Kluczowanie Częstotliwości (FSK)

Modulacja cyfrowa poprzez przełączanie między dyskretnymi poziomami częstotliwości.

Czym jest Kluczowanie z Przesuwem Częstotliwości?

Kluczowanie z Przesuwem Częstotliwości (FSK, od ang. Frequency-Shift Keying) to technika modulacji cyfrowej, w której dane są reprezentowane przez zmiany częstotliwości fali nośnej. Wyobraź to sobie jako szybkie przełączanie między dwiema różnymi stacjami radiowymi w celu wysłania wiadomości: częstotliwość jednej stacji reprezentuje binarne '1', a częstotliwość drugiej stacji reprezentuje binarne '0'.

W FSK, amplituda i faza pozostają stałe, co czyni tę technikę bardzo odporną na zakłócenia o charakterze amplitudowym, co jest znaczącą przewagą nad kluczowaniem z przesuwem amplitudy (ASK).

Podstawy Binarnego FSK (BFSK)

Najprostsza i najczęściej spotykana forma FSK to Binarne FSK, które używa dwóch odrębnych częstotliwości. Są one często określane historycznymi nazwami pochodzącymi z dalekopisów:

Częstotliwość znacząca (Mark, $f_1$ ): Reprezentuje binarne '1'. Zazwyczaj jest to wyższa częstotliwość.
Częstotliwość rozdzielcza (Space, $f_2$ ): Reprezentuje binarne '0'. Zazwyczaj jest to niższa częstotliwość.

Jak widać na diagramie, gdy sygnał modulujący jest na wysokim poziomie (reprezentując '1'), sygnał zmodulowany oscyluje z wyższą częstotliwością znaczącą ( $f_1 > f_n$ ). Kiedy sygnał modulujący jest na niskim poziomie (reprezentując '0'), sygnał zmodulowany oscyluje z niższą częstotliwością rozdzielczą ( $f_2 < f_n$ ).

Interaktywny FSK – Sygnał i częstotliwość chwilowa

Parametry sygnału

Częstotliwość centralna fc (Hz): 50 Hz

Dewiacja częstotliwości Δf (Hz): 10.0 Hz

Szybkość bitowa (bit/s): 4 bit/s

Powiązanie: Δf = h · Rb: Δf=4.0Hz

Parametry modulacji

Amplituda A: 1.0

Typ FSK

Wskaźnik modulacji h: 1.00

Dane i detekcja

Sekwencja bitów

Typ detekcji

SNR do symulacji (dB): 15 dB

Sygnał zmodulowany FSK

Częstotliwość chwilowa

Kluczowe Parametry i Wzory

Sygnał FSK jest matematycznie zdefiniowany przez kilka kluczowych parametrów:

Częstotliwość nośna ( $f_n$ )

Jest to częstotliwość środkowa, wokół której sygnał jest przesuwany. Oblicza się ją jako średnią arytmetyczną częstotliwości znaczącej i rozdzielczej.

$f_n = \frac{f_1 + f_2}{2}$

Dewiacja częstotliwości ( $\Delta f$ )

Ten parametr określa maksymalne odchylenie od częstotliwości nośnej. Oblicza się go jako połowę różnicy między częstotliwością znaczącą a rozdzielczą.

$\Delta f = \frac{f_1 - f_2}{2}$

Średnia moc sygnału ( $P_{tot}$ )

Ponieważ amplituda fali nośnej ( $U_n$ ) pozostaje stała, całkowita średnia moc sygnału zmodulowanego jest również stała i jest dana wzorem:

$P_{tot} = \frac{1}{2} U_n^2$

FSK jako forma Modulacji Częstotliwości (FM)

FSK można uznać za szczególny przypadek cyfrowej . Kluczowa różnica polega na naturze sygnału modulującego: w analogowym FM jest to ciągły przebieg analogowy (np. audio), podczas gdy w FSK sygnał modulujący jest dyskretnym, prostokątnym sygnałem cyfrowym, reprezentującym strumień danych binarnych.

Proste systemy FSK mogą wprowadzać nagłe skoki fazy przy przełączaniu częstotliwości, co może powodować poszerzenie widma. Aby temu zapobiec, stosuje się bardziej zaawansowane schematy, takie jak FSK z ciągłą fazą (CPFSK), które zapewniają płynne przejście fazy między symbolami. Poprawia to wydajność widmową i prowadzi do jeszcze bardziej zaawansowanych technik, jak MSK i GMSK.

Zalety, Wady i Zastosowania

Zalety

Odporność na zakłócenia: Bardzo dobra odporność na zakłócenia amplitudowe w porównaniu do ASK.
Prostota: Modulatory i demodulatory FSK są stosunkowo proste i tanie w implementacji.
Stała moc: Stała obwiednia sygnału jest odpowiednia do stosowania z wydajnymi energetycznie wzmacniaczami nieliniowymi.

Wady

Niewydajność pasma: Podstawowe FSK jest mniej wydajne widmowo niż PSK czy QAM, wymagając szerszego pasma częstotliwości dla danej szybkości transmisji.

Typowe Zastosowania

Ze względu na swoją niezawodność i prostotę, FSK jest używane w różnorodnych systemach, szczególnie tam, gdzie szerokość pasma nie jest głównym ograniczeniem:

Wczesne modemy telefoniczne (np. standard Bell 103 z szybkością 300 bps).
Identyfikacja numeru dzwoniącego (Caller ID).
Systemy radiowe małej mocy i w pasmach nielicencjonowanych.
Radioamatorstwo, zwłaszcza w trybach danych takich jak RTTY (dalekopis radiowy).
Niektóre systemy RFID.