Многочастотная манипуляция со сдвигом частоты ( 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 форм сигналов. M, размер алфавита, обычно является степенью двойки, так что каждый символ представляет log 2 M бит.
В M-арной системе сигнализации, такой как MFSK, устанавливается «алфавит» из M тонов, и передатчик выбирает один тон из алфавита для передачи. M обычно является степенью числа 2, поэтому каждая передача тона из алфавита представляет log 2 M бит данных.
MFSK классифицируется как M-ичная ортогональная схема сигнализации, поскольку каждый из M фильтров обнаружения тонов в приемнике реагирует только на свой тон и не реагирует на другие; эта независимость обеспечивает ортогональность.
Как и в других M-арных ортогональных схемах, требуемое отношение E b /N 0 для заданной вероятности ошибки уменьшается с ростом M без необходимости в многосимвольном когерентном детектировании. Фактически, когда M приближается к бесконечности, требуемое отношение E b /N 0 асимптотически уменьшается до предела Шеннона −1,6 дБ . Однако это уменьшение происходит медленно с ростом M, и большие значения непрактичны из-за экспоненциального увеличения требуемой полосы пропускания. Типичные значения на практике находятся в диапазоне от 4 до 64, и MFSK комбинируется с другой схемой прямой коррекции ошибок для обеспечения дополнительного (систематического) выигрыша от кодирования.
Спектральная эффективность схем модуляции MFSK уменьшается с увеличением порядка модуляции M : [1]
Как и любая другая форма угловой модуляции , которая передает одиночный радиочастотный тон, который изменяется только по фазе или частоте, MFSK создает постоянную огибающую . Это значительно упрощает конструкцию усилителя мощности ВЧ, позволяя ему достигать большей эффективности преобразования, чем линейные усилители.
Можно объединить две системы MFSK для увеличения пропускной способности канала. Возможно, наиболее широко используемая система MFSK с двумя тонами — это двухтональная многочастотная (DTMF), более известная по торговой марке AT&T «Touch Tone». Другая — многочастотная (MF) схема, использовавшаяся в 20 веке для внутриполосной сигнализации на соединительных линиях между телефонными станциями. Обе являются примерами внутриполосных схем сигнализации, т. е. они совместно используют канал связи пользователя.
Символы в алфавитах DTMF и MF отправляются как пары тонов; DTMF выбирает один тон из «высокой» группы и один из «низкой» группы, в то время как MF выбирает свои два тона из общего набора. DTMF и MF используют разные частоты тонов в основном для того, чтобы конечные пользователи не мешали межстанционной сигнализации. В 1970-х годах MF начали заменять цифровой внеполосной сигнализацией , преобразование, мотивированное отчасти широко распространенным мошенническим использованием MF-сигналов конечными пользователями, известными как телефонные мошенники .
Эти сигналы воспринимаются на слух как быстрая последовательность пар тонов с почти музыкальным качеством. [2]
Одновременная передача двух тонов непосредственно на ВЧ теряет свойство постоянной огибающей однотональной системы. Два одновременных ВЧ-тона на самом деле являются классическим «стресс-тестом» усилителя мощности ВЧ для измерения линейности и интермодуляционных искажений . Однако два аудиотона могут быть отправлены одновременно на обычной несущей ВЧ ЧМ с постоянной огибающей , но некогерентное обнаружение ЧМ-сигнала на приемнике уничтожит любое преимущество многотональной схемы в отношении сигнал/шум .
Распространение небесных волн в диапазонах высоких частот вносит случайные искажения, которые обычно изменяются как со временем, так и с частотой. Понимание этих нарушений помогает понять, почему MFSK является такой эффективной и популярной техникой на HF.
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 демонстрируют одинаковую задержку распространения. Небольшие различия в задержках, или разброс задержек , размывают соседние символы модуляции вместе и вызывают нежелательные межсимвольные помехи .
Распространение задержки обратно пропорционально его частотному аналогу, полосе пропускания когерентности . Это диапазон частот, в котором усиление канала относительно постоянно. Это происходит потому, что суммирование двух или более путей с разными задержками создает гребенчатый фильтр, даже если отдельные пути имеют плоскую частотную характеристику.
Замирание — это (обычно случайное и нежелательное) изменение усиления пути со временем. Максимальная скорость замирания ограничена физикой канала, например, скоростью, с которой образуются и рекомбинируются свободные электроны в ионосфере, и скоростями облаков заряженных частиц в ионосфере. Максимальный интервал, в течение которого усиление канала не меняется заметно, — это время когерентности .
Затухающий канал эффективно накладывает на сигнал нежелательную случайную амплитудную модуляцию . Так же, как полоса пропускания преднамеренной АМ увеличивается с частотой модуляции, затухание распространяет сигнал в диапазоне частот, который увеличивается с частотой затухания. Это доплеровское расширение, аналог времени когерентности в частотной области. Чем короче время когерентности, тем больше доплеровское расширение и наоборот.
При соответствующем выборе параметров MFSK может выдерживать значительные доплеровские или запаздывающие разбросы, особенно при дополнении прямой коррекцией ошибок . (Смягчение больших объемов доплеровского и запаздывающего разброса значительно сложнее, но все же возможно). Длительный запаздывающий разброс с небольшим доплеровским разбросом может быть смягчен с помощью относительно длинного периода символа MFSK, чтобы канал мог быстро «установиться» в начале каждого нового символа. Поскольку длинный символ содержит больше энергии, чем короткий, для заданной мощности передатчика, детектор может легче достичь достаточно высокого отношения сигнал/шум (SNR). Результирующее снижение пропускной способности может быть частично компенсировано большим набором тонов, так что каждый символ представляет несколько битов данных; длинный интервал символа позволяет этим тонам быть упакованными более плотно по частоте, сохраняя ортогональность. Это ограничивается экспоненциальным ростом размера набора тонов с количеством битов данных/символ.
И наоборот, если доплеровский разброс большой, а разброс задержки небольшой, то более короткий период символа может обеспечить когерентное обнаружение тонов, и тоны должны быть разнесены на большее расстояние для поддержания ортогональности.
Самый сложный случай — когда задержка и доплеровское распространение оба большие, т. е. полоса пропускания когерентности и время когерентности оба малы. Это чаще встречается на авроральных и EME каналах, чем на HF, но это может произойти. Короткое время когерентности ограничивает время символа или, точнее, максимальный интервал когерентного обнаружения на приемнике. Если энергия символа слишком мала для адекватного SNR обнаружения на символ, то одной из альтернатив является передача символа, длиннее времени когерентности, но для его обнаружения с помощью фильтра, намного более широкого, чем тот, который соответствует переданному символу. (Вместо этого фильтр должен быть согласован с ожидаемым на приемнике спектром тона). Это захватит большую часть энергии символа, несмотря на доплеровское распространение, но это обязательно будет сделано неэффективно. Также требуется более широкий интервал между тонами, т. е. более широкий канал. Прямая коррекция ошибок особенно полезна в этом случае.
Из-за большого разнообразия условий, встречающихся на HF, для HF было разработано большое разнообразие схем MFSK, некоторые из которых экспериментальные. Вот некоторые из них:
Piccolo был оригинальным режимом MFSK, разработанным для британских правительственных коммуникаций Гарольдом Робином, Дональдом Бейли и Денисом Ральфсом из Дипломатической беспроводной службы (DWS), филиала Министерства иностранных дел и по делам Содружества. Он был впервые использован в 1962 году [3] и представлен IEE в 1963 году. Текущая спецификация «Piccolo Mark IV» все еще ограниченно использовалась правительством Великобритании, в основном для военной радиосвязи точка-точка, вплоть до конца 1990-х годов. [4] [5]
Coquelet — это похожая система модуляции, разработанная французским правительством для аналогичных применений. [3]
MFSK8 и MFSK16 были разработаны Мюрреем Гринманом, ZL1BPU, для любительской радиосвязи на КВ. Оливия MFSK также является любительским радиорежимом. Гринман также разработал DominoF и DominoEX для радиосвязи NVIS на верхних СЧ и нижних КВ частотах (1,8–7,3 МГц).
Автоматическая установка связи (ALE) — это протокол, разработанный военными США и используемый в основном как автоматическая система сигнализации между радиостанциями. Он широко используется для военных и правительственных коммуникаций по всему миру, а также радиолюбителями. [6] [ необходимо разъяснение ] Он стандартизирован как MIL-STD-188-141B, [7] который пришел на смену более старой версии MIL-STD-188-141A.
«CIS-36 MFSK» или «CROWD-36» ( рус . Сердолик ) — западное обозначение системы, похожей на Piccolo, разработанной в бывшем Советском Союзе для военной связи. [8] [9] [10]
«XPA» и «XPA2» — это обозначения ENIGMA-2000 [11] для политонических передач, предположительно исходящих от станций российской разведки и МИДа. [12] [13] Недавно система также была описана как «MFSK-20».
Режимы MFSK, используемые для связи в диапазонах VHF и UHF :
FSK441, JT6M и JT65 являются частями семейства WSJT или систем радиомодуляции, разработанных Джо Тейлором, K1JT , для дальней любительской радиосвязи VHF в условиях пограничного распространения. Эти специализированные системы модуляции MFSK используются на тропосферных, EME (земля-луна-земля) и метеорассеивающих радиотрассах.
PI4 [14] — это цифровой режим, специально разработанный для изучения маяков VUSHF и распространения радиоволн. Режим был разработан в рамках проекта Next Generation Beacons, среди прочих, используемых старейшим любительским маяком в мире OZ7IGY . Декодер для PI4 доступен в программе PI-RX, разработанной Poul-Erik Hansen, OZ1CKG.
DTMF изначально был разработан для сигнализации по телефонной линии. Он часто используется для телеуправления (дистанционного управления) по голосовым каналам VHF и UHF.
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)