Modi digitali da premio Nobel

Non pensavo che mi sarei imbattuto in una strana, ma fascinosa coincidenza quando l'altro giorno ho letto le due righe che l'amico Christian - il quale in questo momento si starà divertendo col suo nuovo 7000, mentre quella santa di sua moglie scuote pazientemente la testa - mi ha mandato l'altro giorno a proposito di un nuovo tipo di modulazione digitale sperimentata in ambito radioamatoriale:

Porto alla tua attenzione (ma son certo non ti sarà sfuggito), il modo WSJT65A che tiene banco ultimamente sulla lista dei knights. Ormai siamo alle trasmissioni di microwatts... Spero di leggerne presto su Radiopassioni.

No, la cosa non mi era sfuggita, ma "parlarne su Radiopassioni" mi pareva una cosa complicata, da studiare con attenzione. Premettiamo subito che si sta parlando di un programma software, WSJT, che supporta tutta una serie di modi e protocolli di trasmissione digitale. In particolare WSJT (WS sta per weak signal) è stato studiato per consentire lo scambio di informazioni in due situazioni propagative molto speciali. Una è quella dei collegamenti radio in cui la superficie lunare funge da ripetitore passivo di segnali provenienti da terra (EME o earth-moon-earth, altrimenti detto moon-bounce). "With a total path length of about 500,000 miles, EME is the ultimate DX," scrive la ARRL. L'altra situazione si chiama meteor scatter, le trasmissioni VHF che sfruttano le condizioni di intensa, ma brevissima, ionizzazione determinata dagli sciami meteorici che interagiscono con la nostra atmosfera. Nel primo caso, la EME, i segnali sono estramemente deboli, nel secondo possono essere molto intensi ma anche pazzescamente brevi, addirittura uno o due secondi. L'idea geniale di WSJT consiste nell'utilizzare modulazioni digitali e protocolli ottimizzati per questo tipo di condizioni estreme, utilizzando numerose sottoportanti distribuite su spettri piuttosto ampi, con tecniche di correzione di errore in partenza e sofisticati algoritmi di DSP messi al lavoro in arrivo.
Da diverso tempo, i protocolli di WSJT vengono utilizzati, con qualche variante più adatta alle HF (mi riferisco appunto a JT65), oltre che per i QSO veri e propro (la sigla QSO designa il contatto, lo scambio tra due radioamatori), per la sperimentazione di radiofari amatoriali "estremi", debolissimi, in gruppi come i pluricitati QRSS Knights. A differenza di modalità più abbordabili come il CW a banda strettissima, intercettabile con sistemi tutto sommato alla portata di tutti, WSJT non è un programma per dilettanti allo sbaraglio come me. Leggete quello che scrive Joe Large, W6CQZ:

Weak signal work with JT65 is one of those rare areas in amateur radio where we still can learn things and advance the art and science of radio, an increasingly rare thing these days. JT65 is certainly limited in its utility with its very short message lengths and its long transmission/reception intervals, but it's not meant to ragchew or pass traffic. It's meant to push the limits of DSP modulation/demodulation, the limits of receiver and antenna design and, to a certain extent, the limits of an operator's skill and understanding of both the science and art of radio propogation. Those things may lead to technology to better use our spectrum allocations and anything that improves an Amateur's understanding of propgation can only help our effectivness. I've not been this excited about radio since I discovered HF as an SWL around age 8 or 9 back in the early 70s. Beyond satellites, which are increasingly less awe inspiring than in days past, there is little that's truly new, innovative and unique with amateur radio. Winlink, pskmail, aprs, d-star, irlp/echolink and, to a lesser extent, SDR are all interesting facets to an aging and lethargic hobby, but, those systems push few new limits, or if they did at all, have become so commonplace as to be rather boring. Essentially new twists on the status quo.

Si sta facendo notte fonda e ancora non siamo arrivati alla famosa coincidenza. È presto detto. Basta andare sulla home page ufficiale del software WSJT per cominciare a sospettare qualcosa. E' una pagina personale ospitata sui server della Princeton University. L'autore, Joe Taylor, si presenta con il suo call di radioamatore, K1JT. Ma è il mirror di WSJT in Europa a svelare il mistero: Joe Taylor è un premio Nobel. Lo ha vinto nel 1993 per le sue ricerche in astrofisica, dopo la scoperta di un nuovo tipo di pulsar. Vi suona familiare? Certo che suona familiare: le pulsar di Joe Taylor sono il punto di partenza del campo di indagine delle onde gravitazionali, come ho cercato di spiegare qui su RP a proposito delle maxi-antenne gravitazionali recentemente inaugurate a Pisa.

Taylor evidentemente non ama rinchiudersi nelle torri d'avorio della ricerca accademica. Con WSJT ha creato una piattaforma di sperimentazione software e radiofonica che non ha precedenti. Intorno a questa piattaforma è sorta anche una comunità di sviluppatori open source molto attiva. Visto però che il premio Nobel uno in genere non lo trova nei fustini del Miralanza, tutto il progetto tradisce una metodologia, una impalcatura scientifica che faticheremmo a trovare anche nei migliori prodotti dell'ingegno radioamatoriale. Non so se si è capito, ma WSJT è un vero casino. La sezione documentazione allestita da Taylor sul suo sito (molte user guides sono tradotte in italiano da Giorgio Marchi IK1UWL) richiederebbe una intera estate di ponderose consultazioni. A grandissime linee, nella sua introduzione Taylor spiega che WSJT cerca di applicare avanzate tecniche di trattamento del segnale per ottenere due obiettivi: riuscire a scambiare una quantità minima ma importante di informazioni in intervalli di tempo ridottissimi ed estrarre un analogo contenuto informativo da segnali molto più stabili e continuativi, ma estremamente deboli, spesso sepolti nel rumore di fondo dei ricevitori. Forse non siamo ancora ai microwatt, come scrive Christian, ma poco ci manca.
Tanto per proseguire nell'approssimazione e sputtanarmi definitivamente, può essere utile che vi indichi come i tre "modi" principali supportati da WSJT siano: FSK441 (una modulazione di shift di frequenza a quattro toni e 441 baud), JT6M (altra modulazione FSK a 44 toni, ciascuno dei quali corrispondenti a un determinato simbolo alfanumerico) e il JT65 su cui il bravo Christian - senza forse sapere a che cosa sarebbe andato incontro - voleva leggersi qualcosa. JT65 è un protocollo abbastanza inedito nel panorama dei modi digitali perché usa sostanzialmente un approccio FDM/TDM (frequency/time division multiplexing) che sembra ispirato ai protocolli della telefonia cellulare. Si compone di sequenze di trasmissione/ricezione della durata di 60 secondi in cui i messaggi vengono rigidamente strutturati e compressi, in modo da poter trasmettere in soli 71 bit le due call letters e i due grid locator dei radioamatori che stanno comunicando tra loro (in alternativa si possono mandare messaggi arbitrari di 13 caratteri). La modalità richiede una elevata sincronizzazione di tempo e frequenza e ogni trasmissione è suddivisa in 126 intervalli di tempo contigui o "simboli" di 0,372 s di durata. In ciascun intervallo il segnale è una portante ad ampiezza costante trasmessa su una tra 65 frequenze predefinite. Il passaggio da una frequenza all'altra avviene in continuità di fase. Un ulteriore livello di complicazione (come se non bastassero le tecniche di compressione e correzione utilizzate nella sequenza dei bit trasmessi) è dato dall'intreccio di due tipi di simboli: metà di essi appartengono a un vettore di sincronia pseudo-casuale, interlacciata con l'altra metà dei simboli adibiti alla codifica delle informazioni. La frrequenza più bassa, uguale al segnale di sincronia ricavato dalla autocorrelazione del vettore pseudo-casuale appena citato è si circa 1270 Hz, la separazione tra i canali è un multiplo di circa 27 Hz. Questo è un dettaglio importante: i tre modi digitali di WSJT occupano ampiezze di banda significative, circa 3 kHz. Un dettagliato articolo descrittivo di JT65 è stato pubblicato da Taylor su QEX. Se pensate di portarvela sotto l'ombrellone, sappiate che non è una lettura amena.
E' invece molto, davvero molto divertente (stile Doug Adams, ed è un complimento) la guida "per idioti" che Andy O'Brien K3UK ha preparato sulla variante JT65A usata sulle HF terrestri (ricordiamo che il JT65 originale è stato sviluppato per le comunicazioni terra-luna-terra) e per i radiofari. Non è un paragone scientifico ma in un certo senso il JT65 sta alle varianti del CW usate comunemente dagli sperimentatori dei fari propagativi nei 10 e 30 metri, come i fari DGPS stanno agli NDB. La decodifica è assai più complicata. Ma sembra proprio che ne valga la pena perché l'efficienza del JT65 è enorme. La banda occupata è tutt'altro che stretta, come abbiamo visto, ma a differenza del QRSS in un minuto di trasmissione si possono inviare parecchie informazioni e soprattutto è possibile stabilire un contatto bidirezionale, non velocissimo, d'accordo, ma pur sempre sostenibile.
Last but not least, WSJT essendo scritto in C e in Fortran (Fortran!) è anche compatibile - oltre all'immancabile Windows - con piattaforme Linux/Unix, incluso FreeBSD. Teoricamente Mac OS X non sarebbe del tutto tagliato fuori, cosa che da sola vale quasi un premio Nobel.