Введение

Ключевая многочастотная манипуляция (MFSK) – это разновидность частотной манипуляции (FSK), использующая более двух частот. MFSK является формой M-арной ортогональной модуляции, где каждый символ состоит из одного элемента из алфавита ортогональных сигналов. M, размер алфавита, обычно является степенью двойки, так что каждый символ представляет log2M битов. M обычно находится в диапазоне от 4 до 64.
Как правило, также используется коррекция ошибок.

2-тонный МФСК

Для увеличения пропускной способности канала связи можно комбинировать две системы MFSK. Вероятно, наиболее распространенной двухтональной системой MFSK является система многочастотной двойной тональности (DTMF), более известная под товарным знаком AT&T "Touch Tone". Другой пример – многочастотная (MF) схема, использовавшаяся в течение 20-го века для внутриканальной сигнализации на магистральных линиях между телефонными станциями. Обе являются примерами схем сигнализации в полосе, то есть используют тот же канал связи, что и пользователь. Символы в алфавитах DTMF и MF передаются в виде пар тонов: DTMF выбирает один тон из "высокой" группы и один из "низкой", а MF выбирает два тона из общего набора. DTMF и MF используют различные частоты тонов главным образом для предотвращения помех от конечных пользователей для внутристанционной сигнализации. В 1970-х годах MF начали заменять цифровой внеполосной сигнализацией, что было частично обусловлено широким распространением мошеннического использования MF-сигналов конечными пользователями, известными как телефонные фрики. Эти сигналы легко узнаваемы при прослушивании как быстрая последовательность пар тонов, обладающая почти музыкальным качеством. Одновременная передача двух тонов непосредственно на радиочастоте (RF) приводит к потере свойства постоянной огибающей, характерного для системы с одним тоном. Два одновременных RF-тона фактически являются классическим "стресс-тестом" для RF-усилителя мощности, предназначенным для измерения линейности и интермодуляционных искажений. Однако два звуковых тона могут быть переданы одновременно на обычном FM-носителе с постоянной огибающей, но некогерентное детектирование FM-сигнала на приемнике сведет на нет любое преимущество в отношении отношения сигнал/шум, которое могла бы обеспечить многотоновая схема.

MFSK в связи на высокой частоте

Распространение радиоволн через небесную волну в высоких частотных диапазонах вносит случайные искажения, которые обычно изменяются как во времени, так и по частоте. Понимание этих искажений помогает понять, почему MFSK является такой эффективной и популярной техникой в диапазоне высоких частот.

Распределение задержки и полоса когерентности

Когда существует несколько отдельных путей от передатчика к приемнику, возникает явление, известное как многолучевое распространение. Эти пути почти никогда не имеют абсолютно одинаковой длины, и, следовательно, почти никогда не демонстрируют одинаковую задержку распространения сигнала. Небольшие различия во времени задержки, или разброс задержки, приводят к размытию соседних символов модуляции и вызывают нежелательную межсимвольную интерференцию. Разброс задержки обратно пропорционален когерентной полосе пропускания – частотному диапазону, в котором коэффициент передачи канала остается относительно постоянным. Это происходит потому, что суммирование двух или более путей с различными задержками формирует гребенчатый фильтр, даже если каждый отдельный путь имеет плоскую частотную характеристику.

Время когерентности и доплеровское распределение

Исчезновение – это (обычно случайное и нежелательное) изменение коэффициента затухания сигнала с течением времени. Максимальная скорость затухания ограничена физикой канала, такой как скорость образования и рекомбинации свободных электронов в ионосфере и скорости движения облаков заряженных частиц в ионосфере. Максимальный интервал времени, в течение которого коэффициент затухания канала практически не изменяется, называется временем когерентности. Канал с затуханием эффективно накладывает на сигнал нежелательную случайную амплитудную модуляцию. Подобно тому, как полоса пропускания намеренной АМ увеличивается с ростом скорости модуляции, затухание расширяет сигнал по диапазону частот, который увеличивается с ростом скорости затухания. Это доплеровское расширение – аналог времени когерентности в частотной области. Чем меньше время когерентности, тем больше доплеровское расширение, и наоборот.

Проектирование МФСК для НФ

При правильном выборе параметров MFSK может выдерживать значительные доплеровские сдвиги или разброс задержки, особенно при использовании прямой коррекции ошибок. (Снижение значительных доплеровских сдвигов и разброса задержки значительно сложнее, но всё же возможно). Большой разброс задержки при небольшом доплеровском сдвиге можно уменьшить, используя относительно длительный период символа MFSK, чтобы канал мог быстро "установиться" в начале каждого нового символа. Поскольку длинный символ содержит больше энергии, чем короткий при заданной мощности передатчика, детектор может легче достичь достаточного отношения сигнал/шум (SNR). Результирующее снижение пропускной способности можно частично компенсировать большим набором тонов, чтобы каждый символ представлял несколько битов данных; длительный интервал символа позволяет более плотно упаковать эти тоны по частоте, сохраняя при этом ортогональность. Это ограничено экспоненциальным ростом размера набора тонов с увеличением количества битов данных на символ. И наоборот, если доплеровский сдвиг велик, а разброс задержки мал, то более короткий период символа может обеспечить когерентное обнаружение тона, и тоны должны быть расположены дальше друг от друга для поддержания ортогональности. Наиболее сложный случай – когда разброс задержки и доплеровский сдвиг велики, то есть и полоса когерентности, и время когерентности малы. Это чаще встречается на каналах, связанных с полярными сияниями и EME, чем на КВ, но такое тоже может произойти. Короткое время когерентности ограничивает длительность символа, или, точнее, максимальный интервал когерентного обнаружения на приемнике. Если энергия символа слишком мала для обеспечения адекватного SNR при обнаружении символа, то одним из решений является передача символа, длительность которого превышает время когерентности, но его обнаружение с помощью фильтра, значительно более широкого, чем фильтр, согласованный с переданным символом. (Вместо этого фильтр должен быть согласован со спектром тонов, ожидаемым на приемнике). Это позволит захватить большую часть энергии символа, несмотря на доплеровский сдвиг, но неизбежно сделает это неэффективно. Также требуется большее расстояние между тонами, то есть более широкий канал. В этом случае особенно полезна прямая коррекция ошибок.