Joe Taylor,K1JT;Steve Franke,K9AN;Bill Somerville,G4WJS

业余无线电爱好者最大的乐趣之一就是使用自己的设备与远方志趣相投的爱好者建立双向通讯。他们喜欢自由的进行交谈,而不是依赖商业载体或基础设施。自上世纪30年代以来,业余无线电爱好者就已经知道,在功率水平不超过100W的短波波段,以及天线就像半波偶极子一样简单的情况下,全球范围内的通信是可能的。基于信息论的21世纪数字通信技术,使得在低功率水平上进行通信成为可能,即使使用较小的天线。优化的编码和调制方法使这些和许多其他令人惊讶的壮举成为现实——例如,采用低功耗和室内天线的DXCC;在距离500或1300英里(800至2100公里)的6米和2米波段上利用电离层流星余迹反射进行双向通信;当月亮处在通道的两端时,就可以通过月面反射联系世界范围内的其他业余无线电爱好者。

从2001年开始,WSJT软件为利用极微弱信号进行双向通讯提供了便利。这个软件包是开源的,由许多作者共同完成,最新版本是WSJT-X。它支持九种不同的协议或模式,每个协议或模式针对不同的频率范围或传播类型进行优化。这些模式不是为了长时间的联络,也不是为那些既短又混乱的对话而设计的。相反,他们更注重于在几分钟或更短的时间内,在尽可能低的信噪比下,有效地交换诸如呼号、定位网格信息、信号报告和确认等基本信息。短小的信息被编码成音频波形,可以用标准SSB收发机进行发送和接收。在接收端,恢复的音频被转换回数字样本,软件执行逆变换来解码消息。所有传输都是定时的,并与协调世界时同步(UTC)。有效QSO(联络)所需的最小化信息通常在每个电台成功传输两三次之后完成交换和确认。

WSJT的第一个公开版本是为流星余迹在VHF波段的散射而设计的。该软件自2001年以来一直在不断发展,性能得到了改善,增加了让用户更加方便的功能,并开发了新的模式。当前的程序版本支持四种采用1分钟发射下一分钟接收(T/R序列为1分钟)的模式。这些慢模式包括JT4,JT9,JT65和QRA64,它们使用不同的编码和调制方案,以优化特定类型传播路径上的弱信号通信,具有高可靠性和良好的带宽效率。最近引入的模式称为FT8,它比其他模式要快得多--T/R序列长度只有15秒。

WSJT还支持三种“快速”模式-MSK144、JT9(FAST)和ISCAT-可选择的T/R序列长度为5、10、15或30秒。快速模式以更快的速度发送信息,在一个序列中多次重复每条消息。这些模式是针对流星散射、飞机散射和其他需要一定信号强度短脉冲的传播而优化的。最后,WSJT-X支持一种名为WSPR2的类似信标模式(“弱信号传播报告”),用于探测全球传播条件,而回波模态用于测量自己的来自月面反射的信号。

除了ISCAT之外,WSJT-X中的所有协议都包含能力很强的前向纠错(FEC)。这种复杂的数学信息编码方法确保了在很大的概率下,解码软件所显示的信息与最初编码的信息完全相同。除此之外还有一个更明显的优势,那就是几乎在所有情况下,强FEC都意味着接收到的呼号、网格定位、信号报告和其他信息都是高度可靠的。

本文不是关于如何使用WSJT-X的指南;这一目的最好通过阅读详细的WSJT-X用户指南和参与活跃的、友好的线上支持论坛来实现。相反,在连载的前两期,我们将重点说明使用WSJT-X可以完成的工作,并简要概述所需的电台设备。在后两期中,我们将解释各种协议是如何工作的。我们还将告诉你这个全义务性质的项目是如何创造了一个非常有能力,开源,且易于使用软件包,包括它的内部源代码,都可以免费提供给所有业余无线电爱好者。我们邀请其他具有编程、归档、测试和相关技能、兴趣的人考虑加入和参与我们正在进行的开发项目。

开放共享我们的协议规范和源代码已经产生了有益的边际效应,鼓励其他程序员创建分支开源程序,如JT65-HF、JTDX和MSHV,这些程序通常实现并支持WSJT-X功能的一个小的和有针对性的子集。在2017年底时,我们估计在一个星期内,全世界大约有5000名活跃的WSJT-X用户。在提到的一个分支程序中,使用WSJT-X模式及其编码和解码算法的人数还要翻一倍。这种状况是基于优秀的业余无线电爱好者精神进行合作的一个很好的例子,在这个时代,最先进的通信工程通常包括软件和硬件。

WSJT-X能做什么

DXing和弱信号

JT65是一种最古老的慢模式,它是为月面反射(EME)通信而设计的,并在今天被广泛应用。然而,在160到6米的波段,虽然每个频段中的划分只有几千赫兹,JT65(以及新模式,JT9和FT8)依旧呈现出更广泛的用途。例如图1所示,这是一张WSJT-X频谱在20米波段上的截图(2年前)。WSJT-X在任意1分钟时间段中解码了13个JT65信号。除了三个信号外,所有这些信号在频率上都与一个或多个信号重叠,但它们仍然可以在无误的情况下被解码。有10个JT9信号出现在频谱图的右侧,在2500Hz以上,也被解码无误。显然,在大约3.5kHz的频谱中,同时23个无误的通信在进行。最近,有时可以在4kHz的频宽中,在一分钟内看到两倍于此的可解码JT65和JT9信号。

JT65、JT9和FT8是使用最广泛的WSJT-X模式,也可能是当今业余界中最流行的机器生成模式。从中波到微波的业余波段,每天都有成千上万的人使用他们进行通联。许多业余爱好者已经使用这些模式、低功率的设备和简易天线完成了他们的WAC,WA,DXCC和其他的奖项。在所有1分钟的WSJT-X慢速模式中,低于听觉阙值10dB的信号通常是可解码的,FT8仅落后几分贝。对大多数人来说,信号(包括莫尔斯电码)的听觉阈值发生在信噪比为-15dB左右,参考带宽为2500Hz。

习惯上,FT8、JT65和JT9活跃于表1所列的上边带频率。如果你很好奇,而且以前没有使用过其中一种模式,请尝试从WSJT主页下载WSJT-X。将该程序安装在你电台室的电脑或笔记本电脑上,将收发信机设置为7.076或14.076mhz的上边带模式,打开扬声器的音频,并使用电脑麦克风开始在JT65模式下进行监测,以便将音频输入WSJT-X。确保你的电脑时钟设置为正确的时间,精确在一秒钟左右。当波段开通时,你可听到JT65信号的音乐信号音,从世界协调时每分钟的开头开始,你可以在频谱上看到信号。在每分钟结束时,解码后的消息应该出现在WSJT-X波段活动窗口中。这些信息可能类似于以下示例:

任何WSJT-X模式下的双向通讯通常以传统的方式开始:有人回答另一个操作员的CQ。在最小的接触中交换信息,然后大致按以下方式进行:

WSJT-X中的标准消息通常由两个呼号组成,后面跟着一个网格定位符、信号报告、确认或73;CQ或QRZ可以替代第一个呼号。信号报告表示为在2.5kHz带宽内测量的信噪比。你还可以发送任何包含字母、数字、基本标点符号和空格的自由文本消息,最多可达13个字符——人们可能会说,这大致相当于微博的水平。我们已经提到过,这些弱信号模式并不是为聊天而设计的!有关消息结构的其他详细信息和限制,请参阅WSJT-X用户指南--例如,如何使用PJ7/KA2ABC这样的复合呼号。

监测传播条件

大约十年前,我们意识到,由于呼号和定位网格在FEC增强模式(如JT65)中被非常可靠地解码,而且由于大多数电台室的计算机都连接到互联网上,所以创建一个“反向信标”网络以显示信号在哪里被收到应该是可行的,况且目前全球范围内的传播路径是开放的。其中最成功的网络中心枢纽之一是由Philip Gladstone,N1DQ开发的PSK Reporter。WSJT-X可选择地将接收报告发送到其网站,你可以在那里找到一张世界地图,显示由频带颜色编码的开放传播路径。PSK Reporter还可以显示已报告的呼号、定位网格和其他信息,并可以过滤显示的地图、呼号、操作模式和其他条件。在此背景下,它还开展了其他工作,如数据的统计分析和受限的档案存储。每天都有100多万份接收报告上传至PSK Reporter,其中约98%是针对JT65、FT8和JT9信号的。图2是一个示例截图显示的是美国中部中午时分在HF波段上开放的全球信号路径。

流星散射

大约一年前,我们开始试验MSK144,这是一种专门为业余流星散射(MS)通信设计的新协议。MSK144已迅速成为全球MS通信的主导模式。在6米波段,100W功率加上适中的天线--比如3单元或4单元八木,一个2单元Moxon天线,甚至是一个偶极子或者是一根全向6米长(或者更长)的天线--你基本上可以随时与1000英里以外的地方通联。功率更高和更好的天线可以进行更多(更快)的通联。在2米波段上,对流行散射通信来说,一个很好的基本配置就是100W功率加上一根10单元的八木天线。图3显示了在WSJT-X频谱图上,一个短的、中等强度的流星余迹信号脉冲是什么样子的。

比如,我们注意到,在2017年1月VHF竞赛期间,我们记录了数百次的MSK144通联。这些通联中的大多数人为参加竞赛的电台赢得了额外的系数分。从图4中我们可以看出PSK Reporter网站在2017年2月周六上午记录的在50MHz频率上MSK144的活动。对于流星散射活动来说,二月通常是一个比较缓慢的月份,因为它既没有大的流星雨事件,也没有小的流星雨事件发生。几乎所有时间都有零星的流星出现,足以进行MSK144通讯。

MSK144是一种“快速”模式,具有可选择的序列长度。在北美和欧洲,15秒的T/R序列已成为默认标准。MSK144解码器实时工作,因此在每个可解码的信号脉冲之后可以立即看到已解码的消息。当信噪比为0dB或更高时,短至0.1秒的脉冲通常就可解码。持续1⁄2秒或更长的弱脉冲可以在低至-8dB的信噪比下解码。这种水平的声音人耳几乎是听不到的。

MSK144协议使用高强度FEC和与WSJT-X慢模式相同的结构化消息。由此产生的几乎无误的解码可以让联络的过程自动化。程序可以跟踪你在标准通讯序列中的位置,并自动为每次传输选择合适的消息。

流星在日出时的频率是日出前的几倍,所以早上进行MS通联比下午或晚上更快。信号脉冲的持续时间与频率平方成反比,因此在144MHz和较高频段上可用的信号脉冲比在50MHz时更短,更少。尽管如此,在144MHz频率上使用MSK144进行MS通联仍相当容易,并且具有持久性,在222MHz和432MHz频率上进行通联也是可行的。