home *** CD-ROM | disk | FTP | other *** search
/ QRZ! Ham Radio 8 / QRZ Ham Radio Callsign Database - Volume 8.iso / mac / files / t_docs / tdma.txt < prev    next >
Text File  |  1996-06-25  |  13KB  |  281 lines

  1. Time Division Multiplex in Amateur Radio
  2. Steve Sampson, N5OWK, March 1992
  3. Public Domain (p) 1992
  4.  
  5. Abstract
  6.  
  7. The current practice of one radio frequency for every
  8. communications channel is a waste of resources. Amateurs should
  9. begin experimenting with new modes which share a frequency among
  10. many stations. If a channel is not carrying more than one
  11. conversation or data transmission, it will be too inefficient for
  12. future spectrum requirements. Radio systems ten years from now
  13. should be designed to compress as much information into each
  14. frequency channel as is practicable.
  15.  
  16. Introduction
  17.  
  18. Any Amateur knows that when 100 people try to call one station in
  19. a pileup, that chaos reigns.  There are systems however, where
  20. this is not true. One hundred different communication channels on
  21. one frequency are possible. Rather than all 100 channels going
  22. simultaneously, each is given a time slice to conduct its
  23. business. This is referred to as Time-Division Multiplex (TDM) or
  24. Time-Division Multiple Access (TDMA).
  25.  
  26. In this paper I will discuss a hypothetical 9 channel four time
  27. slot system, more for simplicity of design than anything else. In
  28. my petition to the FCC (dismissed) I also wanted the multiplex system
  29. to carry data as well as voice. So I will propose here that we discuss
  30. a system that combines data and voice over the same channels.
  31.  
  32. Multiplex Theory
  33.  
  34. A good example of TDM is your normal conversations on the local
  35. repeater. As one station finishes, the next begins, and so on.
  36. The time division however, is random in both length and start
  37. time. Only one user can transmit at a time (more can transmit,
  38. and usually do by accident, but only one person is intelligible).
  39. The person transmitting is said to be occupying the total
  40. bandwidth of the channel. Since the channel is busy even when the
  41. operator is silent or composing another thought, it is also a
  42. slow and inefficient system. The advantage of course is that
  43. simple technology is very inexpensive, and having more spectrum
  44. than users in most of the country, allows us to get away with it.
  45.  
  46. TIME SLOTS
  47.  
  48. If we could give each operator 10 milliseconds and then switch to
  49. the next user, we could time share the channel. Computers do this
  50. every day. They can have 100's of users who think they have the
  51. computer to themselves, but each is actually being given a time
  52. slice of the total power of the machine. As a further
  53. improvement, these computers wait for the operator to strike a
  54. key or request output before they even provide a time slice. So
  55. 99 terminals sitting at a desk while everyone is at lunch, demand
  56. no computer time, while the last terminal in the basement used to
  57. play chess by the janitor gets all the time. As these workers
  58. come back from lunch, the janitor gets less and less time.
  59. Worse-case is 1000 milliseconds (100 users times 10 millisecond
  60. slices) or one second before his next time slice.
  61.  
  62. DIGITAL AUDIO
  63.  
  64. We live in a time when many things done by analog electronics in
  65. the past, are now done by digital electronics. The analog radio
  66. transmitter and receivers are connected to digital processors, or
  67. merely transport digital information. Many radio stations use
  68. Compact Disks that store digital information, and convert this to
  69. analog for broadcast. What they are really doing is wasting their
  70. high resolution recording by converting it to a stream of low
  71. resolution analog audio. They could just as easily transmit this
  72. digital directly to the user, and have the user make the
  73. conversion with much greater fidelity.
  74.  
  75. COMPRESSION
  76.  
  77. Music is very hard to compress, because it has information during
  78. the whole transmission. Voice on the other hand has great pauses
  79. and vocal repetitions. The sentence "I want a cookie" can be
  80. compressed several ways based on local dialect, but in every case
  81. would take a fraction of the normal time to transmit. This is the
  82. basis for getting the voice to fit into the TDM time slice. The
  83. audio is converted to digital, analyzed, and redundant parts are
  84. compressed. This is then transmitted during an assigned time
  85. slot.
  86.  
  87. Your telephone for example, is multiplexed along with many other
  88. users. The analog voice over the twisted pair is converted to 14
  89. bit digital samples. These are then quickly coded into 8 bit
  90. Pulse Coded Modulation (PCM) samples. This is the first step in
  91. compressing the information. Each sample is then converted to
  92. serial bits and dropped into the correct time slots. These are
  93. then recombined at some distant switching center. Your voice is
  94. first passed through a band-pass filter that removes all
  95. frequencies except those necessary for voice. (300 to 3500 Hz).
  96. The analog voice is then sampled at 8 kHz, producing one 8 bit
  97. digital word every 125 microseconds. Since 8 bits times 8 kHz is
  98. 64k, this is commonly referred to as a 64 kbps interface. Notice
  99. that it is just a bit greater than the authorized 56 kbps in Ham
  100. radio. But you don't want to use these raw data rates for voice
  101. communications anyway.
  102.  
  103. SYNCHRONIZATION
  104.  
  105. A good data rate to begin experimenting is 9.6 kbps. Since 9.6
  106. kbps divided by 8 bits is 1200 bytes, I propose we design a TDM
  107. system that converts audio to 8 bit bytes and has 4 time slots.
  108. This produces 300 bytes per slot (some of which may be used for
  109. synchronization or guard bytes). Each radio is assigned by the
  110. operator to a time slot and mode. When the radio is first turned
  111. on it looks for a data clock on channel 0. This is usually
  112. transmit by a master time station at a high elevation (an
  113. encoded time burst every couple of seconds). The sync clock
  114. identifies the start of the cycle (using the masters encoded
  115. callsign or a tone).  The radio will then automatically switch
  116. to the Slave mode.  Alternatively the users can select one
  117. station to be the master, and that radio will then transmit the
  118. sync clock. At this point further radio configuration is
  119. selected by each operator and transmissions begin. The TDM cycle
  120. is based on 1200 bytes and lasts one second. It is repeated
  121. again and again. Individual stations wait for their time slot
  122. period to transmit. The first station to transmit in a time slot
  123. sets an activity indicator and owns the slot. The slot is
  124. relinquished after two (or more) cycles of silence unless the
  125. activity hold switch is enabled. This last feature can allow
  126. roundtable type communications or hold the channel slot for
  127. direct communications between two Amateurs. As a further
  128. safeguard, the activity hold should timeout after a few minutes
  129. when no use is detected.  Activity hold causes a transmission of
  130. the users call sign with no information.
  131.  
  132. The Operator Controls
  133.  
  134. In commercial systems, the radio user is not given much control
  135. over where their transmissions will go. The Amateur however,
  136. needs to have access to all of the radio options. They want to be
  137. able to select a frequency, select a net, or group of users. The
  138. control panel of a multiplexed radio should therefore have all of
  139. these options available through keyboard control and stored in
  140. EEPROM (Electrically Eraseable Programmable Read Only Memory) so
  141. you don't have to type it in every time you turn on the radio:
  142.  
  143.     I.    Callsign Entry
  144.     II.    Master Volume/Power switch
  145.     III.    Master/Slave Entry and indicator
  146.     IV.    Microphone Enable (M1, M2, M3, M4)
  147.     V.    Microphone with Push-To-Talk switch
  148.     VI.    Frequency Channel (1 - 9)
  149.  
  150.         A.    M1 Select Mode (Multiplex Slot 1)
  151.  
  152.             a.    Tx/Rx Simplex
  153.             b.    Tx Duplex
  154.             c.    Rx Duplex
  155.  
  156.                 1.    Activity Indicator/Hold switch
  157.                 2.    Volume
  158.                 3.    Remote computer/audio Jacks
  159.  
  160.         B.    M2 Select Mode (Multiplex Slot 2)
  161.         C.    M3 Select Mode (Multiplex Slot 3)
  162.         D.    M4 Select Mode (Multiplex Slot 4)
  163.  
  164. Since these radios will be digital, no squelch control is needed. 
  165. There will be no output to the speaker unless the data is
  166. decoded.  When activity is detected on the time slot, no further
  167. transmissions are allowed.  The time slot activity indicator will
  168. be released two cycles after end of transmission unless
  169. retriggered.  This feature is designed to prevent interference
  170. and loss of time slot by another station.
  171.  
  172. Our hypothetical radio is a 70cm band radio.  It operates on nine
  173. channels:
  174.  
  175.     0.    446.050 (Synchronization Channel)
  176.     1.    446.075
  177.     2.    446.100
  178.     3.    446.125
  179.     4.    446.150
  180.     5.    446.175
  181.     6.    446.200
  182.     7.    446.225
  183.     8.    446.250
  184.     9.    446.275
  185.  
  186. Each channel is run at 9.6 kbps and has four time slots, or 1200
  187. bytes per second. The cycle consists of 9600 bits, or 2400 bits
  188. per multiplex channel.  A good first experiment will be to use a
  189. 22 byte guard, 256 bytes data, and a final 22 bytes guard.
  190.  
  191.     M1.      0 -  299    300 bytes        250 ms
  192.     M2.    300 -  599    ""            ""
  193.     M3.    600 -  899    ""            ""
  194.     M4.    900 - 1199    ""            ""
  195.  
  196. Each multiplex channel transmits for 300 bytes (250
  197. milliseconds), and then must wait for 900 bytes (750
  198. milliseconds) before transmitting again.  Using this example,
  199. four Amateurs can conduct individual conversations or data
  200. transfers, or alternatively one Amateur can use all four time
  201. slots for multiple connections.
  202.  
  203. DUPLEX
  204.  
  205. A good example is a full-duplex connection between two Amateurs. 
  206. Each Ham will select a frequency and time slot for transmission,
  207. and another pair for reception. At this point they may begin
  208. talking as if on a telephone. Another example is a file transfer
  209. between computers. As one computer transmits a packet of data,
  210. the other computer will either ACK (Acknowledge) or NAK (Negative
  211. Acknowledge) the packet. The computer can load the circuit with
  212. packets and the remote computer will ACK/NAK without waiting for
  213. the sender to stop and listen. If you wanted to play Flight
  214. Simulator over the air, both systems could transmit aircraft
  215. position simultaniously.
  216.  
  217. Another example is Direction Finding. A network of listening
  218. stations is set up to report bearing, amplitude, and time of
  219. detection (based on the masters time). These reports are then
  220. sent at the assigned time slot.  Each computer can then produce a
  221. probable location of the transmitter, as well as filter out
  222. multipath reports by processing the report history.
  223.  
  224. SIMPLEX
  225.  
  226. In the half-duplex mode, each time slot is used round-robin. As
  227. one Amateur finishes their transmission, the next proceeds with
  228. theirs. The radios probably should be equipped with a tail tone
  229. when using voice mode. The Activity indicator is dropped after
  230. each cycle in the data mode.
  231.  
  232. For example, on channel 1 there are four multiplex programs being
  233. conducted. On M1 a simplex voice weather net is in progress, M2
  234. has a simplex digital packet weather roundtable, M3 has a simplex
  235. voice swap net, and finally M4 has a simplex digital packet BBS.
  236.  
  237. RADIO SET UP
  238.  
  239. How must the radio work in order to participate in all of these
  240. events?
  241.  
  242. The operator first selects each frequency, and then enables the
  243. multiplex channels that they are interested in using. Usually
  244. one frequency is used for uplink, and another (spaced away from
  245. the other) is used for downlink. The time slot should be
  246. different also to prevent transmitter desense of the receiver.
  247. The decoded audio is then mixed to the speaker and also output
  248. via a rear panel jack. The rear panel jacks are for interfacing
  249. with a computer or standard audio levels. The radio will include
  250. all the modems necessary to operate with another station. The
  251. use of an external TNC (Terminal Node Controller) will not be
  252. required.  When the Push To Talk (PTT) is enabled, the audio is
  253. quickly digitized and compressed, and then is output during the
  254. next appropriate time slot. Compression is achieved through a
  255. vocoder algorithm.  There is also a digital comparison which
  256. only passes voice above a certain threshold level. The vocoder
  257. algorithm should be a standard 9.6 kbps LPC one. For digital
  258. packet, the whole time slot is filled with callsign, addressing,
  259. and data information.
  260.  
  261. Conclusion
  262.  
  263. This paper introduced and outlined a TDM system that consists of
  264. 9 channels with 4 time slots each, resulting in 36 possible
  265. communication events in 225 kHz. The technology is available
  266. today to accomplish and implement this design. While more
  267. expensive at the outset than current systems, the time is fast
  268. approaching when we can no longer afford the one channel one user
  269. system. This proposal offers twice the events per Megahertz as
  270. compared with current Narrow-Band FM (NBFM) systems (15 events at
  271. 5 kHz Bandwidth with 10 kHz guard bands each side, to 36 events
  272. TDM with 25 kHz Bandwidth). Final systems could offer either more
  273. time slots per channel, longer cycles, or even reduced bandwidth,
  274. such as 5 kHz channels. This is all hypothetical however, as I
  275. don't really know if nine 25 kHz channels butted up against each
  276. other can actually be manufactured. But even with guard bands of
  277. 5 kHz between these channels results in more communications
  278. events than NBFM.
  279.  
  280. Coments, critiques to: ssampson@sabea-oc.af.mil
  281.