Frequenzumtastung - Frequency-shift keying

Passband - Modulation
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Siehe auch
Ein Beispiel für binäres FSK
FSK-FMCW-Prinzip.png

Frequency-Shift Keying ( FSK ) ist ein Frequenzmodulationsschema , bei dem digitale Informationen durch diskrete Frequenzänderungen eines Trägersignals übertragen werden . Die Technologie wird für Kommunikationssysteme wie Telemetrie , Wetterballon- Radiosonden , Anrufer-ID , Garagentoröffner und Niederfrequenz-Funkübertragung in den VLF- und ELF- Bändern verwendet. Der einfachste FSK ist der binäre FSK ( BFSK ). BFSK verwendet ein Paar diskreter Frequenzen, um binäre (0s und 1s) Informationen zu übertragen. Bei diesem Schema wird die 1 als Markierungsfrequenz und die 0 als Zwischenfrequenz bezeichnet.

Modulieren und demodulieren

Referenzimplementierungen von FSK-Modems existieren und sind ausführlich dokumentiert. Die Demodulation eines binären FSK-Signals kann mit dem Goertzel-Algorithmus sehr effizient auch auf Mikrocontrollern mit geringer Leistung erfolgen.

Variationen

Mehrfache Frequenzumtastung

Continuous-Phase-Frequency-Shift-Keying

Hauptartikel: phasenkontinuierliche Frequenzumtastung

Im Prinzip kann FSK implementiert werden, indem völlig unabhängige freilaufende Oszillatoren verwendet werden und zwischen ihnen zu Beginn jeder Symbolperiode umgeschaltet wird. Im Allgemeinen haben unabhängige Oszillatoren zum Umschaltzeitpunkt nicht dieselbe Phase und daher dieselbe Amplitude, was zu plötzlichen Diskontinuitäten im übertragenen Signal führt.

In der Praxis verwenden viele FSK-Sender nur einen einzigen Oszillator, und der Vorgang des Umschaltens auf eine andere Frequenz zu Beginn jeder Symbolperiode bewahrt die Phase. Die Eliminierung von Diskontinuitäten in der Phase (und daher Eliminierung von plötzlichen Amplitudenänderungen) reduziert die Seitenbandleistung , wodurch Interferenzen mit benachbarten Kanälen reduziert werden.

Gaußsche Frequenzumtastung

Anstatt die Frequenz direkt mit den digitalen Datensymbolen zu modulieren und die Frequenz "sofort" zu Beginn jeder Symbolperiode zu ändern, filtert die Gaußsche Frequenzumtastung ( GFSK ) die Datenpulse mit einem Gaußschen Filter , um die Übergänge glatter zu machen. Dieses Filter hat den Vorteil, die Seitenbandleistung zu reduzieren, die Interferenz mit benachbarten Kanälen zu reduzieren, auf Kosten einer Erhöhung der Intersymbol-Interferenz . Es wird von Improved Layer 2 Protocol , DECT , Bluetooth , Cypress WirelessUSB , Nordic Semiconductor , Texas Instruments LPRF , IEEE 802.15.4 , Z-Wave und Wavenis verwendet. Für die Basisdatenrate Bluetooth beträgt die minimale Abweichung 115 kHz.

Ein GFSK-Modulator unterscheidet sich von einem einfachen Frequenzumtastungs-Modulator dadurch, dass die Basisbandwellenform (mit den Pegeln –1 und +1) in den FSK-Modulator eingeht, sie durch ein Gauß-Filter geleitet wird , um die Übergänge glatter zu machen, um die spektrale Breite zu begrenzen. Gaußsche Filterung ist eine Standardmethode, um die spektrale Breite zu reduzieren; es wird in dieser Anwendung Pulsformung genannt .

Bei gewöhnlichem ungefiltertem FSK ändert sich bei einem Sprung von –1 auf +1 oder +1 auf –1 die modulierte Wellenform schnell, was ein großes Außerbandspektrum einführt. Wenn der Puls von -1 auf +1 als -1, -0,98, -0,93, ..., +0.93, +0.98, +1 geändert wird und dieser glattere Puls verwendet wird, um die Trägerfrequenz zu bestimmen , Das Bandspektrum wird reduziert.

Keying mit minimaler Umschalttaste

Hauptartikel: Minimum-Shift-Tasten

Minimale Frequenzumtastung oder Minimalumtastung (MSK) ist eine besondere spektral effiziente Form der kohärenten FSK. Bei MSK ist der Unterschied zwischen der höheren und niedrigeren Frequenz identisch mit der halben Bitrate. Folglich unterscheiden sich die Wellenformen, die ein 0- und ein 1-Bit darstellen, um genau eine halbe Trägerperiode. Der maximale Frequenzhub beträgt δ = 0,25  f m , wobei f m die maximale Modulationsfrequenz ist. Als Ergebnis beträgt der Modulationsindex m 0,5. Dies ist der kleinste FSK- Modulationsindex , der so gewählt werden kann, dass die Wellenformen für 0 und 1 orthogonal sind .

Gaußsche Minimum-Shift-Keying

Hauptartikel: Gaußsche Mindestumtastung

Im GSM- Mobilfunkstandard wird eine Variante von MSK verwendet, die Gaussian Minimum-Shift Keying ( GMSK ) genannt wird .

Tonfrequenz-Umtastung

Tonfrequenz-shift keying (AFSK) ist eine Modulationstechnik , durch die digitale Daten wird durch Veränderungen in der dargestellten Frequenz ( Tonhöhe ) eines Audio - Tons, um ein codiertes Signal für die Übertragung über Nachgeben Radio oder Telefon . Normalerweise wechselt das übertragene Audio zwischen zwei Tönen: Einer, die "Markierung", repräsentiert eine binäre ; der andere, der "Raum", repräsentiert eine binäre Null.

AFSK unterscheidet sich von regulärer Frequenzumtastung durch die Durchführung der Modulation bei Basisbandfrequenzen . Bei Funkanwendungen wird das AFSK-modulierte Signal normalerweise verwendet, um einen HF- Träger (unter Verwendung einer herkömmlichen Technik, wie beispielsweise AM oder FM ) für die Übertragung zu modulieren .

AFSK wird nicht immer für Hochgeschwindigkeits-Datenkommunikationen verwendet, da es sowohl in Bezug auf Leistung als auch Bandbreite weit weniger effizient ist als die meisten anderen Modulationsmodi. Neben seiner Einfachheit hat jedoch AFSK den Vorteil , dass codierte Signale durch passieren AC - gekoppelt Links, darunter die meisten Geräte ursprünglich entwickelt , um Carry Musik oder Sprache.

AFSK wird im US-amerikanischen Notfallwarnsystem verwendet, um Stationen über die Art des Notfalls, die betroffenen Orte und den Zeitpunkt der Auslösung zu informieren, ohne den Text der Warnung tatsächlich zu hören.

Kontinuierliche 4-Stufen-Modulation

Phase-1-Radios im Project 25- System verwenden eine kontinuierliche 4-stufige FM-Modulation (C4FM).

Anwendungen

1910 erfand Reginald Fessenden ein zweifarbiges Verfahren zur Übertragung von Morsecode. Punkte und Striche wurden durch verschiedene Töne gleicher Länge ersetzt. Die Absicht war, die Übertragungszeit zu minimieren.

Einige frühe CW-Sender verwendeten einen Lichtbogenwandler , der nicht bequem getastet werden konnte . Anstatt den Lichtbogen ein- und auszuschalten, änderte die Taste die Senderfrequenz leicht in einer Technik, die als Kompensationswellenmethode bekannt ist . Die Kompensationswelle wurde beim Empfänger nicht verwendet. Die für diese Methode verwendeten Funkensender verbrauchten viel Bandbreite und verursachten Interferenzen, sodass 1921 davon abgeraten wurde.

Die meist frühes Telefon-line - Modem verwendete Tonfrequenz-shift keying (AFSK) zum Senden und Empfangen von Daten mit Raten von bis zu etwa 1200 Bits pro Sekunde. Die Modems Bell 103 und Bell 202 verwendeten diese Technik. Noch heute verwendet die nordamerikanische Anrufer-ID 1200 Baud AFSK in Form des Bell 202- Standards. Einige frühe Mikrocomputer verwendeten eine spezielle Form der AFSK-Modulation, den Kansas City-Standard , um Daten auf Audiokassetten zu speichern . AFSK ist im Amateurfunk immer noch weit verbreitet , da es die Datenübertragung über unveränderte Sprachbandgeräte ermöglicht.

AFSK wird auch im Notfallwarnsystem der Vereinigten Staaten verwendet, um Warninformationen zu übertragen. Es wird mit höheren Bitraten für Weathercopy verwendet, das auf Weatheradio von NOAA in den USA verwendet wird

Der Kurzwellensender CHU in Ottawa, Ontario , Kanada, sendet ein exklusives digitales Zeitsignal, das mit AFSK-Modulation kodiert ist.

Anrufer-ID und Fernmessungsstandards

Frequenzumtastung (FSK) wird üblicherweise über Telefonleitungen für die Anrufer-ID (Anzeige der Nummern der Anrufer) und Fernmessanwendungen verwendet . Es gibt mehrere Variationen dieser Technologie.

Europäisches Institut für Telekommunikationsnormen

In einigen Ländern Europas erlauben die Standards des European Telecommunications Standards Institute (ETSI) 200 778-1 und -2 – die 300 778-1 & -2 ersetzen – 3 physikalische Transportschichten ( Telcordia Technologies (ehemals Bellcore), British Telecom (BT) und Cable Communications Association (CCA)), kombiniert mit 2 Datenformaten Multiple Data Message Format (MDMF) & Single Data Message Format (SDMF), plus dem Dual-Tone Multi-Frequency (DTMF) System und einem No-Ring-Modus für Messgeräte -Lesen und dergleichen. Es ist eher eine Anerkennung, dass die verschiedenen Typen existieren, als ein Versuch, einen einzigen "Standard" zu definieren.

Telcordia-Technologien

Der Standard von Telcordia Technologies (ehemals Bellcore) wird in den USA , Kanada (siehe unten), Australien , China , Hongkong und Singapur verwendet . Es sendet die Daten nach dem ersten Klingelton und verwendet die 1200 Bits pro Sekunde Bell 202 Tonmodulation. Die Daten können in SDMF gesendet werden – das Datum, Uhrzeit und Nummer enthält – oder in MDMF, das ein NAME-Feld hinzufügt.

Britische Telekom

British Telecom (BT) in Großbritannien hat einen eigenen Standard entwickelt, der das Display mit einer Zeilenumkehr aufweckt und die Daten dann als CCITT v.23-Modemtöne in einem MDMF-ähnlichen Format sendet. Es wird von BT, drahtlosen Netzwerken wie dem späten Ionica und einigen Kabelunternehmen verwendet. Details finden sich in den BT Supplier Information Notes (SINs) 227 (Link defekt 28.07.21) und 242 (Link defekt 28.07.21); Ein weiteres nützliches Dokument ist Designing Caller Identification Delivery Using XR-2211 for BT von der EXAR- Website.

Kabelkommunikationsverband

Die Cable Communications Association (CCA) des Vereinigten Königreichs hat einen eigenen Standard entwickelt, der die Informationen nach einem kurzen ersten Klingeln entweder als Bell 202- oder V.23- Töne sendet . Sie haben einen neuen Standard entwickelt, anstatt einige "Street Boxes" (Multiplexer) zu ändern, die mit dem BT-Standard nicht zurechtkommen. Die britische Kabelindustrie verwendet eine Vielzahl von Switches: die meisten sind Nortel DMS-100; einige sind System X ; System Y ; und Nokia DX220. Beachten Sie, dass einige von ihnen den BT-Standard anstelle des CCA-Standards verwenden. Das Datenformat ähnelt dem von BT, aber die Transportschicht ähnelt eher Telcordia Technologies, sodass nordamerikanische oder europäische Geräte es eher erkennen.

Siehe auch

Verweise

Externe Links