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 , радиозонды с метеозондами , идентификатор вызывающего абонента , устройства открывания гаражных ворот , а также низкочастотная радиопередача в диапазонах VLF и ELF . Самая простая FSK — это двоичная FSK ( BFSK ), в которой несущая сдвигается между двумя дискретными частотами для передачи двоичной (0 и 1) информации. [2]
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]
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, что приводит к внезапным разрывам 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) уменьшает мощность боковой полосы , уменьшая помехи соседним каналам.
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] Texas Instruments , [7] IEEE 802.15.4 , устройствами 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; в данном приложении это называется формированием импульса .
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]
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 .
Вариант MSK, называемый Гауссовой манипуляцией с минимальным сдвигом ( GMSK ), используется в стандарте мобильных телефонов GSM .
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. 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, затронутых местах и времени возникновения, не прослушивая фактически текст оповещения.
Радиостанции фазы 1 в системе Project 25 используют непрерывную 4-уровневую FM-модуляцию (C4FM). [9] [10]
В 1910 году Реджинальд Фессенден изобрел двухтональный метод передачи азбуки Морзе. Точки и тире были заменены разными тонами равной длины. [11] Целью было минимизировать время передачи.
Некоторые ранние передатчики CW использовали дуговой преобразователь , который не имел удобного управления . Вместо того, чтобы включать и выключать дугу, ключ слегка изменял частоту передатчика с помощью метода, известного как метод компенсационной волны . [12] 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. [13]
Большинство ранних модемов телефонных линий 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. [14] 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 . [15] AFSK до сих пор широко используется в любительском радио , поскольку позволяет передавать данные через немодифицированное оборудование голосового диапазона.
AFSK также используется в системе экстренного оповещения США для передачи предупреждающей информации. [ нужна ссылка ] Он используется с более высокими битрейтами для Weathercopy, используемого на Weatheradio NOAA в США .
Коротковолновая радиостанция CHU в Оттаве, Онтарио , Канада, транслирует эксклюзивный цифровой сигнал времени, закодированный с использованием модуляции AFSK . [ нужна цитата ]
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.
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».
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 модуляцию тона Bell 202 со скоростью 1200 бит в секунду . Данные могут быть отправлены в формате SDMF, который включает дату, время и номер, или в формате MDMF, который добавляет поле ИМЯ.
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 (CCA) Соединенного Королевства разработала собственный стандарт, который отправляет информацию после короткого первого звонка в виде тонов Bell 202 или V.23 . Вместо того, чтобы менять некоторые «уличные коробки» (мультиплексоры), которые не справлялись со стандартом BT, они разработали новый стандарт. 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.
