Olivia – Teoría

Autor: Mariano, EA4ZR

SP9VRC Pawel Jalocha creador del modo Olivia

• El modo OLIVIA es un híbrido de MFSK y código FEC (Forward Error Correcting) basado en las funciones de Walsh.
• Su autor Pawel Jalocha, ideador también del modo PSK31, le puso a este nuevo modo digital el nombre de su hija.
• Este nuevo modo fue creado durante los meses de Noviembre y Diciembre de 2004.

Otros colegas que colaboraron en el desarrollo de Pawel fueron:

• Fred OH/DX4ZC y Les VK2DSG en los primeros tests entre Europa y Australia.
• Fred OH/DK4ZC y Altti OH2HN en los primeros tests en cortos pero débiles e inestables caminos de señal dentro de Finlandia.
• Chris VK3DNH con el primer interface gráfico de usuario bajo Windows.

Descripción de parámetros del modo OLIVIA

Creador:	Pawel Jalocha SP9VRC en 2005
Baudios:	31.25
Velocidad:	2.44 caracteres/sec , 24 palabras/minuto.
Modulacion:	FSK de 32 tonos (5 bits formato Gray ), con un desplazamiento entre tonos de 31.25 Hz (1000 Hz bandwidth). Un bloque esta compuesto de 64 simbolos de 5 bits (en otras palabras, es una matriz de 64 columnas en 5 lineas seguidas en el tiempo. Cada una de estas 5 lineas corresponde a un carácter que ha sido previamente codificado en un vector de 64 bits, utilizando la transformada rapida de Walsh-Hadamard para proporcionar un alto nivel de redundancia.
Modo de recepcion:	sensible a la banda lateral (USB o LSB), se recomienda USB.
Forma del pulso:	forma especifica (entre una ventana de Hanning y una ventana rectangular).
Caracteres:	ASCII 7 bits (128 caracteres)
Ancho de banda (Bandwidth):	1000 Hz
Sincronizacion:	automatica utilizando la señal.
Codigo de correccion:	no
Codigo Convolucional:	no
Intercalado:	si, dispersion de 5 bits «verticalmente» en el bloque,
Aleatorizado:	si, con una secuencia de 64 bits aplicada en cada linea del bloque pero con un retardo de 13 bits entre 2 lineas sucesivas.
Tolerancia de Deriva:	30 Hz/mn
Pmean/Ppeak:	0.76
S/N mas baja:	– 12 dB

Nota: Existen otros 39 modos Olivia, desde 2 a 256 tonos y desde 125 a 2000 Hz de ancho de banda . Todos ellos estan concebidos de la misma forma.

Caracteristicas del modo Olivia

Pawel desarrolló este nuevo modo especialmente para QSOs con señales débiles. Por esta razón eligió modulación de tipo MFSK (Multi-Frecuency Shift Keying), que ya por si misma es un buen código FEC y porque su forma de onda tiene una envolvente casi constante, lo que permite al transmisor de radio alcanzar su máxima potencia. Además la modulación MFSK “pasa” bien a través de las distorsiones producidas por la ionosfera.

La desventaja de MFSK, es que no tolera bien las interferencias de tipo coherente, así como la respuesta no uniforme en frecuencia del canal de transmisión. Ruido de tipo coherente a menudo esta presente en las bandas de HF, y los receptores de radioaficionado utilizan filtros pasabajos en la cadena de audio, así el demodulador “Olivia” pasa primero por un preprocesador espectral, el cual intenta eliminar las señales coherentes y ecualizar la respuesta en frecuencia. Esto al menos compensa parcialmente las deficiencias de MFSK en esta materia.

MFSK

El modo por defecto para el modo Olivia son 32 tonos espaciados 31.25 Hz. El ancho de banda resultante son 1000 Hz.

Los tonos son enviados a 31.25 baudios o lo que es igual, cada 32 milisegundos. La fase del tono no es preservada de un tono al siguiente: en vez de ello , se introduce un desplazamiento aleatorio de ±90 grados para no transmitir un tono puro cuando el mismo símbolo es repetidamente enviado. Debido a que los tonos son conformados suavemente, no necesitamos mantener la fase de una forma continua .

El modulador utiliza el codigo Gray para codificar los simbolos de 5 bits dentro del numero de tonos utilizado.

El generador de forma de onda esta basado en un muestreo de 8000 Hz. Los tonos estan espaciados en tiempo por 256 muestras y la ventana que los conforma es de una longitud de 512 muestras. El demodulador esta basado en la FFT con un tamaño de 512 puntos. El espaciado de tonos en frecuencia es : 8000 Hz/256 = 31.25 Hz y el demodulador FFT tiene una resolucion de 8000 Hz/512 = 15.625 Hz, es decir la mitad de la separación de tonos.

Para adaptar el sistema a las diferentes condiciones de propagación , el numero de tonos y el ancho de banda puede ser cambiado, siendo el tiempo y la frecuencia proporcionalmente escalado. El numero de tonos puede ser 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128 o 256. El ancho de bando puede ser 125, 250, 500, 1000 o 2000 Hz.

Imagen de Waterfall con una señal de MFSK16

Conformado de los pulsos

El trazo azul representa la clásica ventana de Hanning, la cual fue utilizada en la primera versión del sistema. La formula exacta es:

+1.0000000000+1.1913785723*cos(x)-0.0793018558*cos(2x)-0.2171442026*cos(3x)-0.0014526076*cos(4x)

El coeficiente representa la forma del símbolo en el dominio de la frecuencia y ha sido calculado por un proceso de minimización que buscaba producir el más pequeño crosstalk

Los tonos son conformados para minimizar la cantidad de energia enviada fuera del ancho de banda nominal. La forma aplicada esta trazada en rojo en el siguiente grafico.

El grafico presenta un tono MFSK de 500 Hz (trazo rojo) conformado de acuerdo a la formula anterior. El trazo en azul es la envolvente.

Señal real del modo Olivia vista en un osciloscopio

FEC = Walsh – Hadamart

Después de la modulación se eligió el código FEC. Se eligieron las funciones de Walsh ya que pueden ser fácilmente decodificadas con la trasformada rápida de Hadamart. Se eligió un tamaño de 64 puntos igual que en el protocolo MT63, ya que con una función Walsh de 64 bits se pueden representar caracteres ASCII a 7 bits.

Representación gráfica de las Funciones de Walsh – Hadamart

FEC = Walsh – Hadamart

Para diseminar los errores del demodulador MFSK sobre varios caracteres, cada uno de los 64 bits de la función Walsh es puesto en un símbolo MFSK diferente.
Esto define que el tamaño del bloque de código FEC sea de 64 símbolos y que tome un tiempo de 2,048 segundos en ser transmitido a 31.25 baudios.
Con esto se consigue una enorme tolerancia hacia los errores de ráfaga (burst) o el desvanecimiento de señal (fading).

El bloque completo representa 5 caracteres ASCII de 7 bits

Este cuadro de información resulta en 5 caracteres enviados cada 2 segundos, que corresponde a una velocidad de pulsación de teclado de 2,5 caracteres por segundo y aproximadamente a 15 palabras por minuto (WPM).

Por simulación, el parámetro de relación señal/ruido mostró que la transmisión podia ser todavia decodificada con una señal por debajo de 10db con relacion al ruido, donde la potencia de ruido es medida dentro del ancho de banda de 1000 Hz.

Cada vector de 64 bits representa un carácter ASCII de 7 bits, de esta forma, cada bloque completo representa 5 caracteres ASCII.

Tal y como esta ordenada la información, en el caso de que un símbolo completo se coorrompa por el ruido o interferencia , solo sera afectado un solo bit en cada uno de los vectores de 64 bits , dispersandose el error uniformemente dentro del bloque.

De esta forma, la perdida de un simbolo completo, queda compensada al “trocear” el error en 5 errores mas pequeños que son perfectamente corregibles al tratarse cada uno de ellos de forma separada.

Para aquellos operadores de OLIVIA que ya se hayan dado cuenta de que los programas de comunicaciones de OLIVIA escriben los caracteres de 5 en 5, la respuesta está en el bloque que hemos visto en la página precedente. No es posible decodificar los 5 caracteres hasta que no se ha recibido el bloque completo de 64 simbolos MFSK.

Finalmente, se procede a un “embrollado” de las funciones de Walsh con una secuencia pseudo-aleatoria: 0xE257E6D0291574EC. La primera funcion Walsh sera aleatorizada con esta secuencia, la segunda funcion Walsh sera aleatorizada con la secuencia rotada a la derecha en 13 bits, la tercera función lo hará con la secuencia rotada en 26 bits y así sucesivamente hasta terminar el bloque completo.