周波数偏移変調

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バイナリFSKの例
FSK-FMCW Principle.png

周波数偏移変調FSK)は、デジタル情報が搬送波信号の離散的な周波数変化を介して送信される周波数変調方式です。[1] この技術は、テレメトリ、気球ラジオゾンデ発信者IDガレージドア開閉装置、 VLFおよびELF帯域の低周波無線伝送などの通信システムに使用されます。最も単純なFSKはバイナリFSKBFSK)です。BFSKは、離散周波数のペアを使用して、バイナリ(0と1)情報を送信します。[2] この方式では、1はマーク周波数と呼ばれ、0はスペース周波数と呼ばれます。

変調と復調

FSKモデムのリファレンス実装が存在し、詳細に文書化されています。[3]バイナリFSK信号の復調は、低電力マイクロコントローラーでも、 Goertzelアルゴリズムを使用して非常に効率的に実行できます。[4]

バリエーション

複数の周波数偏移変調

連続位相周波数シフトキーイング

原則として、FSKは、完全に独立した自走発振器を使用し、各シンボル期間の開始時にそれらを切り替えることによって実装できます。一般に、独立した発振器は同じ位相ではないため、切り替えの瞬間に同じ振幅になり、送信信号に突然の不連続性が発生します。

実際には、多くのFSK送信機は単一の発振器のみを使用し、各シンボル期間の開始時に異なる周波数に切り替えるプロセスにより、位相が保持されます。位相の不連続性を排除する(したがって、振幅の突然の変化を排除する)と、側波帯電力が減少し、隣接チャネルとの干渉が減少します。

ガウス周波数偏移変調

ガウス周波数シフトキーイングGFSK )は、デジタルデータシンボルで周波数を直接変調するのではなく、各シンボル周期の開始時に周波数を「瞬時に」変更して、データパルスをガウスフィルターでフィルター処理して遷移をスムーズにします。このフィルタには、符号間干渉を増加させる代わりに、側波帯電力を低減し、隣接チャネルとの干渉を低減するという利点あります。これは、改良されたレイヤー2プロトコルDECTBluetooth[5] Cypress WirelessUSBNordic Semiconductor[6]によって使用されます。 Texas Instruments LPRFIEEE 802.15.4Z-WaveおよびWavenisデバイス。基本データレートBluetoothの場合、最小偏差は115kHzです。

GFSK変調器は、ベースバンド波形(レベル-1および+1)がFSK変調器に入る前に、ガウスフィルターを通過して遷移をスムーズにし、スペクトル幅を制限するという点で、単純な周波数シフトキーイング変調器とは異なります。ガウスフィルタリングは、スペクトル幅を減らすための標準的な方法です。このアプリケーション では、パルス整形と呼ばれます。

通常のフィルタリングされていないFSKでは、-1から+1または+1から-1にジャンプすると、変調された波形が急速に変化し、大きな帯域外スペクトルが発生します。パルスが-1から+1に-1、-0.98、-0.93、...、+ 0.93、+ 0.98、+ 1として変更され、このより滑らかなパルスがキャリア周波数、out-を決定するために使用される場合帯域外スペクトルが減少します。[7]

最小シフトキーイング

最小周波数シフトキーイングまたは最小シフトキーイング(MSK)は、コヒーレントFSKの特定のスペクトル効率の高い形式です。MSKでは、高い周波数と低い周波数の差はビットレートの半分に相当します。したがって、0ビットと1ビットを表す波形は、キャリア周期のちょうど半分だけ異なります。最大周波数偏移はδ= 0.25  f mです。ここで、fm最大変調周波数です。その結果、変調指数mは0.5になります。これは、0と1の波形が直交するように選択できる最小のFSK変調指数です。

ガウス最小偏移変調

GSM携帯電話規格 では、ガウス最小偏移変調(GMSK)と呼ばれるMSKの変形が使用されています。

オーディオ周波数シフトキーイング

オーディオ周波数シフトキーイング(AFSK)は、デジタルデータをオーディオトーンの周波数ピッチ)の変化で表す変調技術であり、ラジオ電話での送信に適したエンコードされた信号を生成します。通常、送信されるオーディオは2つのトーンを交互に繰り返します。1つは「マーク」で、バイナリトーンを表します。もう1つの「スペース」は、2進ゼロを表します。

AFSKは、ベースバンド周波数で変調を実行するという点で、通常の周波数シフトキーイングとは異なります。無線アプリケーションでは、AFSK変調信号は通常、送信用にRF 搬送波を変調するために使用されます( AMFMなどの従来の技術を使用)。

AFSKは、他のほとんどの変調モードよりも電力と帯域幅の両方ではるかに効率が低いため、高速データ通信に常に使用されるわけではありません。[要出典]ただし、AFSKには、その単純さに加えて、エンコードされた信号がAC結合リンク を通過するという利点があります。これには、元々音楽や音声を伝送するように設計されたほとんどの機器が含まれます。

AFSKは、米国を拠点とする緊急警報システムで使用され、警報のテキストを実際に聞くことなく、緊急事態の種類、影響を受ける場所、および問題の時刻をステーションに通知します。

連続4レベル変調

Project 25システムのフェーズ1無線機は、連続4レベルFM(C4FM)変調を使用します。[8] [9]

アプリケーション

1910年、レジナルドフェッセンデンはモールス信号を送信する2トーン方式を発明しました。ドットとダッシュは、同じ長さの異なるトーンに置き換えられました。[10] その意図は送信時間を最小化することでした。

初期のCW送信機の中には、便利なキーイングができないアークコンバーターを採用しているものがありました。アークをオン/オフする代わりに、キーは補償波法として知られている技術で送信機の周波数をわずかに変更しました。[11]補償波は受信機で使用されませんでした。この方法で使用された火花送信機は、多くの帯域幅を消費し、干渉を引き起こしたため、1921年までに推奨されませんでした。[12]

初期の電話回線モデムのほとんどは、オーディオ周波数シフトキーイング(AFSK)を使用して、最大約1200ビット/秒の速度でデータを送受信していました。Bell103およびBell202モデムは、この手法を使用しました[13]今日でも、北米の発信者IDはBell202標準の形式で1200ボーのAFSKを使用しています。初期のマイクロコンピューターの中には、カンサスシティ標準である特定の形式のAFSK変調を使用して、オーディオカセットにデータを保存するものがありました要出典】 AFSKは今でもアマチュア無線で広く使われています、変更されていない音声帯域機器を介したデータ送信が可能になるため。

AFSKは、警告情報を送信するために米国の緊急警報システムでも使用されています。[要出典]米国の NOAAがWeatheradio使用するWeathercopyのビットレートが高くなっています。

カナダのオンタリオ州オタワにあるCHU 短波ラジオ局は、AFSK変調を使用してエンコードされた専用のデジタル時報を放送しています。[要出典]

発信者IDとリモートメータリング標準

周波数偏移変調(FSK)は、発信者ID(発信者番号の表示)およびリモートメータリングアプリケーションの電話回線で一般的に使用されます。このテクノロジーにはいくつかのバリエーションがあります。

欧州電気通信標準化機構

ヨーロッパの一部の国では、European Telecommunications Standards Institute(ETSI)標準200 778-1および-2– 300 778-1および-2の代わりに– 3つの物理トランスポート層(Telcordia Technologies(以前のBellcore)、British Telecom(BT))が許可されています。およびCableCommunications Association(CCA))、2つのデータフォーマットマルチデータメッセージフォーマット(MDMF)およびシングルデータメッセージフォーマット(SDMF)に加えて、デュアルトーン多重周波数(DTMF)システムおよびメーター用のノーリングモードを組み合わせたもの-読書など。単一の「標準」を定義する試みよりも、さまざまなタイプが存在するという認識のほうが重要です。

Telcordia Technologies

Telcordia Technologies (以前のBellcore)標準は、米国、カナダ(ただし、以下を参照)、オーストラリア中国香港、およびシンガポールで使用されています。最初の着信音の後にデータを送信し、1200ビット/秒の ベル202トーン変調を使用します。データは、日付、時刻、番号を含むSDMFで送信することも、NAMEフィールドを追加するMDMFで送信することもできます。

ブリティッシュテレコム

英国のBritishTelecom BT)は独自の標準を開発しました。この標準は、回線反転でディスプレイをウェイクアップし、MDMFと同様の形式でCCITTv.23モデムトーンとしてデータを送信しますBT、故Ionicaのようなワイヤレスネットワーク、および一部のケーブル会社で使用されています。詳細は、BTサプライヤー情報ノート(SIN)227(リンクが28/7/21に壊れている)および242(リンクが28/7/21に壊れている)に記載されています。もう1つの有用なドキュメントはEXARWebサイト のBT用XR-2211を使用した発信者識別配信の設計です。

ケーブル通信協会

英国のCableCommunications Association(CCA)は、ベル202またはV.23トーンのいずれかとして、短い最初の呼び出し音の後に情報を送信する独自​​の標準開発まし彼らは、BT標準に対応できないいくつかの「ストリートボックス」(マルチプレクサ)を変更するのではなく、新しい標準を開発しました。英国のケーブル業界ではさまざまなスイッチが使用されています。ほとんどがNortelDMS -100です。一部はシステムXです。システムY ; およびNokiaDX220これらの一部は、CCA標準ではなくBT標準を使用していることに注意してください。データ形式はBTのものに似ていますが、トランスポート層はTelcordia Technologiesに似ているため、北米またはヨーロッパの機器がそれを検出する可能性が高くなります。

も参照してください

参照

  1. ^ ケネディ、G。; デイビス、B。(1992)。電子通信システム(第4版)。マグロウヒルインターナショナル。ISBN 978-0-07-112672-4、p 509
  2. ^ FSK:信号と復調(B.ワトソン) http://www.xn--sten-cpa.se/share/text/tektext/digital-modulation/FSK_signals_demod.pdf ウェイバックマシンで2012年9月7日に
  3. ^ FSKモデム(TI)の実用的なケーススタディを通じてDSPを教えるhttp://www.ti.com/lit/an/spra347/spra347.pdf
  4. ^ MSP430マイクロコントローラ(TI)を使用したFSK変調および復調http://www.ti.com/lit/an/slaa037/slaa037.pdf ウェイバックマシンで2012年4月6日に
  5. ^ ieeexplore.ieee.org、Sweeney、D。; 「Bluetoothの紹介は、短距離ワイヤレスネットワークの標準です」議事録。第15回IEEE国際ASIC / SOC会議、米国ニューヨーク州ロチェスター、2002年9月25〜28日、 474〜475ページ。2002年。
  6. ^ ノルディックセミコンダクタ。 nRF24LU1 +暫定製品仕様v1.2ウェイバックマシンで2011年2月20日にアーカイブ
  7. ^ Bhagwat、Pravin(2005年5月10日)。「Bluetooth:1。アプリケーション、テクノロジー、パフォーマンス」p。21 2015年5月27日取得
  8. ^ Essam Atalla etal。 「ソフトウェア無線送信機に向けた実用的な一歩」p。1.1。
  9. ^ スティーブフォード。 「ARRLのVHFデジタルハンドブック」2008.p。6-2。
  10. ^ モース1925、p。44; モースは英国特許2,617 / 11を引用しています。
  11. ^ 標準局1922、pp。415–416
  12. ^ リトル1921、p。125
  13. ^ Kennedy&Davis 1992、pp。549–550

外部リンク