FREEDV-SPEZIFIKATION

1. Einführung

FreeDV ist ein digitaler Sprachmodus für die Übertragung und den Empfang über Hochfrequenzfunk (HF). Er verwendet ein Frequenzmultiplex (FDM)-Modem mit 15 Trägern und ohne Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC). Ein Sprachcodierer-Decoder mit niedriger Bitrate (Codec 2) sorgt für eine Sprachqualität, die den Hörer nicht durch Rauschen und Interferenzen ermüdet, die normalerweise mit analoger Einseitenband-Sprache (SSB) verbunden sind. Setup und Bedienung des Windows®- und Linux-kompatiblen Programms wurden so entwickelt, dass sie unkompliziert sind. Benötigt werden ein HF-SSB-Transceiver, ein Personal Computer und zwei Soundkarten. Streckensimulationen und HF-Tests in der Praxis haben gezeigt, dass die Dekodierung von Sprache bei einem Signal-Rausch-Verhältnis von 4 dB möglich ist.

Die gesamte Software für FreeDV ist ein Open Source Programm, einschließlich des Codec 2, des FDMDV-Modems und des FreeDV GUI Programms. Der Quellcode kann zur weiteren Erläuterung des Modus und der verwendeten Algorithmen herangezogen werden.

Die FreeDV-Software wurde von David Rowe (Codec 2, FDM-Modem-Implementierung, Integration) und David Witten (GUI, Architekturdesign) entwickelt. Das Design und die Benutzeroberfläche von FreeDV basieren auf dem früheren Programm FDMDV, das von Francesco Lanza entwickelt wurde. Der Entwurf und die Entwicklung des FDM-Modems wurde von Peter Martinez unterstützt.

2. Signalform und Sendekennung

Die Signalform besteht aus 14 differentiellen Quadratur-Phasenumtastungen (DQPSK) mit 75 Hz Abstand zwischen den Zentren und einer Gesamtbandbreite von 1,125 kHz. Zwischen den 14 DQPSK-Trägern ist ein DBPSK-Träger (Differential Binary Phase Shift Keying) zentriert, so dass insgesamt 15 Träger vorhanden sind. Der DBPSK-Träger hat etwa die doppelte Leistung der 14 DQPSK-Träger und wird für die Schätzung des Frequenzversatzes und die Rahmensynchronisation verwendet. Die Träger arbeiten mit jeweils 50 Zeichen pro Sekunde (50 Baud). Zusammen übertragen sie die Codec-2-Sprachdaten, Rufzeichentextdaten und Synchronisationsinformationen.

Die Sendekennung der Internationalen Fernmeldeunion (ITU) lautet 1K20J2E.

3. Datenrate

14 DQPSK-Träger mit 50 Symbolen/Sekunde und 2 Bits/Symbol + 1 DBPSK-Träger mit 50 Symbolen/Sekunde = 14 x 2 x50 + 1 x 50 = 1450 Bit/s insgesamt, bestehend aus 1375 Bit/s Codec 2-Daten + 25 Bit/s Textdaten + 50 Bit/s Rahmensynchronisation.

4. Frequenztoleranz und -korrektur

Der FreeDV-Modulator hat eine Genauigkeit von +/- 5 Hz. Der FreeDV-Demodulator kann automatisch Signale mit einem Frequenzoffset von bis zu ±200 Hz erfassen. Eine manuelle Abstimmung ist auch durch Mausklicks auf die Wasserfall- und Spektrumanzeigen möglich. Die automatische Frequenzregelung (AFC) kann eine Frequenzdrift von bis zu 50 Hz/Minute korrigieren.

5. Rahmenstruktur

Codec 2-Frame: 25 Hz, 40 ms, 55 Bits/Frame
Text-Frame: 25 Hz, 40 ms, 1 Bit/Frame
Datenrahmen: 50 Hz, 20 ms, 14 Träger X 2 Bits pro Symbol = 28 Bits/Frame.

Zuordnung von Sprache und Text zum Datenrahmen:

Der Modulator und der Demodulator arbeiten mit Datenrahmen von 28 Bit. Zwei Datenrahmen bestehen aus einem Codec-Frame (55 Bits) und einem Text-Frame (1 Bit), der für die Rufzeichenidentifizierung vorgesehen ist. Ein DBPSK-Symbol mit einer 180-Grad-Phasenänderung gegenüber dem vorherigen Symbol zeigt den ersten Datenrahmen an, der die ersten 28 Bits des Codec-2-Rahmens enthält. Der zweite Datenrahmen hat ein DBPSK-Symbol ohne Phasenwechsel und enthält die letzten 27 Bits des Codec-2-Rahmens und den 1-Bit-Textrahmen.

Der Text wird mit Varicode kodiert. Die folgende Tabelle bildet den binären Varicode auf ASCII ab (Quelldateiname varicode_table.h). Das MSB wird zuerst gesendet, und zwischen jedem Varicode-Zeichen befinden sich zwei binäre Nullen.

0b10101010,
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0b10110110,
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0b10111011,
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0b11000000, // 21 NAK
0b11011011,
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0b10000000, // 34 "
0b11111010,
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0b10101110,
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0b11101111,
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0b10101110,
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0b11010111,
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0b10110111,
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0b10101010,
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0b10000000, // 62 >
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0b00000000, // 65 A
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0b11101101,
0b01000000, // 127 (del)

6. Modem

Das Modem verwendet einen High-Cosinus-Tonfilter, der die Eigenschaft hat, keine Intersymbolinterferenz (ISI) und keine Nachbartoninterferenz ohne Nebenkeulen zu erzeugen. Die Hälfte des Kanalfilters befindet sich auf der Sendeseite (TX) und die andere Hälfte auf der Empfangsseite (RX). Das Verfahren kann als “root raised cosine” bezeichnet werden, weil die Kanalfilter an beiden Enden die Nettoreaktion einer Quadratwurzel des gesamten Filters haben. Es wird ein Überbandbreitenfaktor von 50 % verwendet. Der Demodulator führt auch die anfängliche Frequenzerfassung, die Rahmensynchronisation, die Schätzung des Zeitversatzes und die Frequenznachführung des FDM-Signals durch.

7. Soundkarte

Es werden nominale Abtastraten von 41,1 kHz und 48 kHz verwendet, was mit Soundkarten und Soundadaptern verschiedener Hersteller kompatibel ist. Die zweite Soundkarte kann ein USB-Headset sein, wie es z. B. bei VoIP-Anwendungen verwendet wird, um die Spracheingabe und -ausgabe zu ermöglichen.

8. FreeDV-Referenzen

KØPFX Betriebsdokument, http://www.freedv.org

9. Danksagung

Diese Beschreibung wurde von Mel Whitten, KØPFX, und David Rowe, VK5DGR, erstellt.

Quelle: https://freedv.org/freedv-specification/

FreeDV-Modes

Die folgende Tabelle ist ein Leitfaden für die verschiedenen Modi, wobei analoges SSB und Skype als Anhaltspunkte für die Audioqualität dienen:

Der minimale SNR-Wert ist ungefähr der SNR-Wert, bei dem man sich nicht unterhalten kann, ohne sich zu wiederholen. Die obigen Zahlen beziehen sich auf Kanäle ohne Fading (AWGN-Kanäle wie UKW-Radio). Bei Fading-Kanälen ist das minimale SNR ein paar dB höher. Die Spalte Fading zeigt an, wie robust der Modus gegenüber HF-Fading-Kanälen ist, je höher, desto robuster.

Die fortschrittlicheren 700D- und 2020-Modi haben eine hohe Latenzzeit aufgrund der Verwendung umfangreicher Vorwärtsfehlerkorrekturcodes (FEC). Sie puffern viele Sprachframes, was in Kombination mit der Pufferung durch die PC-Soundkarte zu End-to-End-Latenzen von 1-2 Sekunden führt. Die Synchronisierung zu Beginn einer Übertragung kann einige Sekunden dauern, insbesondere bei Fading-Kanälen.

FreeDV 700D

Mitte 2018 wurde FreeDV 700D mit einem neuen OFDM-Modem, leistungsstarker Vorwärtsfehlerkorrektur (FEC) und optionalem Interleaving veröffentlicht. Es verwendet denselben 700-Bit/s-Sprachcodec wie das 700C. Es arbeitet bei SNRs von bis zu -2 dB und hat eine gute HF-Kanalleistung. Auf Fading-Kanälen ist es etwa 10 dB besser als FreeDV 1600 und bei niedrigen SNRs wettbewerbsfähig mit SSB. Der FEC bietet einen gewissen Schutz vor HF-Rauschen in Städten.

FreeDV 700D ist empfindlich gegenüber Abstimmungen. Um eine Synchronisation zu erreichen, müssen Sie innerhalb von +/- 60 Hz der Sendefrequenz liegen. Dies ist bei modernen Funkgeräten, die im Allgemeinen auf +/-1 Hz genau sind, problemlos möglich, erfordert aber bei älteren, VFO-basierten Funkgeräten Geschick und Übung.

FreeDV 700E

FreeDV 700E wurde im Dezember 2020 entwickelt, wobei die Erfahrungen aus dem On-Air-Betrieb von 700C und 700D genutzt wurden. Es ist eine Variante von 700D und verwendet eine kürzere Rahmengröße (80 ms), um die Latenz- und Synchronisationszeit zu verringern. Es ist für Kanäle mit schnellem Fading und einer Dopplerspreizung von bis zu 4 Hz und einer Verzögerungsspreizung von 6 ms optimiert. FreeDV 7000E verwendet den gleichen 700-Bit/s-Codec wie FreeDV 700C und 700D. Er benötigt etwa 3dB mehr Leistung als 700D, kann aber zuverlässig auf schnell schwindenden Kanälen arbeiten.

Die Version 700E umfasst auch eine optionale Komprimierung (Clipping) der 700D- und 700E-Sendewellenformen, um das Verhältnis zwischen Spitzen- und Durchschnittsleistung auf etwa 4 dB zu reduzieren. Zum Beispiel kann ein 100W PEP-Sender auf etwa 40W RMS heruntergefahren werden. Dies ist eine Verbesserung von 6 dB gegenüber früheren Versionen von FreeDV 700D. Bevor Sie die Begrenzungsfunktion aktivieren, sollten Sie sicherstellen, dass Ihr Sender eine hohe Durchschnittsleistung ohne Schaden verkraften kann.

Clipping kann über Extras-Optionen aktiviert werden.

Bei guten Kanälen mit hohem SNR kann das Clipping das SNR des empfangenen Signals tatsächlich verringern. Dies ist beabsichtigt – wir fügen eine gewisse Vorverzerrung hinzu, um die RMS-Leistung zu erhöhen. Die Vorwärtsfehlerkorrektur (Forward Error Correction, FEC) bereinigt alle durch das Clipping verursachten Fehler, und auf schlechten Kanälen überwiegen die Vorteile der erhöhten Signalleistung die leichte Verringerung des SNR auf guten Kanälen.

FreeDV 2020

FreeDV 2020 wurde im Jahr 2019 entwickelt. Es verwendet einen experimentellen Codec, der auf der von Jean-Marc Valin entwickelten LPCNet-Synthese-Engine für neuronale Netze (Deep Learning) basiert. Er bietet eine Audiobandbreite von 8 kHz bei einer HF-Bandbreite von nur 1600 Hz. FreeDV 2020 verwendet das gleiche OFDM-Modem und FEC wie 700D.

Der Zweck von FreeDV 2020 ist die Erprobung der Sprachkodierung mit neuronalen Netzen über HF-Funk. Es handelt sich um ein hochgradig experimentelles Projekt und möglicherweise um den ersten Einsatz von Neuronalnetz-Vocodierern in einem realen, über Funk betriebenen System.

FreeDV 2020 ist für langsam schwindende HF-Kanäle mit einem SNR von 10 dB oder mehr ausgelegt. Es ist nicht für schnelles Fading oder sehr niedrige SNRs wie 700D ausgelegt. Es soll eine hochwertige Alternative zu SSB in Kanälen sein, in denen SSB bereits eine “Sesselkopie” ist. Auf einem AWGN-Kanal (ohne Fading) liefert es eine angemessene Sprachqualität bis hinunter zu 2 dB SNR.

FreeDV 2020 Tipps:

• Es ist ein PC mit moderner Intel-CPU nach 2010 mit AVW-Unterstützung erforderlich. Wenn kein AVX ist, dann ist die Schaltfläche FreeDV 2020-Modus ausgegraut.
• Einige Stimmen können sehr rau klingen. In ersten Tests haben etwa 90 % der getesteten Lautsprecher gut funktioniert.
• Wie beim 700D müssen Sie die Frequenz innerhalb von -/+ 60 Hz einstellen, damit FreeDV 2020 synchronisiert werden kann.
• Bei starkem Fading kann die Synchronisierung ein paar Sekunden dauern.
• Es gibt eine Latenz von 2 Sekunden von Ende zu Ende. Sie können dies gerne ausprobieren (Extras – Optionen – FIFO-Größe, siehe auch Abschnitt Soundkarten-Debugging unten).
• Die Voice-Keyer-Datei muss im 16-kHz-Mono-16-Bit-Sample-Format vorliegen.

Quelle: https://github.com/drowe67/freedv-gui/blob/master/USER_MANUAL.md