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Olivia MFSK は、アマチュア 無線テレタイププロトコルで、多重周波数シフト キーイング(MFSK) を使用し、短波帯の困難な状況(低信号対雑音比およびマルチパス伝搬) で動作するように設計されている。周囲のノイズが 10 dB強くても、信号を正確に受信できる。アマチュア無線家は、高周波(3～30 MHz ) スペクトルを使用して、ノイズの多いチャネルでASCII文字を信頼性高く送信するために、このプロトコルを広く使用している。Olivia MFSK プロトコルの有効データ レートは、150 文字/分である。
Olivia モードは一般にOlivia X / Y (またはOlivia Y / X )と呼ばれます。ここで、 Xは送信される異なるオーディオ トーンの数、Y はこれらの信号が拡散されるヘルツ単位の帯域幅を指します。一般的な Olivia モードの例としては、16/500、32/1000、8/250 などがあります。
歴史
このプロトコルは、2003 年末に Pawel Jalocha によって開発されました。最初のオンエア テストは、2 人のアマチュア無線家 Fred OH/DK4ZC と Les VK2DSG によって、20 メートル アマチュア バンドのヨーロッパ - オーストラリア パスで実行されました。テストにより、このプロトコルは適切に機能し、1 ワットの RF 電力で大陸間の定期的な無線交信が可能であることが証明されました。2005 年以降、Olivia は、ホワイト ノイズ、フェージング、マルチパス、フラッター (極パス)、オーロラ条件下でのデジタル データ転送の標準となっています。
自発的なチャネル化
オリビア信号は受信信号が極めて弱い場合でも（信号対雑音比が−14 dB）、デコードできるため、 [1]デコードできるほど強い信号でもノイズフロアを下回る場合があり、手動で検索することが不可能です。その結果、アマチュア無線家は、このモードのチャネル化を自主的に決定しました。このチャネル化により、感知できないほど弱い信号でも、受信とデコードのために適切に調整できます。一般的な慣例により、アマチュア局は8/250モードを使用して交信を開始し、次に他のより広い帯域幅のモードに切り替えて会話を続けます。次の表は、アマチュア無線 バンドで使用される一般的な中心周波数を示しており、新しいアマチュア無線デジタルモードの導入と、その結果一部のアマチュア無線バンドでオリビア呼び出し周波数と重複した後のコミュニティの協力に基づいています。
トーンと帯域幅の組み合わせ
Olivia を使用した会話は、慣例により Olivia 16/500 (500 Hz 帯域幅で 16 トーン) または Olivia 32/1000 (1000 Hz 帯域幅で 32 トーン) のいずれかを使用して開始されます。[1]通信が確立されると、通信側は別のモードが現在の伝播状況に適しているかどうかを相互に決定します。選択可能なトーンの数は 2、4、8、16、32、64、128、および 256 で、トーンの数が多いほどデータの冗長性は高くなりますがスループットは遅くなり、トーンの数が少ないほどスループットは速くなりますが冗長性は低くなります。 Olivia で使用可能な帯域幅は 125 Hz、256 Hz、512 Hz、500 Hz、1000 Hz、2000 Hz です。帯域幅が広いほどスループットが速くなり、帯域幅が狭いほどスループットが遅くなります。最もよく使用される組み合わせは、4/125、8/250、8/500、16/500、16/1000、32/1000 です。
技術的な詳細
デジタル プロトコルである Olivia は、 ASCII (7 ビット) 文字のストリームを送信します。文字は 5 文字のブロックで送信されます。各ブロックの送信には 2 秒かかるため、実効データ レートは 2.5 文字/秒、または 150 文字/分です。最も一般的な送信帯域幅は 1000 Hzで、ボーレートは 31.25 MFSK トーン/秒です。さまざまな条件に対応し、実験の目的で、帯域幅とボー レートを変更できます。
Olivia 伝送システムは 2 つの層で構成されています。下位の変調および前方誤り訂正(FEC) コード層は従来の多重周波数シフト キーイング(MFSK) であり、上位の層はWalsh 関数に基づく前方誤り訂正コードです。
どちらの層も性質は似ており、「1-out-of-N」FEC コードを構成しています。最初の層では、直交関数は (cos) 正弦関数で、32 の異なる周波数 (トーン) があります。特定の時点では、これらの 32 トーンのうち 1 つだけが送信されます。復調器は、(フーリエ変換を使用して) 32 の可能なトーンすべての振幅を測定し、( 32 のうち1 つだけが送信された可能性があることを認識して) 最も振幅の大きいトーンをピックアップします。[2]
2番目のFECレイヤーでは、すべてのASCII文字が64の可能なウォルシュ関数（またはアダマール行列のベクトル）のいずれかとしてエンコードされます。受信機は再び64のベクトルすべての振幅を測定し（ここでアダマール変換が登場します）、最大のものを選択します。[3]
最適なパフォーマンスを得るために、実際の復調器はソフト決定で動作し、文字をデコードするための最終 (ハード) 決定は第 2 層でのみ行われます。したがって、第 1 層の復調器は、単に最も高いトーンを選択して 5 ビットのハード決定を生成するのではなく、MFSK トーンに関連付けられた 5 ビットのそれぞれに対してソフト決定を生成します。
単純な送信パターン (一定のトーンなど) を回避し、同期装置での誤ったロックの可能性を最小限に抑えるために、Walsh 関数にエンコードされた文字はスクランブラーおよびインターリーバーを通過します。この段階では、ビットをシフトして、定義済みのスクランブル ベクトルとXOR するだけなので、ホワイト (無相関) ノイズに関するパフォーマンスは向上しませんが、結果として得られるパターンには、同期装置に非常に役立つ特定の特徴が加わります。
受信機は、一致するパターンの可能性のある時間と周波数のオフセットを検索して自動的に同期します。周波数の検索範囲は通常 ±100 Hz ですが、ユーザーの希望に応じて ±500 Hz まで上げることができます。
MFSK層
デフォルト モードでは、1000 Hz のオーディオ帯域幅内で 32 個のトーンが送信され、トーンの間隔は 1000 Hz/32 = 31.25 Hz です。トーンは、公称帯域幅の外側に送信されるエネルギーの量を最小限に抑えるように形成されます。
正確な形状の式は次のとおりです。
ここで、x の範囲は -π から π です。
係数は周波数領域におけるシンボルの形状を表し、クロストークと周波数スピルオーバーを最小にすることを目指す最小化手順によって計算されました。
トーンは 31.25 ボーまたは 32 ミリ秒ごとに送信されます。トーン間で位相は保持されません。代わりに、同じシンボルが繰り返し送信されるときに純粋なトーンを送信しないように、±90 度のランダム シフトが導入されます。シンボルは滑らかな形状になっているため、位相を一定に保つ必要はありません。これは通常、形状が使用されていない場合 (たとえば、正方形) に当てはまります。
変調器はグレイ コードを使用して5 ビットのシンボルをトーン番号にエンコードします。
波形ジェネレータは、8000 Hz のサンプリング レートに基づいています。トーンは時間的に 256 サンプル間隔で配置され、トーンを形成するウィンドウの長さは 512 サンプルです。復調器は、512 ポイントのサイズの FFT に基づいています。周波数におけるトーン間隔は 8000 Hz/256 = 31.25 Hz で、復調器の FFT の解像度は 8000 Hz/512 = 15.625 Hz で、トーン分離の半分になります。
システムをさまざまな伝播条件に適応させるために、トーンの数と帯域幅を変更し、時間と周波数のパラメータを比例的に調整することができます。トーンの数は 2、4、8、16、32、64、128、または 256 です。帯域幅は 125、250、500、1000、または 2000 Hz です。
ウォルシュ関数FEC層
デフォルト モードの Olivia 送信システムの変調層は、一度に 32 トーンのうちの 1 つを送信します。したがって、各トーンは 5 ビットの情報を含むシンボルを構成します。FEC コードの場合、64 シンボルがブロックを形成します。各ブロック内では、各シンボルから 1 ビットが取り出され、ウォルシュ関数としてコード化された 64 ビット ベクトルを形成します。64 ビット ベクトルはそれぞれ 7 ビットの ASCII 文字を表し、各ブロックは 5 つの ASCII 文字を表します。
この方法では、1 つのシンボル (トーン) がノイズによって破損した場合、64 ビット ベクトルの 1 ビットのみが破損するため、送信エラーはブロック内の文字全体に均一に分散されます。
FEC コードの 2 つのレイヤー (MFSK+Walsh 関数) は、2 次元コードとして扱うことができます。最初の次元は MFSK 自体によって周波数軸に沿って形成され、2 番目の次元は Walsh 関数によって時間軸に沿って形成されます。2 次元配置は、このように配置された FEC コードを反復アルゴリズムで解くことを念頭に置いて作成されましたが、そのようなアルゴリズムはまだ確立されていません。
スクランブリングと単純なビットインターリーブを適用することで、生成されたシンボルパターンがよりランダムになり、自己相関が最小限に抑えられます。これにより、受信機での誤ったロックが回避されます。
ビットインターリーブ: ブロック内の最初の文字のウォルシュ関数は、1 番目のシンボルの 1 番目のビット、2 番目のシンボルの 2 番目のビット、などから構成されます。2 番目のウォルシュ関数は、1 番目のシンボルの 2 番目のビット、2 番目のシンボルの 3 番目のビット、などから構成されます。
スクランブリング: ウォルシュ関数は、疑似ランダム シーケンス 0xE257E6D0291574EC でスクランブルされます。ブロック内の最初の文字のウォルシュ関数はスクランブリング シーケンスでスクランブルされ、2 番目のウォルシュ関数はシーケンスを 13 ビット右に回転させてスクランブルされ、3 番目のウォルシュ関数はシーケンスを 26 ビット右に回転させてスクランブルされます。
サンプル
リストされている音声ファイルは両方とも、 「誰でも編集できる無料の百科事典、Wikipedia へようこそ」というメッセージがエンコードされています。
コンテスティア
Contestia は、それほど堅牢ではない Olivia から直接派生したデジタル モードです。パフォーマンスと速度の妥協点と言えます。サウンドと外観は Olivia とほぼ同じで、さまざまな方法で設定できますが、速度は 2 倍強です。このモードは、2005 年に Nick Fedoseev (UT2UZ) によって開発されました。
Contestia モードには、Olivia と同様に 40 種類のフォーマットがあります。そのうちのいくつかは標準とみなされ、それぞれ異なる特性を持っています。フォーマットは、帯域幅 (125、250、500、1000、2000 Hz) と使用されるトーンの数 (2、4、8、16、32、64、128、または 256) が異なります。
標準的なContestiaフォーマット（帯域幅/トーン）は、125/4、250/8、500/16、1000/32、および2000/64です。最も一般的に使用されるフォーマットは、250/8、500/16、および1000/32です。[4] Contestiaの高速化は、Olivia（64）ではなく（32）のより小さなシンボルブロックサイズを使用し、Oliviaが使用する7ビットASCIIセットではなく6ビットの10進文字セットを使用することで実現されています。
この縮小文字セットは、大文字と小文字の両方で印刷されません ( RTTYなど)。トラフィック ネットによっては、大文字と小文字、および多くのドキュメントやメッセージに見られる拡張文字をサポートしていないため、このモードを使用しない場合があります。これは、アマチュア通信内の通常のデジタル チャットでは問題になりません。[4]
参考文献
- ^ abc "オリビア周波数 オリビア周波数 オリビア MFSK Olivia_MFSK オリビア-MFSK オリビア バンドプラン オリビア バンドプラン".
- ^ 「MFSK レイヤーの背後にある方程式とグラフ」。2007 年 12 月 22 日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ 「アルゴリズムと詳細」。2007年9月27日時点のオリジナルよりアーカイブ。
- ^ ab 「Contestia デジタルモード情報」。Contestiaデジタルモード情報。2015年5 月 1 日閲覧。
外部リンク
- Olivia プロトコルに関する技術情報、HF での現在アクティブな推奨呼び出し周波数、アクティブな Olivia コミュニティへのリンクを含む Web サイト
- Linux および Cygwin 用の GPL C++ ソース (Web アーカイブ)