Modulación por desplazamiento de frecuencia
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| Véase también |
La modulación por desplazamiento de frecuencia ( FSK ) es un esquema de modulación de frecuencia en el que la información digital se codifica en una señal portadora al cambiar periódicamente la frecuencia de la portadora entre varias frecuencias discretas. [1] La tecnología se utiliza para sistemas de comunicación como telemetría , radiosondas de globos meteorológicos , identificador de llamadas , abridores de puertas de garaje y transmisión de radio de baja frecuencia en las bandas VLF y ELF . La FSK más simple es la FSK binaria ( BFSK , que también se conoce comúnmente como 2FSK o 2-FSK ), en la que la portadora se cambia entre dos frecuencias discretas para transmitir información binaria (0 y 1). [2]
Modulación y demodulación
Existen implementaciones de referencia de módems FSK que están documentadas en detalle. [3] La demodulación de una señal FSK binaria se puede realizar utilizando el algoritmo de Goertzel de manera muy eficiente, incluso en microcontroladores de bajo consumo. [4]
Variaciones
Modulación por desplazamiento de frecuencia de fase continua
En principio, la FSK se puede implementar utilizando osciladores de funcionamiento libre completamente independientes y conmutando entre ellos al comienzo de cada período de símbolo. En general, los osciladores independientes no estarán en la misma fase y, por lo tanto, en la misma amplitud en el instante de conmutación, lo que provocará discontinuidades repentinas en la señal transmitida.
En la práctica, muchos transmisores FSK utilizan un solo oscilador y el proceso de cambiar a una frecuencia diferente al comienzo de cada período de símbolo preserva la fase. La eliminación de discontinuidades en la fase (y, por lo tanto, la eliminación de cambios repentinos en la amplitud) reduce la potencia de banda lateral , lo que reduce la interferencia con los canales vecinos.
Modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana
En lugar de modular directamente la frecuencia con los símbolos de datos digitales, cambiando "instantáneamente" la frecuencia al comienzo de cada período de símbolo, la modulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana ( GFSK ) filtra los pulsos de datos con un filtro gaussiano para hacer que las transiciones sean más suaves. Este filtro tiene la ventaja de reducir la potencia de banda lateral , reduciendo la interferencia con los canales vecinos, a costa de aumentar la interferencia entre símbolos . Lo utilizan los dispositivos Improved Layer 2 Protocol , DECT , Bluetooth , [5] Cypress WirelessUSB, Nordic Semiconductor , [6] Texas Instruments , [7] IEEE 802.15.4 , Z-Wave y Wavenis. Para Bluetooth de velocidad de datos básica , la desviación mínima es de 115 kHz.
Un modulador GFSK se diferencia de un modulador de modulación por desplazamiento de frecuencia simple en que antes de que la forma de onda de banda base (con niveles −1 y +1) entre en el modulador FSK, pasa por un filtro gaussiano para suavizar las transiciones y limitar el ancho espectral. El filtrado gaussiano es una forma estándar de reducir el ancho espectral; en esta aplicación se denomina modelado de pulsos .
En la FSK ordinaria sin filtro, en un salto de −1 a +1 o de +1 a −1, la forma de onda modulada cambia rápidamente, lo que introduce un gran espectro fuera de banda. Si se cambia el pulso pasando de −1 a +1 como −1, −0,98, −0,93, ..., +0,93, +0,98, +1, y este pulso más suave se utiliza para determinar la frecuencia portadora , el espectro fuera de banda se reducirá. [8]
Modulación por desplazamiento mínimo
La modulación por desplazamiento de frecuencia mínima (MSK) es una forma particular de modulación por desplazamiento de frecuencia coherente con una eficiencia espectral particular. En MSK, la diferencia entre la frecuencia más alta y la más baja es idéntica a la mitad de la tasa de bits. En consecuencia, las formas de onda que representan un bit 0 y un bit 1 difieren exactamente en la mitad de un período de portadora. La desviación máxima de frecuencia es δ = 0,25 f m , donde f m es la frecuencia de modulación máxima. Como resultado, el índice de modulación m es 0,5. Este es el índice de modulación FSK más pequeño que se puede elegir de modo que las formas de onda para 0 y 1 sean ortogonales .
Modulación por desplazamiento mínimo gaussiano
En el estándar de telefonía móvil GSM se utiliza una variante de MSK denominada modulación por desplazamiento mínimo gaussiano ( GMSK ) .
Modulación por desplazamiento de frecuencia de audio
La modulación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK) es una técnica de modulación mediante la cual los datos digitales se representan mediante cambios en la frecuencia ( tono ) de un tono de audio , lo que produce una señal codificada adecuada para su transmisión por radio o teléfono . Normalmente, el audio transmitido alterna entre dos tonos: uno, la "marca", representa un uno binario ; el otro, el "espacio", representa un cero binario.
La modulación AFSK se diferencia de la modulación por desplazamiento de frecuencia normal en que realiza la modulación en frecuencias de banda base . En aplicaciones de radio, la señal modulada AFSK normalmente se utiliza para modular una portadora de RF (utilizando una técnica convencional, como AM o FM ) para su transmisión.
AFSK no siempre se utiliza para comunicaciones de datos de alta velocidad, ya que es mucho menos eficiente tanto en potencia como en ancho de banda que la mayoría de los otros modos de modulación. [9] Sin embargo, además de su simplicidad, AFSK tiene la ventaja de que las señales codificadas pasarán a través de enlaces acoplados a CA , incluida la mayoría de los equipos originalmente diseñados para transportar música o voz.
AFSK se utiliza en el Sistema de Alerta de Emergencia con sede en EE. UU. para notificar a las estaciones el tipo de emergencia, las ubicaciones afectadas y el momento de emisión sin tener que escuchar realmente el texto de la alerta.
Modulación por desplazamiento de frecuencia multinivel
Las radios de la fase 1 del sistema del Proyecto 25 utilizan modulación por desplazamiento de frecuencia de cuatro niveles (4FSK). [10] [11]
Aplicaciones
En 1910, Reginald Fessenden inventó un método de transmisión de código Morse de dos tonos. Los puntos y rayas se reemplazaron por tonos diferentes de igual longitud. [12] La intención era minimizar el tiempo de transmisión.
Algunos de los primeros transmisores de onda continua (OC) empleaban un convertidor de arco que no se podía manipular de forma cómoda . En lugar de encender y apagar el arco, la manipulación cambiaba ligeramente la frecuencia del transmisor mediante una técnica conocida como método de onda de compensación . [13] La onda de compensación no se utilizaba en el receptor. Los transmisores de chispa utilizados para este método consumían mucho ancho de banda y causaban interferencias, por lo que se desaconsejaba su uso en 1921. [14]
La mayoría de los primeros módems de línea telefónica utilizaban modulación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK) para enviar y recibir datos a velocidades de hasta unos 1200 bits por segundo. Los módems Bell 103 y Bell 202 utilizaban esta técnica. [15] Incluso hoy en día, el identificador de llamadas norteamericano utiliza AFSK de 1200 baudios en forma del estándar Bell 202. Algunas de las primeras microcomputadoras utilizaban una forma específica de modulación AFSK, el estándar Kansas City , para almacenar datos en casetes de audio . [16] La AFSK todavía se utiliza ampliamente en la radioafición , ya que permite la transmisión de datos a través de equipos de banda vocal sin modificar.
AFSK también se utiliza en el Sistema de Alerta de Emergencia de los Estados Unidos para transmitir información de advertencia. [ cita requerida ] Se utiliza a tasas de bits más altas para Weathercopy utilizado en Weatheradio por la NOAA en los EE. UU.
La estación de radio de onda corta CHU en Ottawa, Ontario , Canadá, transmite una señal horaria digital exclusiva codificada mediante modulación AFSK. [ cita requerida ]
Estándares de identificación de llamadas y medición remota
La modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) se utiliza habitualmente en líneas telefónicas para la identificación de llamadas (mostrar los números de las personas que llaman) y para aplicaciones de medición remota . Existen varias variantes de esta tecnología.
Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones
En algunos países de Europa , las normas 200 778-1 y -2 del Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), que sustituyen a las 300 778-1 y -2, permiten 3 capas de transporte físico ( Telcordia Technologies (anteriormente Bellcore), British Telecom (BT) y Cable Communications Association (CCA)), combinadas con 2 formatos de datos , el formato de mensaje de datos múltiples ( MDMF) y el formato de mensaje de datos único (SDMF), además del sistema multifrecuencia de doble tono (DTMF) y un modo sin timbre para la lectura de medidores y similares. Es más un reconocimiento de que existen los diferentes tipos que un intento de definir un único "estándar".
Tecnologías Telcordia
El estándar Telcordia Technologies (anteriormente Bellcore) se utiliza en Estados Unidos , Canadá (pero consulte más abajo), Australia , China , Hong Kong y Singapur . Envía los datos después del primer tono de llamada y utiliza la modulación de tono Bell 202 de 1200 bits por segundo . Los datos se pueden enviar en SDMF, que incluye la fecha, la hora y el número, o en MDMF, que agrega un campo NOMBRE.
Telecomunicaciones británicas
British Telecom (BT) en el Reino Unido desarrolló su propio estándar, que activa la pantalla con una inversión de línea y luego envía los datos como tonos de módem CCITT v.23 en un formato similar a MDMF. Lo utilizan BT, redes inalámbricas como la difunta Ionica y algunas compañías de cable. Se pueden encontrar detalles en las Notas de información del proveedor (SIN) de BT 227 Archivado el 26 de julio de 2014 en Wayback Machine (enlace roto el 28/7/21) y 242 Archivado el 26 de julio de 2014 en Wayback Machine (enlace roto el 28/7/21); otro documento útil es Designing Caller Identification Delivery Using XR-2211 for BT Archivado el 6 de marzo de 2016 en Wayback Machine del sitio web de EXAR.
Asociación de Comunicaciones por Cable
La Asociación de Comunicaciones por Cable (CCA) del Reino Unido desarrolló su propio estándar que envía la información después de un primer timbre corto, ya sea como tonos Bell 202 o V.23 . Desarrollaron un nuevo estándar en lugar de cambiar algunos "multiplexores" que no podían hacer frente al estándar BT. La industria del cable del Reino Unido utiliza una variedad de conmutadores: la mayoría son Nortel DMS-100; algunos son System X ; System Y ; y Nokia DX220. Tenga en cuenta que algunos de estos utilizan el estándar BT en lugar del CCA. El formato de datos es similar al de BT, pero la capa de transporte es más parecida a la de Telcordia Technologies, por lo que es más probable que los equipos norteamericanos o europeos lo detecten.
Véase también
- Modulación por desplazamiento de amplitud (ASK)
- Modulación por desplazamiento de frecuencia de fase continua (CPFSK)
- Multifrecuencia de doble tono (DTMF), otra técnica de codificación que representa datos mediante pares de frecuencias de audio
- Señalización de cambio de frecuencia
- Modulación por desplazamiento de frecuencia múltiple (MFSK)
- Multiplexación por división de frecuencia ortogonal (OFDM)
- Modulación por desplazamiento de fase (PSK)
- Norma federal 1037C
- Norma militar 188
- Modulación por desplazamiento de frecuencia extendida (S-FSK)
Referencias
- ^ Kennedy, G.; Davis, B. (1992). Sistemas de comunicación electrónica (4.ª ed.). McGraw-Hill International. ISBN 978-0-07-112672-4., pág. 509
- ^ FSK: Señales y demodulación (B. Watson) http://www.xn--sten-cpa.se/share/text/tektext/digital-modulation/FSK_signals_demod.pdf Archivado el 7 de septiembre de 2012 en Wayback Machine.
- ^ Enseñanza de DSP a través del estudio de caso práctico de un módem FSK (TI) http://www.ti.com/lit/an/spra347/spra347.pdf
- ^ Modulación y demodulación FSK con el microcontrolador MSP430 (TI) http://www.ti.com/lit/an/slaa037/slaa037.pdf Archivado el 6 de abril de 2012 en Wayback Machine.
- ^ ieeexplore.ieee.org, Sweeney, D.; "Introducción a Bluetooth: un estándar para redes inalámbricas de corto alcance" , Actas de la 15.ª Conferencia anual internacional IEEE ASIC/SOC, Rochester, Nueva York, EE. UU., 25-28 de septiembre de 2002 , págs. 474-475. 2002.
- ^ Nordic Semiconductor. Especificación preliminar del producto nRF24LU1+ v1.2 Archivado el 20 de febrero de 2011 en Wayback Machine.
- ^ LPRF Archivado el 4 de enero de 2017 en Wayback Machine.
- ^ Bhagwat, Pravin (10 de mayo de 2005). "Bluetooth: 1. Aplicaciones, tecnología y rendimiento". pág. 21. Consultado el 27 de mayo de 2015 .
- ^ Ciciora, Walter (2004). Ciciora, Walter S. (ed.). Tecnología moderna de televisión por cable: comunicaciones de video, voz y datos . Ámsterdam; Boston: Elsevier/Morgan Kaufmann Publishers. ISBN 978-1-55860-828-3.
- ^ Essam Atalla et al. "Un paso práctico hacia los transmisores de radio definidos por software". pág. 1.
- ^ Steve Ford. "Manual digital VHF de la ARRL". 2008. pág. 6-2.
- ^ Morse 1925, pág. 44; Morse cita la patente británica 2.617/11.
- ^ Oficina de Normas 1922, págs. 415-416
- ^ Pequeño 1921, pág. 125
- ^ Kennedy y Davis 1992, págs. 549-550
- ^ Peschke, Manfred; Pesche, Virginia (24 de diciembre de 2016). "Kansas City Standard". swtpc.com . Archivado desde el original el 24 de diciembre de 2016. Consultado el 9 de enero de 2023 .
- Oficina de Normas (1922), Principios subyacentes a la comunicación por radio (segunda edición), Cuerpo de Señales del Ejército de los EE. UU., ISBN 9781440078590Folleto de comunicaciones por radio n.º 40. Revisado el 24 de abril de 1921.
- Little, DG (abril de 1921), "Comunicación por radio de onda continua", Electric Journal , 18 : 124–129
- Morse, AH (1925), Radio: Beam and Broadcast, Londres: Ernest Benn Limited
Enlaces externos
- dFSK: Modulación por desplazamiento de frecuencia distribuida en redes densas de sensores
- M Nasseri, J Kim, M Alam - Actas del 17.º Congreso de Comunicaciones y Redes, 2014, Cálculo métrico unificado de MFSK no coherente turbocodificado basado en muestreo para canal móvil
- J Kim, P Raorane, M Nasseri, M Alam - Actas del 46.º Simposio Anual de Simulación, 2013, Análisis del rendimiento de NCQFSK turbocodificado basado en muestreo para transmisión de datos de imágenes
