Быстрая частотная модуляция (FFSK)

FFSK — это вид MSK модуляциии, предназначенный для работы в полосе частот 0.3 ... 3.4кГц. FFSK модуляция позволяет передавать двоичные данные на поднесущей частоте со скоростью 1200 или 2400 бит/с. FFSK (Fast Frequency Shift Keying) переводится как быстрая частотная модуляция.

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.

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.

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.

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

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.

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.

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

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

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/

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