модуляция fsk что это

Чем развлечься в самоизоляции, или передаем данные с помощью звуковой карты

После недавней публикации про передачу OFDM, стало интересно проверить, каким способом эффективнее всего передавать данные по воздуху. Мы попробуем разные виды модуляции, и посмотрим какие из них лучше подойдут для передачи данных из одного конца квартиры или офиса в другой. Для тестов будет достаточно ноутбука, смартфона и программы MultiPSK.

Для тех кому интересно как это работает, продолжение под катом.

Для тестов мы воспользуемся программой MultiPSK, которая удобна тем, что поддерживает огромное количество разных стандартов связи, как любительских (они доступны как на прием, так и на передачу), так и профессиональных (доступен только прием). Разумеется, чтобы не делать статью гигантской, я выберу лишь наиболее популярные виды модуляции, и мы посмотрим что из этого получится. Изначально MultiPSK предназначена для радиосвязи, для чего звуковая карта должна подключаться к приемнику или передатчику, но ничего не запрещает воспроизводить сигнал прямо из колонок. Тест будет будет довольно простым — простой текст «1234567890» кодируется разными способами, сигнал проигрывается на ПК, и записывается смартфоном в другом конце квартиры. Разумеется, повторить нижеописанные опыты может любой желающий, никакого специального оборудования для этого не требуется.

Частотная модуляция (FSK, Frequency Shift Keying)

Как нетрудно догадаться из названия, суть модуляции заключается в изменении частоты сигнала. Простейший способ, доступный в MultiPSK, это RTTY. В данном случае мы передаем данные с помощью переключения между двумя частотами с определенной скоростью. На спектре это видно весьма наглядно. Посмотрим, что происходит с сигналом при его передаче по воздуху. Сверху исходный сигнал, снизу принятый:

Помимо очевидного затухания, есть более неочевидное изменение амплитуды — сигнал стал «рваным», на выходе получилось что-то вроде биений. Интересно то, что проявляются они в моменты смены частоты, в моменты когда частота не меняется, изменения амплитуды минимальны. С чем это связано, сказать сложно.

Кстати о спектре, он исказился, хотя в принципе, форму сигнала угадать можно:

Посмотрим, сможет ли MultiPSK декодировать записанный звук. Увы, нет, на выходе лишь «мусор». Разные попытки нормализации и фильтрации к успеху также не привели:

Следующий сигнал, который интересно попробовать — MFSK, частотная модуляция, в которой количество частот больше 2х. Картинка «до» и «после» передачи примерно похожа на предыдущий результат.

Мы также видим биения амплитуды, возникающие вероятно, в процессе переотражения звука. Но есть заметный плюс — при большем количестве частот, декодирование сигнала происходит гораздо увереннее. За исключением «мусора» в паузе между сигналами, сами данные принимаются без ошибок.

Возможно, это также связано со скоростью передачи или другим алгоритмом декодирования, но результат довольно-таки интересен.

Фазовая модуляция (PSK, Phase Shift Keying)

Следующий вид модуляции — фазовая, при которой передается синусоидальный сигнал, а информация кодируется изменением фазы.

Сигнал BPSK «до» и «после» передачи:

Результат распознавания: определилось где-то 20-40% символов, из строки 1234567890, как можно видеть, можно различить 3, 4, 7 и 9.

Спектр не показан, т.к. для фазовой модуляции BPSK он представляет собой практически прямую линию.

Общая идея, я думаю, понятна, и более сложные виды сигналов рассматривать смысла нет — понятно что устойчивого декодирования не будет. Однако, чисто для «спортивного интереса», рассмотрим аналоговый сигнал.

SSTV (Slow Scan Television)

Этот режим по своей сути напоминает факс, и изменение частоты здесь кодирует яркость или цвет картинки во времени. Интересно посмотреть, насколько исказится изображение после передачи, и останется ли оно читабельным.

Картинка с котиком, и попытка её приема:

При должной фантазии, контур котика наверное можно угадать. Хотя если передавать что-нибудь попроще, типа «черного квадрата», наверное распознать изображение будет легче. Кстати, в этом один из плюсов аналоговой передачи данных перед цифровой — там где «цифра» уже перестанет работать, в аналоге, среди шумов, человеческий глаз или ухо вполне может уловить полезный сигнал.

Дополнение: частотная и временная характеристики

Кстати об аналоговом сигнале, как подсказали в комментариях, проверить амплитудно-частотную характеристику «канала передачи» можно, если воспроизвести белый шум и изменяющийся по высоте тон. Такой сигнал несложно сгенерировать в любом аудио-редакторе. Для теста файл был проигран в одном конце квартиры, а запись сделана в другом. Результат довольно интересен, как интересно и то, что высокие частоты не слышны вообще (в моем случае граница где-то 14КГц), а передача данных на них в принципе еще возможна:

И наконец, не менее интересный результат получается, если сгенерировать короткий звуковой импульс:

При подаче импульса длиной 0.01с, «эхо» длится практически в 10 раз дольше. Разумеется, это также должно учитываться при выборе скорости передачи данных.

Заключение

Как можно видеть, передача звука по воздуху (как наверное и через воду), это не так уж просто, из-за переотражений, затуханий и прочих эффектов. Несмотря на кажущуюся «несерьезность» задачи, надежно передать данные даже на 10 метров не так-то просто из-за искажений сигнала. Метод частотной модуляции MFSK оказался самым стабильным. И похоже, аналогичные опыты проводил не только я, статья о протоколе активации Яндекс-станции говорит о том, что в ней используется такой же способ передачи данных. Ну а в целом, чем проще модуляция и меньше скорость, тем больше шансов, что данные будут приняты без ошибок.

Желающие могут дальше поэскпериментировать самостоятельно, программу MultiPSK легко найти в интернете, количество поддерживаемых ею стандартов передачи довольно велико.

Источник

Частотная модуляция (FSK)

Простейшим видом модуляции с постоянной амплитудой является двоичная частотная модуляция FSK. При этом типе модуляции полезный сигнал формируется из отрезков двух синусоид.

где сигнал s1 используется для передачи логического нуля, а сигнал s2 — для передачи логической единицы.

Структурная схема модулятора, реализующая такой вид частотной модуляции, приведена на рисунке 2.

Рисунок 1. Схема частотного модулятора с разрывной фазой

Так как начальная фаза генераторов никак не связана друг с другом, то этот вид модуляции получил название частотной модуляции с разрывной фазой. Кроме того, в этом виде модуляции начальные фазы частот w₁ и w₂ некогерентны по отношению к модулирующему сигналу, поэтому такой вид модуляции часто называют некогерентной ЧМ. Однако, справедливости ради, следует отметить, что некогерентной может быть и частотная модуляция с непрерывной фазой.

В качестве примера использования некогерентной частотной модуляции можно привести стандарт CCITT V.21 (скорость передачи данных 300 Бод). В стандарте CCITT V.21 используются частоты f₁=1080 Гц и f₂=1750Гц. Некогерентная модуляция применяется и для других низкоскоростных систем передачи данных, где полоса пропускания канала не является проблемой.

Понравился материал? Поделись с друзьями!

Вместе со статьей «Частотная модуляция (FSK)» читают:

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

Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/

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.

Источник

Частотная манипуляция

При частотной манипуляции несущая частота периодического синусоидального колебания изменяется между набором различных частот, которые представляют отдельные символы передачи.

Оглавление

характеристики

В случае модуляции символ передачи назначается определенной частоте передачи; в случае демодуляции определенная частота распознается, и соответствующий символ выводится для дальнейшей обработки данных. Существенным параметром частотной манипуляции является целое число доступных частот передачи.

В качестве альтернативы, в литературе также есть различные определения, которые определяют отклонение частоты как расстояние от несущей частоты f _c со следующим соотношением:

Индекс модуляции η является произведением хода и продолжительности T символа:

дело. Максимальная символьная скорость получается из n = 1 с двумя символами на полосу частот в Гц. В случае некогерентной демодуляции без восстановления несущей в приемнике, FSK помогает

ортогональны друг другу. Максимальная символьная скорость получается с n = 1 с одним символом на полосу частот в Гц.

модулятор

Демодулятор

Демодулятор используется для восстановления исходной последовательности цифровых данных из сигнала модулятора. Поскольку информация содержится только в частоте, обработка сигнала обычно выполняется перед демодуляцией, которая включает в себя следующие этапы:

Когерентный демодулятор FSK

При когерентной демодуляции или также синхронной демодуляции демодулятор должен восстанавливать как несущую частоту, так и положение фазы передаваемого сигнала. Это возможно только при использовании постоянного изменения фазы на стороне модулятора. Хотя когерентная демодуляция требует более высокого уровня сложности схемотехники, она имеет то преимущество, что потенциально возможная символьная скорость и, следовательно, прямо пропорциональная скорости передачи битов, может быть выбрана более высокой, чем в случае некогерентной демодуляции. Таким образом, достигается более высокая спектральная эффективность, измеряемая в битах на полосу пропускания в герцах. Кроме того, когерентная демодуляция FSK менее чувствительна к помехам.

Частный случай с индексом модуляции, равным 0,5, также называется минимальной манипуляцией сдвига ( МСК). Особенностью является то, что этот процесс идентичен процессу цифровой модуляции квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) со смещением фазы π / 2 и формированием полуволнового импульса.

Некогерентный демодулятор FSK

В случае некогерентной демодуляции нет необходимости в генераторе с фазовым управлением, и сложность схемы снижается.

Для этого можно использовать разные методы. В соседней схеме для двоичного демодулятора две частоты f ₁ и f _{2 поступают} из автономного генератора, и комплексный сигнал основной полосы частот, состоящий из действительных и мнимых компонентов, первоначально формируется для каждой частоты. После интеграции и формирования суммы отправленное двоичное значение определяется на уровне принятия решения.

Максимально достижимая битовая скорость для двоичной FSK с некогерентной демодуляцией составляет:

и с теми же параметрами, он имеет скорость передачи символов, которая вдвое меньше скорости когерентной демодуляции.

Кроме того, существуют другие методы некогерентной FSK демодуляции, такие как:

Приложения

Образец звука воспроизводит акустический ответ, который дает факс при поступлении вызова. Второй и третий сигналы содержат данные, которые были модулированы на несущую 1750 Гц со скоростью 300 бит / с в FSK в соответствии со стандартом V.21. Низкий соответствует частоте 1650 Гц, Высокий 1850 Гц. В логарифмическом представлении Фурье на соседнем рисунке эти частоты соответствуют двум соседним пикам слева в спектре.

В английской системе пикколо использовалось 32 тона (пикколо Mark D), а затем 6 тонов (пикколо Mark F.).

Расширения частотной манипуляции

Источник

FSK-модемы для PLC-связи: стандарты, производители, компоненты

В статье дан обзор существующих спецификаций узкополосной PLC-технологии, а также рассмотрены их особенности. Кроме того, приведена информация о компонентах, предназначенных для создания PLC-модемов с использованием частотной модуляции. Этот вид модуляции обеспечивает скорость передачи данных 0,3…10 Кбит/с. В последние годы благодаря применению более эффективных видов модуляции сигнала, подтвердивших свою надежность в других проводных и беспроводных технологиях, удалось повысить скорость передачи до 128…576 Кбит/с.

ВВЕДЕНИЕ

Первые попытки использования силовых линий электроснабжения для передачи сигналов были предприняты еще в начале XX в. вскоре после того, как электросети получили широкое распространение. В 1930 гг. передача данных по линиям электропередач основывалась на технологии под названием RCS (Ripple Carrier Signaling). В ней использовалась модуляция сигнала вида ASK (Amplitude Shift Keying — амплитудная манипуляция), а передача сигналов осуществлялась в полосе частот 125…3000 Гц. Скорость передачи данных была сравнительно небольшой (всего несколько бит в секунду), однако этого было вполне достаточно для дистанционного управления устройствами сети и ее реконфигурации. В последние годы все большее распространение, в т.ч. для высокоскоростного обмена информацией в офисных и промышленных зданиях и сооружениях, находит широкополосная технология передачи данных по электрическим сетям, обеспечивающая скорость передачи до 200 Мбит/с. В системах автоматического считывания показаний разного рода датчиков и в других приложениях находит применение узкополосная PLC-технология, которая обеспечивает скорость передачи до 128 Кбит/с и более в полосе частот 42…89 кГц (CENELEC A) и до 576 Кбит/с в полосе 9…500 кГц (FCC) [1–6].

На диаграмме, приведенной на рисунке 1, показаны виды модуляции сигнала, используемые в узкополосной PLC-технологии. Каждая из них имеет свои недостатки и преимущества, однако модуляция с расширением спектра S-FSK и DCSK (Differential Code Shift Keying — дифференциальная кодовая манипуляция) обеспечивает более надежную передачу данных в условиях нестабильности параметров канала связи. Поэтому системы, созданные на их базе, широко применяются в сетях типа AMR (Automatic Meter Reading — автоматическое считывание показаний счетчиков). Использование в узкополосной PLC-технологии модуляции вида FSK, S-FSK и DCSK обеспечивает приемлемую достоверность информации, однако недостаток этих видов модуляции — пока еще сравнительно невысокая скорость передачи данных. В последние годы пристальный интерес и повышенное внимание обращено к технологии на основе OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing — мультиплексирование с ортогональным частотным разделением), использование которой позволяет существенно увеличить пропускную способность канала связи, поскольку расширение функциональности автоматизированных систем типа AMR/AMI/AMM требует, соответственно, увеличения скорости передачи данных.

Стандарты и спецификации

В PLC-технологии для передачи информационного сигнала используется та же электропроводка, по которой осуществляется энергоснабжение. Как правило, частота информационного сигнала значительно выше частоты промышленных электросетей переменного тока (50/60 Гц), а напряжение сигнала во много раз ниже, чем 110/200/220/380 В. Упрощенно принцип передачи PLC-сигнала по силовым линиям электросетей частотой 50 Гц иллюстрирует рисунок 2. Выделение информационного сигнала обычно осуществляется с помощью ВЧ-фильтров, а созданные на их базе устройства, в общем случае, служат в качестве согласующего аппаратного интерфейса (coupling interface).

Поскольку провода электросети одновременно являются физической средой передачи информационного сигнала, при выборе рабочей полосы частот необходимо принимать во внимание следующие факторы.

Во-первых, необходимо учитывать затухание сигнала при его распространении по электропроводке. Затухание имеет сильно выраженную зависимость от частоты сигнала и длины линии, что приводит, в конечном счете, к существенному ухудшению отношения сигнал/помеха.

Во-вторых, при выборе частотного диапазона для обеспечения электромагнитной совместимости оборудования следует также учитывать требования существующих нормативных ограничительных документов. В США действует стандарт FCC, в Европе — CENELEC. В этих стандартах для передачи данных по электросетям определены уровни напряжений PLC-сигнала и разрешенные диапазоны частот (см. рис. 3) в полосе 3…148,5 кГц (CENELEC) или 3…500 кГц (FCC). Нормы на допустимые уровни высокочастотных электромагнитных излучений приведены в соответствующих стандартах — FCC Part15 subpart B/C, EN/IEC 61131-2, EN 55011 и др.

В стандарте IEC 61334, который был утвержден в конце 1990-х гг., даны общие требования к системам автоматики с распределенными каналами связи, в которых в качестве физической среды для передачи данных используются электросети среднего и низкого напряжения. В настоящее время имеют силу следующие технические спецификации и стандарты МЭК (IEC — International Electrotechnical Commission) для узкополосной PLC-технологии [1]:

– IEC 61334-5-1: The spread frequency shift keying (S-FSK) profile (частотная манипуляция с расширением спектра);

– IEC 61334-5-2: Frequency shift keying (FSK) profile (частотная манипуляция);

– IEC 61334-5-3: Spread spectrum adaptive wideband (SS-AW) profile (адаптивный широкополосной профиль с расширенным спектром);

– IEC 61334-5-4: Multi-carrier modulation (MCM) profile (модуляция с несколькими несущими);

– IEC 61334-5-5: Spread spectrum-fast frequency hopping (SS-FFH) profile (профиль быстрого скачкообразного изменения частоты).

При частотной манипуляции (FSK) значениям 0 и 1 информационной последовательности соответствуют определенные частоты синусоидального сигнала c постоянной амплитудой. По сравнению с амплитудной манипуляцией ASK, модуляция типа FSK обеспечивает лучшую помехоустойчивость, поскольку помехи, как правило, вносят искажения амплитуды, а не частоты сигнала. Спецификации физического уровня (PHY), а также канального подуровня MAC (Media Access Control) для PLC-систем, в которых для передачи данных используется модуляция вида S-FSK, приведены в стандарте IEC 61334-5-1. Основное отличие между FSK и S-FSK заключается в том, что при модуляции типа S-FSK разнос частот F(0) и F(1), кодирующих 0 и 1 информационной последовательности, существенно больше, чем при модуляции FSK. В системах с использованием модуляции с расширением спектра вида S-FSK разнос частот составляет 10 кГц и не зависит от скорости передачи [1, 2, 6]. В системах S-FSK, по сути, на физическом уровне используется та же бинарная частотная манипуляция, что и в FSK-системах. При этом больший разнос частот позволяет увеличить помехоустойчивость при наличии узкополосных помех и вместе с тем сохранить простоту реализации метода. В стандарте IEC 61334-5-1 не регламентируются значения частот F(0) и F(1), т.к. они должны выбираться в соответствии с рекомендациями CENELEC. Предусматриваются две скорости передачи данных: 600 или 1200 бит/с, допускается также скорость передачи 2400 бит/с.

В технических спецификациях IEC 61334-5-4 описаны требования к системам, в которых для передачи данных применяется модуляция с несколькими несущими (Multi-Carrier Modulation — MCM). На физическом уровне предусматривается использование одного из видов MCM-модуляции, а именно, модуляции OFDM. Частоты поднесущих и их количество выбираются в соответствии с рекомендациями спецификаций IEC 61334-5-4, причем разнос частот поднесущих составляет 4,5 кГц. Для модуляции поднесущих рекомендуется применять относительную фазовую манипуляцию (Differential Phase-Shift Keying — DPSK). Чтобы увеличить надежность передачи при ухудшении параметров канала связи, в спецификациях IEC 61334-5-4 предусматривается возможность использования сверточного кодирования, что приводит, соответственно, к снижению в два раза скорости передачи данных. Для сохранения целостности данных рекомендуется применять CRC-коды, а использование специальной преамбулы гарантирует надежную синхронизацию даже в случае резкого ухудшения условий приема/передачи. Количество поднесущих (J) выбирается из соотношения 1 ≤ J ≤ N/2 – 1, где N = 64. Максимальная частота поднесущей — 139,5 кГц. Следует отметить, что в отличие от стандарта IEC 61334-5-1, MCM-спецификации не являются полноценным международным стандартом, а относятся к классу технических спецификаций. В этих спецификациях отсутствует множество требований, и поэтому они нуждаются в существенной доработке и уточнениях.

Производители

Ниже приведена информация о компонентах, разработанных для передачи данных в узкополосных PLC-сетях с использованием манипуляции типов FSK, S-FSK и BPSK. Ведущая роль в разработке и производстве однокристальных PLC-модемов принадлежит компаниям STMicroelectronics, ON Semiconductor и Advanced Digital Design S.A.

Компания STMicroelectronics (www.st.com) начала производство первых микросхем PLC-приемопередатчиков еще в 1990 гг. Для кодирования данных в них использовался метод частотной манипуляции (FSK), и они имели скорость передачи данных 1,2/2,4 Кбит/с. В последние годы компания предлагает микросхему PLC-модема ST7538Q и усовершенствованную модель ST7540 со скоростью передачи до 4,8 Кбит/с. ST7538Q и ST7540 — полудуплексные синхронно-асинхронные FSK-приемопередатчики, разработанные для передачи данных через силовые линии электропередачи. Микросхемы предназначены для использования в системах управления средствами автоматизации зданий, в т.ч. в системах безопасности и контроля температуры и освещенности, системах дистанционного управления уличным освещением, автоматизированных системах контроля и учета электроэнергии [4, 5]. В модемах ST7538Q/ST7540 предусмотрено использование следующих несущих частот: 60/66/72/76/82,05/86/ 110/132,5 кГц. Выбор частот осуществляется на программном уровне.

где ΔF — частотная девиация равная 1×скорость передачи или 0,5×скорость передачи. Таким образом, при скорости передачи 2400 бит/с частотная девиация может составлять 2400 или 1200 Гц.

Микросхема ST7538Q функционально совместима с выпущенной ранее ST7537 и изготавливается в корпусе TQFP-44, а ИС ST7540 — в корпусе HTSSOP-28.

В конце 2009 г. компания STMicroelectronics расширила семейство микросхем (ST7538Q/ST7540), ориентированных на использование в узкополосных PLC-сетях, выпустив новую микросхему PLC-модема ST7570 по технологии 0,18 мкм. Микросхема ST7570 представляет собой полудуплексный модем, в котором для передачи данных используется модуляция с расширением спектра S-FSK. Для формирования несущих применяется метод прямого цифрового синтеза (Direct Digital Synthesizer — DDS). PLC-модем ST7570 предназначен для передачи данных по электрическим сетям низкого напряжения и соответствует требованиям стандартов EN50065 (CENELEC) и FCC part 15. Модем ST7570 содержит процессорное ядро 8051, а, кроме того, DSP-ядро. Связь с хост-контроллером поддерживается через интерфейс UART или SPI. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570 даны в таблице 1, структурная схема PLC-модема ST7570 приведена на рисунке 4.

Таблица 1. Основные параметры микросхем ST7540/ST7570

Источник

• ← Как посадить лаврушку в домашних условиях
• служба на день крещения руси →