Быстрая частотная модуляция (FFSK)

В конце 90-х, начале 2000-х годов возникла проблема, связанная с необходимостью передачи огромного потока данных по радиоканалу и отсутствием специализированной аппаратуры передачи данных. В то же время уже имелся парк радиостанций, предназначенных для передачи аналоговых сигналов в канале тональной частоты 0,3 ... 3,4 кГц.

Решением проблемы стало применение цифровых модемов, работающих на поднесущей частоте. Основным требованием к таким радиомодемам стало условие формирования сигнала со спектром, лежащим в диапазоне частот от 300 Гц до 3,4 кГц. Это привело к созданию двух стандартов модуляции поднесущей MSK для каналов передачи речевого сигнала, которые получили отдельное название — быстрая частотная манипуляция FFSK.

Модуляция FFSK-1200

Для скорости передачи данных по каналу передачи звукового сигнала 1200 бит/с частота передачи нуля выбрана 1200 Гц, частота передачи единицы выбрана 1800 Гц. Временные диаграммы сигнала FFSK приведены на рисунке 1.

Временные диаграммы сигнала FFSK 1200
Рисунок 1. Временные диаграммы сигнала FFSK 1200

Как было определено в предыдущем разделе, это эквивалентно модуляции поднесущей частоты 1500 Гц с девиацией ±300 Гц. Для определения спектра сигнала FFSK-1200 можно представить его как сумму двух амплитудно-модулированных сигналов с центральными частотами 1200 и 1800 Гц. Как известно, спектр таких колебаний описывается формулой sin(x)/x. Спектры АМ сигналов с центральными частотами 1200 и 1800 Гц со скоростью передачи 1200 бит/с, а также сумма этих спектров в линейном масштабе, приведены на рисунке 2.

Формирование спектра FFSK 1200
Рисунок 2. Формирование спектра FFSK 1200

На этом же рисунке штриховой линией приведен график суммы данных сигналов. Как видно из рисунка, спектры суммируются в диапазоне частот от 1200 до 1800 Гц, достигая максимума на центральной частоте 1500 Гц. В остальном диапазоне частот спектральные составляющие вычитаются. Это обеспечивает большую скорость спада боковых лепестков спектра (12 дБ/окт). Результирующий энергетический спектр сигнала FFSK 1200 в логарифмическом масштабе приведен на рисунке 3.

Спектр сигнала FFSK 1200 в дБ
Рисунок 3. Спектр сигнала FFSK 1200 в логарифмическом масштабе

Как видно из рисунка 3, основная энергия сигнала (98%) сосредоточена в полосе частот 900 ... 2100 Гц, что уже полосы частот канала в полосе частот канала тональной частоты 0,3 ... 3,4 кГц. Поэтому сигнал FFSK 1200 проходит через радиотракты обычных аналоговых радиостанций практически без искажений. В качестве примера принимаемого сигнала на рисунке 4 приведена глазковая диаграмма на выходе приемника при отношении сигнал/шум 12 дБ

Глазковая диаграмма сигнала FFSK-1200 на выходе приемника
Рисунок 4. Глазковая диаграмма сигнала FFSK-1200 на выходе приемника при отношении сигнал/шум 12 дБ

Как видно из рисунка 4, даже при таком отношении сигнал/шум, соответствующим предельному расстоянию передачи ЧМ радиостанций, остается достаточный раскрыв глазковой диаграммы на расстоянии 1/6 и 5/6 времени передачи символа. При стробировании сигнала на этом временном отрезке можно добиться вероятности ошибки приема бита BER = 10−4.

Модуляция FFSK-2400

Для скорости передачи 2400 бит/с частота передачи нуля выбрана 1200 Гц, а частота передачи единицы выбрана 2400 Гц. Как было определено в предыдущем разделе, это эквивалентно модуляции поднесущей частоты 1800 Гц с девиацией частоты ±600 Гц. Временные диаграммы модулирующего сигнала и, соответствующего ему сигнала FFSK-2400, приведены на рисунке 5.

Сигнал с модуляцией FFSK 2400
Рисунок 5. Временные диаграммы сигнала FFSK 2400

Спектры АМ сигналов с центральными частотами 1200 и 2400 Гц со скоростью передачи 2400 бит/с, а также сумма этих спектров в линейном масштабе, приведены на рисунке 6. Спектр сигнала FFSK-2400 в линейном масштабе показан на этом рисунке пунктиром

Формирование спектра модуляции FFSK-2400
Рисунок 6. Формирование спектра сигнала FFSK 2400

Результирующий энергетический спектр сигнала FFSK 2400 в логарифмическом масштабе как обычно несет больше информации. Он приведен на рисунке 7.

Спектр сигнала FFSK 2400 в логарифмическом масштабе
Рисунок 7. Спектр сигнала FFSK 1200 в логарифмическом масштабе

Как видно из рисунка 7, основная энергия сигнала (95%) сосредоточена в полосе частот канала тональной частоты 0,3 ... 3,4 кГц. Поэтому сигнал FFSK 2400 проходит через радиотракты обычных аналоговых радиостанций практически без искажений. В качестве примера принимаемого сигнала на рисунке 8 приведена глазковая диаграмма на выходе приемника при отношении сигнал/шум 12 дБ

Глазковая диаграмма сигнала FFSK-2400 на выходе приемника
Рисунок 8. Глазковая диаграмма сигнала FFSK-2400 на выходе приемника при отношении сигнал/шум 12 дБ

Конкретный выбор частот, кратных скорости передачи данных позволил осуществлять формирование отрезков синусоид с непрерывной фазой просто из табличных значений. Для этого не требуется большая производительность процессора, поэтому не обязательно в качестве FFSK модуляторов и демодуляторов использовать сигнальные процессоры. В радиотехнических устройствах с FFSK сигнализацией часто для этой цели используются платы с применением обычных микроконтроллеров.

Дата последнего обновления файла 12.11.2019

Литература:

  1. Structure, optimization, and realization of FFSK trellis codes (англ.)
  2. Effect of Noisy Phase References on Coherent Detection of FFSK Signals (англ.)
  3. 1200/2400/4800 Baud FFSK Modem
  4. Описание модема FFSK (англ.)

Вместе со статьей "Быстрая частотная модуляция (FFSK)" читают:

MSK-модуляция частотная с минимальным сдвигом по частоте
http://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/MSK/

GMSK-модуляция частотная модуляция с минимальным сдвигом по частоте, сглаженная Гауссовским фильтром
http://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/GMSK/

Двухпозиционная фазовая модуляция (BPSK)
http://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/BPSK/

QPSK-модуляция четырехпозиционная фазовая модуляция
http://digteh.ru/WLL/QPSK.php

Дифференциальная квадратурная фазовая модуляция (DQPSK)
http://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/QPSK/




Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 ... 2019

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/~mavr
http://digital.sibsutis.ru/

Поиск по сайту сервисом Яндекс
Поиск по сайту сервисом ГУГЛ
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин

Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).

А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре "Сигнал", Научно производственной фирме "Булат". В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.

Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи "Сигнал-201", авиационной системы передачи данных "Орлан-СТД", отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.

А.В.Микушин является автором более 70 научных и научно-методических работ, в том числе 16 книг.

Рейтинг@Mail.ru


Яндекс.Метрика