Введение

Протокол модуляции для передачи данных. Частотная манипуляция (FSK) — это схема частотной модуляции, в которой цифровая информация кодируется на несущем сигнале путем периодического изменения частоты несущей между несколькими дискретными частотами. Эта технология используется в системах связи, таких как телеметрия, радиозонды метеорологических шаров, определитель номера вызывающего абонента, автоматические открыватели ворот и низкочастотная радиосвязь в диапазонах VLF и ELF. Самый простой вид FSK — это бинарная частотная манипуляция (BFSK, которую также часто называют 2FSK или 2 FSK), в которой несущая переключается между двумя дискретными частотами для передачи двоичной информации (0 и 1).

Модулирование и демодулирование

Референтные реализации FSK-модемов существуют и подробно документированы. Демодуляция бинарного сигнала FSK может быть выполнена с высокой эффективностью с использованием алгоритма Герцеля, даже на микроконтроллерах с низким энергопотреблением.

Гауссовское переключение частоты

Вместо прямой модуляции частоты цифровыми символами данных, "мгновенно" изменяя частоту в начале каждого периода символа, гауссовское частотное переключение (GFSK) фильтрует импульсы данных с помощью гауссовского фильтра для сглаживания переходов. Этот фильтр позволяет снизить мощность боковых полос и уменьшить помехи соседним каналам, но при этом увеличивает межсимвольные помехи. Он используется в протоколе Improved Layer 2, DECT, Bluetooth, Cypress WirelessUSB, Nordic Semiconductor, Texas Instruments, IEEE 802.15.4, Z Wave и устройствах Wavenis. Для базовой скорости передачи данных Bluetooth минимальное отклонение составляет 115 кГц. Модулятор GFSK отличается от простого модулятора частотной манипуляции в том, что перед подачей базовой полосы (с уровнями −1 и +1) на модулятор FSK, она проходит через гауссовский фильтр для сглаживания переходов и ограничения спектральной ширины. Гауссовская фильтрация – стандартный способ уменьшения спектральной ширины, в данном применении она называется формированием импульсов. В обычном FSK без фильтрации, при переключении от −1 к +1 или от +1 к −1, модулируемая форма сигнала изменяется резко, что приводит к широкому внеполосному спектру. Если импульс при переходе от −1 к +1 изменяется как −1, −0,98, −0,93, , +0,93, +0,98, +1, и этот сглаженный импульс используется для определения частоты несущей, то внеполосный спектр будет уменьшен.

Настройка минимальной смены

Минимальная частотная манипуляция с минимальным сдвигом (MSK) — это особая спектроэффективная форма когерентной ЧФМ. В MSK разница между верхней и нижней частотами равна половине битовой скорости. Следовательно, формы сигналов, представляющие биты 0 и 1, отличаются ровно на половину периода несущей. Максимальное отклонение частоты составляет δ = 0,25 fm, где fm — максимальная модулирующая частота. В результате индекс модуляции m равен 0,5. Это наименьший индекс модуляции ЧФМ, который можно выбрать таким образом, чтобы сигналы для 0 и 1 были ортогональны.

Гауссовское настройка с минимальными сдвигами

Вариант MSK, известный как гауссовский минимальный сдвиг фазы (GMSK), используется в стандарте мобильной связи GSM.

Клавиатура сдвига частоты звука

Аудиочастотная фазовая манипуляция (AFSK) — это метод модуляции, при котором цифровые данные представляются изменениями частоты (высоты тона) звукового сигнала, создавая кодированный сигнал, пригодный для передачи по радио или телефону. Обычно передаваемый аудиосигнал переключается между двумя тонами: один, называемый "маркировкой", представляет собой двоичную единицу, а другой, называемый "пробелом", — двоичный ноль. AFSK отличается от обычной частотной манипуляции тем, что модуляция выполняется на базовых частотах. В радиоприложениях модулированный сигнал AFSK обычно используется для модуляции радиочастотного несущего сигнала (с использованием стандартной техники, такой как AM или FM) для передачи. AFSK не всегда используется для высокоскоростной передачи данных, поскольку он значительно менее эффективен по мощности и полосе пропускания, чем большинство других методов модуляции. Однако, помимо простоты, AFSK имеет преимущество в том, что кодированные сигналы могут проходить через каналы связи с гальванической развязкой, включая большинство оборудования, изначально предназначенного для передачи музыки или речи. AFSK используется в американской Системе экстренного оповещения для уведомления станций о типе чрезвычайной ситуации, затронутых районах и времени выпуска оповещения, без фактического воспроизведения текста сообщения.

Многоуровневое переключение частоты

Радиостанции фазы 1 в системе Project 25 используют 4-уровневую частотную манипуляцию (4FSK).

Приложения

В 1910 году Реджинальд Фессенден изобрел двухтоновый метод передачи азбуки Морзе. Точки и тире были заменены различными тонами одинаковой длительности. Целью было минимизировать время передачи. Некоторые ранние передатчики непрерывной волны (CW) использовали дуговой преобразователь, который было неудобно включать и выключать. Вместо включения и выключения дуги, ключ незначительно изменял частоту передатчика, используя технику, известную как метод компенсационной волны. Компенсационная волна не использовалась на приемной стороне. Передатчики с искровым разрядом, использовавшиеся для этого метода, потребляли большую полосу пропускания и создавали помехи, поэтому к 1921 году от него отказались. Большинство ранних модемов для телефонных линий использовали частотную манипуляцию (AFSK) для отправки и приема данных со скоростью до 1200 бит в секунду. Модемы Bell 103 и Bell 202 использовали эту технику. Даже сегодня в Северной Америке идентификация вызывающего абонента использует AFSK со скоростью 1200 бод в соответствии со стандартом Bell 202. Некоторые ранние микрокомпьютеры использовали специфическую форму модуляции AFSK, стандарт Канзас-Сити, для хранения данных на аудиокассетах. AFSK до сих пор широко используется в любительском радио, поскольку позволяет передавать данные через стандартное голосовое оборудование. AFSK также используется в системе экстренного оповещения США для передачи предупреждающей информации. Он используется с более высокой скоростью передачи данных для Weathercopy, используемого на Weatheradio NOAA в США.

Канадская коротковолновая радиостанция CHU в Оттаве, провинция Онтарио, вещает эксклюзивный цифровой часовой сигнал, закодированный с использованием модуляции AFSK.

Идентификация вызова и стандарты дистанционного измерения

Частотная манипуляция (FSK) широко используется в телефонных линиях для определения номера вызывающего абонента (отображения номера телефона вызывающего) и приложений дистанционного учета. Существует несколько вариантов этой технологии.

Европейский институт телекоммуникационных стандартов

В некоторых странах Европы стандарты 200 778 1 и 2 Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI), заменяющие 300 778 1 и 2, допускают использование 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 систему Dual tone multi frequency (DTMF) и режим без вызова для снятия показаний счетчиков и подобных целей. Это скорее констатация факта существования различных типов, чем попытка установить единый "стандарт".

"Телкордия Технолоджис"

Стандарт Telcordia Technologies (ранее Bellcore) используется в Соединенных Штатах, Канаде (но см. ниже), Австралии, Китае, Гонконге и Сингапуре. Он передает данные после первого сигнала вызова и использует тональную модуляцию Bell 202 со скоростью 1200 бит в секунду. Данные могут передаваться в формате SDMF, который включает дату, время и номер вызывающего абонента, или в формате MDMF, который добавляет поле ИМЯ.

Британская телекоммуникация

British Telecom (BT) в Соединенном Королевстве разработала собственный стандарт, который активирует дисплей путем инверсии линии, а затем передает данные в виде тонов модема CCITT v.23 в формате, аналогичном MDMF. Он используется компанией BT, беспроводными сетями, такими как Ionica, и некоторыми кабельными компаниями. Подробную информацию можно найти в информационных записках для поставщиков BT (SINs) 227 (ссылка недействительна с 28.07.21) и 242 (ссылка недействительна с 28.07.21); дополнительный полезный документ – "Проектирование системы передачи информации об идентификаторе вызывающего абонента с использованием XR 2211 для BT", доступный на веб-сайте EXAR.

Ассоциация кабельной связи

Ассоциация кабельных коммуникаций (CCA) Соединенного Королевства разработала собственный стандарт, который передает информацию после короткого первого звонка, используя тоны Bell 202 или V.23. Они разработали новый стандарт вместо того, чтобы модифицировать некоторые "уличные шкафы" (мультиплексоры), которые не поддерживали стандарт BT. В кабельной индустрии Великобритании используется ряд коммутаторов: большинство – Nortel DMS 100, некоторые – System X, System Y и Nokia DX220. Следует отметить, что некоторые из них используют стандарт BT, а не стандарт CCA. Формат данных аналогичен стандарту BT, но транспортный уровень ближе к стандартам Telcordia Technologies, поэтому оборудование из Северной Америки или Европы с большей вероятностью сможет его распознать.