Множественная частотная манипуляция - Multiple frequency-shift keying

Полоса пропускания модуляция
Аналоговая модуляция
Цифровая модуляция
Иерархическая модуляция
Расширенный спектр
Смотрите также

Множественная частотная манипуляция (MFSK) является разновидностью частотная манипуляция (FSK), использующий более двух частот. MFSK - это форма M-арная ортогональная модуляция, где каждый символ состоит из одного элемента из алфавита ортогональных сигналов. M, размер алфавита, обычно представляет собой степень двойки, так что каждый символ представляет журнал2M бит.

  • M обычно от 2 до 64
  • Обычно также используется исправление ошибок

Основы

В M-арной системе сигнализации, такой как MFSK, устанавливается «алфавит» из M тонов, и передатчик выбирает по одному тону из алфавита для передачи. M обычно является степенью 2, поэтому каждая передача тона из алфавита представляет собой журнал2 M бит данных.

MFSK классифицируется как M-арный ортогональный схема сигнализации, потому что каждый из M фильтров обнаружения тона в приемнике реагирует только на свой тон, а не на другие; эта независимость обеспечивает ортогональность.

Как и другие M-арные ортогональные схемы, требуемая Eб/ N0 соотношение для данной вероятности ошибки уменьшается с увеличением M без необходимости когерентного обнаружения множества символов. Фактически, когда M приближается к бесконечности, требуемое Eб/ N0 отношение асимптотически убывает до Предел Шеннона -1,6 дБ. Однако это уменьшение происходит медленно с увеличением M, и большие значения нецелесообразны из-за экспоненциального увеличения требуемой полосы пропускания. Типичные значения на практике составляют от 4 до 64, и MFSK комбинируется с другим. упреждающее исправление ошибок схема для обеспечения дополнительной (систематической) выгоды от кодирования.

Спектральная эффективность схем модуляции MFSK уменьшается с увеличением порядка модуляции M:[1]

Как и любая другая форма угловая модуляция который передает один радиочастотный тон, который изменяется только по фазе или частоте, MFSK производит постоянный конверт. Это значительно упрощает конструкцию ВЧ-усилителя мощности, позволяя достичь большей эффективности преобразования, чем линейные усилители.

2-тональный MFSK

Можно объединить две системы MFSK для увеличения пропускной способности канала. Пожалуй, наиболее широко используемая двухтональная система MFSK - это двухтональный многочастотный (DTMF), более известный под торговой маркой AT&T Touch Tone. Другой - это Многочастотный (MF) схема, используемая в 20 веке для внутриполосной передачи сигналов на соединительных линиях между телефонными станциями. Оба являются примерами внутриполосный схемы сигнализации, т. е. они совместно используют канал связи пользователя.

Символы в алфавитах DTMF и MF отправляются в виде пар тонов; DTMF выбирает один тон из «высокой» группы и один из «низкой» группы, в то время как MF выбирает свои два тона из общего набора. DTMF и MF используют разные тональные частоты в основном для того, чтобы конечные пользователи не создавали помех межведомственной сигнализации. В 1970-х годах MF стали заменять цифровыми. внеполосная сигнализация, конверсия, частично мотивированная широко распространенным мошенническим использованием сигналов MF конечными пользователями, известными как телефонные мошенничества.

Эти сигналы различимы, когда их принимают на слух, как быстрая последовательность пар тонов с почти музыкальным качеством.[2]

Одновременная передача двух тонов непосредственно по RF теряет свойство постоянной огибающей однотональной системы. Два одновременных РЧ-сигнала - это классический "стресс-тест" ВЧ-усилителя мощности для измерения линейности и интермодуляционные искажения. Тем не менее, два звуковых тона могут быть отправлены одновременно в обычном режиме с постоянной огибающей. FM РФ, но некогерентное обнаружение FM-сигнала на приемнике разрушит любой сигнал-шум преимущество, которое может иметь многотональная схема.

MFSK в ВЧ связи

Skywave распространение на высокая частота полосы вносят случайные искажения, которые обычно меняются как во времени, так и по частоте. Понимание этих нарушений помогает понять, почему MFSK является таким эффективным и популярным методом на ВЧ.

Распространение задержки и ширина полосы когерентности

Когда существует несколько отдельных путей от передатчика к приемнику, возникает состояние, известное как многолучевость, они почти никогда не имеют одинаковой длины, поэтому они почти никогда не показывают одинаковую задержку распространения. Небольшие различия в задержке, или задержка распространения, размывают смежные символы модуляции вместе и вызывают нежелательные межсимвольная интерференция.

Разброс задержки обратно пропорционален его аналогу в частотной области, ширина полосы когерентности. Это частотный диапазон, в котором коэффициент усиления канала относительно постоянен. Это потому, что суммирование двух или более путей с разными задержками создает гребенчатый фильтр даже когда отдельные тракты имеют плоскую частотную характеристику.

Время когерентности и Доплеровское распространение

Затухание представляет собой (обычно случайное и нежелательное) изменение усиления пути со временем. Максимальная скорость замирания ограничена физикой канала, например скоростью, с которой свободные электроны образуются и рекомбинируются в ионосфере, и скоростями облака заряженных частиц в ионосфере. Максимальный интервал, в течение которого усиление канала не изменяется заметно, - это время согласованности.

Канал с замиранием фактически создает нежелательные случайные амплитудная модуляция по сигналу. Так же, как полоса пропускания преднамеренной AM увеличивается со скоростью модуляции, замирание расширяет сигнал по частотному диапазону, который увеличивается с увеличением скорости замирания. Это Доплеровское распространение, аналог времени когерентности в частотной области. Чем короче время когерентности, тем больше доплеровский разброс, и наоборот.

Проектирование MFSK для HF

При соответствующем выборе параметров MFSK может выдерживать значительные доплеровские разбросы или разбросы задержки, особенно при добавлении упреждающее исправление ошибок. (Смягчение большого количества доплеровских и распространение задержки значительно сложнее, но все же возможно). Большой разброс задержек с небольшим доплеровским расширением можно уменьшить с помощью относительно длинного периода символа MFSK, чтобы канал мог быстро «успокоиться» в начале каждого нового символа. Поскольку длинный символ содержит больше энергии, чем короткий для данной мощности передатчика, детектору легче достичь достаточно высокого сигнал-шум (SNR). Результирующее снижение пропускной способности может быть частично компенсировано большим набором тонов, так что каждый символ представляет несколько битов данных; длинный символьный интервал позволяет более плотно упаковывать эти тоны по частоте при сохранении ортогональности. Это ограничено экспоненциальным ростом размера набора тонов с увеличением числа битов данных / символ.

И наоборот, если доплеровский разброс велик, а разброс задержек мал, то более короткий период символа может позволить когерентное обнаружение тонов, и тона должны быть разнесены более широко, чтобы поддерживать ортогональность.

Наиболее сложный случай - это когда и задержка, и доплеровский разброс велики, т.е. ширина полосы когерентности и время когерентности малы. Это чаще встречается на полярное сияние и EME каналов, чем на ВЧ, но такое бывает. Короткое время когерентности ограничивает время символа или, точнее, максимальный интервал когерентного обнаружения на приемнике. Если энергия символа слишком мала для адекватного SNR для каждого символа при обнаружении, то альтернативой является передача символа, длина которого превышает время когерентности, но для его обнаружения с помощью фильтра, намного более широкого, чем тот, который соответствует переданному символу. (Вместо этого фильтр должен быть согласован с тональным спектром, ожидаемым на приемнике). Это захватит большую часть энергии символа, несмотря на доплеровское распространение, но обязательно будет делать это неэффективно. Также требуется более широкий интервал между тонами, то есть более широкий канал. В этом случае особенно полезно прямое исправление ошибок.

Схемы MFSK для ВЧ

Из-за большого разнообразия условий, обнаруживаемых на HF, для HF было разработано большое количество схем MFSK, некоторые из которых являются экспериментальными. Некоторые из них:

  • MFSK8
  • MFSK16
  • Оливия МФСК
  • Коклет
  • Пикколо
  • ALE (MIL-STD 188-141)
  • DominoF
  • DominoEX
  • THROB
  • CIS-36 MFSK или CROWD-36
  • XPA, XPA2

Piccolo был оригинальным режимом MFSK, разработанным для связи с правительством Великобритании Гарольдом Робином, Дональдом Бейли и Денисом Ральфом из Дипломатическая служба беспроводной связи (DWS), филиал Министерства иностранных дел и по делам Содружества. Впервые был использован в 1962 году. [3] и представлен IEE в 1963 году. Текущая спецификация "Piccolo Mark IV" все еще ограниченно использовалась правительством Великобритании, в основном для военной радиосвязи точка-точка, до конца 1990-х годов.[4][5]

Coquelet - аналогичная система модуляции, разработанная французским правительством для аналогичных приложений.[3]

MFSK8 и MFSK16 были разработаны Мюрреем Гринманом, ZL1BPU для любительской радиосвязи на ВЧ. Olivia MFSK также является радиолюбителем. Гринман также разработал DominoF и DominoEX для NVIS радиосвязь на верхних СЧ и нижних КВ частотах (1,8–7,3 МГц).

Автоматическое установление ссылки (ALE) - это протокол, разработанный военными США и используемый в основном как система автоматической передачи сигналов между радиостанциями. Он широко используется для военной и правительственной связи по всему миру и радиолюбителями.[6][требуется разъяснение ]Он стандартизирован как MIL-STD-188-141B,[7] который пришел на смену более старой версии MIL-STD-188-141A.

«СНГ-36 МФСК» или «ТОЛПА-36» (русский: Сердолик) - это западное обозначение системы, аналогичной системе Piccolo, разработанной в бывшем Советском Союзе для военной связи.[8] [9] [10]

«XPA» и «XPA2» - это ENIGMA-2000. [11] обозначения политонных переходов, которые, как сообщается, исходят от станций российской разведки и министерства иностранных дел.[12][13] Недавно систему также называли «МФСК-20».

УКВ и УВЧ связь

Режимы MFSK, используемые для УКВ, УВЧ коммуникации:

  • DTMF
  • FSK441
  • JT6M
  • JT65
  • PI4

FSK441, JT6M и JT65 являются частями WSJT семейство или системы радиомодуляции, разработанные Джо Тейлор, K1JT, для междугородной радиолюбительской УКВ-связи в условиях маргинального распространения. Эти специализированные системы модуляции MFSK используются на радиотрассах тропосферного рассеяния, EME (Земля-Луна-Земля) и метеорассеяния.

PI4[14] - это цифровой режим, специально разработанный для радиомаяков VUSHF и исследований распространения радиоволн. Этот режим был разработан в рамках проекта Next Generation Beacons среди других, используемых старейшим любительским радиомаяком в мире. OZ7IGY. Декодер для PI4 доступен в программе PI-RX, разработанной Полом-Эриком Хансеном, OZ1CKG.

DTMF изначально разрабатывался для сигнализации телефонных линий. Он часто используется для приложений телеуправления (дистанционного управления) по голосовым каналам VHF и UHF.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Хайкин, С., 2001. Системы связи, John Wiley & Sons. Inc. - стр. 402
  2. ^ Скальский, С .; Чейс, М. (1999). «Часто задаваемые вопросы по цифровым сигналам (версия 5), раздел 1-D». Всемирная коммунальная сеть (WUN). Получено 2012-11-27.
  3. ^ а б Гринман, М .; ЗЛ1БПУ (2005 г.). «Мир нечетких и цифровых режимов». Архивировано из оригинал 24 апреля 2009 г.. Получено 2008-01-06.
  4. ^ Клингенфус Дж. (2003). Руководство по коду радиоданных (17-е изд.). Klingenfuss Publications. п. 163. ISBN  3-924509-56-5.
  5. ^ Кэннон, Майкл (1994). Подслушивание британских военных. Дублин, Эйре: Cara Press. С. 103–104.
  6. ^ Клингенфус Дж. (2003). Руководство по коду радиоданных (17-е изд.). Klingenfuss Publications. С. 72–78. ISBN  3-924509-56-5.
  7. ^ "MIL-STD 188-141B" (PDF). Правительство США.
  8. ^ Клингенфус Дж. (2003). Руководство по коду радиоданных (17-е изд.). Klingenfuss Publications. п. 91. ISBN  3-924509-56-5.
  9. ^ Скальский, С .; Чейс, М. (1999). «Часто задаваемые вопросы по цифровым сигналам (версия 5), таблица 5-E». Всемирная коммунальная сеть (WUN). Получено 2012-11-27.
  10. ^ Ян Рэйт (2012-06-29). "CROWD36". Получено 2017-07-30.
  11. ^ Для получения информации о ENIGMA и ENIGMA-2000 см. Раздел «Примечания и ссылки» в Письмо маяк.
  12. ^ Бомонт, П. (май 2008 г.). «Неуменьшенное (Atencion Uno Dos Tres)». Ежемесячный мониторинг. 3 (5): 69. ISSN  1749-7809.
  13. ^ Бомонт, П. (июль 2008 г.). «Русский Интел (Atencion Uno Dos Tres)». Ежемесячный мониторинг. 3 (7): 69. ISSN  1749-7809.
  14. ^ PI4

дальнейшее чтение