時分割多重方式によるFT8 Dxpedition Modeの考察
１．はじめに
FT8は一つのQSOに最短で２シーケンス＝３０秒かかるので一時間当たりでは最大１２０局の処理数である。これはJT65等に較べれば４倍に短縮されたこととして評価できるがRTTY等の処理数を凌駕するとは言い難いと思われる。このためペデション局のチャネルを最大５チャネルに周波数多重化して一時間当たりの処理能力を最大６００局にあげる方式Dxpedition Modeが実用化されようとしている。
一般的にいって、チャネル数を増大するとこれに比例して出力は増加させなければならない。例えば１チャネル時に１００Wで運用した場合の合計は５００Wである。合計５００Wの送信電力になることは５人のオペレーターがPCでFT8を１００Wの無線機でそれぞれ運用した場合を想定すると容易に理解できる。これを一つの無線機だけで構成するためには時分割多重方式と周波数多重方式があるがディジタル信号である場合は特別な理由がない場合は時分割方式が用いられる。理由は周波数多重化方式ば定振幅変調であっても各チャネルの信号キャリアの位相差でビートが生じピーク電力と平均電力に差が生じる。５チャネル時にはピーク電力は平均電力の５倍になる（Note1.および図４．の周波数分割方式の欄を参照）。これでは一チャネルでは１００Wで運用していたペデション局が５多重では２、５００Wピーク電力（平均電力は５００Wしかなく発熱も少ない）が要求されるということで本来のWeak Signal運用は非現実的となる。以上の理由で時分割多重方式が望ましい。
本考察でより多値化し占有帯域幅を拡大することで５チャネル運用時でも増幅器の平均電力およびピーク電力ともに２５０W（４ｄB）で運用可能であることを示した。また、この構成で１チャネル運用を行えばペデション局は現行の方式より５０W（－３ｄB）で運用可能でありアンテナ等の設置制限のある場合でもペデションが可能となることを示した。
２．Dxpedition Modeの構成とシーケンス
これをを図１に示す。フレーム長１５秒の半複信で、ペデション局（FOX)へのアクセスは１kHz～５ｋHzのランダムアクセスチャネルでありアクセスに成功したアクセス局（HOUNDS)は0Hz～１ｋHz内でのトラフィックチャネルに移ってのQSOとなっている。ペデション局は現状の仕様では３００Hz～９００Hz内の多チャネル送信となっており９００Hz以上は利用されていない。
３．FT8方式からの制約
基本となるFT8の実現方法からの制約を整理すると
１）最大送信帯域幅はSSBリグの変調帯域の平坦性から約２．４ｋHz（３００Hzから２，７００Hz）である。
２）FT8の復調器はDFTによるスペクトラム解析でありサンプリング周波数は１２ｋHzとして設計されており処理量が増大する懸念からサンプル周波数は増加させない前提で考える。現状のFT8のDFTの切り出し区間＝シンボル長と周波数分解能＝サブキャリア間隔はそれぞれ１６０ｍS、６．２５Hzとなっておりこの２つの関係は逆数の関係を保持することにした。
４．多値変調数を保持した５多重時分割変調方式の構成例
まず、基本となるFT8と実用化されようとしている緒言を周波数分割方式の5xFT8のパラメーターの計算例を表１の黄色の欄に示す。必要な送信電力はピーク電力となり１７ｄBである。これに対して時分割方式で５多重した場合1xFT8を緑の欄に示す。５倍の情報量を送らなければならないのでシンボル長は５分の一の３２ｍSになる。３項の２）の関係を保持するためトーンスペースを５倍＝３２．１５Hzに拡大しなければならない。このためチャネル幅は２５０Hzに拡大する。シンボル長が５分の一に短くなるために同一の復調器S/Nを得るためには５倍の信号エネルギーが必要であり、このためペデション局は７ｄBほど送信電力を上げてくれている。
表１．５多重化変調方式の緒言
５．より多値化した５多重時分割方式の構成例
４項でのチャネル幅は２５０Hzであり３項の１）の約２．４ｋHzには余裕があるので２）の制限からキャリアスペース３２．１５Hzを保持したまま多値化を考えたのが表１の「1xFT16から1xFT32k」の欄である。必要占有帯域幅から1xFT64が限度となる。このシンボル当たり情報量は1xFT8に比べて２倍の情報送信量となっている。このためシンボル長は２倍の６４ｍSに長くなるのでペディション局の送信出力の増加は４ｄBで済む（こととフェーディング時の劣化を防ぐことができる）。これは従来のFT8を１００W平均電力で運用しているとすると５倍の処理量のDxpeditionモードにするためには２５０W平均電力（ピーク電力も同じ）に増大すればよいことになり用意するリニアアンプの選択は容易になる。
なおこの1xFT64は従来のJT65および最近のQRA64とほとんど同じ変調方式であり経験のあるWSJT-Xユーザーにとって構成そのものに不安を持たれないと思う。
６．1xFT64で多重数を減少した場合の構成
1xFT64を基本にして逆にシンボル長を長くすることで多重数を減少させた場合の構成パラメーターを表２に示す。
表２．1xFT64の多重数によるパラメータ
現状の周波数分割方式と比較すると多重数で占有帯域幅が変化せずかつ６倍以上の２ｋHzに広がった点が特徴でる。多重化数を減少させると所要送信出力も減少するが２多重で０となる。これはFT8のシンボル長１６０ｍSと同じでかつシンボル当たりのビット数が３から６の２倍になっていることから合理性であることは容易にお分かりいただけるものと考えている。５多重でもシンボル長は３２ｍSから６４ｍSと２倍に長くなったので電離層伝搬での多重パスによる遅延時間（１ｍSから１０ｍS）に較べてより長くなり等価器等の必要性が軽減される。同じ短波帯での電離層伝搬用のデジタルモードのシンボル長は例えばRTTYが２２ｍS、PSK31が３２ｍSであることからシンボル長64mSの1xFT64の立ち位置は理解できると思う。
なお、１多重で運用すれば逆に３ｄB減、すなわち５０Wで運用するこができアンテナの設置の難しいペディションで有用であると考えている。
７．まとめ
周波数分割方式と時分割方式によりペデション局の所要送信出力を表３にまとめた。すべての多重数で平均およびピーク電力共に現行方式より軽減される結果となった。１．項に書いたように現状の周波数分割方式では２．５KWPEPが可能なリニアを用意できても合計の平均電力は５００Wで一チャネル当たりの平均電力は１００Wでしか運用できない。一方時分割方式であればリニアなしの２００W機のベアフッドでも同等の性能が得られるメリットは大きと考えている。もし５００Wクラス（ピーク、平均電力ともに）のリニアがあれば余裕をもって運用できる。
表３．周波数分割および時分割方式の所要電力
時分割方式により冗長となる情報例えば自局のコールサイン２８bitを省略すると５多重で７０％に全体のフレーム長を短縮できる。また、冗長な同期ビットも短縮可能である。(7x7x3x5=735bit-->7x7x3=147bit)また、FECコード（LPDC(174,87)）を最適化して耐フェージングを現在のFT8と同等とすることも可能である。）から以上から、時分割方式のフレーム構成を精査することで過剰な送信出力の増大を招かずにより処理能力の高いDxpedition Modeの開発は十分可能である。
DxpeditionモードはWSJT-Xに取って従来の１：Nの通信からM:Nの通信方式として初めての仕様であり多くの検討項目が未整備である。この中でWeak Signalを標榜するWSJT-XにとってのMに関する検討は最も重要であり本考察はその部分に関するものである。
以上
Note1:
Important Note for Fox Operators: When using N Slots > 1, your transmitted signal will not have a constant envelope. To avoid producing unwanted sidebands you must ensure good linearity throughout your Tx system. One way to get things about right is to use the WSJT-X Tune button to generate an unmodulated carrier. Configure your transmitter and PA as required for the desired peak output power, say P0. Then pull the Pwr slider (bottom right of the WSJT-X main window) down until your output power decreases by about 10%. Use this audio level setting for all your Fox transmissions. If you are using N Slots signals, your average transmitted power will be P0/(N Slots) and the power in each signal will be P0/(N Slots) ^2. Thus, for N Slots = 1, 2, 3, 4, and 5 the average power per signal will be down from P0 by about 0, 6, 9.5, 12, and 14 dB, respectively. (FT8 Dxpedition Mode User Guide P9より）
（２０１８年４月２４日記）
上記の検討でもってwsjt-xに問題を指摘したところ開発チームのG4WJSから「指摘通りである」と下記の回答を得た。残念ながら開発責任者からの改善対処の具体的な意思表明は残念ながら得られていない。
Note 2:
5/14/2018 4:48 PM
Hi Take San,
you are quite correct and a different protocol using a higher symbol
rate for the Fox has been considered, this would allow a single constant
envelope signal to be transmitted without any need for power adjustments
to compensate for IMD products. It also has another benefit in that the
Fox callsign need only be encoded once for any transmission period
rather than the current protocol where each individual message slot
needs messages including the the Fox callsign or a hash representing it.
This last encoding gain is indeed attractive along with the constant
envelope attribute but overall under time pressure to get the mode
working, developing a whole new source encoding and protocol for Fox
messages was considered too big a step. For now the Fox messages use
near identical source encoding as other FT8 messages and are sent at the
exact same symbol rate with identical FEC and checksum attributes, the
only difference other than message content is the use of one of the
three spare payload bits added when FT8 was initially developed.
73
Bill
G4WJS.
On 13/05/2018 23:31, Tsutsumi Takehiko wrote:
> Hi Dave,
>
> I do not have any intention to hijack your mail but I hope you allow
> me to state again that we should not concede "signal would drop around
> 12dB when 3 channels were used" as weak signal favorites.
>
> By my simple spread sheet calculation, we can achieve 4-3dB
> degradation range at 5 channels maintaining symbol length longer than
> 64mS, which is sufficient for multi-path interference guard under
> shortwave ionospheric propagation model, with simple single carrier
> TDM frame architecture. Keep in mind that RTTY or PSK31 symbol length
> is around 22mS - 32mS. Thus, I do not see any significant reasons to
> adopt FDM frame architecture.
>
> Regards,
>
> take
>
> de JA5AEA
>
> On 5/13/2018 1:53 AM, David Birnbaum wrote:
>> Hi Joe
>>
>> Bands were not helpful this morning, but I did notice something that
>> might be important.
>>
>> Aside from the QSB there appears to be some variation in your
>> transmitted signal even if only one frequency is being used. I would
>> see K1JT call CQ and then the response with a RR73; K2xxx -yy <K1JT>
>> response would be down about 3 dB. I did see that the signal would
>> drop around 12 dB when 3 channels were being used by the Fox which is
>> expected but I did not expect to see a response with a single channel
>> being down relative to a CQ.
>>
>> dave
>> k2lyv
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（２０１８年５月１９日追記）
FT8 = 2^3 = 8-aryFSK
to keep same sysmbol length
(2^3)^5 = 32,768-aryFSK =FT32768
6.25Hz x 32768 = 204,800Hz
256P2= 256 x 255 = 65,280
or
256C2= 65280/2 = 32640 = FT32768
256P2:
OBW =
OBW = 6.25Hz x 256 = 1,600Hz (non-coherent) 800Hz (Coherent)
２０１９年４月２２日にJT4がアナウンスされた。これはFT8のシーケンスの1/2.5の長さでありFT8の1/2の４値FSKである。開発目的はRTTYに対抗するためのコンテスト用とのことである。このアナウンスを裏から読めば４値FSKを１６値すなわちFT16に変えれば５倍の容量を獲得できて時分割多重のシングルキャリアが実現することを意味している。さてこの方法で実現するか否かはJTとSomerville次第だけど。。。。。
（２０１９年６月２５日追記）
FT8は一つのQSOに最短で２シーケンス＝３０秒かかるので一時間当たりでは最大１２０局の処理数である。これはJT65等に較べれば４倍に短縮されたこととして評価できるがRTTY等の処理数を凌駕するとは言い難いと思われる。このためペデション局のチャネルを最大５チャネルに周波数多重化して一時間当たりの処理能力を最大６００局にあげる方式Dxpedition Modeが実用化されようとしている。
一般的にいって、チャネル数を増大するとこれに比例して出力は増加させなければならない。例えば１チャネル時に１００Wで運用した場合の合計は５００Wである。合計５００Wの送信電力になることは５人のオペレーターがPCでFT8を１００Wの無線機でそれぞれ運用した場合を想定すると容易に理解できる。これを一つの無線機だけで構成するためには時分割多重方式と周波数多重方式があるがディジタル信号である場合は特別な理由がない場合は時分割方式が用いられる。理由は周波数多重化方式ば定振幅変調であっても各チャネルの信号キャリアの位相差でビートが生じピーク電力と平均電力に差が生じる。５チャネル時にはピーク電力は平均電力の５倍になる（Note1.および図４．の周波数分割方式の欄を参照）。これでは一チャネルでは１００Wで運用していたペデション局が５多重では２、５００Wピーク電力（平均電力は５００Wしかなく発熱も少ない）が要求されるということで本来のWeak Signal運用は非現実的となる。以上の理由で時分割多重方式が望ましい。
本考察でより多値化し占有帯域幅を拡大することで５チャネル運用時でも増幅器の平均電力およびピーク電力ともに２５０W（４ｄB）で運用可能であることを示した。また、この構成で１チャネル運用を行えばペデション局は現行の方式より５０W（－３ｄB）で運用可能でありアンテナ等の設置制限のある場合でもペデションが可能となることを示した。
２．Dxpedition Modeの構成とシーケンス
これをを図１に示す。フレーム長１５秒の半複信で、ペデション局（FOX)へのアクセスは１kHz～５ｋHzのランダムアクセスチャネルでありアクセスに成功したアクセス局（HOUNDS)は0Hz～１ｋHz内でのトラフィックチャネルに移ってのQSOとなっている。ペデション局は現状の仕様では３００Hz～９００Hz内の多チャネル送信となっており９００Hz以上は利用されていない。
図１．FT8 DXPedition Modeのシークエンス
３．FT8方式からの制約
基本となるFT8の実現方法からの制約を整理すると
１）最大送信帯域幅はSSBリグの変調帯域の平坦性から約２．４ｋHz（３００Hzから２，７００Hz）である。
２）FT8の復調器はDFTによるスペクトラム解析でありサンプリング周波数は１２ｋHzとして設計されており処理量が増大する懸念からサンプル周波数は増加させない前提で考える。現状のFT8のDFTの切り出し区間＝シンボル長と周波数分解能＝サブキャリア間隔はそれぞれ１６０ｍS、６．２５Hzとなっておりこの２つの関係は逆数の関係を保持することにした。
４．多値変調数を保持した５多重時分割変調方式の構成例
まず、基本となるFT8と実用化されようとしている緒言を周波数分割方式の5xFT8のパラメーターの計算例を表１の黄色の欄に示す。必要な送信電力はピーク電力となり１７ｄBである。これに対して時分割方式で５多重した場合1xFT8を緑の欄に示す。５倍の情報量を送らなければならないのでシンボル長は５分の一の３２ｍSになる。３項の２）の関係を保持するためトーンスペースを５倍＝３２．１５Hzに拡大しなければならない。このためチャネル幅は２５０Hzに拡大する。シンボル長が５分の一に短くなるために同一の復調器S/Nを得るためには５倍の信号エネルギーが必要であり、このためペデション局は７ｄBほど送信電力を上げてくれている。
表１．５多重化変調方式の緒言
５．より多値化した５多重時分割方式の構成例
４項でのチャネル幅は２５０Hzであり３項の１）の約２．４ｋHzには余裕があるので２）の制限からキャリアスペース３２．１５Hzを保持したまま多値化を考えたのが表１の「1xFT16から1xFT32k」の欄である。必要占有帯域幅から1xFT64が限度となる。このシンボル当たり情報量は1xFT8に比べて２倍の情報送信量となっている。このためシンボル長は２倍の６４ｍSに長くなるのでペディション局の送信出力の増加は４ｄBで済む（こととフェーディング時の劣化を防ぐことができる）。これは従来のFT8を１００W平均電力で運用しているとすると５倍の処理量のDxpeditionモードにするためには２５０W平均電力（ピーク電力も同じ）に増大すればよいことになり用意するリニアアンプの選択は容易になる。
なおこの1xFT64は従来のJT65および最近のQRA64とほとんど同じ変調方式であり経験のあるWSJT-Xユーザーにとって構成そのものに不安を持たれないと思う。
６．1xFT64で多重数を減少した場合の構成
1xFT64を基本にして逆にシンボル長を長くすることで多重数を減少させた場合の構成パラメーターを表２に示す。
表２．1xFT64の多重数によるパラメータ
現状の周波数分割方式と比較すると多重数で占有帯域幅が変化せずかつ６倍以上の２ｋHzに広がった点が特徴でる。多重化数を減少させると所要送信出力も減少するが２多重で０となる。これはFT8のシンボル長１６０ｍSと同じでかつシンボル当たりのビット数が３から６の２倍になっていることから合理性であることは容易にお分かりいただけるものと考えている。５多重でもシンボル長は３２ｍSから６４ｍSと２倍に長くなったので電離層伝搬での多重パスによる遅延時間（１ｍSから１０ｍS）に較べてより長くなり等価器等の必要性が軽減される。同じ短波帯での電離層伝搬用のデジタルモードのシンボル長は例えばRTTYが２２ｍS、PSK31が３２ｍSであることからシンボル長64mSの1xFT64の立ち位置は理解できると思う。
なお、１多重で運用すれば逆に３ｄB減、すなわち５０Wで運用するこができアンテナの設置の難しいペディションで有用であると考えている。
７．まとめ
周波数分割方式と時分割方式によりペデション局の所要送信出力を表３にまとめた。すべての多重数で平均およびピーク電力共に現行方式より軽減される結果となった。１．項に書いたように現状の周波数分割方式では２．５KWPEPが可能なリニアを用意できても合計の平均電力は５００Wで一チャネル当たりの平均電力は１００Wでしか運用できない。一方時分割方式であればリニアなしの２００W機のベアフッドでも同等の性能が得られるメリットは大きと考えている。もし５００Wクラス（ピーク、平均電力ともに）のリニアがあれば余裕をもって運用できる。
表３．周波数分割および時分割方式の所要電力
時分割方式により冗長となる情報例えば自局のコールサイン２８bitを省略すると５多重で７０％に全体のフレーム長を短縮できる。また、冗長な同期ビットも短縮可能である。(7x7x3x5=735bit-->7x7x3=147bit)また、FECコード（LPDC(174,87)）を最適化して耐フェージングを現在のFT8と同等とすることも可能である。）から以上から、時分割方式のフレーム構成を精査することで過剰な送信出力の増大を招かずにより処理能力の高いDxpedition Modeの開発は十分可能である。
DxpeditionモードはWSJT-Xに取って従来の１：Nの通信からM:Nの通信方式として初めての仕様であり多くの検討項目が未整備である。この中でWeak Signalを標榜するWSJT-XにとってのMに関する検討は最も重要であり本考察はその部分に関するものである。
以上
Note1:
Important Note for Fox Operators: When using N Slots > 1, your transmitted signal will not have a constant envelope. To avoid producing unwanted sidebands you must ensure good linearity throughout your Tx system. One way to get things about right is to use the WSJT-X Tune button to generate an unmodulated carrier. Configure your transmitter and PA as required for the desired peak output power, say P0. Then pull the Pwr slider (bottom right of the WSJT-X main window) down until your output power decreases by about 10%. Use this audio level setting for all your Fox transmissions. If you are using N Slots signals, your average transmitted power will be P0/(N Slots) and the power in each signal will be P0/(N Slots) ^2. Thus, for N Slots = 1, 2, 3, 4, and 5 the average power per signal will be down from P0 by about 0, 6, 9.5, 12, and 14 dB, respectively. (FT8 Dxpedition Mode User Guide P9より）
（２０１８年４月２４日記）
上記の検討でもってwsjt-xに問題を指摘したところ開発チームのG4WJSから「指摘通りである」と下記の回答を得た。残念ながら開発責任者からの改善対処の具体的な意思表明は残念ながら得られていない。
Note 2:
5/14/2018 4:48 PM
Hi Take San,
you are quite correct and a different protocol using a higher symbol
rate for the Fox has been considered, this would allow a single constant
envelope signal to be transmitted without any need for power adjustments
to compensate for IMD products. It also has another benefit in that the
Fox callsign need only be encoded once for any transmission period
rather than the current protocol where each individual message slot
needs messages including the the Fox callsign or a hash representing it.
This last encoding gain is indeed attractive along with the constant
envelope attribute but overall under time pressure to get the mode
working, developing a whole new source encoding and protocol for Fox
messages was considered too big a step. For now the Fox messages use
near identical source encoding as other FT8 messages and are sent at the
exact same symbol rate with identical FEC and checksum attributes, the
only difference other than message content is the use of one of the
three spare payload bits added when FT8 was initially developed.
73
Bill
G4WJS.
On 13/05/2018 23:31, Tsutsumi Takehiko wrote:
> Hi Dave,
>
> I do not have any intention to hijack your mail but I hope you allow
> me to state again that we should not concede "signal would drop around
> 12dB when 3 channels were used" as weak signal favorites.
>
> By my simple spread sheet calculation, we can achieve 4-3dB
> degradation range at 5 channels maintaining symbol length longer than
> 64mS, which is sufficient for multi-path interference guard under
> shortwave ionospheric propagation model, with simple single carrier
> TDM frame architecture. Keep in mind that RTTY or PSK31 symbol length
> is around 22mS - 32mS. Thus, I do not see any significant reasons to
> adopt FDM frame architecture.
>
> Regards,
>
> take
>
> de JA5AEA
>
> On 5/13/2018 1:53 AM, David Birnbaum wrote:
>> Hi Joe
>>
>> Bands were not helpful this morning, but I did notice something that
>> might be important.
>>
>> Aside from the QSB there appears to be some variation in your
>> transmitted signal even if only one frequency is being used. I would
>> see K1JT call CQ and then the response with a RR73; K2xxx -yy <K1JT>
>> response would be down about 3 dB. I did see that the signal would
>> drop around 12 dB when 3 channels were being used by the Fox which is
>> expected but I did not expect to see a response with a single channel
>> being down relative to a CQ.
>>
>> dave
>> k2lyv
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（２０１８年５月１９日追記）
FT8 = 2^3 = 8-aryFSK
to keep same sysmbol length
(2^3)^5 = 32,768-aryFSK =FT32768
6.25Hz x 32768 = 204,800Hz
256P2= 256 x 255 = 65,280
or
256C2= 65280/2 = 32640 = FT32768
256P2:
OBW =
OBW = 6.25Hz x 256 = 1,600Hz (non-coherent) 800Hz (Coherent)
２０１９年４月２２日にJT4がアナウンスされた。これはFT8のシーケンスの1/2.5の長さでありFT8の1/2の４値FSKである。開発目的はRTTYに対抗するためのコンテスト用とのことである。このアナウンスを裏から読めば４値FSKを１６値すなわちFT16に変えれば５倍の容量を獲得できて時分割多重のシングルキャリアが実現することを意味している。さてこの方法で実現するか否かはJTとSomerville次第だけど。。。。。
（２０１９年６月２５日追記）
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