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 для систем связи, таких как телеметрия , радиозонды метеозондов , идентификатор вызывающего абонента , устройства открывания гаражных ворот и низкочастотная радиопередача в диапазонах VLF и ELF . Простейшей FSK является двоичная FSK ( BFSK , которую также обычно называют 2FSK или 2-FSK ), в которой несущая смещается между двумя дискретными частотами для передачи двоичной (0 и 1) информации. [2]
Существуют и подробно документированы эталонные реализации FSK-модемов. [3] Демодуляция двоичного FSK-сигнала может быть выполнена с использованием алгоритма Герцеля очень эффективно, даже на маломощных микроконтроллерах. [4]
В принципе FSK может быть реализована с использованием полностью независимых автономных генераторов и переключением между ними в начале каждого периода символа. В общем случае независимые генераторы не будут находиться в одной и той же фазе и, следовательно, в один и тот же амплитуде в момент переключения, что приведет к внезапным разрывам в передаваемом сигнале.
На практике многие передатчики FSK используют только один генератор, а 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 с соседними каналами.
Вместо того, чтобы напрямую модулировать частоту цифровыми символами данных, «мгновенно» изменяя частоту в начале каждого периода символа, гауссовская частотная манипуляция ( GFSK ) фильтрует импульсы данных с помощью гауссовского фильтра , чтобы сделать переходы более плавными. Этот фильтр имеет преимущество в снижении мощности боковой полосы , снижении помех с соседними каналами, за счет увеличения межсимвольных помех . Он используется в устройствах Improved Layer 2 Protocol , DECT , Bluetooth , [5] Cypress WirelessUSB, Nordic Semiconductor , [6] Texas Instruments , [7] 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 основная форма сигнала (с уровнями −1 и +1) поступает в модулятор FSK, она проходит через гауссов фильтр , чтобы сделать переходы более плавными и ограничить спектральную ширину. Гауссова фильтрация — это стандартный способ уменьшения спектральной ширины; в этом приложении она называется формированием импульса .
В обычной нефильтрованной FSK при скачке от −1 до +1 или от +1 до −1 модулированная форма волны быстро меняется, что вносит большой внеполосный спектр. Если импульс изменяется от −1 до +1 как −1, −0,98, −0,93, ..., +0,93, +0,98, +1, и этот более плавный импульс используется для определения несущей частоты , внеполосный спектр будет уменьшен. [8]
Минимальная частотная манипуляция или минимальная частотная манипуляция (MSK) является особой спектрально эффективной формой когерентной FSK. В MSK разница между более высокой и более низкой частотой идентична половине скорости передачи битов. Следовательно, формы волн, которые представляют биты 0 и 1, отличаются ровно на половину периода несущей. Максимальное отклонение частоты составляет δ = 0,25 f m , где f m — максимальная модулирующая частота. В результате индекс модуляции m равен 0,5. Это наименьший индекс модуляции FSK , который можно выбрать таким образом, чтобы формы волн для 0 и 1 были ортогональны .
Вариант MSK, называемый гауссовой манипуляцией с минимальным сдвигом ( GMSK ), используется в стандарте мобильной связи GSM .
Частотная манипуляция аудиосигнала (AFSK) — это метод модуляции , при котором цифровые данные представляются изменениями частоты ( высоты тона ) аудиотона , что приводит к закодированному сигналу, пригодному для передачи по радио или телефону . Обычно передаваемый звук чередуется между двумя тонами: один, «знак», представляет двоичную единицу; другой, «пробел», представляет двоичный ноль.
AFSK отличается от обычной частотной манипуляции тем, что выполняет модуляцию на частотах базовой полосы . В радиоприложениях AFSK-модулированный сигнал обычно используется для модуляции несущей радиочастоты (используя обычную технику, такую как AM или FM ) для передачи.
AFSK не всегда используется для высокоскоростной передачи данных, поскольку она гораздо менее эффективна как по мощности, так и по полосе пропускания, чем большинство других режимов модуляции. [9] Однако, в дополнение к своей простоте, AFSK имеет то преимущество, что закодированные сигналы будут проходить через каналы связи по переменному току , включая большую часть оборудования, изначально разработанного для передачи музыки или речи.
AFSK используется в американской Системе оповещения о чрезвычайных ситуациях для оповещения станций о типе чрезвычайной ситуации, местах ее возникновения и времени оповещения без фактического прослушивания текста оповещения.
Радиостанции фазы 1 в системе Project 25 используют 4-уровневую частотную манипуляцию (4FSK). [10] [11]
В 1910 году Реджинальд Фессенден изобрел двухтональный метод передачи кода Морзе. Точки и тире были заменены различными тонами одинаковой длины. [12] Целью было минимизировать время передачи.
Некоторые ранние передатчики Continuous Wave (CW) использовали дуговой преобразователь , который нельзя было удобно задействовать . Вместо включения и выключения дуги, ключ немного изменял частоту передатчика в технике, известной как метод компенсационной волны . [13] Компенсационная волна не использовалась в приемнике. Искровые передатчики, используемые для этого метода, потребляли много полосы пропускания и вызывали помехи, поэтому к 1921 году он был отвергнут. [14]
Большинство ранних модемов телефонных линий использовали частотную манипуляцию аудио (AFSK) для отправки и получения данных со скоростью до 1200 бит в секунду. Модемы Bell 103 и Bell 202 использовали эту технику. [15] Даже сегодня североамериканский идентификатор вызывающего абонента использует 1200 бод AFSK в форме стандарта Bell 202. Некоторые ранние микрокомпьютеры использовали особую форму модуляции AFSK, стандарт Канзас-Сити , для хранения данных на аудиокассетах . [16] AFSK по-прежнему широко используется в любительском радио , поскольку позволяет передавать данные через немодифицированное оборудование голосового диапазона.
AFSK также используется в системе оповещения о чрезвычайных ситуациях в США для передачи предупреждающей информации. [ требуется ссылка ] Он используется на более высоких скоростях передачи данных 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. [ необходима ссылка ]
Частотная манипуляция (FSK) обычно используется в телефонных линиях для идентификации вызывающего абонента (отображение номеров вызывающих абонентов) и приложений удаленного учета . Существует несколько вариантов этой технологии.
В некоторых странах Европы стандарты Европейского института стандартов в области телекоммуникаций (ETSI) 200 778-1 и -2, заменившие 300 778-1 и -2, допускают 3 физических транспортных уровня ( Telcordia Technologies (ранее Bellcore), British Telecom (BT) и Cable Communications Association (CCA)) в сочетании с 2 форматами данных: Multiple Data Message Format (MDMF) и Single Data Message Format (SDMF), а также двухтональную многочастотную систему (DTMF) и режим без звонка для считывания показаний счетчиков и т. п. Это скорее признание того, что существуют различные 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 звонка и использует тоновую модуляцию 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 NAME.
British Telecom (BT) в Соединенном Королевстве разработала свой собственный стандарт, который пробуждает дисплей с помощью реверсирования линии, а затем отправляет данные в виде тонов модема CCITT v.23 в формате, похожем на MDMF. Он используется BT, беспроводными сетями, такими как покойная Ionica , и некоторыми кабельными компаниями. Подробности можно найти в BT Supplier Information Notes (SINs) 227 Архивировано 2014-07-26 на Wayback Machine (ссылка сломана 28/7/21) и 242 Архивировано 2014-07-26 на Wayback Machine (ссылка сломана 28/7/21); еще один полезный документ — Designing Caller Identification Delivery Using XR-2211 for BT Архивировано 2016-03-06 на Wayback Machine с веб-сайта EXAR.
Ассоциация кабельной связи (CCA) Соединенного Королевства разработала свой собственный стандарт, который отправляет информацию после короткого первого звонка, как тоны Bell 202 или V.23 . Они разработали новый стандарт, а не меняли некоторые «уличные ящики» (мультиплексоры), которые не могли справиться со стандартом BT. В кабельной промышленности Великобритании используются различные коммутаторы: большинство из них — Nortel DMS-100; некоторые — System X ; System Y ; и Nokia DX220. Обратите внимание, что некоторые из них используют стандарт BT вместо CCA. Формат данных похож на формат BT, но транспортный уровень больше похож на Telcordia Technologies, поэтому североамериканское или европейское оборудование с большей вероятностью его обнаружит.
