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Quick-Start Guide to FST4 and FST4W

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Guide de démarrage rapide de FST4 et FST4W Steve Franke, K9AN; Bill Somerville, G4WJS; et Joe Taylor, K1JT

WSJT-X 2.3.0 introduit FST4 et FST4W, des protocoles numériques spécialement conçus pour les bandes LF et MF. Sur ces bandes, leurs sensibilités fondamentales sont meilleures que
les autres modes WSJT-X avec les mêmes longueurs de séquence, se rapprochant des limites théoriques de leurs débits d’information. FST4 est optimisé pour les QSO bidirectionnels,
tandis que FST4W est pour les transmissions quasi-balises de messages de style WSPR. FST4 et FST4W ne nécessitent pas la synchronisation de l’heure et le verrouillage de phase
stricts et indépendants de modes comme EbNaut.

  • Émissions quasi-balises de type WSPR sur les bandes LF et MF.
  • QSOs avec des signaux très faibles sur les bandes LF et MF.
  • EME sur les bandes VHF et UHF avec des séquences T / R à la fois plus courtes et plus longues que 60 s

Les nouveaux modes utilisent la modulation 4-GFSK et partagent un logiciel commun pour le codage et le décodage des messages. FST4 offre des longueurs de séquence T / R de 15,
30, 60, 120, 300, 900 et 1800 secondes, tandis que FST4W omet les longueurs inférieures à 120 s. Les sous-modes reçoivent des noms tels que FST4-60, FST4W-300, etc., les numéros
annexés indiquant la longueur de la séquence en secondes. Les charges utiles de message contiennent soit 77 bits, comme dans FT4, FT8 et MSK144, soit 50 bits pour les messages de
type WSPR de FST4W. Les formats de message affichés à l’utilisateur sont similaires à ceux des autres modes 77 bits et 50 bits dans WSJT-X. La correction d’erreur directe utilise
un code de contrôle de parité à faible densité (LDPC) avec 240 informations et bits de parité. Les transmissions se composent de 160 symboles: 120 symboles porteurs d’informations
de deux bits chacun, entrecoupés de cinq groupes de huit symboles de synchronisation prédéfinis.

Les paramètres de base de tous les sous-modes FST4 et FST4W sont résumés dans le tableau ci-dessous. La sensibilité du seuil (SNR dans une bande passante de 2500 Hz donnant une
probabilité de décodage de 50%) a été mesurée pour chaque sous-mode en utilisant des simulations sur le canal de bruit gaussien blanc additif (AWGN). Comme avec d’autres modes
récemment développés dans WSJT-X, une fonction appelée décodage a priori (AP) peut améliorer la sensibilité de plusieurs dB supplémentaires, car les informations sont accumulées
au cours d’une session d’exploitation minimale standard QSO ou FST4W.

T/Rperiod(s) Symbollength(s) ToneSpacing(Hz) OccupiedBandwidth(Hz) FST4SNR(dB) FST4WSNR(dB)
15 0.060 16.67 67.7 -20.7
30 0.140 7.14 28.6 -24.2
60 0.324 3.09 12.4 -28.1
120 0.683 1.46 5.9 -31.3 -32.8
300 1.792 0.56 2.2 -35.3 -36.8
900 5.547 0.180 0.72 -40.2 -41.7
1800 11.200 0.089 0.36 -43.2 -44.8

Le FST4-60 est environ 1,7 dB plus sensible que le JT9, en grande partie parce qu’il utilise la détection de bloc à symboles multiples le cas échéant. Avec le décodage AP dans
FST4, la différence peut atteindre 4,7 dB. FST4-120

et les longueurs de séquence plus longues sont proportionnellement plus sensibles. Le FST4W-120 est supérieur d’environ 1,4 dB au WSPR standard et, avec ses séquences de 30
minutes, le FST4W-1800 atteint un seuil SNR de près de -45 dB. Nous recommandons vivement aux utilisateurs de JT9 et WSPR sur les bandes LF et MF de migrer à la place vers FST4
et FST4W.

Vous pouvez penser à d’autres applications pour les nouveaux modes au-delà de celles décrites ici. Gardez à l’esprit qu’il s’agit de modes à bande très étroite; pour atteindre
les sensibilités énumérées dans le tableau, les dérives de l’oscillateur et les décalages Doppler induits par le trajet doivent être inférieurs à l’espacement des tonalités, sur
toute la longueur de la séquence. Comme exemple d’une application différente, le sous-mode à séquence courte FST4-15 s’est avéré très efficace sur les trajets de diffusion
ionosphérique de 50 MHz. À l’extrême opposé de la longueur de transmission, VK7MO et VK7ZBX ont eu un bon succès en utilisant FST4W-1800 pour la communication de diffusion optique
sans ligne de visée, couvrant des chemins obstrués jusqu’à 153 km en utilisant des matrices de LED, des lentilles de Fresnel et photo- détecteurs.

Les opérateurs familiers avec WSJT-X trouveront l’utilisation de FST4 et FST4W simple. La plupart des commandes à l’écran, du séquençage automatique et des autres fonctionnalités
se comportent comme dans les autres modes. Les conventions de fonctionnement sur les bandes LF et MF font qu’il est utile d’avoir des commandes utilisateur supplémentaires pour
définir la plage de fréquences active utilisée par le décodeur. Lorsque Fichier → Paramètres → Général → Décodage unique n’est pas coché, les boîtes de sélection numériques
intitulées F Low et F High définissent les limites de fréquence inférieure et supérieure pour le décodeur FST4.

Les limites sont marquées par des symboles de chevrons vert foncé < > sur l’échelle de fréquence Wide Graph: Si le décodage simple est coché, les commandes F Low et F High et les marqueurs verts <> disparaissent, et le décodage n’a lieu que dans la plage RxFreq ± FTol Pour FST4W, la fréquence Rx par défaut est de 1500 Hz et F Tol est de 100 Hz, donc la plage de décodage active est la même que pour WSPR, de 1400 à 1600 Hz. Cependant, vous pouvez sélectionner différentes fréquences centrales et valeurs F Tol pour vous conformer aux conventions de fonctionnement sur les bandes LF et MF.

Un nouveau contrôle déroulant sous F Tol offre un mode round-robin pour la programmation des transmissions FST4W:

Un nouveau contrôle déroulant sous F Tol offre un mode round-robin pour la programmation des transmissions FST4W: si trois opérateurs conviennent à l’avance de sélectionner les
options 1/3, 2/3 et 3/3, par exemple, leurs transmissions FST4W se produisent dans une séquence fixe sans que deux stations émettent simultanément. La séquence 1 est la première
séquence après 00h00 UTC. Pour un comportement de planification de type WSPR, vous devez sélectionner Aléatoire avec ce contrôle.

Pour voir les fréquences FST4 et FST4W par défaut actuellement suggérées dans le contrôle de changement de bande déroulant, vous devez effectuer une réinitialisation unique.
Allez dans Fichier → Paramètres → Fréquences, puis cliquez avec le bouton droit de la souris sur le tableau des fréquences de travail et sélectionnez Réinitialiser.

La suppression de bruit en option est disponible et s’est avérée efficace pour gérer le bruit atmosphérique sur les bandes LF et MF. Une commande rotative étiquetée NB nn% est
située sur la fenêtre principale FST4 et FST4W, juste en dessous de la commande de changement de bande. Définissez ce contrôle sur un pourcentage suggéré d’échantillons de données
à effacer. Nous avons constaté que des niveaux de l’ordre de 5 à 15% fonctionnent bien dans des conditions estivales sur les bandes LF / MF, mais vous voudrez probablement
expérimenter. Les données affichées sur la cascade et enregistrées dans des fichiers .wav n’ont pas de suppression de bruit, vous pouvez donc expérimenter après coup.

Une fonction expérimentale utilise des paramètres négatifs de NB pour déclencher une approche «tout essayer» de la suppression du bruit: -1% provoque le décodeur essaie de
supprimer 0, 5, 10, 15 et 20%, et -2% essaie 0, 2, 4, …, 20% .En mode FST4, les essais avec des pourcentages de suppression différents de zéro ne sont actifs que dans la fréquence
gamme RxFreq ± FTol. Les réglages négatifs de NB peuvent être très efficaces, mais ralentiront considérablement la procédure de décodage.

À titre d’exemple des capacités des nouveaux modes, la capture d’écran de la page suivante montre les signaux FST4W-300 reçus sur la bande de 2200 m à NO3M (localisateur EN91WR)
le 9 septembre 2020. Les distances concernées sont de 3501 km jusqu’à N6LF et 14,976 km jusqu’à VK4YB. Les nombres à la fin de chaque ligne décodée sont mesurés sur le trajet Doppler
étalé en Hz. (Pour activer cette fonction, créez un fichier nommé plotspec dans le répertoire de travail actuel et démarrez WSJT-X à partir de la ligne de commande.) En règle
générale, le décodage nécessite des étalements Doppler inférieurs à l’espacement des tons du sous-mode. La sensibilité est meilleure lorsque la diffusion Doppler ne dépasse pas
1/8 de l’espacement des tons.

L’annexe A : Formats de message pour le codage FST4 et FST4W

Source des messages FST4 est décrit dans la référence [1]. Tous les messages sont codés dans une charge utile de 77 bits. Pour éviter de transmettre une longue chaîne de zéros
lors de l’envoi de messages CQ, le message 77 bits assemblé est un OU exclusif au niveau du bit avec la séquence pseudo-aléatoire suivante avant de calculer les bits de parité CRC
et FEC parity bits0:

010010100101111010001001101101001011000010001010011110010101011011111000101

Le logiciel récepteur applique cette procédure OU exclusif une seconde fois, pour restaurer la charge utile 77 bits d’origine

Un contrôle de redondance cyclique (CRC) de 24 bits est calculé à partir de et ajouté à chaque paquet d’informations de 77 bits pour créer un mot de message plus CRC de 101 bits.
L’algorithme CRC utilise le polynôme 0x100065b (hexadécimal) et une valeur initiale de zéro.

La correction d’erreur directe est effectuée à l’aide d’un code LDPC (240,101). La matrice du générateur a 139 lignes et 101 colonnes. Il est défini dans le fichier
generator_fst4.dat. Les valeurs différentes de zéro dans la ligne i de la matrice spécifient lesquels des 101 bits de message plus CRC doivent être additionnés, modulo 2, pour
produire le ième bit de contrôle de parité. Les 139 bits de parité sont ajoutés aux 101 bits de message plus CRC pour créer un mot de code de 240 bits.

Les paires de bits de mots de code sont mappées sur des indices de tonalité avec des valeurs comprises entre 0 et 3 en utilisant le codage Gray donné dans la troisième colonne
du tableau 3, dans la référence [1]. La séquence résultante de 120 symboles de canal, an, n = 0, 1, 2, …, 119 est divisée en 4 groupes:

  • MA={a0, a1, …, a29}
  • MB={a30, a31, …, a59}
  • MC={a60, a61, …, a89}
  • MD={a90, a91, …, a119}

La synchronisation est réalisée en incorporant cinq mots de synchronisation à 8 symboles dans la trame transmise. Les mots de synchronisation sont définis comme suit:

  • S1={0, 1, 3, 2, 1, 0, 2, 3}
  • S2={2, 3, 1, 0, 3, 2, 0, 1}.

L’ensemble complet de 160 symboles de canal est assemblé comme séquence

  • bn = {S1, MA, S2, MB, S1, MC, S2, MD, S1}.

Le codage source des messages FST4W est décrit dans la référence [2]. Tous les messages sont codés dans une charge utile de 50 bits. Un contrôle de redondance cyclique (CRC)
de 24 bits est calculé à partir de et ajouté à chaque paquet d’informations de 50 bits pour créer un mot de message plus CRC de 74 bits. L’algorithme CRC utilise le polynôme
0x100065b (hexadécimal) et une valeur initiale de zéro.

La correction d’erreur directe est effectuée en utilisant un code LDPC (240,74). La matrice génératrice comporte 166 lignes et 74 colonnes. Il est défini dans le fichier
generator_fst4w.dat. Les valeurs différentes de zéro dans la ligne i de la matrice spécifient lesquels des 74 bits de message plus CRC doivent être additionnés, modulo 2, pour
produire le ième bit de contrôle de parité. Les 166 bits de parité sont ajoutés aux 74 bits de message plus CRC pour créer un mot de code de 240 bits.

Le mot de code de 240 bits est mappé sur 160 symboles de canal en utilisant la procédure décrite ci-dessus pour FST4.

Références :

  • [1] Steve Franke, K9AN, Bill Somerville, G4WJS, Joe Taylor, K1JT «The FT4 and FT8 Communications Protocols», QEX, juillet / août 2020, pp. 7-17.
  • [2] Steve Franke, K9AN, Bill Somerville, G4WJS, Joe Taylor, K1JT, en préparation.

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