Kluczowanie częstotliwości (FSK)

Czym jest kluczowanie z przesuwem częstotliwości?

Kluczowanie z przesuwem częstotliwości (FSK, od ang. Frequency-Shift Keying) to modulacja cyfrowa, w której nadajnik wybiera częstotliwość nośną ze zdefiniowanego zbioru, aby reprezentować każdy symbol. W binarnym FSK jedna częstotliwość oznacza binarne '1', a druga binarne '0'. Wybrana częstotliwość jest parametrem przenoszącym informację.

W FSK amplituda może pozostawać stała, co ogranicza wrażliwość na szum amplitudowy i pozwala stosować nieliniowe wzmacniacze mocy. Faza nie musi być ciągła na granicy symboli. Zwykłe przełączanie FSK może powodować jej nieciągłości, natomiast FSK z ciągłą fazą (CPFSK) zachowuje ciągłość fazy. Ta różnica wpływa na widmo w porównaniu z kluczowaniem z przesuwem amplitudy (ASK).

Podstawy binarnego FSK (BFSK)

Binarne FSK używa dwóch odrębnych częstotliwości. Nazwy mark i space pochodzą z sygnalizacji dalekopisowej i oznaczają symbole przypisane do poszczególnych tonów:

Częstotliwość znaku (mark, $f_1$ ):Reprezentuje binarne '1'. W przyjętej konwencji jest to częstotliwość wyższa.
Częstotliwość odstępu (space, $f_2$ ):Reprezentuje binarne '0'. W tej samej konwencji jest to częstotliwość niższa.

Przy tym przyporządkowaniu wysoki poziom sygnału modulującego wybiera ton mark dla binarnego '1', więc częstotliwość sygnału spełnia $f_1 > f_n$ . Niski poziom wybiera ton space dla binarnego '0', więc częstotliwość sygnału spełnia $f_2 < f_n$ .

Parametry i wzory

Sygnał FSK można opisać za pomocą następujących parametrów:

Częstotliwość nośna ( $f_n$ )

Jest to częstotliwość środkowa, wokół której rozmieszczone są oba tony. Oblicza się ją jako średnią arytmetyczną częstotliwości mark i space.

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

Dewiacja częstotliwości ( $\Delta f$ )

Przy założeniu $f_1 > f_2$ jest to maksymalne odchylenie od częstotliwości środkowej. Wartość stanowi połowę różnicy między częstotliwościami mark i space.

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

Separacja tonów, czyli różnica częstotliwości mark i space, wynosi $|f_1-f_2| = 2\Delta f$ . W niektórych opisach symbol $\Delta f$ oznacza całą separację, dlatego definicję trzeba podać przy wzorze.

Średnia moc sygnału ( $P_{tot}$ )

Dla szczytowej amplitudy napięcia sinusoidalnego fali nośnej ( $U_n$ ) na znormalizowanym obciążeniu 1 om stała amplituda daje stałą moc średnią:

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

Dla obciążenia o rezystancji $R$ należy użyć wzoru $P_{tot} = \frac{U_n^2}{2R}$ . Pierwszy wzór jest przypadkiem $R=1$ .

FSK jako forma modulacji częstotliwości (FM)

FSK jest cyfrową postacią . W analogowym FM chwilowa częstotliwość zmienia się zgodnie z ciągłym sygnałem, na przykład audio. FSK wybiera dyskretne częstotliwości zgodnie z symbolami cyfrowymi, często reprezentowanymi przez impulsy prostokątne.

Niezależne oscylatory przełączane między częstotliwościami mogą powodować nieciągłości fazy i duże listki boczne widma. Modulator FSK z ciągłą fazą (CPFSK) całkuje dewiację częstotliwości i utrzymuje ciągłość fazy przy zmianie symboli. MSK i GMSK są szczególnymi schematami CPFSK albo CPM z dodatkowym kształtowaniem impulsu.

Zalety, wady i zastosowania

Zalety

Tolerancja szumu amplitudowego: Stała obwiednia nie koduje symboli zmianą amplitudy i może współpracować z nieliniowymi wzmacniaczami mocy.
Prostota: Modulator i demodulator FSK mogą korzystać z osobnych oscylatorów, filtrów albo dyskryminatora częstotliwości, zależnie od konstrukcji odbiornika.
Stała moc: Stała obwiednia utrzymuje średnią moc radiową, gdy wzmacniacz zachowuje tę obwiednię.

Wady

Wykorzystanie pasma: Podstawowe FSK zwykle zajmuje szersze pasmo niż PSK czy QAM przy tej samej przepływności bitowej i docelowej stopie błędów.

Typowe zastosowania

FSK występuje w systemach, których przydział pasma i konstrukcja odbiornika odpowiadają stałej obwiedni:

Wczesne modemy telefoniczne (np. standard Bell 103 z szybkością 300 bps).
Systemy identyfikacji numeru dzwoniącego często korzystają z FSK. W części wariantów sygnalizacji używa się DTMF.
Systemy radiowe małej mocy i w pasmach nielicencjonowanych.
Radioamatorstwo, zwłaszcza w trybach danych takich jak RTTY (dalekopis radiowy).
Niektóre systemy RFID.