Múltipla manipulação de mudança de frequência - Multiple frequency-shift keying

O chaveamento de mudança de frequência múltipla ( MFSK ) é uma variação do chaveamento de mudança de freqüência (FSK) que usa mais de duas freqüências. MFSK é uma forma de modulação ortogonal M-ária , onde cada símbolo consiste em um elemento de um alfabeto de formas de onda ortogonais. M, o tamanho do alfabeto, é geralmente uma potência de dois, de modo que cada símbolo representa log 2 M bits.

  • M é geralmente entre 4 e 64
  • A correção de erros geralmente também é usada

Fundamentos

Em um sistema de sinalização M-ário como o MFSK, um "alfabeto" de tons M é estabelecido e o transmissor seleciona um tom de cada vez do alfabeto para transmissão. M é geralmente uma potência de 2, portanto, cada transmissão de tom do alfabeto representa log 2 M bits de dados.

O MFSK é classificado como um esquema de sinalização ortogonal M-ário porque cada um dos filtros de detecção de tom M no receptor responde apenas ao seu tom e de forma alguma aos outros; esta independência fornece a ortogonalidade.

Como outros esquemas ortogonais M-ários, a razão E b / N 0 necessária para uma dada probabilidade de erro diminui à medida que M aumenta sem a necessidade de detecção coerente multissimbólico. Na verdade, à medida que M se aproxima do infinito, a razão E b / N 0 necessária diminui assintoticamente até o limite de Shannon de -1,6 dB . No entanto, essa diminuição é lenta com o aumento de M, e valores grandes são impraticáveis ​​por causa do aumento exponencial na largura de banda necessária. Os valores típicos na prática variam de 4 a 64, e o MFSK é combinado com outro esquema de correção de erro direto para fornecer ganho de codificação adicional (sistemático).  

A eficiência espectral dos esquemas de modulação MFSK diminui com o aumento da ordem de modulação M :

Como qualquer outra forma de modulação angular que transmite um único tom de RF que varia apenas em fase ou frequência, o MFSK produz um envelope constante . Isso relaxa significativamente o design do amplificador de potência de RF, permitindo que ele alcance maiores eficiências de conversão do que os amplificadores lineares.

MFSK de 2 tons

É possível combinar dois sistemas MFSK para aumentar a taxa de transferência do link. Talvez o sistema MFSK de 2 tons mais usado seja o DTMF ( dual-tone multi-frequency ), mais conhecido por sua marca AT&T de "Touch Tone". Outro é o esquema multifrequencial (MF) usado durante o século 20 para sinalização in-band em troncos entre centrais telefônicas. Ambos são exemplos de esquemas de sinalização em banda , ou seja, compartilham o canal de comunicação do usuário.

Os símbolos nos alfabetos DTMF e MF são enviados como pares de tons; O DTMF seleciona um tom de um grupo "alto" e um de um grupo "baixo", enquanto o MF seleciona seus dois tons de um conjunto comum. O DTMF e o MF usam frequências de tom diferentes, principalmente para evitar que os usuários finais interfiram na sinalização interna. Na década de 1970, o MF começou a ser substituído pela sinalização digital out-of-band , uma conversão motivada em parte pelo uso fraudulento generalizado de sinais MF por usuários finais conhecidos como phone phreaks .

Esses sinais são distintos quando recebidos auditivamente como uma rápida sucessão de pares de tons com qualidade quase musical.

A transmissão simultânea de dois tons diretamente em RF perde a propriedade de envelope constante do sistema de tom único. Dois tons de RF simultâneos são, na verdade, o clássico "teste de estresse" de um amplificador de potência de RF para medir linearidade e distorção de intermodulação . No entanto, dois tons de áudio podem ser enviados simultaneamente em uma portadora FM RF de envelope constante convencional, mas a detecção não coerente do sinal FM no receptor destruiria qualquer vantagem de relação sinal-ruído que o esquema de vários tons pudesse ter.

MFSK em comunicações HF

A propagação do Skywave nas bandas de alta frequência introduz distorções aleatórias que geralmente variam com o tempo e a frequência. A compreensão dessas deficiências ajuda a entender porque o MFSK é uma técnica tão eficaz e popular na IC.

Espalhamento de atraso e largura de banda de coerência

Quando existem vários caminhos separados do transmissor ao receptor, uma condição conhecida como multicaminho , eles quase nunca têm exatamente o mesmo comprimento, então quase nunca exibem o mesmo atraso de propagação. Pequenas diferenças de retardo, ou propagação de retardo , mancham os símbolos de modulação adjacentes e causam interferência intersimbólica indesejada .

A propagação do atraso é inversamente proporcional à sua contraparte no domínio da frequência, a largura de banda de coerência . Esta é a faixa de frequência na qual o ganho do canal é relativamente constante. Isso ocorre porque a soma de dois ou mais caminhos com atrasos diferentes cria um filtro comb, mesmo quando os caminhos individuais têm uma resposta de frequência plana.

Tempo de coerência e propagação Doppler

O desvanecimento é uma mudança (geralmente aleatória e indesejada) no ganho do caminho com o tempo. A taxa máxima de desvanecimento é limitada pela física do canal, como a taxa na qual os elétrons livres se formam e são recombinados na ionosfera e as velocidades de nuvem de partículas carregadas dentro da ionosfera. O intervalo máximo sobre o qual o ganho do canal não muda de maneira apreciável é o tempo de coerência .

Um canal de desvanecimento efetivamente impõe uma modulação de amplitude aleatória indesejada no sinal. Assim como a largura de banda do AM intencional aumenta com a taxa de modulação, o desvanecimento espalha um sinal por uma faixa de frequência que aumenta com a taxa de desvanecimento. Esta é a propagação Doppler , a contraparte do tempo de coerência no domínio da frequência. Quanto mais curto for o tempo de coerência, maior será a propagação Doppler e vice-versa.

Projetando MFSK para HF

Com a seleção de parâmetro apropriada, o MFSK pode tolerar Doppler significativo ou spreads de retardo, especialmente quando aumentado com correção de erro direta . (Mitigar grandes quantidades de Doppler e propagação de retardo é significativamente mais desafiador, mas ainda é possível). Um longo atraso de propagação com pouca propagação de Doppler pode ser mitigado com um período de símbolo MFSK relativamente longo para permitir que o canal "se estabilize" rapidamente no início de cada novo símbolo. Como um símbolo longo contém mais energia do que um símbolo curto para uma determinada potência de transmissor, o detector pode atingir mais facilmente uma relação sinal-ruído (SNR) suficientemente alta . A redução de taxa de transferência resultante pode ser parcialmente compensada com um grande conjunto de tons de modo que cada símbolo represente vários bits de dados; um longo intervalo de símbolo permite que esses tons sejam compactados de forma mais próxima em frequência, mantendo a ortogonalidade. Isso é limitado pelo crescimento exponencial do tamanho do conjunto de tons com o número de bits de dados / símbolo.

Por outro lado, se a propagação de Doppler for grande enquanto a propagação de retardo for pequena, um período de símbolo mais curto pode permitir a detecção de tom coerente e os tons devem ser espaçados mais amplamente para manter a ortogonalidade.

O caso mais desafiador é quando o atraso e os spreads Doppler são grandes, ou seja, a largura de banda de coerência e o tempo de coerência são pequenos. Isso é mais comum nos canais aurorais e EME do que em HF, mas pode ocorrer. Um curto tempo de coerência limita o tempo do símbolo, ou mais precisamente, o intervalo máximo de detecção coerente no receptor. Se a energia do símbolo for muito pequena para um SNR de detecção por símbolo adequado, uma alternativa é transmitir um símbolo mais longo do que o tempo de coerência, mas detectá-lo com um filtro muito mais largo do que um correspondente ao símbolo transmitido. (Em vez disso, o filtro deve corresponder ao espectro de tons esperado no receptor). Isso irá capturar grande parte da energia do símbolo, apesar da difusão do Doppler, mas o fará necessariamente de forma ineficiente. Um espaçamento de tom mais amplo, ou seja, um canal mais amplo, também é necessário. A correção de erros antecipada é especialmente útil neste caso.

Esquemas MFSK para HF

Devido à grande variedade de condições encontradas em HF, uma grande variedade de esquemas MFSK, alguns deles experimentais, foram desenvolvidos para HF. Alguns deles são:

  • MFSK8
  • MFSK16
  • Olivia MFSK
  • Coquelet
  • Flautim
  • ALE (MIL-STD 188-141)
  • DominoF
  • DominoEX
  • PULSAR
  • CIS-36 MFSK ou CROWD-36
  • XPA, XPA2

Piccolo era o modo MFSK original, desenvolvido para as comunicações do governo britânico por Harold Robin, Donald Bailey e Denis Ralphs do Diplomatic Wireless Service (DWS), uma filial do Foreign and Commonwealth Office. Foi usado pela primeira vez em 1962 e apresentado ao IEE em 1963. A especificação atual "Piccolo Mark IV" ainda era de uso limitado pelo governo do Reino Unido, principalmente para comunicações de rádio militar ponto a ponto, até o final dos anos 1990.

Coquelet é um sistema de modulação semelhante desenvolvido pelo governo francês para aplicações semelhantes.

MFSK8 e MFSK16 foram desenvolvidos por Murray Greenman, ZL1BPU para comunicações de rádio amador em HF. Olivia MFSK também é um modo de rádio amador. Greenman também desenvolveu DominoF e DominoEX para comunicações de rádio NVIS nas frequências MF superior e HF inferior (1,8–7,3 MHz).

O estabelecimento de link automático (ALE) é um protocolo desenvolvido pelos militares dos Estados Unidos e usado principalmente como um sistema de sinalização automática entre rádios. É amplamente utilizado para comunicações militares e governamentais em todo o mundo e por rádios amadores. É padronizado como MIL-STD-188-141B, que sucedeu a versão anterior MIL-STD-188-141A.

"CIS-36 MFSK" ou "CROWD-36" ( russo : Сердолик ) é a designação ocidental de um sistema semelhante ao Piccolo desenvolvido na antiga União Soviética para comunicações militares.

"XPA" e "XPA2" são designações ENIGMA-2000 para transmissões politônicas, supostamente originadas de estações de inteligência russas e do Ministério de Relações Exteriores. Recentemente, o sistema também foi descrito como "MFSK-20".

Comunicações VHF e UHF

Modos MFSK usados ​​para comunicações VHF , UHF :

  • DTMF
  • FSK441
  • JT6M
  • JT65
  • PI4

FSK441, JT6M e JT65 são partes da família WSJT ou sistemas de modulação de rádio, desenvolvidos por Joe Taylor, K1JT , para comunicações VHF de rádio amador de longa distância em condições de propagação marginal. Esses sistemas de modulação MFSK especializados são usados ​​em caminhos de rádio de troposcateamento, EME (terra-lua-terra) e meteorologia.

PI4 é um modo digital projetado especificamente para beacon VUSHF e estudos de propagação. O modo foi desenvolvido como parte do projeto Next Generation Beacons entre outros usados ​​pelo farol amador mais antigo do mundo OZ7IGY . Um decodificador para PI4 está disponível no programa PI-RX desenvolvido por Poul-Erik Hansen, OZ1CKG.

O DTMF foi inicialmente desenvolvido para sinalização de linha telefônica. É freqüentemente usado para aplicações de telecomando (controle remoto) em canais de voz VHF e UHF.

Veja também

Referências

Leitura adicional