Множественная частотная манипуляция

Множественная частотная манипуляция ( MFSK ) — это разновидность частотной манипуляции (FSK), которая использует более двух частот. MFSK — это форма M-арной ортогональной модуляции , где каждый символ состоит из одного элемента из алфавита ортогональных сигналов. M, размер алфавита, обычно равен степени двойки, так что каждый символ представляет log ₂ M бит.

• М обычно составляет от 4 до 64.
• Исправление ошибок обычно также используется

Основы

В М-арной системе сигнализации, такой как MFSK, устанавливается «алфавит» из М тонов, и передатчик выбирает по одному тону из алфавита для передачи. M обычно представляет собой степень 2, поэтому каждая передача тона из алфавита представляет собой log ₂ M бит данных.

MFSK классифицируется как M-арная ортогональная схема передачи сигналов, поскольку каждый из M фильтров обнаружения тона в приемнике реагирует только на свой тон, а не на остальные; эта независимость обеспечивает ортогональность.

Как и в других M-арных ортогональных схемах, требуемое E _b /N ₀ соотношение для данной вероятности ошибки уменьшается по мере увеличения M без необходимости многосимвольного когерентного обнаружения. Фактически, когда M приближается к бесконечности, требуемое отношение E _b /N ₀ асимптотически уменьшается до предела Шеннона , равного -1,6   дБ . Однако это уменьшение происходит медленно с увеличением M, и большие значения непрактичны из-за экспоненциального увеличения требуемой полосы пропускания. Типичные значения на практике варьируются от 4 до 64, а MFSK сочетается с другой схемой прямого исправления ошибок для обеспечения дополнительного (систематического) выигрыша от кодирования.

Спектральная эффективность схем модуляции MFSK снижается с увеличением порядка модуляции M :

$\rho ={\frac {2\log _{2}M}{M}}$

Как и любая другая форма угловой модуляции , которая передает один радиочастотный тон, изменяющийся только по фазе или частоте, MFSK создает постоянную огибающую . Это значительно упрощает конструкцию усилителя мощности ВЧ, позволяя ему достичь большей эффективности преобразования, чем у линейных усилителей.

2-цветный МФСК

Возможно объединение двух систем MFSK для увеличения пропускной способности канала. Вероятно, наиболее широко используемой двухтональной системой MFSK является двухтональная многочастотная система (DTMF), более известная под торговой маркой AT&T «Touch Tone». Другой вариант - многочастотная (MF) схема, использовавшаяся в 20 веке для внутриполосной передачи сигналов на соединительных линиях между телефонными станциями. Обе являются примерами схем внутриполосной сигнализации, т. е. они совместно используют канал связи пользователя.

Символы алфавитов DTMF и MF передаются как пары тонов; DTMF выбирает один тон из «высокой» группы и один из «низкой» группы, а MF выбирает два своих тона из общего набора. DTMF и MF используют разные частоты тонов, главным образом, чтобы конечные пользователи не мешали межофисной передаче сигналов. В 1970-х годах СЧ начали заменять цифровой внеполосной передачей сигналов , это преобразование было частично мотивировано широко распространенным мошенническим использованием СЧ-сигналов конечными пользователями, известными как телефонные мошенники .

Эти сигналы отличаются при приеме на слух как быстрая последовательность пар тонов почти музыкального качества.

Одновременная передача двух тонов непосредственно на радиочастоте теряет свойство постоянной огибающей однотональной системы. Два одновременных радиочастотных тона — это фактически классический «стресс-тест» усилителя мощности радиочастот для измерения линейности и интермодуляционных искажений . Тем не менее, два звуковых тона могут быть отправлены одновременно на обычной несущей FM RF с постоянной огибающей, но некогерентное обнаружение FM-сигнала в приемнике уничтожит любое преимущество в отношении сигнала к шуму, которое может иметь многотональная схема.

МФСК в КВ связи

небесной волны Распространение в высокочастотных диапазонах вносит случайные искажения, которые обычно меняются как во времени, так и в зависимости от частоты. Понимание этих нарушений помогает понять, почему MFSK является таким эффективным и популярным методом лечения HF.

Распространение задержки и полоса пропускания когерентности

Когда существует несколько отдельных путей от передатчика к приемнику (состояние, известное как многолучевое распространение) , они почти никогда не имеют одинаковой длины, поэтому они почти никогда не имеют одинаковой задержки распространения. Небольшие различия в задержке, или разброс задержки , смешивают соседние символы модуляции и вызывают нежелательные межсимвольные помехи .

Разброс задержки обратно пропорционален его аналогу в частотной области, полосе когерентности . Это диапазон частот, в котором коэффициент усиления канала относительно постоянен. Это связано с тем, что суммирование двух или более путей с разными задержками создает гребенчатый фильтр, даже если отдельные пути имеют плоскую частотную характеристику.

Время когерентности и доплеровское распространение

Затухание — это (обычно случайное и нежелательное) изменение усиления пути со временем. Максимальная скорость затухания ограничена физикой канала, например скоростью образования и рекомбинации свободных электронов в ионосфере, а также скоростью облаков заряженных частиц внутри ионосферы. Максимальный интервал, в течение которого усиление канала существенно не изменяется, представляет собой время когерентности .

Канал с замиранием фактически накладывает нежелательную случайную амплитудную модуляцию на сигнал . Точно так же, как полоса пропускания преднамеренного AM увеличивается с увеличением скорости модуляции, замирание распространяет сигнал по диапазону частот, который увеличивается с увеличением скорости замирания. Это доплеровское распространение , аналог времени когерентности в частотной области. Чем короче время когерентности, тем больше доплеровский разброс, и наоборот.

Проектирование МФСК для ВЧ

При соответствующем выборе параметров MFSK может выдерживать значительные доплеровские разбросы или разбросы задержек, особенно если они дополнены прямой коррекцией ошибок . (Снижение большого количества доплеровского эффекта и разброса задержек значительно сложнее, но все же возможно). Большой разброс задержки с небольшим доплеровским расширением можно смягчить с помощью относительно длительного периода символа MFSK, чтобы позволить каналу быстро «стабилизироваться» в начале каждого нового символа. Поскольку длинный символ содержит больше энергии, чем короткий при данной мощности передатчика, детектору легче достичь достаточно высокого отношения сигнал/шум (SNR). Результирующее снижение пропускной способности можно частично компенсировать большим набором тонов, чтобы каждый символ представлял несколько битов данных; длинный интервал между символами позволяет более плотно упаковывать эти тона по частоте, сохраняя при этом ортогональность. Это ограничено экспоненциальным ростом размера набора тонов с увеличением количества битов данных/символа.

И наоборот, если доплеровский разброс велик, а разброс задержки мал, то более короткий период символа может обеспечить когерентное обнаружение тона, и тона должны быть разнесены более широко для поддержания ортогональности.

Наиболее сложным случаем является ситуация, когда задержка и доплеровский разброс велики, т. е. полоса когерентности и время когерентности малы. Это чаще встречается на авроральных каналах и каналах EME , чем на HF, но может произойти. Короткое время когерентности ограничивает время символа или, точнее, максимальный интервал когерентного обнаружения в приемнике. Если энергия символа слишком мала для адекватного определения SNR для каждого символа, то одной из альтернатив является передача символа, время которого превышает время когерентности, но его обнаружение с помощью фильтра, значительно превышающего время когерентности. шире, чем тот, который соответствует передаваемому символу. (Вместо этого фильтр должен быть согласован со спектром тонов, ожидаемым в приемнике). Это захватит большую часть энергии символа, несмотря на доплеровское распространение, но обязательно сделает это неэффективно. Также требуется более широкий интервал между тонами, т. е. более широкий канал. В этом случае особенно полезно прямое исправление ошибок.

Схемы МФСК для КВ

Из-за большого разнообразия условий, встречающихся на ВЧ, для ВЧ было разработано множество схем MFSK, некоторые из которых являются экспериментальными. Некоторые из них:

• МФСК8
• МФСК16
• Оливия МФСК
• Петушок
• Маленький
• ALE (MIL-STD 188-141)
• ДоминоФ
• ДоминоЭКС
• пульсация
• СНГ-36 МФСК или ТОЛПА-36
• ХПА, ХРА2

Пикколо был оригинальным режимом MFSK, разработанным для связи британского правительства Гарольдом Робином, Дональдом Бэйли и Денисом Ральфсом из Дипломатической беспроводной службы (DWS), филиала Министерства иностранных дел и по делам Содружества. Впервые он был использован в 1962 году. и представлен IEE в 1963 году. Текущая спецификация «Piccolo Mark IV» все еще ограниченно использовалась правительством Великобритании, в основном для двухточечной военной радиосвязи, до конца 1990-х годов.

Coquelet — аналогичная система модуляции, разработанная французским правительством для аналогичных приложений.

MFSK8 и MFSK16 были разработаны Мюрреем Гринманом, ZL1BPU, для любительской радиосвязи на КВ. Olivia MFSK – это еще и радиолюбительский режим. Greenman также разработал DominoF и DominoEX для NVIS радиосвязи на верхних СЧ и нижних ВЧ частотах (1,8–7,3 МГц).

Автоматическое установление связи (ALE) — это протокол, разработанный военными США и используемый в основном в качестве автоматической системы сигнализации между радиостанциями. Он широко используется для военной и правительственной связи по всему миру, а также радиолюбителями. Он стандартизирован как MIL-STD-188-141B, пришедший на смену более старой версии MIL-STD-188-141A.

«СНГ-36 МФСК» или «ТОЛПА-36» ( русский : Сердолик ) — западное обозначение системы, похожей на Пикколо, разработанной в бывшем Советском Союзе для военной связи.

«XPA» и «XPA2» — это ЭНИГМА-2000. обозначения политонических передач, которые, как сообщается, исходят от станций российской разведки и Министерства иностранных дел. Недавно систему также описывали как «МФСК-20».

Связь УКВ и УВЧ

Режимы MFSK, используемые для ОВЧ , УВЧ связи :

• DTMF
• ФСК441
• ДЖТ6М
• JT65
• ПИ4

FSK441, JT6M и JT65 являются частью семейства WSJT или систем радиомодуляции, разработанных Джо Тейлором, K1JT , для любительской радиосвязи на больших расстояниях в диапазоне ОВЧ в условиях предельного распространения. Эти специализированные системы модуляции MFSK используются в радиотрассах тропосферного рассеяния, EME (Земля-Луна-Земля) и метеорассеяния.

ПИ4 это цифровой режим, специально разработанный для исследований радиомаяков VUSHF и их распространения. Режим был разработан в рамках проекта Next Generation Beacons среди других, используемых старейшим любительским радиомаяком в мире OZ7IGY . Декодер для PI4 доступен в программе PI-RX, разработанной Полом-Эриком Хансеном, OZ1CKG.

DTMF изначально был разработан для сигнализации телефонной линии. Он часто используется для приложений телеуправления (дистанционного управления) по голосовым каналам ОВЧ и УВЧ.

См. также

• ПСК31
• Радиотелетайп
• В расширенном спектре со скачкообразной перестройкой частоты также используется множество различных частот, при этом каждый символ использует только одну частоту.
• DTMF
• Оливия МФСК
• ALE (MIL-STD 188-141)
• ВСДЖТ
• Инкрементная частотная манипуляция

Дальнейшее чтение

• Дехио, Лейф. «MFSK-системы (Многочастотная манипуляция)» . Проверено 21 февраля 2008 г. : Образцы различных сигналов MFSK.
• Форд, С.; WB8IMY (2001). Справочник ARRL по цифровому ВЧ-диапазону . АРРЛ . ISBN  0-87259-823-3 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
• Гринман, М.; ЗЛ1БПУ (2002 г.). Цифровые режимы на все случаи жизни . РСГБ . ISBN  1-872309-82-8 . {{cite book}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
• Гринман, М.; ЗЛ1БПУ (январь 2001 г.). «МФСК для нового тысячелетия». КСТ . ARRL : 12–14. {{cite journal}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
• Гринман, М.; ЗЛ1БПУ (2005). «Мир нечетких и цифровых режимов» . Архивировано из оригинала 31 августа 2006 года . Проверено 6 января 2008 г. {{cite web}}: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка )
• Клингенфусс, Дж. (2003). Руководство по кодам радиоданных (17-е изд.) . Публикации Клингенфусса. ISBN  3-924509-56-5 .
• Ральфс, JD (1985). Принципы и практика многочастотной телеграфии (серия IEE Telecommunication) . Питера Перегринуса ООО ISBN  0-86341-022-7 .
• Скальский, С.; Чейс, М. (1999). «Часто задаваемые вопросы по цифровым сигналам (версия 5)» . Всемирная коммунальная сеть (WUN) . Проверено 6 января 2008 г.
• М. Нассери, Дж. Ким, М. Алам - Материалы 17-й конференции по коммуникациям и сетям, 2014 г., Унифицированный метрический расчет некогерентной MFSK с турбокодированием на основе выборки для мобильного канала