Subton-Telemetrie-Dekoder - STD
Der Subton-Telemetrie-Dekoder SDT ermöglicht den Empfang und die Anzeige von Nachrichten, die mit dem STT-Protokoll über einen nahezu beliebigen NF-Kanal im unhörbaren Subton-Bereich übertragen wurden. Seine Hauptaufgabe ist die Fernüberwachung von Betriebszuständen, Freigaben und Meldungen einer Relaisfunkstelle. Er kann aber auch zur Hintergrund-Datenübertragung von Stationsnamen, QTH-Kennern, Stationsbeschreibungen, Zeitinformationen, QTCs an ein beliebiges Call und zum Fernmessen/Fernwirken eingesetzt werden. Sein Einsatzgebiet ist damit so vielfältig, dass er nahezu für jeden Amateur etwas zu bieten hat.
Die Entwicklung des STT-Protokolls /1/ hatte zunächst nur das Ziel, den aktuellen Zustand einer Relaisfunkstelle transparent über den Relaissender abstrahlen zu können, ohne die Nutz-NF und die Verständlichkeit dabei zu beeinflussen. Das Verfahren verwendet dazu einen stark unterpegelig (-26dB unter Vollaussteuerung) modulierten 35,1Hz Hilfsträger, der mit 4-DPSK moduliert wird. Der Modulationsindex beträgt für den Hilfsgträger m≈7 und ermöglicht so eine genügend störsichere Übertragung von 2Bit/Periode oder etwa 70bps. Eine noch weitere Absenkung des Telemetriesignalhubs ist nicht sinnvoll, da der Störabstand eines Funkkanals selten besser als 40dB ist. Begrenzender Faktor ist hier das Seitenbandrauschen und der Phasenjitter der Mischoszillatoren und PLL-Aufbereitungen unmittelbar in Trägernähe. Hier müssen bei 35,1Hz Abstand noch etwa 30dB erreicht werden. PLL-gesteuerte Sende- und Empfangsaufbereitungen im Übertragungsweg sind daher schlechter für die Nutzung der Subton-Telemetrie geeignet als DDS- oder unmittelbar quarzgesteuerte Systeme.
Die Übertragung arbeitet synchron mit Fehlersicherung, ist paketorientiert ohne Rückkanal zur Fehlerkorrektur und bietet ähnliche Eigenschaften wie die UI-Frames im AX25-Protokoll. Das Aussenden dauert zwischen 0,45s und 7,6s pro Paket, was einer Nettoübertragungsrate von 8,4Byte/s entspricht. Obwohl mit mehreren DATA-Paketen auch beliebig große Datenmengen übertragen werden können, liegt der Hauptnutzen auf der Aussendung kurzer Messdaten und Statusinformationen als Telemetrie automatischer Stationen. Ein Adressfeld wird im STT-Protokoll nur bei speziellen QUA-Paketen übertragen. Damit ist dann auch das gezielte Senden von Kurzmitteilungen (HAM-SMS) aus bis zu 78 ASCII-Zeichen an AFu-Rufzeichen möglich.
Der hier beschriebene Dekoder verarbeitet fast alle wichtigen Opcodes des STT-Protokolls und zeigt die übertragene Information auf einem 2x8 LCD-Display teilweise semigrafisch an. Das NF-Signal kann von einem 9K6-Ausgang eines FM-RX ohne weitere Eingriffe abgenommen werden. Dabei ist der Betrieb mit eingebauter 9V-Batterie (14mA) oder bei automatischer Umschaltung auch mit externer Stromversorgung und LCD-Beleuchtung (50mA) möglich.
2. Funktionsbeschreibung
Der Dekoder besteht aus den drei Teilen Tiefpassfilter (grün), Phasendetektor (rot) und der digitalen Verarbeitung und Anzeige (blau):
Der Eingang zum Impedanzwandler ist galvanisch gekoppelt, damit die untere Grenzfrequenz der gesamten Übertragungsstrecke nicht angehoben wird. Dadurch muss der Gleichspannungsanteil am Eingang im Bereich zwischen etwa -1V...+1V liegen, was ein direkter Demodulatorausgang (z.B. 9K6-Ausgang) i.d.R. einhält. Der Eingangswiderstand des Impedanzwandlers ist mit 10MΩ sehr hochohmig, um den Demodulatorausgang im Falle einer doch vorhandenen suboptimalen C-Kopplung nicht zu belasten und die untere Grenzfrequenz nicht anzuheben. Daher muss das NF-Kabel gut geschirmt sein. Ggf. kann bei Störungen ein niederohmiger Widerstand (10kΩ) parallel zum Eingang geschaltet werden, wenn der Frequenzgang und die NF-Amplitude dabei erhalten bleiben. Der Dekoder arbeitet bereits bei NF-Pegeln ab 10mVss@35Hz sicher, wenn der ausstrahlende Sender keine Anteile der Sprach-NF im Frequenzbereich unter 130Hz mehr überträgt. Bei der Nachrüstung eines Senders sind daher im Modulationspfad für die Sprach-NF steile Hochpassfilter mindestens 6. Ordnung mit einer Grenzfrequenz von 150Hz erforderlich.
Im Eingangsfilter des STD wird das Telemetriesignal vorgeformt, um Überschwinger des nachfolgenden SC-Filters zu minimieren. Das Vorfilter reduziert den Pegel im Sprachfrequenzbereich und verstärkt das Telemetriesignal um 20dB. An MP1 darf das NF-Signal breitbandig den Maximalwert von 4Vss nicht überschreiten. Dies ermöglicht NF-Pegel am Eingang von bis zu 2Vss@1kHz ohne Übersteuerung der Stufen. Die entscheidende Absenkung der hier unerwünschten Frequenzanteile des Sprachkanals bewirkt ein elliptisches SC-Filter 8. Ordnung. Hier können die Typen MAX293, 294 oder 297 eingesetzt werden. Sie haben mindestens 60dB Weitabselektion im Sprachkanal und unterscheiden sich nur geringfüging in ihrer Welligkeit im Durchlassbereich. Alle drei Typen sind gleich gut für den Anwendungsfall im STD geeignet. Beim MAX297 muss allerdings der interne Takt von 14kHz auf 7kHz vermindert werden, um die gleiche Filter-Grenzfrequenz von 140Hz zu behalten.
Im Oszillogramm unten links wird in CH1 das empfangene NF-Siganl und darüber im CH2 das gefilterte Signal an MP2 dargestellt. Die hier noch erkennbaren geringen Überschwinger sind bereits im Eingangssignal vorhanden und können im CH1 teilweise auch erahnt werden. Das Signal ist typisch und völlig fehlerfrei dekodierbar.
Vor dem DPSK-Dekoder müssen die Phasenwechsel detektiert werden. Dies erfolgt - wegen der galvanischen Kopplung aller Stufen - mit Hilfe eines schwimmenden Diskriminators. Dazu bildet ein RC-Glied sehr tiefer Grenzfrequenz (hier <0,1Hz) den gleitenden Mittelwert des gefilterten Signals. Ein Komparator vergleicht diesen Mittelwert mit dem tatsächlichen NF-Signal und kann so nach dem Einschwingen mit guter Genauigkeit den Zeitpunkt aller Nulldurchgänge detektieren und dem nachgeschalteten Controller signalisieren. Ein dabei ggf. auftretender leichter Jitter wird durch die digitale PLL gemittelt und macht sich bei ausreichendem Eingangssignal praktisch nicht mehr bemerkbar. Der Einschwingvorgang des schwimmenden Diskriminators kann jedoch nach dem Einschalten bis zu 10s dauern. Grössere Sprünge der Gleichspannung auf der demodulierten NF (z.B. beim Umschalten zwischen Empfang, Senden und wieder Empfang eines TRX) sind zu vermeiden, wenn der Dekoder schnell reagieren soll.
Nimmt man mit dem regenerierten Taktsignal (CH2) ein Augendiagramm des Signals am MP2 (CH1) auf, so erhält man das Bild oben rechts. Es zeigt in der Mitte das geöffnete Auge. Je größer dieser Bereich ist und je weniger die Datenflanken jittern, um so größer ist der Störabstand und um so sicherer kann das Signal als 0 bzw. 1 detektiert, bzw. seine Flankenwechsel durch den DPSK-Dekoder zeitlich erkannt werden.
Die Stabilität der DPLL wird durch die digitale Regelung bestimmt. Sie erfolgt bei jedem positiven Nulldurchgang, maximal aber alle 57ms. Der dabei gemessene Phasenfehler wird gemittelt und stellt Frequenz und Phase des Demodulators langsam nach. Einmalige große Phasenabweichungen werden als Störung verworfen und ändern die DPLL nicht.
Im Oszillogramm links zeigt CH1 den Empfang eines 35,1Hz-Bursts und CH2 den worst-case Login-Status. Da TX und RX quarzgesteuert sind, dauern kurz darauf folgende Logins (hier nicht sichtbar) nur noch 2 Perioden des 35,1Hz-Trägers.
Die Schaltung des STD ist auf einer doppelseitigen Leiterplatte aufgebaut, die in ein Fischer-Gehäuse aus Profil-Alu (Reichelt: AKG6924100ME) passt. Das LCD-Display ist über eine kleine Trägerplatine rechtwicklig mit der Stirnseite der Grundplatine verlötet. Der Dekoder wird über zwei Taster (rot und schwarz) durch kurzes und/oder langes Drücken bedient. Die Materialkosten liegen bei etwa 70€, wobei die Hälfte auf das LCD-Display (15€), das Gehäuse (10€) und die beiden Leiterplatten (10€) zurückzuführen ist.
Der Atmel-Controller ATtiny861-20 muss mit folgenden Grundeinstellungen programmiert werden:
CLKDIV... : ausgeschaltet
BOD...... : 100
CLKSEL... : 1111
SUT...... : 10
3. Erster Programmstart
Nach dem Programmieren der Firmware /7/ und dem ersten Einschalten, fordert der Controller mit der rechts stehenden Anzeige die Eingabe des eigenen Rufzeichens an. Diese Eingabe wird benötigt, damit der Dekoder QUA-Meldungen (HAM-SMS) dekodieren kann. Die Eingabe erfolgt in der zweiten Zeile an der Position des blinkenden Blockcursors über die beiden Tasten:
(kurz) *** keine Funktion *** (lang) Auswahl des nächsten Zeichens (A-Z oder 0-9) an dieser Position (kurz) Speichern der Kennung (Eingabe beenden) (lang) Zeichen an aktueller Position ok, nächste Eingabeposition rechts wählen Ist die Eingabe falsch gespeichert worden, so kann sie über das Wartungsmenü erneut aufgerufen werden. Dazu muss der STD ausgeschaltet werden, beide Tasten gleichzeitig gedrückt und gehalten werden und der STD wieder eingeschaltet werden. Nach der Ausgabe eines Dauer-Pieps können die Tasten los gelassen werden. Die Eingabe bzw. Korrektur erfolgt wie oben beschrieben.
4. Bedienung im laufenden Betrieb
STD hat im Normalbetrieb die drei Auswahl-Menüpunkte Dekoder-> , Info-> und Statist->. Standardmäßig wird nach dem Einschalten immer die Auswahl Dekoder-> mit der Option D->alles (siehe unten) aufgerufen. Innerhalb jeder der drei Auswahl-Menüpunkte kann man mit
(kurz) verschiedene Optionen aufrufen oder mit
(kurz) jederzeit einen anderen Auswahl-Menüpunkt wählen.
In der Tabelle sind die Optionen zu jeder Auswahl kurz erläutert:
Dekoder-> D->alles Der Dekoder zeigt das Call des empfangenen Relais, alle User-Bits und den aktuellen Zustand mit S-Meter des aktuell empfangenen Signals des Relais-RX an. Ohne Empfang wird die Zeit seit letztem DPLL-Login angezeigt. (Diese Option ist die Standard-Anzeige) D->Analog Das S-Meter-Signal wird in dBm und als Pseudo-Grafik mit 6dB/Balken angezeigt. D->Bytes Anzeige der empfangenen Roh-Daten direkt als HEX-Byte Info-> I->Uhr Anzeige der ggf. übertragenden DCF77-Uhrzeit in MEZ oder UTC mit Datum I->QTC Ausgabe des letzten an das MyCall empfangene QTC oder des letzten QST an alle I->KKenng Anzeige des Relais- und User-Calls, die zuletzt mit dem WKKR- oder WKKU-Opcode im Dekoder gespeichert wurden I->Prgm Anzeige der Programmversion und des gewählten DPSK-Dekoders Statist-> S->PakFeh Anzeige der absoluten Paketfehlerzahl (∑PF) und der mittleren Fehlerrate (/m) in der letzten Minute S->Aktiv Anzeige der gesamten Zeiten des Empfangs (∑QRV) oder der Ruhe (∑QRT), während der kein DPLL-Login auftrat S->QRV % Zeitanteil des letzten Empfangs in %/10Sek, %/10Min und %/Std
Bei einigen Optionen lassen sich mit mit
Bei vielen Anzeigemoden wird im letzten Zeichen der ersten Zeile eine Kurzkennung des aktuellen Relaiszustandes mit einem einzelnen Zeichen angezeigt (zweite Spalte), der unter D->alles auch ausführlicher dargestellt wird (erste Spalte):
AS S## A Ansage zum Programmstart AQ S## A Ansage für Umschaltpausen HF S## H Empfang von HF mit ausreichend Modulation <N S## < Empfang von HF mit zu geringer Modulation -- S## - Kein Empfang (Rauschsperre geschlossen) CW S## C Ausgabe der CW-Kennung im Betrieb EL S## E Ausgabe eines EchoLink-Signals RL S## R Ausgabe eines RelaisLink-Signals cw S## C CW-Kennung während des Relaisabfalls TF S## T Ausgabe eines Telefonanrufs des SysOps Pager P blinkend: Pager-Betrieb VHFaus V blinkend: VHF-Relais abgeschaltet UHFaus U blinkend: UHF-Relais abgeschaltet SHFaus S blinkend: SHF-Relais abgeschaltet *Test* * blinkend: Testbetrieb @Debug @ blinkend: Debug-Modus zur Fehlersuche
Mit S## wird eine kalibrierte S-Meter-Anzeige des letzten vom Relais empfangenen HF-Signals angezeigt. Ein S-Wert entspricht dabei echten 6dB und S9 dem Wert 5µV. Grössere Signale werden als S9+ und fehlende Messwerte als S? angezeigt.
Von der Tabelle abweichende Ausgaben einzelner Zeichen, wie 0-9 und a-f (z.B. rechts oben unter D->alles) zeigen den Zustand der 4 digitalen User-Eingänge an, die vom SysOp beliebigen externen Schaltsignalen zugeordnet werden können.
In der letzten Spalte der zweiten Zeile zeigt ein "rotierender Balken" in einigen Optionen den Empfang eines neuen Datenbytes an, sofern die DPLL eingerastet ist. Alternativ können hier auch die Buchstaben L (DPLL-Login), P (Phasensync erfolgreich), S (Synchronbyte empfangen) oder ? (kein Signal) dargestellt werden.
5. Zusammenfassung
Der STD ist ein Referenz-Dekoder für das STT-Protokoll. Er kann am 9K6-Ausgang jedes FM-RX problemlos betrieben werden und dekodiert spezielle Subton-Signale, die eine Relaisfunkstelle mit STT-Coder aussendet, um ihren Status anzuzeigen. Das STT-Protokoll gestattet aber auch die transparente Übertragung von Stationsinformationen (Call, QTH-Kenner, Rig, Antenne) einer beliebigen Amateurfunkstation. Es ist bereits vorbereitet, um auch automatisierte Peildaten (Richtung und Feldstärke) und bis zu drei weitere analoge Messdaten zu übertragen. Erweiterungen sind für den User über freie Parameter, User-Bits und das allgemeine DATA-Paket möglich. Der Empfang von direkt an ein Call gerichtete persönliche Daten, gestattet nach einem Ausbau des Systems mit jeder Relaisfunkstelle auch die Ausstrahlung eines Subsets von Funkrufen und eröffnet eine breitere und AFu-optimierte Anwendung dieser Technik
Obwohl für den FM-Betrieb entwickelt, ist eine Übertragung via SSB nicht ausgeschlossen, aber wegen der dann erforderlichen höhern Frequenzgenauigkeit des HF-Trägers etwas aufwendiger zu realisieren. Auch eine Übernahme in anderen digitalen Betriebsarten ist möglich. Zusammen mit einer Relaissteuerung wie z.B. der URC-Karte /8/, oder mit Hilfe des Codebuchs /2/, lassen sich auch eigene STT-Coder sowie reine Software-Dekoder für die Soundkarte entwickeln. STT läuft seit 2009 bei der Relaisfunkstelle DBØSP (2m und 70cm) im Testbetrieb. Weitere Relais bereiten den Einsatz vor.
Dies ist Exemplar Nr.:
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/1/ Subton-Telemetrie Systembeschreibung
/2/ Beschreibung der Telemetrie Codierung V3.1 (Stand: 20160127)
/3/ Schaltung des Subton-Telemetrie-Dekoders V2.x
/4/ Bestückungsplan für STD V2.x
/5/ STD 2.x Layout in 600Dpi für das Fischer-Gehäuse: AKG6924100ME (Reichelt)
/6/ Massbild für das Fischer-Gehäuse: AKG6924100ME
/7/ Firmware V4 für STD V2.x
/8/ Universeller-Relais-Controller URC V1.x; DC7GB (unveröffentlicht)
