Частотная манипуляция

Частотная манипуляция ( FSK ) — это схема частотной модуляции , в которой цифровая информация кодируется на несущем сигнале путем периодического сдвига частоты несущей между несколькими дискретными частотами. ^[1] Эта технология используется в таких системах связи, как телеметрия метеозондов , радиозонды , идентификатор вызывающего абонента , устройства открывания гаражных ворот , а также низкочастотная радиопередача в диапазонах VLF и ELF . Самая простая FSK — это двоичная FSK ( BFSK , которую также часто называют 2FSK или 2-FSK ), при которой несущая сдвигается между двумя дискретными частотами для передачи двоичной (0 и 1) информации. ^[2]

Модулирование и демодуляция

Эталонные реализации модемов FSK существуют и подробно документированы. ^[3] Демодуляцию двоичного сигнала FSK можно очень эффективно выполнить с помощью алгоритма Герцеля даже на маломощных микроконтроллерах. ^[4]

Вариации

Множественная частотная манипуляция

Частотная манипуляция с непрерывной фазой

В принципе, FSK можно реализовать, используя полностью независимые автономные генераторы и переключаясь между ними в начале каждого периода символа.Как правило, независимые генераторы не будут иметь одинаковую фазу и, следовательно, одинаковую амплитуду в момент переключения.вызывая внезапные разрывы передаваемого сигнала.

На практике многие передатчики FSK используют только один генератор, и процесс переключения на другую частоту в начале каждого периода символа сохраняет фазу.Устранение разрывов фазы (и, следовательно, устранение резких изменений амплитуды) снижает мощность боковой полосы , уменьшая помехи соседним каналам.

Гауссова частотная манипуляция

Вместо того, чтобы напрямую модулировать частоту с помощью символов цифровых данных, «мгновенно» изменяя частоту в начале каждого периода символа, гауссова частотная манипуляция ( GFSK ) фильтрует импульсы данных с помощью фильтра Гаусса , чтобы сделать переходы более плавными. Преимущество этого фильтра заключается в уменьшении мощности боковой полосы , уменьшении помех с соседними каналами за счет увеличения межсимвольных помех . Он используется улучшенным протоколом уровня 2 , DECT , Bluetooth , ^[5] Cypress WirelessUSB , Nordic Semiconductor , ^[6] Техасские инструменты , ^[7] Устройства IEEE 802.15.4 , Z-Wave и Wavenis . Для базовой скорости передачи данных Bluetooth минимальное отклонение составляет 115 кГц.

Модулятор GFSK отличается от простого модулятора с частотной манипуляцией тем, что перед тем, как сигнал основной полосы частот (с уровнями -1 и +1) поступает в модулятор FSK, он проходит через фильтр Гаусса , чтобы сделать переходы более плавными и ограничить ширину спектра. Гауссова фильтрация — стандартный способ уменьшения ширины спектра; это называется формированием импульса в данном приложении .

В обычной частотной манипуляции без фильтрации при скачке с -1 на +1 или с +1 на -1 форма модулированного сигнала быстро меняется, что приводит к появлению большого внеполосного спектра. Если импульс изменяется при переходе от -1 к +1 как -1, -0,98, -0,93, ..., +0,93, +0,98, +1, и этот более сглаженный импульс используется для определения несущей частоты , выходной сигнал внеполосный спектр будет уменьшен. ^[8]

Кодировка с минимальным сдвигом

Манипуляция с минимальным сдвигом частоты или манипуляция с минимальным сдвигом (MSK) представляет собой особую спектрально эффективную форму когерентной FSK. В MSK разница между высшей и низшей частотой равна половине скорости передачи данных. Следовательно, формы сигналов, представляющие бит 0 и 1, отличаются ровно на половину периода несущей. Максимальная девиация частоты составляет δ = 0,25 f _m , где f _m – максимальная частота модуляции. В результате индекс модуляции m равен 0,5. Это наименьший индекс модуляции FSK , который можно выбрать таким образом, чтобы формы сигналов для 0 и 1 были ортогональными .

Гауссова манипуляция с минимальным сдвигом

Вариант MSK, называемый Гауссовой манипуляцией с минимальным сдвигом ( GMSK ), используется в GSM стандарте мобильных телефонов .

Частотная манипуляция звука

Манипуляция со сдвигом частоты звука (AFSK) — это метод модуляции , с помощью которого цифровые данные представляются изменениями частоты ( высоты тона ) звукового тона, что дает закодированный сигнал, пригодный для передачи по радио или телефону . Обычно передаваемый звук чередуется между двумя тонами: один, «метка», представляет собой двоичный тон; другой, «пробел», представляет собой двоичный ноль.

AFSK отличается от обычной частотной манипуляции тем, что выполняет модуляцию на частотах основной полосы частот . В радиоприложениях сигнал, модулированный AFSK, обычно используется для модуляции радиочастотной несущей (с использованием обычного метода, такого как AM или FM ) для передачи.

AFSK не всегда используется для высокоскоростной передачи данных, поскольку он гораздо менее эффективен как по мощности, так и по полосе пропускания, чем большинство других режимов модуляции. ^[9] Однако помимо своей простоты AFSK имеет то преимущество, что закодированные сигналы будут проходить через каналы связи по переменному току , включая большую часть оборудования, изначально предназначенного для передачи музыки или речи.

AFSK используется в американской системе экстренного оповещения для уведомления станций о типе чрезвычайной ситуации, местах ее возникновения и времени возникновения, не прослушивая фактически текст оповещения.

Многоуровневая частотная манипуляция

Радиостанции фазы 1 в системе Project 25 используют 4-уровневую частотную манипуляцию (4FSK). ^[10]^[11]

Приложения

Сигнал AFSK 1200 бод

Послушайте пример сигнала, модулированного AFSK, на скорости 1200 бод.

Проблемы с воспроизведением этого файла? См. справку для СМИ .

В 1910 году Реджинальд Фессенден изобрел двухтональный метод передачи азбуки Морзе. Точки и тире были заменены разными тонами равной длины. ^[12] Целью было минимизировать время передачи.

Некоторые ранние передатчики непрерывного излучения (CW) использовали дуговой преобразователь , который нельзя было удобно использовать . Вместо того, чтобы включать и выключать дугу, ключ слегка изменял частоту передатчика с помощью метода, известного как метод компенсационной волны . ^[13] Компенсационная волна в приемнике не использовалась. Искровые передатчики, используемые для этого метода, потребляли большую полосу пропускания и вызывали помехи, поэтому в 1921 году от него отказались. ^[14]

телефонных линий Большинство ранних модемов использовали частотную манипуляцию звука (AFSK) для отправки и получения данных со скоростью примерно до 1200 бит в секунду. Модемы Bell 103 и Bell 202 использовали этот метод. ^[15] Даже сегодня идентификатор вызывающего абонента в Северной Америке использует AFSK со скоростью 1200 бод в форме стандарта Bell 202 . Некоторые ранние микрокомпьютеры использовали особую форму модуляции AFSK, стандарт Канзас-Сити , для хранения данных на аудиокассетах . ^[16] AFSK до сих пор широко используется в любительском радио , поскольку позволяет передавать данные через немодифицированное оборудование голосового диапазона.

США AFSK также используется в системе экстренного оповещения для передачи предупреждающей информации. ^{[ нужна ссылка ]} Он используется с более высоким битрейтом для Weathercopy, используемого на Weatheradio NOAA . в США

CHU в Коротковолновая радиостанция Оттаве , Онтарио , Канада, транслирует эксклюзивный цифровой сигнал времени, закодированный с использованием модуляции AFSK. ^{[ нужна ссылка ]}

Стандарты идентификации вызывающего абонента и удаленного измерения

Частотная манипуляция (FSK) обычно используется в телефонных линиях для идентификации вызывающего абонента (отображения номеров вызывающих абонентов) и приложений удаленного учета . Существует несколько разновидностей этой технологии.

Европейский институт телекоммуникационных стандартов

В некоторых странах Европы стандарты Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI) 200 778-1 и -2 – заменяющие 300 778-1 и -2 – допускают 3 физических транспортных уровня ( Telcordia Technologies (ранее Bellcore), British Telecom (BT) и Ассоциации кабельной связи (CCA)), в сочетании с двумя форматами данных: формат нескольких сообщений данных (MDMF) и формат одного сообщения данных (SDMF), а также двухтональная многочастотная система (DTMF) и режим без звонков для счетчика. -чтение и тому подобное. Это скорее признание того, что существуют разные типы, чем попытка определить единый «стандарт».

Телкордия Технологии

Стандарт Telcordia Technologies (ранее Bellcore) используется в США , Канаде (но см. ниже), Австралии , Китае , Гонконге и Сингапуре . Он отправляет данные после первого сигнала вызова и использует со скоростью 1200 бит в секунду модуляцию тона Bell 202 . Данные могут быть отправлены в формате SDMF, который включает дату, время и номер, или в формате MDMF, который добавляет поле ИМЯ.

Британский Телеком

Компания British Telecom (BT) в Соединенном Королевстве разработала собственный стандарт, который активирует дисплей при смене линии, а затем отправляет данные в виде тональных сигналов модема CCITT v.23 в формате, аналогичном MDMF. Его используют BT, беспроводные сети, такие как поздняя Ionica , и некоторые кабельные компании. Подробности можно найти в информационных примечаниях для поставщиков BT (SIN) 227. Архивировано 26 июля 2014 г. на Wayback Machine (ссылка не работает 28.07.21) и 242. Архивировано 26 июля 2014 г. на Wayback Machine (ссылка не работает 28/). 21 июля); Еще один полезный документ — « Проектирование доставки идентификации вызывающего абонента с использованием XR-2211 для BT». Архивировано 6 марта 2016 г. на Wayback Machine с веб-сайта EXAR .

Ассоциация кабельной связи

Ассоциация кабельной связи (CCA) Соединенного Королевства разработала собственный стандарт, который отправляет информацию после короткого первого звонка в виде тонов Bell 202 или V.23 . Они разработали новый стандарт, а не меняли некоторые «уличные коробки» (мультиплексоры), которые не справлялись со стандартом BT. В кабельной промышленности Великобритании используются различные коммутаторы: большинство из них — Nortel DMS-100; некоторые — System X ; Система Y ; и Нокиа DX220. Обратите внимание, что некоторые из них используют стандарт BT вместо стандарта CCA. Формат данных аналогичен формату BT, но транспортный уровень больше похож на Telcordia Technologies, поэтому североамериканское или европейское оборудование с большей вероятностью его обнаружит.

См. также

Амплитудно-сдвиговая манипуляция (ASK)
Непрерывно-фазовая частотная манипуляция (CPFSK)
Двухтональный многочастотный (DTMF), еще один метод кодирования, представляющий данные парами звуковых частот.
Сигнализация изменения частоты
Множественная частотная манипуляция (MFSK)
Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
Фазовая манипуляция (PSK)
Федеральный стандарт 1037C
МИЛ-СТД-188
Распространенная частотная манипуляция (S-FSK)

Ссылки

^ Кеннеди, Дж.; Дэвис, Б. (1992). Электронные системы связи (4-е изд.). МакГроу-Хилл Интернэшнл. ISBN 978-0-07-112672-4 . , стр 509
^ FSK: Сигналы и демодуляция (Б. Уотсон) http://www.xn--sten-cpa.se/share/text/tektext/digital-modulation/FSK_signals_demod.pdf. Архивировано 7 сентября 2012 г. в Wayback Machine.
^ Обучение DSP на практическом примере модема FSK (TI) http://www.ti.com/lit/an/spra347/spra347.pdf
^ Модуляция и демодуляция FSK с помощью микроконтроллера MSP430 (TI) http://www.ti.com/lit/an/slaa037/slaa037.pdf. Архивировано 6 апреля 2012 г. на Wayback Machine.
^ ieeexplore.ieee.org , Суини, Д.; «Введение в Bluetooth как стандарт для беспроводных сетей ближнего действия» . Труды. 15-я ежегодная международная конференция IEEE ASIC/SOC, Рочестер, штат Нью-Йорк, США, 25–28 сентября 2002 г. , стр. 474–475. 2002.
^ Северный полупроводник. nRF24LU1+ Предварительная спецификация продукта, версия 1.2. Архивировано 20 февраля 2011 г. на Wayback Machine.
^ LPRF. Архивировано 4 января 2017 г. в Wayback Machine.
^ Бхагват, Правин (10 мая 2005 г.). «Bluetooth: 1.Приложения, технологии и производительность» . п. 21 . Проверено 27 мая 2015 г.
^ Чичиора, Уолтер (2004). Чичиора, Уолтер С. (ред.). Современные технологии кабельного телевидения: передача видео, голоса и данных . Амстердам; Бостон: Издательство Elsevier/Morgan Kaufmann. ISBN 978-1-55860-828-3 .
^ Эссам Аталла и др. «Практический шаг вперед к программно-определяемым радиопередатчикам» .п. 1.
^ Стив Форд. «Справочник по цифровым УКВ-диапазонам ARRL» .2008.п. 6-2.
^ Морс 1925 , с. 44; Морс цитирует британский патент 2617/11.
^ Бюро стандартов 1922 , стр. 415–416.
^ Литтл 1921 , с. 125
^ Кеннеди и Дэвис 1992 , стр. 549–550.
^ Пешке, Манфред; Пеше, Вирджиния (24 декабря 2016 г.). «Канзас-Сити Стандарт» . swtpc.com . Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 г. Проверено 9 января 2023 г.

Бюро стандартов (1922 г.), Принципы, лежащие в основе радиосвязи (второе изд.), Корпус связи армии США, ISBN 9781440078590 , Брошюра «Радиосвязь» № 40 . Пересмотрено 24 апреля 1921 г.
Литтл, Д.Г. (апрель 1921 г.), «Радиосвязь непрерывного действия» , Electric Journal , 18 : 124–129.
Морс, AH (1925), Радио: Beam and Broadcast , Лондон: Ernest Benn Limited

Внешние ссылки

[1] Кеннеди, Дж.; Дэвис, Б. (1992). Электронные системы связи (4-е изд.). МакГроу-Хилл Интернэшнл. ISBN 978-0-07-112672-4 . , стр 509

[2] FSK: Сигналы и демодуляция (Б. Уотсон) http://www.xn--sten-cpa.se/share/text/tektext/digital-modulation/FSK_signals_demod.pdf. Архивировано 7 сентября 2012 г. в Wayback Machine.

[3] Обучение DSP на практическом примере модема FSK (TI) http://www.ti.com/lit/an/spra347/spra347.pdf

[4] Модуляция и демодуляция FSK с помощью микроконтроллера MSP430 (TI) http://www.ti.com/lit/an/slaa037/slaa037.pdf. Архивировано 6 апреля 2012 г. на Wayback Machine.

[5] xplore.ieee.org , Суини, Д.; «Введение в Bluetooth как стандарт для беспроводных сетей ближнего действия» . Труды. 15-я ежегодная международная конференция IEEE ASIC/SOC, Рочестер, штат Нью-Йорк, США, 25–28 сентября 2002 г. , стр. 474–475. 2002.

[6] Северный полупроводник. nRF24LU1+ Предварительная спецификация продукта, версия 1.2. Архивировано 20 февраля 2011 г. на Wayback Machine.

[7] LPRF. Архивировано 4 января 2017 г. в Wayback Machine.

[8] Бхагват, Правин (10 мая 2005 г.). «Bluetooth: 1.Приложения, технологии и производительность» . п. 21 . Проверено 27 мая 2015 г.

[9] Чичиора, Уолтер (2004). Чичиора, Уолтер С. (ред.). Современные технологии кабельного телевидения: передача видео, голоса и данных . Амстердам; Бостон: Издательство Elsevier/Morgan Kaufmann. ISBN 978-1-55860-828-3 .

[10] Эссам Аталла и др. «Практический шаг вперед к программно-определяемым радиопередатчикам» .п. 1.

[11] Стив Форд. «Справочник по цифровым УКВ-диапазонам ARRL» .2008.п. 6-2.

[12] Морс 1925 , с. 44; Морс цитирует британский патент 2617/11.

[13] Бюро стандартов 1922 , стр. 415–416.

[14] Литтл 1921 , с. 125

[15] Кеннеди и Дэвис 1992 , стр. 549–550.

[16] Пешке, Манфред; Пеше, Вирджиния (24 декабря 2016 г.). «Канзас-Сити Стандарт» . swtpc.com . Архивировано из оригинала 24 декабря 2016 г. Проверено 9 января 2023 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]