Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości — Frequency-shift keying

Przykład binarnego FSK
Zasada FSK-FMCW.png

Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości ( FSK ) to schemat modulacji częstotliwości , w którym informacja cyfrowa jest przesyłana poprzez dyskretne zmiany częstotliwości sygnału nośnego . Technologia ta jest wykorzystywana w systemach komunikacyjnych, takich jak telemetria , radiosondy balonów meteorologicznych , identyfikacja dzwoniącego , mechanizm otwierania drzwi garażowych oraz transmisja radiowa o niskiej częstotliwości w pasmach VLF i ELF . Najprostszym FSK jest binarny FSK ( BFSK ). BFSK wykorzystuje parę dyskretnych częstotliwości do przesyłania informacji binarnych (0s i 1s). W tym schemacie 1 nazywa się częstotliwością znacznika, a 0 nazywa się częstotliwością przestrzenną.

Modulacja i demodulacja

Implementacje referencyjne modemów FSK istnieją i są szczegółowo udokumentowane. Demodulacja binarnego sygnału FSK może być wykonana przy użyciu algorytmu Goertzela bardzo wydajnie, nawet na mikrokontrolerach o małej mocy.

Wariacje

Wielokrotne kluczowanie z przesunięciem częstotliwości

Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości w fazie ciągłej

W zasadzie FSK można zaimplementować przy użyciu całkowicie niezależnych, wolno działających oscylatorów i przełączać się między nimi na początku każdego okresu symbolu. Zasadniczo niezależne oscylatory nie będą miały tej samej fazy, a zatem tej samej amplitudy w chwili przełączenia, powodując nagłe nieciągłości w przesyłanym sygnale.

W praktyce wiele nadajników FSK wykorzystuje tylko jeden oscylator, a proces przełączania na inną częstotliwość na początku każdego okresu symbolu zachowuje fazę. Eliminacja nieciągłości w fazie (a tym samym eliminacja nagłych zmian amplitudy) zmniejsza moc wstęgi bocznej , zmniejszając zakłócenia z sąsiednimi kanałami.

Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości Gaussa

Zamiast bezpośrednio modulować częstotliwość za pomocą cyfrowych symboli danych, „natychmiastowo” zmieniając częstotliwość na początku każdego okresu symbolu, gaussowskie kluczowanie z przesunięciem częstotliwości ( GFSK ) filtruje impulsy danych za pomocą filtra Gaussa, aby przejścia były płynniejsze. Filtr ten ma tę zaletę, że zmniejsza moc pasma bocznego , zmniejszając zakłócenia z sąsiednimi kanałami, kosztem zwiększenia zakłóceń międzysymbolowych . Jest używany przez ulepszony protokół warstwy 2 , DECT , Bluetooth , Cypress WirelessUSB , Nordic Semiconductor , Texas Instruments LPRF , IEEE 802.15.4 , Z-Wave i Wavenis . Dla podstawowej szybkości transmisji danych Bluetooth minimalne odchylenie wynosi 115 kHz.

Modulator GFSK różni się od prostego modulatora z kluczowaniem z przesunięciem częstotliwości tym, że zanim kształt fali pasma podstawowego (z poziomami -1 i +1) trafi do modulatora FSK, przechodzi przez filtr Gaussa, aby przejścia były płynniejsze, aby ograniczyć szerokość widma. Filtrowanie Gaussa to standardowy sposób na zmniejszenie szerokości widma; w tej aplikacji nazywa się to kształtowaniem impulsu .

W zwykłym, niefiltrowanym FSK, przy skoku od -1 do +1 lub od +1 do -1, modulowany kształt fali zmienia się gwałtownie, co wprowadza duże widmo poza pasmem. Jeśli impuls zmienia się od -1 do +1 jako -1, -0,98, -0,93, ..., +0,93, +0,98, +1, a ten gładszy impuls jest używany do określenia częstotliwości nośnej , Widmo pozapasmowe zostanie zmniejszone.

Kluczowanie z minimalnym przesunięciem

Kluczowanie z minimalnym przesunięciem częstotliwości lub kluczowanie z minimalnym przesunięciem (MSK) jest szczególną wydajną widmowo formą koherentnego FSK. W MSK różnica między wyższą i niższą częstotliwością jest identyczna z połową przepływności. W konsekwencji przebiegi reprezentujące bit 0 i 1 różnią się dokładnie o połowę okresu nośnej. Maksymalna odchyłka częstotliwości jest δ = 0,25  M m , gdzie m m jest maksymalną modulację częstotliwości. W rezultacie wskaźnik modulacji m wynosi 0,5. Jest to najmniejszy wskaźnik modulacji FSK, który można wybrać tak, aby przebiegi dla 0 i 1 były ortogonalne .

Kluczowanie z minimalnym przesunięciem Gaussa

Wariant MSK zwany kluczowaniem z minimalnym przesunięciem Gaussa ( GMSK ) jest używany w standardzie telefonii komórkowej GSM .

Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości dźwięku

Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości audio (AFSK) to technika modulacji , za pomocą której dane cyfrowe są reprezentowane przez zmiany częstotliwości ( tonacji ) tonu audio , dając zakodowany sygnał odpowiedni do transmisji drogą radiową lub telefoniczną . Zwykle przesyłany dźwięk zmienia się pomiędzy dwoma tonami: jeden, „znacznik”, reprezentuje tony binarne ; druga, „spacja”, reprezentuje binarne zero.

AFSK różni się od zwykłego kluczowania z przesunięciem częstotliwości wykonywaniem modulacji na częstotliwościach pasma podstawowego . W zastosowaniach radiowych sygnał modulowany AFSK jest zwykle używany do modulowania nośnej RF (przy użyciu konwencjonalnej techniki, takiej jak AM lub FM ) do transmisji.

AFSK nie zawsze jest używany do szybkiej transmisji danych, ponieważ jest znacznie mniej wydajny zarówno pod względem mocy, jak i przepustowości niż większość innych trybów modulacji. Oprócz swej prostocie, jednak AFSK ma tę zaletę, że sygnały kodowane przejdą przez AC - połączonych linkami, w tym większość sprzętu pierwotnie zaprojektowane do przenoszenia muzyki lub mowy.

AFSK jest używany w amerykańskim Systemie Ostrzegania o Zagrożeniu, aby powiadamiać stacje o rodzaju zagrożenia, jego lokalizacjach i czasie wydania bez faktycznego usłyszenia tekstu ostrzeżenia.

Ciągła 4-poziomowa modulacja

Radia fazy 1 w systemie Project 25 wykorzystują ciągłą 4-poziomową modulację FM (C4FM).

Aplikacje

W 1910 r. Reginald Fessenden wynalazł dwutonową metodę przesyłania kodu Morse'a. Kropki i kreski zostały zastąpione różnymi tonami o jednakowej długości. Celem było zminimalizowanie czasu transmisji.

Niektóre wczesne nadajniki CW wykorzystywały konwerter łukowy , którego nie można było wygodnie zaprogramować . Zamiast włączania i wyłączania łuku, klucz nieznacznie zmienił częstotliwość nadajnika w technice znanej jako metoda fali kompensacyjnej . Fala kompensacyjna nie została zastosowana w odbiorniku. Nadajniki iskier stosowane w tej metodzie zużywały dużo przepustowości i powodowały zakłócenia, więc zniechęcono się do tego w 1921 roku.

Większość wczesnych modemów telefonicznych wykorzystywała kluczowanie z przesunięciem częstotliwości audio (AFSK) do wysyłania i odbierania danych z szybkością do około 1200 bitów na sekundę. W Dzwon 103 i Bell 202 modemów stosuje się technikę. Nawet dzisiaj identyfikator dzwoniącego w Ameryce Północnej wykorzystuje 1200 bodów AFSK w postaci standardu Bell 202 . Niektóre wczesne mikrokomputery wykorzystywały specyficzną formę modulacji AFSK, standard Kansas City , do przechowywania danych na kasetach audio . AFSK jest nadal szeroko stosowany w radiu amatorskim , ponieważ umożliwia transmisję danych za pośrednictwem niezmodyfikowanego sprzętu pasma głosowego.

AFSK jest również używany w amerykańskim Systemie Ostrzegania o Niebezpieczeństwie do przekazywania informacji ostrzegawczych. Jest używany przy wyższych przepływnościach dla Weathercopy używanego w Weatheradio przez NOAA w USA

CHU radia krótkofalowego stacja w Ottawie, Ontario , Kanada nadaje ekskluzywny cyfrowy sygnał czasu zakodowany za pomocą modulacji AFSK.

ID dzwoniącego i standardy zdalnego pomiaru

Kluczowanie z przesunięciem częstotliwości (FSK) jest powszechnie używane w liniach telefonicznych do identyfikacji dzwoniącego (wyświetlanie numerów dzwoniących) i zdalnych aplikacji pomiarowych . Istnieje kilka odmian tej technologii.

Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych

W niektórych krajach Europy , tym Europejski Instytut Norm Telekomunikacyjnych (ETSI) normy 200 778-1 i -2 - zastąpienie 300 778-1 i -2 - 3 pozwalają fizyczne warstwy transportu ( Bellcore (dawniej Bellcore), British Telecom (BT) oraz Cable Communications Association (CCA)), w połączeniu z 2 formatami danych Multiple Data Message Format (MDMF) i Single Data Message Format (SDMF), a także dwutonowym systemem wieloczęstotliwościowym (DTMF) i trybem bez dzwonka dla miernika -czytanie i tym podobne. To bardziej uznanie, że istnieją różne typy, niż próba zdefiniowania jednego „standardu”.

Technologie Telcordii

Standard Telcordia Technologies (dawniej Bellcore) jest używany w Stanach Zjednoczonych , Kanadzie (ale patrz poniżej), Australii , Chinach , Hongkongu i Singapurze . Wysyła dane po pierwszym dzwonku i wykorzystuje modulację tonu Bell 202 z 1200 bitami na sekundę . Dane mogą być przesyłane w formacie SDMF – zawierającym datę, godzinę i numer – lub w formacie MDMF, który dodaje pole NAZWA.

Brytyjski Telekomunikacja

British Telecom (BT) w Wielkiej Brytanii opracował własny standard, który wybudza wyświetlacz z odwróceniem linii, a następnie wysyła dane jako tony modemu CCITT v.23 w formacie zbliżonym do MDMF. Jest używany przez BT, sieci bezprzewodowe, takie jak późna Ionica i niektóre firmy kablowe. Szczegóły można znaleźć w BT Supplier Information Notes (SIN) 227 (link broken 28/7/21) i 242 (link broken 28/7/21); innym przydatnym dokumentem jest Designing Caller Identification Delivery Using XR-2211 for BT ze strony internetowej EXAR .

Stowarzyszenie Komunikacji Kablowej

Stowarzyszenie Cable Communications Association (CCA) w Wielkiej Brytanii opracowało własny standard, który wysyła informacje po krótkim pierwszym dzwonku, jako ton Bell 202 lub V.23 . Opracowali nowy standard, zamiast zmieniać niektóre „uliczniki” (multipleksery), które nie radziły sobie ze standardem BT. Przemysł kablowy w Wielkiej Brytanii używa różnych przełączników: większość z nich to Nortel DMS-100; niektóre to System X ; System Y ; oraz Nokię DX220. Zauważ, że niektóre z nich używają standardu BT zamiast CCA. Format danych jest podobny do BT, ale warstwa transportowa jest bardziej podobna do Telcordia Technologies, więc sprzęt północnoamerykański lub europejski ma większe szanse na wykrycie go.

Zobacz też

Bibliografia

Zewnętrzne linki