E6.2 Digitale Signale
Niveau: K2 Anwenden
Zeitbedarf: ca. 40 Minuten
Einstiegsfrage:
Alle paar Sekunden hörst du ein kurzes «Brrrt» oder ein Zirpen. Gleichzeitig erscheint im Wasserfall ein kurzer, breiter Balken. Was steckt dahinter – und wie findest du heraus, wer da sendet?
Pakete statt Morsezeichen
Die meisten Satelliten senden ihre Telemetrie digital. Die Daten kommen in kurzen Paketen. Im Wasserfall siehst du deshalb kurze Balken mit Pausen dazwischen.
Die Geschwindigkeit wird kurz geschrieben, ähnlich wie bei Widerstandswerten: 1k2 bedeutet 1200 bit/s, 9k6 bedeutet 9600 bit/s. Üblich sind 0k2, 1k2, 2k4, 4k8, 9k6 und 19k2.
Die Klassiker: 1k2 AFSK AX.25 und 9k6 FSK AX.25
1k2 AFSK
Bei AFSK (Audio-FSK) wechselt ein Tonsignal zwischen zwei Tönen: 1200 Hz und 2200 Hz. Diese Töne modulieren einen gewöhnlichen FM-Sender.
Mit einem FM-Empfänger hörst du ein typisches Zirpen. Das ist dasselbe Verfahren wie bei Packet Radio und APRS auf der Erde.
9k6 FSK
Bei FSK springt die Frequenz des Senders selbst zwischen zwei Werten hin und her. Bei 9600 bit/s klingt das im Lautsprecher wie Rauschen.
Für 9k6 brauchst du einen Empfänger mit unverfälschtem Breitband-Ausgang. Mit einem SDR ist das einfach.
Das Protokoll AX.25
AX.25 ist das Protokoll aus dem Packet Radio. Jeder Rahmen enthält das Rufzeichen des Absenders und des Ziels.
Das ist für dich sehr praktisch: Sobald du einen Rahmen dekodiert hast, steht darin, wer gesendet hat.
Weitere Modulationsarten
Bei PSK (Phasenumtastung) ändert sich die Phase des Trägers. BPSK kennt zwei Phasenlagen (0° und 180°). BPSK empfängst du in SSB, meist USB.
MSK und GMSK sind besondere FSK-Arten mit weichen Übergängen. GMSK verwendet zusätzlich ein Gauss-Filter. Das Spektrum ist dadurch kompakt.
PSK31 kennst du vielleicht von der Kurzwelle. Es arbeitet mit 31,25 Baud und wurde beim Satelliten PSAT verwendet (siehe E6.3).
SSTV überträgt Bilder als Töne. Mehr dazu in E6.4.
In den letzten Jahren sind weitere Verfahren dazugekommen, zum Beispiel QPSK und LoRa.
Modulationsarten digitaler Satellitensignale (Beispiele laut Folie, Stand 2017)
| Modulation | Typische Geschwindigkeit | Empfang | Beispiele (2017) |
|---|---|---|---|
| AFSK | 1k2 | FM | ISS, NO-44, PSAT, SwissCube, AENEAS |
| FSK | 9k6 | FM (Breitband-Ausgang) oder SDR | MCubed-2, STRaND-1, UWE-3, GRIFEX, UniSat-6 |
| GMSK | 4k8 | SDR | BEESAT-4, TechnoSat, GOMX-1, D-SAT |
| BPSK | 1k2 | SSB (USB) | Delfi-C³, DUCHIFAT, NUDTSat, ExAlta-1 |
| PSK31 | 31,25 Bd | FM-Downlink, NF-Auswertung | PSAT |
| SSTV | – (Bilder) | FM | ISS |
Spalte «Empfang»: übliche Empfangsart, didaktisch ergänzt [PRÜFEN]. Status der Satelliten: siehe Statusseite.
Eigene schematische Skizze, nicht massstäblich. AFSK erkennst du nach der FM-Demodulation an zwei Tönen. FSK, GMSK und BPSK zeigen sich im HF-Wasserfall als Pakete oder Bänder unterschiedlicher Breite.
Geschwindigkeit und Bandbreite
Je höher die Bitrate, desto breiter ist das Signal. Ein 9k6-Signal belegt im Wasserfall deutlich mehr Platz als ein BPSK-Signal mit 1k2.
Bei AFSK täuscht das: Die Bitrate ist klein, aber das FM-Signal ist breit. Nach der Carson-Regel sind es rund 10 kHz (Rechnung im Formelkasten).
Protokolle
Neben AX.25 nennt die Folie zwei weitere Protokolle: das Cubesat Space Protocol (CSP) und Mobitex.
Für AX.25 gibt es viele fertige Dekoder. CSP und Mobitex brauchen meist einen passenden Dekoder für genau diesen Satelliten.
Wofür Satelliten digitale Signale nutzen (Beispiele laut Folie, Stand 2017)
| Anwendung | Beispiele |
|---|---|
| Telemetrie | diverse |
| Store-and-Forward-Mailbox (S&F) | UO-22, KO-23, KO-25, AO-51, XW-1, FalconSat-3 |
| Digipeater | ISS, PCSAT-1, PSAT, skCube, FalconSat-3 |
| Digitalker (Sprachausgabe) | FO-20, FO-29, SPROUT, Tancredo-1, ANDE-1 |
| SSTV | ISS, SPROUT, SEEDS, ANTELSAT, We Wish |
Viele dieser Satelliten sind nicht mehr aktiv. Aktueller Stand: Statusseite.
Dekoder und Datenbanken
- Software-Dekoder: soundmodem, Direwolf, gr-satellites
- Hardware: TNC (Terminal Node Controller)
- Telemetrie-Dekoder: Software der CubeSat-Teams; unter Linux gr-satellites von Daniel Estévez (EA4GPZ); unter Windows die Software von DK3WN
- Datenbanken: PE0SAT, SatNOGS
Faustregel: Für AX.25 mit 1k2 AFSK oder 9k6 FSK genügen soundmodem oder Direwolf. Für BPSK, GMSK, CSP oder Mobitex brauchst du meist gr-satellites oder den Dekoder des Teams.
Beispiel: XW-2F
XW-2F gehört zur chinesischen Serie Xiwang-2 (CAS-3A bis F). Der Satellit startete am 19. September 2015.
Seine Bake sendet auf 145,955 MHz mit 9k6 FSK und AX.25. Das Rufzeichen lautet BJ1SG.
Ein 9k6-Signal ist im Wasserfall ein breiter Block von mehreren Kilohertz. Er folgt dem Doppler wie alle Signale desselben Satelliten.
Formeln zu digitalen Signalen
Bitdauer:
T b = Dauer eines Bits in s; R = Bitrate in bit/s. Beispiele: 1k2 → 0,83 ms; 4k8 → 0,21 ms; 9k6 → 0,10 ms.
Hauptkeule eines BPSK-Signals (Rechteckimpulse, Nullstelle bis Nullstelle):
B = Bandbreite in Hz. Beispiel BPSK 1k2: 2 · 1200 Hz = 2,4 kHz. Mit Filterung ist das Signal schmaler.
Bandbreite eines FM-Signals (Carson-Regel):
Δ f = Frequenzhub in Hz; f m = höchste Modulationsfrequenz in Hz. Beispiel AFSK 1k2 (höchster Ton 2200 Hz) mit angenommenem Hub 3 kHz: 2 · (3000 Hz + 2200 Hz) = 10,4 kHz. Obwohl nur 1200 bit/s übertragen werden, ist das HF-Signal also breit.
Kontrollfrage: Du empfängst auf 145,955 MHz alle paar Sekunden ein kurzes, rauschartiges «Schhh». Mit dem FM-Empfänger hörst du keine Töne. Im Wasserfall sind breite Pakete zu sehen, die dem Doppler folgen. Was ist es wahrscheinlich, und wie bestätigst du das?
Lösung anzeigen
Ein rauschartiges Paket ohne erkennbare Töne passt zu 9k6 FSK. 1k2 AFSK würdest du als zwei Töne («Zirpen») hören. 145,955 MHz ist auf der Folie die Bakenfrequenz von XW-2F (9k6 FSK AX.25).
Bestätigen: Dekodiere die Pakete mit einem 9k6-Dekoder. AX.25-Rahmen enthalten das Rufzeichen; bei XW-2F wäre das BJ1SG. Prüfe zusätzlich mit der Bahnvorhersage, ob der Satellit zu dieser Zeit sichtbar war.
Merksatz:
AFSK hörst du als Zirpen aus zwei Tönen, 9k6 FSK als Rauschen, BPSK empfängst du in SSB. Die Bitrate steht in der Kurzform (1k2 = 1200 bit/s). Ein dekodierter AX.25-Rahmen verrät das Rufzeichen.