)
(Vorführung?) – Folie
Beispiel DL9BQ TX- 80m RX: WebSDR
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/36
80 m mit 100 W (DL9BQ)
BER
Bit Error Rate
7 ·10-2 = 7 %
3 ·10-2 = 3 %
Zeit
Zeit
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/37
Vergleich SSB-DV
 Audio-Beispiel (BER 6%)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/38
FDMDV2 - Modem
Frequency Division Multiplex
Digital Voice
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/39
Codec2 – OpenSource Vocoder +
FreeDV Modem für HF
GUI für Quellen-, Kanal- und Leitungscodierung
Vocoder: 1200, 1300, 1400, 2500 Bit/s
FEC-Routinen
FDMDV-Modem (andere Eigenschaften möglich)
16 Träger, Δf=75Hz, DQPSK , 50 Symbole/s
Bandbreite: 1,2 KHz, 1 Synchronisations-Träger
1600 Bit/s
Übertragen im Sprachkanal SSB oder FM
schnelle Frequenzkorrektur  200 Hz
umschaltbarer großer Frequenzabstand (125 Hz)
 B = 2 kHz
Texte und Befehle können übertragen werden
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/40
FDMDV Blockschaltbild
Symbolrate
50 Hz
Abtastrate
8000 Hz
1400 Bps
fu: 900
fM:1500
fo: 2100
raised root cosine
Q:www.rowetel.com
Ersteller: D. Rowe,
VK5DGR
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/43
Konstellationsdiagramm
FDMDV
Information
Pilotton
Q:www.rowetel.com
Ersteller: D. Rowe,
VK5DGR
Pilotton
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/44
Modem = Kanalcoder
Derzeitiger Projektstand:
Erste praktische Realisierungen von Kanalkodern
mit Forward Error Correction-Zusatz und Schutz
wichtiger Sprachbits
Bitfehler von einigen % werden ausgeglichen
Beispiel 40m:
Fading
Frequenzselektives Fading
Durchlaufendes Fading ändert sich von
Durchgang zu Durchgang
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/45
FDMDV2 auf 40 m V0.961
23.3.13
 QSB
 QSB-laufend
selektives
Fading
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/46
Folgende Durchgänge
(40m)
300 Hz/s
120 Hz/s
Frequenzänderung des QSB
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/47
Radio-Station
Rechner
Ext. Sound
Int. Sound
Mikro
TRX
Lautspr.
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/48
Vorführung
FreeDV
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/49
TX mit Modem
Modem verlängert die Verstärkerkette
Übersteuerung erzeugt Clipping  Bitfehler
Beispiel Überlagerung mehrere
Sinusschwingungen
Vorführung GRC-PAPR
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/50
Dynamik des Signals
Spannungsverhältnis ¼  12 dB
Mehr Töne: höherer Dynamikumfang
(zB statt 14 für 1400 Bit/s 16 für 1600 Bit/s)
Clipping der Spitzen erzeugt Bitfehler
Wenige Bitfehler sind durch FEC
ausgleichbar
Vorschlag mit Beispiel zum Einstellen des TX:
CW (SSB-Einton) 100W (Average)
FreeDV 15W (Average) (über Mic-Gain)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/51
Aussteuerung
Für SSB-Betrieb
TX: Mikrophonregler + ALC
RX: RF-Gain + AGC + AF-Gain
Mit FreeDV
Amplitude zum Sender
Mikrophonempfindlichkeit zum Codec
Aussteuerlautstärke RX zum CODEC
Lautstärke des decodierten Signals
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/52
Heutiger Stand FreeDV
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/53
Stand (1)
Opensource Quellcode für
CODEC2
FreeDV
Binärcode für
LINUX-Distributionen
Windows
MAC
Java (Android) noch in weiterer
Entwicklung
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/54
Stand (2)
Modem
FDMDV – Mehrfrequenzverfahren mit schneller
Synchronisation 1,1 bis 1,3 kHz
GMSK mit „besserem“ Codec
Diskussion über OFDM-Verfahren (wer macht es?):
Ziel: 800 Hz: neue MW
Geringere Bitraten auch bei CODEC2
Hardware
PC (Shackanwendung)
Raspberry(?), CubieBoard, Beaglebone (Vorsatz)
Entwicklung: DSP  Einbau in Geräte
Entwicklung Speakermike (Vorsatzgerät)
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/55
Blockschaltbild
„Speakermike“ Vorsatzgerät
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/56
Speakermike
 produktionsreifer
Entwurf zum
„Speaker-Mike“
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/57
Speakermike FREEDV
 verwendet STM32F4- Microcontroller
 Softwareentwicklung weit
fortgeschritten
 Hardwareentwürfe fertig
 Produktion ab Herbst 2014 erwartet
 Erwarteter Preis: 150 EUR
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/58
Alternative: Kleinstrechner
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/59
Mögliche Kleinstrechner
Dual-Core
Cubieboard
Raspberry PI
4-fache Leistung RasPi
Bildquellen:
Werkbilder
Futro A210
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/60
BeagleBone
Black
Beispiel mit Cubiboard 2
Cubieboard 2 (dual-core)
2 USB-Soundkarten
Steckernetzteil mit Kabel
Speicherkarte
Vollständiges autarkes
Interface
Es geht auch preiswerter
74
6
4
3
€
€
€
€
90 €
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/61
Entwicklungstrends
Speakermike mit preiswertem DSP
Implementierung auf Mikrorechnern (PI, Cubie,
BeagleBone Black, Futro A210)
Headless Modem – derzeit durch Skripte
Modulationsverfahren OFDM?
SDR-Transceiver als Partner ergänzen mit integriertem
Modem
2€-USB-Soundkarte mit PTT (hamlib, CM108)
Codec2 verändern (selbst experimentieren!!!)
Fließkomma / Festkomma-Implementierungen
High Quality Codec
Low bitrate (erwartetes Limit: 800 Bps)
FEC in Diskussion
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/62
Zusammenfassung
 Wie funktioniert digitale Sprachübertragung
bei niedrigen Bitraten?
 Wie kann man Sprache kodieren?
 Was ermöglichen Codec2 und FreeDV?
 Was ist bei der Anpassung den SSB-TRX zu
beachten
 Wo finde ich weitere Informationen?
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/63
Quellen / Diskussion
www.freedv.org (zum Einstieg!)
Dort: QSO-Finder
Dort: link zu Google-group DV
GRC-Beispiele / Folien
Diskussion???
Hamradio-2014/Dr. Ha, 29.06.2014/64