Wielokrotne kluczowanie z przesunięciem częstotliwości - Multiple frequency-shift keying

Wielokrotne kluczowanie z przesunięciem częstotliwości ( MFSK ) to odmiana kluczowania z przesunięciem częstotliwości (FSK), która wykorzystuje więcej niż dwie częstotliwości. MFSK jest formą modulacji ortogonalnej typu M-ary , w której każdy symbol składa się z jednego elementu z alfabetu przebiegów ortogonalnych. M, rozmiar alfabetu, jest zwykle potęgą dwójki, tak że każdy symbol reprezentuje log 2 M bitów.

  • M wynosi zwykle od 4 do 64
  • Generalnie stosuje się również korekcję błędów

Podstawy

W systemie sygnalizacji typu M-ary, takim jak MFSK, ustalany jest „alfabet” tonów M, a nadajnik wybiera na raz jeden ton z alfabetu do transmisji. M jest zwykle potęgą 2, więc każda transmisja tonu z alfabetu reprezentuje log 2 M bitów danych.

MFSK jest sklasyfikowany jako M-arny schemat sygnalizacji ortogonalnej , ponieważ każdy z filtrów wykrywania tonu M w odbiorniku odpowiada tylko na swój ton, a nie na inne; ta niezależność zapewnia ortogonalność.

Podobnie jak w innych systemach prostopadłych M-ary wymagany e b / N 0 stosunku dla danego prawdopodobieństwa błędu maleje wraz ze wzrostem M bez konieczności wielokrotny detekcji koherentnej. W rzeczywistości zbliża się do nieskończoności, jak M wymagane e b / N 0 stosunek zmniejsza się asymptotycznie do granicy Shannona o -1,6 dB . Jednak ten spadek jest powolny wraz ze wzrostem M, a duże wartości są niepraktyczne ze względu na wykładniczy wzrost wymaganej szerokości pasma. Typowe wartości w praktyce wahają się od 4 do 64, a MFSK jest połączony z innym schematem korekcji błędów w przód , aby zapewnić dodatkowe (systematyczne) wzmocnienie kodowania.  

Efektywność widmowa schematów modulacji MFSK maleje wraz ze wzrostem rzędu modulacji M :

Jak każda inna forma modulacji kąta, która transmituje pojedynczy ton RF, który zmienia się tylko w fazie lub częstotliwości, MFSK wytwarza stałą obwiednię . To znacznie rozluźnia konstrukcję wzmacniacza mocy RF, pozwalając mu osiągnąć większą wydajność konwersji niż wzmacniacze liniowe.

2-tonowy MFSK

Możliwe jest połączenie dwóch systemów MFSK w celu zwiększenia przepustowości łącza. Być może najczęściej używanym 2-tonowym systemem MFSK jest dwutonowy system wieloczęstotliwościowy (DTMF), lepiej znany pod znakiem towarowym AT&T „Touch Tone”. Innym jest Wieloczęstotliwościowy (MF) program używany w 20 wieku w paśmie sygnalizację na pniach pomiędzy centralami telefonicznymi. Oba są przykłady w paśmie systemów sygnalizacyjnych, tj dzielą kanał komunikacji użytkownika.

Symbole w alfabetach DTMF i MF są przesyłane jako pary tonów; DTMF wybiera jeden ton z grupy „wysokiej” i jeden z grupy „niskiej”, podczas gdy MF wybiera dwa tony ze wspólnego zestawu. DTMF i MF wykorzystują różne częstotliwości tonowe, głównie po to, aby użytkownicy końcowi nie zakłócali sygnalizacji między biurami. W latach siedemdziesiątych MF zaczęto zastępować cyfrową sygnalizacją pozapasmową , konwersją motywowaną częściowo powszechnym nieuczciwym wykorzystaniem sygnałów MF przez użytkowników końcowych, znanych jako phreaks .

Sygnały te są charakterystyczne, gdy są odbierane dźwiękowo jako szybkie następstwo par tonów o niemal muzycznej jakości.

Jednoczesna transmisja dwóch tonów bezpośrednio w RF traci właściwość stałej obwiedni systemu jednotonowego. Dwa jednoczesne tony RF to w rzeczywistości klasyczny „test warunków skrajnych” wzmacniacza mocy RF do pomiaru liniowości i zniekształceń intermodulacyjnych . Jednak dwa tony audio mogą być wysyłane jednocześnie na konwencjonalnej nośnej FM RF o stałej obwiedni , ale niekoherentne wykrycie sygnału FM w odbiorniku zniszczy jakąkolwiek przewagę stosunku sygnału do szumu, jaką może mieć schemat wielotonowy.

MFSK w komunikacji HF

Propagacja fal Skywave w pasmach wysokich częstotliwości wprowadza losowe zniekształcenia, które generalnie zmieniają się zarówno w czasie, jak i częstotliwości. Zrozumienie tych upośledzeń pomaga zrozumieć, dlaczego MFSK jest tak skuteczną i popularną techniką na HF.

Opóźnienie rozprzestrzeniania się i koherencji pasma

Gdy istnieje kilka oddzielnych ścieżek od nadajnika do odbiornika, stan znany jako wielościeżkowy , prawie nigdy nie mają one dokładnie tej samej długości, więc prawie nigdy nie wykazują takiego samego opóźnienia propagacji. Małe różnice opóźnień lub rozproszenie opóźnienia rozmazują sąsiednie symbole modulacji razem i powodują niepożądane zakłócenia międzysymbolowe .

Rozprzestrzenianie się opóźnienia jest odwrotnie proporcjonalne do jego odpowiednika w dziedzinie częstotliwości, pasma koherencji . Jest to zakres częstotliwości, w którym wzmocnienie kanału jest względnie stałe. Dzieje się tak, ponieważ zsumowanie dwóch lub więcej ścieżek z różnymi opóźnieniami tworzy filtr grzebieniowy, nawet jeśli poszczególne ścieżki mają płaską charakterystykę częstotliwościową.

Czas koherencji i rozproszenie Dopplera

Fading to (zwykle losowa i niepożądana) zmiana wzmocnienia ścieżki w czasie. Maksymalna szybkość zanikania jest ograniczona fizyką kanału, taką jak szybkość formowania się wolnych elektronów i ich rekombinacji w jonosferze oraz prędkości chmur naładowanych cząstek w jonosferze. Maksymalnym przedziałem, w którym wzmocnienie kanału nie zmienia się znacząco, jest czas koherencji .

Zanikający kanał skutecznie narzuca niechcianą losową modulację amplitudy na sygnał. Podobnie jak szerokość pasma celowego AM wzrasta wraz z szybkością modulacji, zanikanie rozprzestrzenia sygnał w zakresie częstotliwości, który wzrasta wraz z szybkością zanikania. Jest to rozproszenie Dopplera , odpowiednik czasu koherencji w domenie częstotliwości. Im krótszy czas koherencji, tym większe rozproszenie Dopplera i odwrotnie.

Projektowanie MFSK dla HF

Przy odpowiednim doborze parametrów, MFSK może tolerować znaczne rozproszenia Dopplera lub opóźnienia, zwłaszcza gdy jest wzbogacone o korekcję błędów w przód . (Złagodzenie dużych ilości Dopplera i rozprzestrzeniania się opóźnienia jest znacznie trudniejsze, ale nadal jest możliwe). Długie rozproszenie opóźnienia z niewielkim rozproszeniem Dopplera można złagodzić za pomocą stosunkowo długiego okresu symbolu MFSK, aby umożliwić kanałowi szybkie "ustabilizowanie się" na początku każdego nowego symbolu. Ponieważ długi symbol zawiera więcej energii niż krótki dla danej mocy nadajnika, detektor może łatwiej osiągnąć wystarczająco wysoki stosunek sygnału do szumu (SNR). Wynikające z tego zmniejszenie przepustowości może być częściowo skompensowane dużym zestawem tonów, tak że każdy symbol reprezentuje kilka bitów danych; długi interwał symboli pozwala na bliższe upakowanie tych tonów w częstotliwości przy zachowaniu ortogonalności. Jest to ograniczone przez wykładniczy wzrost rozmiaru zestawu tonów wraz z liczbą bitów danych/symbolu.

Odwrotnie, jeżeli rozproszenie Dopplera jest duże, podczas gdy rozproszenie opóźnienia jest małe, wtedy krótszy okres symbolu może pozwolić na detekcję spójnego tonu i tony muszą być rozmieszczone szerzej, aby zachować ortogonalność.

Najtrudniejszym przypadkiem jest sytuacja, gdy oba opóźnienia i rozproszenia Dopplera są duże, tj. pasmo koherencji i czas koherencji są małe. Jest to bardziej powszechne na kanałach zorzowych i EME niż na HF, ale może się zdarzyć. Krótki czas koherencji ogranicza czas symbolu, a dokładniej maksymalny interwał wykrywania koherencji w odbiorniku. Jeżeli energia symbolu jest zbyt mała dla odpowiedniego SNR wykrywania dla każdego symbolu, wówczas jedną alternatywą jest przesłanie symbolu dłuższego niż czas koherencji, ale wykrycie go z filtrem znacznie szerszym niż filtr dopasowany do transmitowanego symbolu. (Filtr powinien być dopasowany do widma tonu oczekiwanego w odbiorniku). To przechwyci większość energii symbolu pomimo rozprzestrzeniania się Dopplera, ale z konieczności będzie to robić nieefektywnie. Wymagany jest również szerszy odstęp między tonami, tj. szerszy kanał. W tym przypadku szczególnie pomocna jest korekcja błędów w przód.

Schematy MFSK dla HF

Ze względu na dużą różnorodność warunków występujących w HF, dla HF opracowano wiele różnych schematów MFSK, niektóre z nich eksperymentalne. Niektórzy z nich są:

  • MFSK8
  • MFSK16
  • Olivia MFSK
  • Kokielet
  • Pikolo
  • ALE (MIL-STD 188-141)
  • DominoF
  • DominoEX
  • PULSOWAĆ
  • CIS-36 MFSK lub CROWD-36
  • XPA, XPA2

Piccolo był oryginalnym trybem MFSK, opracowanym na potrzeby komunikacji rządu brytyjskiego przez Harolda Robina, Donalda Baileya i Denisa Ralphsa z Diplomatic Wireless Service (DWS), oddziału Ministerstwa Spraw Zagranicznych i Wspólnoty Narodów. Został po raz pierwszy użyty w 1962 roku i przedstawiony IEE w 1963 roku. Obecna specyfikacja „Piccolo Mark IV” była nadal w ograniczonym użyciu przez rząd Wielkiej Brytanii, głównie do wojskowej łączności radiowej punkt-punkt, aż do końca lat 90-tych.

Coquelet to podobny system modulacji opracowany przez rząd francuski do podobnych zastosowań.

MFSK8 i MFSK16 zostały opracowane przez Murraya Greenmana, ZL1BPU dla amatorskiej komunikacji radiowej na HF. Olivia MFSK to także tryb radia amatorskiego. Greenman opracował również DominoF i DominoEX do komunikacji radiowej NVIS na wyższych częstotliwościach MF i niższych HF (1,8-7,3 MHz).

Automatyczne ustanawianie łącza (ALE) to protokół opracowany przez wojsko Stanów Zjednoczonych i używany głównie jako automatyczny system sygnalizacji między radiotelefonami. Jest szeroko stosowany w komunikacji wojskowej i rządowej na całym świecie oraz przez radioamatorów. Jest standaryzowany jako MIL-STD-188-141B, który zastąpił starszą wersję MIL-STD-188-141A.

„CIS-36 MFSK” lub „CROWD-36” ( ros . Сердолик ) to zachodnie oznaczenie systemu komunikacji wojskowej podobnego do Piccolo opracowanego w byłym Związku Radzieckim.

„XPA” i „XPA2” to oznaczenia ENIGMA-2000 dla transmisji politonicznych, pochodzące podobno ze stacji rosyjskiego wywiadu i Ministerstwa Spraw Zagranicznych. Ostatnio system był również określany jako „MFSK-20”.

Łączność VHF i UHF

Tryby MFSK używane do komunikacji VHF , UHF :

  • DTMF
  • FSK441
  • JT6M
  • JT65
  • PI4

FSK441, JT6M i JT65 są częściami rodziny WSJT lub systemów modulacji radiowej, opracowanych przez Joe Taylora, K1JT , dla amatorskiej łączności radiowej VHF na duże odległości w warunkach marginalnej propagacji. Te wyspecjalizowane systemy modulacji MFSK są używane na ścieżkach radiowych z rozproszeniem tropo, EME (ziemia-księżyc-ziemia) i rozproszeniem meteorów.

PI4 to tryb cyfrowy zaprojektowany specjalnie do badań radiolatarni VUSHF i propagacji. Tryb został opracowany w ramach projektu Next Generation Beacons wykorzystywanego m.in. przez najstarszy amatorski beacon na świecie OZ7IGY . Dekoder dla PI4 jest dostępny w programie PI-RX opracowanym przez Poul-Erik Hansen, OZ1CKG.

DTMF został początkowo opracowany do sygnalizacji linii telefonicznej. Jest często używany do zastosowań telekomunikacyjnych (zdalnego sterowania) za pośrednictwem kanałów głosowych VHF i UHF.

Zobacz też

Bibliografia

Dalsza lektura