Фск система: АФК «Система» — Системный подход к инвестициям

2.6: Частотная манипуляция, FSK

1. Последнее обновление

2. Сохранить как PDF

• Майкл Стир
• Университет штата Северная Каролина

Частотная манипуляция (FSK) — это одна из простейших форм цифровой модуляции, при которой частота передаваемого сигнала в тактовом импульсе указывает на символ, обычно представляющий собой один или два бита. Двоичная FSK (BFSK) показана на рисунке 2.5.2(d). Его можно реализовать, подав дискретный сигнал на вход генератора, управляемого напряжением, и поэтому он идеально подходил для раннего цифрового радио, поскольку были доступны простые высокопроизводительные FM-модуляторы. Модуляция FSK с четырьмя состояниями используется в стандарте сотовой связи GSM 2G, устаревшем стандарте, который все еще широко поддерживается современными сотовыми радиостанциями, а иногда и единственной модуляцией, поддерживаемой инфраструктурой (например, базовыми станциями) в некоторых регионах, где модернизация старых установок экономически нецелесообразна. .

2.6.1 Основы модуляции FSK

Схема системы бинарной модуляции FSK показана на рисунке \(\PageIndex{1}\). Здесь двоичный битовый поток фильтруется фильтром нижних частот и используется для управления модулятором FSK, одна из реализаций которого сдвигает частоту генератора в соответствии с напряжением сигнала основной полосы частот. Эта функция может быть достигнута с помощью схемы VCO или PLL, а для приема сигнала может использоваться демодулятор FM. Другой характерной особенностью FSK является то, что амплитуда модулированного сигнала постоянна, поэтому можно использовать эффективные насыщающие (и, следовательно, нелинейные) усилители, не опасаясь искажения частоты. Неудивительно, что FSK была первой формой цифровой модуляции, используемой в мобильном цифровом радио. Конкретная реализация FSK — Минимальная манипуляция сдвига ( MSK ), в которой используется низкочастотный фильтр основной полосы частот, благодаря чему переходы из одного состояния в другое являются плавными во времени и ограничивают полосу пропускания модулируемого сигнала.

Диаграмма созвездия часто рассматривается как векторная диаграмма, и эта аналогия работает в большинстве случаев, но не работает для модуляции FSK. Векторная диаграмма описывает вектор с фиксированной частотой. Если вектор очень медленно модулируется по фазе и/или по амплитуде, то это приближение является хорошим. Модуляция FSK не может быть представлена ​​на векторной диаграмме, так как информация содержится в частоте в тактах часов, а не в фазе и/или амплитуде вектора. Символы модуляции FSK с двумя и четырьмя состояниями показаны на рисунке \(\PageIndex{2}\), которые называются диаграммами созвездия.

В качестве примера рассмотрим FSK-модулированный сигнал с полосой пропускания \(200\text{кГц}\) и несущей на частоте \(1\text{ГГц}\) (это примерно соответствует сотовой системе 2G GSM) . Это пропускная способность \(0,02\%\), поэтому вектор меняется очень медленно. Переход от одного состояния FSK к другому занимает от \(1230\) до \(3692\)

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Система модуляции с частотной манипуляцией (FSK). В сотовой системе GSM с четырьмя состояниями соседние точки созвездия отличаются по частоте на \(33,25\text{кГц}\).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Диаграммы созвездия модуляции FSK. В FSK с двумя состояниями символ указывает, является ли бит «\(0\)» или «\(1\)». В FSK с четырьмя состояниями есть четыре символа, и каждый символ имеет разную частоту и указывает значения двух битов.

ВЧ тактов в зависимости от разности частот перехода от одного символа к другому. С несущей \(1\text{ГГц}\) частоты четырех символов равны \((1\text{ГГц} — 33,25\text{кГц}),\: (1\text{ГГц} — 16,62\ text{кГц}),\: (1\text{ГГц} + 16,62\text{кГц}),\) и \((1\text{ГГц} + 33,25\text{кГц})\). Это может показаться очень небольшой разницей в частоте, но аппаратное обеспечение базовой станции и телефона может легко достичь разрешения по частоте в несколько герц на частоте \(1\text{ГГц}\). При попытке представить модуляцию FSK на диаграмме псевдофазора частота аппроксимируется как фиксированная, а максимальный сдвиг реальной частоты произвольно принимается как значительный сдвиг псевдофазора.

В FSK состояния обведены кружком на диаграмме созвездия (см. рисунок \(\PageIndex{2}\)), а FSK с двумя состояниями показан на рисунке \(\PageIndex{2}\)(a) и FSK с четырьмя состояниями, показанный на рисунке \(\PageIndex{2}\)(b). Обратите внимание, что диаграмма созвездия указывает на то, что амплитуда вектора постоянна, поскольку модуляция FSK является формой модуляции FM. Рассмотрим FSK с четырьмя состояниями более внимательно. Существует четыре частотных состояния в диапазоне от низкочастотного до высокочастотного состояния, как показано на рисунке \(\PageIndex{2}\)(b). В модуляции FSK с четырьмя состояниями переход из низкочастотного состояния в высокочастотное состояние занимает в три раза больше времени, чем переход между соседними состояниями. Хотя состояния «\(01\)» и «\(11\)» кажутся соседними, в действительности частотный переход должен проходить через другие частотные состояния. Фильтрация модулирующего сигнала необходима для минимизации полосы пропускания модулированного сигнала ЧМн с четырьмя состояниями. Это снижает эффективность модуляции ниже теоретического максимума \(2\text{бит/с/Гц}\).

Подводя итог, можно сказать, что существуют небольшие несоответствия и произвол в использовании векторной диаграммы для FSK, но FSK имеет определенную диаграмму созвездия, которая тесно связана с векторной диаграммой, но не идентична ей. Еще одно отличие состоит в том, что векторная диаграмма зависит от амплитуды РЧ-сигнала, в то время как диаграмма созвездия постоянно перенормируется до среднего уровня РЧ-мощности для поддержания постоянного размера. С модуляцией FSK почти все пути модуляции и демодуляции могут быть реализованы с использованием аналоговых схем, и поэтому он идеально подходит для ранних сотовых радиостанций.

2.6.2 Гауссова манипуляция с минимальным сдвигом

Гауссова манипуляция с минимальным сдвигом . Это конкретная реализация модуляции FSK.