Modes de fonctionnement numériques

Modes numériques — du RTTY et du PSK31 au FT8 et au FreeDV : des liaisons radio mondiales avec une faible puissance et des antennes simples, grâce à une carte son et à des logiciels libres.

Des modes de transmission tels que le PSK31, l’Olivia, le JT65 et le FT8 permettent d’établir des liaisons radio mondiales même avec de petites antennes et une faible puissance d’émission. La longue liste des modes de transmission numériques — les « digimodes » — reflète l’histoire de la technologie : des téléscripteurs mécaniques aux premiers procédés assistés par ordinateur, en passant par les algorithmes modernes capables de décoder des signaux bien en dessous du bruit. Les modes d’origine servaient uniquement à la transmission de texte ; les modes modernes permettent de transmettre n’importe quelle séquence numérique — d’où le terme générique de « digimodes ».

Remarque : le site sigidwiki.com — HF Signals propose un aperçu complet des digimodes rencontrés sur les ondes courtes (y compris les modes militaires et commerciaux), avec des captures d’écran de graphiques en cascade et des extraits audio.

Le plan de bande de l’IARU Région 1 prévoit, pour les digimodes, des segments d’une largeur de bande pouvant atteindre 500 Hz, 2 700 Hz ou 6 000 Hz — la fréquence doit être choisie en fonction de la largeur de bande d’émission. Une partie de ces segments est signalée par la mention « stations numériques automatiques » et réservée aux passerelles et aux boîtes aux lettres ; aucun QSO individuel ne doit y être initié. Des centres d’activité spécifiques sont prévus pour les transmissions d’images — voir Transmission d’images. Dans les bandes identifiées comme CW, l’exploitation numérique n’est pas souhaitée.

Comment devenir QRV ?

Pour les modes numériques, un simple émetteur-récepteur SSB suffit généralement — seuls quelques modes exigent une stabilité de fréquence particulièrement élevée. La modulation et la démodulation sont assurées par un logiciel de carte son tel que FLdigi, DM780 ou MixW. C’est pourquoi les modes numériques sont également appelés « modes carte son ».

Il est recommandé d’utiliser une interface de carte son entre la carte son et l’émetteur-récepteur : elle adapte les niveaux, isole galvaniquement les deux appareils dans l’idéal (ce qui évite les boucles de masse) et permet d’activer l’émetteur via un signal PC ou un Vox BF intégré.

Attention : consultez le manuel de l’émetteur-récepteur pour connaître la puissance d’émission autorisée pour les modes numériques (« ligne continue »). En cas de doute, réduisez-la à 50 % de la puissance de crête ou moins — sinon, l’amplificateur de puissance risque d’être endommagé.

Suggestions de lecture :

FT8, FT4, JT65 et JT9

Cette famille de modes repose sur WSJT, un logiciel développé par Joe Taylor (K1JT), lauréat du prix Nobel de physique. Le WSJT permet d’établir des QSO même lorsque le signal se situe à plusieurs décibels en dessous du bruit dans un canal SSB de 2 500 Hz de large — grâce à la normalisation du contenu et à la réduction de la vitesse de transmission. Conçu à l’origine pour la propagation par troposcatter et les liaisons Terre-Lune-Terre, ce procédé a très tôt été utilisé pour les QSO en QRP sur ondes courtes.

  • FT8 — présenté par Joe Taylor (K1JT) et Steve Franke (K9AN) en juin 2017. Durée de passage de seulement 15 secondes, largeur de bande de 47 Hz. Légèrement moins sensible que le JT9 / JT65, mais quatre fois plus rapide. C’est aujourd’hui le mode numérique dominant sur ondes courtes — voir la page dédiée au FT8.
  • FT4 — présenté en 2019 par Joe Taylor (K1JT) et Steve Franke (K9AN) comme une variante plus rapide spécialement conçue pour les concours (intégrée à WSJT-X). Durée de passage de seulement 7,5 secondes, largeur de bande d’environ 90 Hz. Légèrement moins sensible que le FT8, mais deux fois plus rapide — optimisé pour des cadences de QSO élevées.
  • JT65 — 65 tonalités, largeur de bande de 175 Hz. Très sensible (plus de 10 dB en dessous de la CW), développé pour les bandes VHF/UHF avec une force du signal quasi constante ; utilisé avec succès sur les ondes longues depuis 2006 par des stations QRP.
  • JT9 — 9-FSK, largeur de bande inférieure à 16 Hz avec des intervalles d’une minute. Conçu à l’origine pour les ondes longues et moyennes ; existe également en versions de 2, 5, 10 et 30 minutes pour les signaux encore plus faibles.

VARA et VarAC

VARA est un modem logiciel performant développé par José Alberto Nieto Ros (EA5HVK), qui transforme la carte son en un modem OFDM rapide. Il existe deux variantes : VARA HF pour les ondes courtes et VARA FM pour le transfert rapide de données via des relais FM sur VHF/UHF. VARA adapte en permanence le débit de données et la robustesse aux conditions de propagation et atteint, sur les ondes courtes, plusieurs milliers de bits/s selon la largeur de bande.

Son utilisation principale est le réseau mondial Winlink pour la transmission de courriels sans Internet — VARA HF et VARA FM y ont largement remplacé les anciens modems PACTOR et WINMOR. VARA HF sert également de base à VarAC, une application gratuite pour les connexions clavier à clavier (chat en direct, balises, appels CQ automatiques), qui a considérablement gagné en popularité ces dernières années.

Le logiciel VARA est un shareware : dans sa version de base, il fonctionne gratuitement à vitesse réduite ; une licence est nécessaire pour bénéficier du débit maximal. VarAC est quant à lui gratuit.

Famille PSK

Le PSK31 est devenu si populaire qu’il a détrôné le RTTY de la première place. Sur la bande des 20 m notamment, au-dessus de 14 070 kHz, on peut capter pratiquement 24 heures sur 24 des stations du monde entier. Par rapport à la CW, le PSK31 nécessite moins de largeur de bande ; le filtre DSP étroit du logiciel décode encore les signaux alors qu’il n’y a pratiquement plus rien à entendre. Sur le diagramme en cascade, plusieurs dizaines de stations apparaissent souvent simultanément dans le filtre SSB — un simple clic de souris permet de sélectionner la station souhaitée.

Les variantes plus récentes, PSK63 (63 bauds) et PSK125 (125 bauds), offrent respectivement un débit de transmission double ou quadruple, mais nécessitent pour cela une largeur de bande double ou quadruple et présentent donc un rapport signal/bruit réduit de moitié ou divisé par quatre.

Avantages : bande très étroite ; très populaire dans le monde entier (partenaires de QSO disponibles en permanence) ; aucun TCXO requis ; QSO QRP possibles dans le monde entier avec 5 W. Inconvénients : principalement des QSO à longue distance (« F1 à F12 »), pratiquement pas de ragchew ; pas de correction d’erreurs ; sensible à l’évanouissement sélectif et à la réception par trajets multiples en raison de la modulation par impulsions de phase — ne convient que de manière limitée sur 160 m / 80 m et en VHF/UHF.

Le SIM31 (également appelé SIM-BPSK, développé par ON4NB et al.) est un hybride récent combinant le PSK31 et le JT9, avec une largeur de bande de seulement 45 Hz (USB). Plus résistant aux interférences et à l’évanouissement que le PSK31 — bien adapté au QRP/DX. Le MFSK16 (Murray, ZL1BPU) utilise 16 tonalités espacées de 15,625 Hz (bande passante totale de 316 Hz) et fonctionne avec une correction d’erreurs (FEC) efficace à un débit de données net de 42 WPM. Sensibilité similaire à celle du PSK31, mais nettement moins sensible aux effets Doppler.

Olivia

Olivia a été développée fin 2003 par Pawel SP9VRC — il s’agit d’une combinaison entre le MFSK et un code FEC basé sur les fonctions de Walsh. Olivia permet encore de décoder des signaux jusqu’à 15 dB en dessous du bruit de fond. Largeurs de bande disponibles : 125, 250, 500, 1 000 et 2 000 Hz ; les combinaisons couramment utilisées sont 4/125, 8/250, 8/500, 16/500 et 32/1 000 (tons/largeur de bande).

Tons / largeur de bandeBaudWPMSeuil S/N
OLIVIA 32/1 00031,2524,4−12 dB
OLIVIA 16/50031,2519,5−13 dB
OLIVIA 8/50062,529,3−11 dB
OLIVIA 8/25031,2514,6−14 dB
OLIVIA 4/12531,259,8−15 dB
Les formats Olivia les plus courants.

Avantages : tolérance maximale face à l’effet Doppler, à l’évanouissement, à l’aurore et à la propagation par trajets multiples ; un filtre SSB suffit ; convient bien aux QSO « ragchew » (8/500, 16/500, 32/1000) ; aucun TCXO n’est nécessaire (un écart de fréquence > 100 Hz est encore corrigé). Inconvénients : diffusion modérée ; largeurs de bande plus élevées que celles du PSK31.

Procédés classiques et plus anciens

Outre les modes évoqués ci-dessus, d’autres modes de fonctionnement numériques sont parfois observés sur les bandes :

  • RTTY — le mode télégraphique classique. Les caractères sont codés sur 5 bits, transmis par FSK avec un décalage de 170 Hz ou 850 Hz à 45,45 bauds. Lorsqu’il est émis en AFSK par un émetteur SSB, on parle de mode AFSK.
  • AMTOR (Peter, G3PLX, 1981) — Télégraphie radio offrant une grande fiabilité de transmission grâce à l’ARQ (Automatic Repeat reQuest) ou à la FEC. Son caractéristique « chirp-chirp » dû à la commutation rapide entre l’émetteur et la réception. Aujourd’hui largement remplacé par le PACTOR.
  • PACTOR (DL6MAA, DF4KV, à partir des années 1990) — spécialement développé pour le trafic de données sur ondes courtes. Le PACTOR-4 atteint, grâce à la compression, un débit allant jusqu’à 10 500 bits/s. Largement utilisé comme protocole de transmission dans WinLink pour l’envoi d’e-mails par ondes courtes. Nécessite un contrôleur spécial (TNC).
  • WINMOR (ARRL/TAPR DCC 2008) — protocole de transmission ARQ pour WinLink qui ne nécessite pas de TNC coûteux : une carte son et un émetteur-récepteur SSB suffisent. Jusqu’à 1 300 bits/s avec une largeur de bande de 500/1 600 Hz. Logiciel : RMS Express (gratuit).
  • MT63 (Pawel SP9VRC) — 64 tonalités espacées de 15,625 Hz, modulées en DBPSK, très résistant au QRM et à l’évanouissement. Largeur de bande de 500 Hz à 2 000 Hz. La transmission est affichée avec un retard pouvant aller jusqu’à 6 secondes — ce mode fonctionne toujours sans erreur même si 25 % des informations sont manquantes.
  • Packet Radio — protocole AX.25, dérivé du protocole commercial X.25. Couramment utilisé en VHF/UHF à 1 200 ou 9 600 bauds, en ondes courtes à seulement 300 bauds — désormais largement supplanté par d’autres modes sur les ondes courtes.
  • DominoEX (Murray ZL1BPU) — basé sur le MFSK, principalement destiné aux bandes de basse fréquence (NVIS — Near Vertical Incidence Skywave). Supporte des différences de temps de propagation allant jusqu’à 80 ms et une dérive de 200 Hz/min. La norme est DominoEX11 (262 Hz, environ 70 WPM).
  • FSQ (ZL1BPU, ZL2AFP, 2015) — « Fast Simple QSO », 33 tonalités espacées de 9 Hz, largeur de bande de 300 Hz. Avec le protocole FSQCALL pour le chat avec une ou plusieurs stations, la réception de fichiers et les requêtes d’état. Sensibilité d’environ −13 à −16 dB SNR.
  • Contestia (Nick UT2UZ, 2005) — dérivé directement d’Olivia, environ deux fois plus rapide mais avec une sensibilité inférieure de 3 dB. Sonore presque identique à celui d’Olivia.
  • CLOVER (HAL Communication, 1993) — transmission de données 8 bits avec modulation adaptative ; évalue les conditions de transmission et adapte automatiquement le format de modulation et le débit de données.
  • ROS (José Alberto Nieto Ros) — procédé CDMA, théoriquement décodable jusqu’à −35 dB de rapport signal/bruit (SNR), mais nécessitant une largeur de bande. Aux États-Unis, le ROS est classé comme « spectre étalé » par l’ARRL/FCC et n’est pas autorisé sur les bandes des ondes courtes et des 2 m.
  • THOR — apparenté à DominoEX, 18 fréquences de tonalité en relation de phase constante, très robuste pour les liaisons RF faibles. Vitesses comprises entre 14 et 78 WPM pour une largeur de bande de 173 à 524 Hz.
  • THROB (Lionel G3PPT) — MFSK à 9 tonalités, largeur de bande de 72 ou 144 Hz, 10 à 40 WPM. Son de type « Throbharmonika ». Résistant au bruit et aux perturbations par impulsions, mais lent.
  • V4Chat — Client clavier basé sur le modem WINMOR ; jusqu’à 55 WPM avec une largeur de bande de seulement 200 Hz. Prend en charge les formats ASCII et UTF-8, ainsi que les modes FEC et ARQ. Son successeur, H4 (Hamming Encoded 4FSK), est en version bêta.

WSPR — Weak Signal Propagation Reporter

WSPR (qui se prononce « whisper » en anglais) est un autre programme de Joe Taylor (K1JT). L’émetteur émet des signaux à très bande étroite qui, grâce à un codage hautement spécialisé, peuvent être détectés et décodés bien « sous le seuil de perception » — jusqu’à −28 dB en dessous du bruit. Destiné principalement au fonctionnement en balise.

Les informations transmises comprennent l’indicatif d’appel, le repère de grille et la puissance d’émission en dBm. Les stations de réception calculent une valeur SNR et transmettent les données à wsprnet.org, où elles sont mises à disposition dans le monde entier pour des études de propagation et des comparaisons d’antennes. Les puissances d’émission sont généralement de 5 W ou moins. Ainsi, même les stations disposant d’antennes limitées peuvent recevoir des rapports de réception du monde entier, provenant de pays exotiques.

Hellschreiber

Le téléscripteur a été le premier système de transmission à impression directe à connaître le succès, comparable au fax. Les lettres sont transmises sous forme de petites images dans une trame grossière de 7×7 — les interférences peuvent certes dégrader l’image, mais elles rendent rarement le caractère totalement illisible. Cette redondance constitue l’avantage essentiel par rapport au télétype classique (RTTY).

  • Feldhell (1935) — 122,5 bauds, largeur de bande de 360 Hz, quasi-synchrone. Utilisé pendant la Seconde Guerre mondiale pour des applications mobiles sur le terrain.
  • Siemens GL (1955) — Système « start-stop », 300 bauds, fréquence de tonalité de 1 000 Hz, largeur de bande de 600 Hz. Principalement destiné aux liaisons FM VHF sans interférences.
  • HELL 80 (1965) — Modulation par déplacement de fréquence à 1 625 / 1 925 Hz, 315 bauds, largeur de bande de 900 Hz. Transmission sécurisée même sur des liaisons radio fortement perturbées.
  • CP-16 (CRAC, 2011) — caractères chinois en matrice de 16 × 16 points avec une largeur de bande de seulement 400 Hz. 2 à 5 caractères par seconde.

Il existe aujourd’hui toute une série de logiciels gratuits pour cartes son dédiés à la transmission en morse. Les fréquences préférentielles (IARU Région 1) sont de 3 584, 7 085, 10 144, 14 063, 18 104, 21 063, 24 924 et 28 063 kHz (fréquences centrales respectives). L’émetteur Aurora DK0WCY émet également sur 10 144 kHz.

FreeDV — voix numérique

FreeDV est une application GUI open source pour Windows, Linux et macOS qui permet, à partir de n’importe quel émetteur-récepteur radio SSB, de transmettre de la voix numérique (« DV » — Digital Voice) à faible débit binaire sur un canal SSB. Le signal du microphone est compressé à 1 400 bits/s (codec 2 de David Rowe, VK5DGR) puis modulé en un signal QPSK d’une largeur de bande de 1 100 Hz. Contrairement à D-STAR, FreeDV est entièrement open source.

Fréquences de rencontre

Au sein des segments de bande réservés aux modes numériques de la région 1 de l’IARU, les fréquences de rencontre suivantes se sont imposées comme fréquences de travail privilégiées. Pour les modes numériques, c’est toujours la « fréquence de syntonisation » (porteuse USB) qui est indiquée — les tonalités effectivement émises se situent, pour de nombreux modes, entre 1 400 et 1 600 Hz au-dessus de celle-ci.

CW (réservé — les modes numériques ne sont pas souhaités) : 1 810–1 838, 3 500–3 570, 7 000–7 040, 10 100–10 130, 14 000–14 070, 18 068–18 095, 21 000–21 070, 24 890–24 915 et 28 000–28 070 kHz.

PSK31 (USB) respectivement au-dessus de 1 838, 3 580, 7 040, 10 140, 14 070, 18 100, 21 070, 24 920 et 28 120 kHz. Les ~1 kHz les plus bas sont réservés de préférence au QRP ; PSK63 / PSK125 à partir de 2 kHz au-dessus.

SIM31 (USB) : 1 839, 3 596, 7 045, 10 142, 14 067 (non conforme au plan de bande), 18 098, 21 100, 24 916, 28 127 kHz.

AMTOR, MFSK16, MT63, OLIVIA, PACTOR, RTTY, THROB, etc. (USB) : 1 838–1 842, 3 583–3 600, 7 043–7 050, 10 143–10 150, 14 080–14 099, 18 103–18 109, 21 080–21 120, 24 923–24 929 et 28 080–28 150 kHz. Olivia 32/1000 est principalement diffusée sur 14 107,5 kHz (fréquence centrale).

Procédés Hellschreiber (USB, fréquence centrale dans chaque cas) : 3 584, 7 085, 10 144, 14 063, 18 104, 21 063, 24 924 et 28 063 kHz. Sur la bande des 20 m, la fréquence de 14 063 kHz (jusqu’à 14 069) est considérée comme la fréquence d’appel privilégiée du Feld Hell Club.

FAX/SSTV : 3 735 (LSB ; DRM-SSTV 3 733), 7 165 (LSB ; DRM-SSTV 7 058), 14 230 (USB ; DRM-SSTV 14 233), 21 340 (USB ; DRM-SSTV 21 233), 28 680 kHz (USB).

FreeDV (voix numérique) : 7 190 et 14 236 kHz (USB).

JT65A (fréquences de composition, USB) : 0,13613, 0,4742, 1 838,0, 3 576,0, 5 357,0, 7 076, 10 138,0, 14 076,0, 18 102,0, 21 076, 24 917 et 28 076 kHz.

JT9 (fréquences de numérotation, USB) : 0,4742, 1 840,0, 3 578,0, 5 359,0, 7 078,0, 10 140,0, 14 078,0, 18 104,0, 21 078, 24 919 et 28 078 kHz.

FT8 (fréquences de syntonisation, USB) : 1 840,0, 3 573,0, 7 074, 10 136,0, 14 074,0, 18 100,0, 21 074, 24 915 et 28 074 kHz — voir la page FT8.

WSPR (fréquences de syntonisation, programmées ; fréquences d’émission de 1 400 à 1 600 Hz au-dessus) : 0,136, 0,4742, 1,8366, 3,5926, 5,3647, 7,0386, 10,1387, 14,0956, 18,1046, 21,0946, 24,9246, 28,1246 MHz ainsi que 50,293, 70,091 et 144,489 MHz.

FSQ : 3 588, 5 355, 7 044 et 10 144 kHz (USB). Pour les expériences sur des bandes plus élevées, les fréquences suivantes sont proposées : 14 074, 18 104, 21 074, 24 924 et 28 124 kHz.

Remarque concernant les indications de fréquence

Dans les modes numériques, ce sont toujours les « fréquences de cadran » qui sont indiquées — c’est-à-dire la fréquence porteuse atténuée en mode USB. Les sons générés par le logiciel ou la carte son sont, selon le mode, supérieurs de 1 400 à 1 600 Hz ; pour une fréquence de numérotation de 3 572,6 kHz, par exemple, l’émission s’effectue donc de facto entre 3 574,0 et 3 574,2 kHz.