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树莓派解码FT8的性能评估

关键词: FT8, radiopi, rpi

在我们推出基于树莓派的RadioPi懒人包之后，许多OM们都会有这样一个疑问，小小的树莓派的性能究竟能不能满足FT8通联？为此我们设计了尽可能接近实际解码的场景，使用同一套模型对不同版本的树莓派和PC进行了一次FT8解码性能横向大比拼。

首先说结论

  • 固定/远程/QRO：
  • 首选 Raspberry Pi 4B 2G内存 版本
    • 可在开深度解码的情况下基本保证正常通联。
    • 不过 并行信号多的时候可能需要对方重复多次发射。
  • 便携/QRP用途：
  • 至少应使用 Raspberry Pi 3B ，
    • 不开深度解码（忽略微弱信号），在并行信号小于10个的情况下可以基本正常通联。
    • 并行信号多的时候可能需要对方重复多次发射。
  • SWL用途：
  • 不开深度解码， Raspberry Pi 2B 可满足需求。
    • 开深度解码需要3B或以上型号可以保证基本完整解码。

试验设计

Joe Taylor教授发明的JT65、FT8等一系列业余无线电专用通信协议，通过一系列复杂的信息压缩、冗余和纠错以及分析预测，实现了在弱信号在高噪声链路上的可靠通信，已经逼近了香农定理的理论极限。这种优越模式的复杂算法决定了它比传统数字模式如RTTY/AFSK/PSK31等更严重的依赖计算性能。

以FT8为例，一个完整T/R循环为30秒，其中15秒为接收周期，15秒发射周期。每个周期中实际信号载波时间为12.6秒。

正常收/发工作情况下软件在第12.6秒载波结束时开始进行解码，有大约2.4秒的时间进行解码，并作出下一个15秒是否要开始发射的准备。

因为FT8大多数情况下是对0~3kHz音频带宽中所有的信号解码，因此并行的信号越多，解码速度就会越慢。通常情况下信噪比高的信号会较快的解码出来，而信噪比低的信号会花费较长的时间。 如果在2.4秒内无法解码，解码进程仍然会继续运行，如果整个解码过程在15秒内完成，还可以赶上下一个发射周期。 如果过长时间无法解码，对方可能失去耐心而Halt TX。

所以要实现比较正常的通联， 理想情况下一个周期内大部分信号的解码不应超过2.4秒。 弱信号需要的运算量更大，更快的CPU有利于对弱信号深度解码。

为了能有一个稳定的基准，我们选择了WSJT-X记录下的真实接收到的分布在一天内不同的时间的12个信号片段，均为.wav文件。每个文件所包含的FT8信号从3个到21个不等（接收设备为IC-7300，滤波器带宽3.2kHz，简易阳台天线，20米波段），使用WSJT-X 2.2.2内置的jt9解码引擎（与图形界面后台调用一致）。

每种硬件均运行如下两个测试用例。

用例1、使用标准解码深度，对全部12个信号片段进行解码的平均时间

首先，使用以下命令，对所有12个信号片段，进行解码。

~/ft8_samples $ jt9 -8 -d 1 *.wav

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上图：使用命令行对12个信号片段进行解码

执行完后目录下会生成一个timer.out 的汇总文件，红圈中的数据就是我们需要的解码总时间。这个数值除以12得到每片段的 平均解码时间 。

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上图：查看12个信号片段的总解码时间

用例2、对并行信号最多的单一片段，进行深度解码

首先删除上个用例生成的解码预测文件jt9\_wisdom.dat：

~/ft8_samples $ rm jt9_wisdom.dat

然后对信号片段200614\_153000.wav执行深度解码：

~/ft8_samples $ jt9 -8 -d 3 200614_153000.wav

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上图： 使用命令行对单段信号片段进行解码

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上图：查看单段信号片段的总解码时间

试验结果汇总

我们一共测试了：

  • 五个树莓派的型号。
  • 以及两个Thinkpad型号，作为对比参考。

以下是测试结果的图表汇总。

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上表：各型号对FT8解码的性能汇总(单位：秒) ，其中单段深度解码的21个，表示解码出21个呼叫。

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上图：各型号对FT8解码的性能对比(单位：秒)。
注： 统计条形图越长，说明所消耗的时间越多，越不适合用于FT8解码。

可见对于标准解码来说，树莓派 4代B型2G内存版是很合适的。4G内存版的性能已经不亚于Thinkpad X61，略逊于Thinkpad X280。

我们手边没有树莓派3B+，对它暂时没有结论。不过我们把测试的12个信号片段样本上传到了https://radiopi.club，有兴趣的朋友可以下载去自己测试一下。

下载地址

https://radiopiclub.github.io/downloads/ft8_samples/ft8_samples.tar.xz

SHA256:df20f47858ee8c28cd2c722d46c9963dc4e7d0b4fe3edff1610d5ba5ff7d2420

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2020.06.26

原文发表于我的微信公众号 BG6LH - 树莓派解码FT8的性能评估
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