FSK, GFSK, MSK, GMSK и некоторые другие режимы.

FSK, GFSK, GMSK, MSK и некоторые другие режимы.

Катализатором к написанию этой статьи послужила очень интересная дискуссия на нашем форуме, перед этим мне на почту пришло письмо в сущности с аналогичной проблемой, и в довершении ко всему в интернете на глаза попался вопрос на одном из форумов с точно таким же вопросом и без ответа. Игнорировать такие явные совпадения дурной тон, по этому и попробуем разобраться с проблемой этих модуляций. Нет ни каких оснований считать все написанное ниже абсолютной и не погрешимой истиной, но разумеется я буду стараться придерживаться каких-то основ и общих положений, при этом детали будут опущены, рассматриваться будут достаточно общие подходы и принципы.

Рассмотрим FSK модуляцию. Стандартно в общем виде схема модулятора выглядит следующим образом.



Прямоугольный битовый поток преобразованный к уровням +/- 1 поступает на модулятор(генератор управляемый напряжением), где уровню +1 соответствует одна частота, уровню -1 другая. Таким образом на выходе модулятора получаем классическую FSK модуляцию. Как видим разнос частот задается в модуляторе и может быть любым, но не меньше чем Br(BaudRate - скорость манипуляции), почему мы углубляться не будем, это освещено в теории, но отмечу, что при меньшем разносе корректно демодулировать такой сигнал не возможно. Для нас важно сейчас отметить, что генератор в модуляторе и битовый поток в целом ни как не связаны и не синхронизированы. Спектр такого сигнала содержит множество гармоник за счет прямоугольности импульсов модуляции и резкого переключения генератора в модуляторе в "неподходящие" моменты времени. Основная энергия сосредоточена вокруг частот манипуляции и занимает полосу равную Br, что дает минимально возможный спектр такого сигнала 2*Br при разносе равном Br, или Shift(разнос частот манипуляции)+Br в более общем случае. Гармоники за пределами этого спектра могут быть эффективно подавлены без ущерба для успешной демодуляции, что и делается на практике.



Обратите внимание, что спектр вокруг частот манипуляции при разносе равном Br точно укладывется в пространство между частотами без перекрытия. Если частоты сближать дальше то будет перекрытие спектров "чужих" посылок и взаимные сильные помехи. Это наглядное графическое изображение ограничения минимального разноса при классической FSK, математическое обоснование хорошо освещено в теории. Из графического представления видно основную идею для уменьшения разноса частот при той же скорости манипуляции, и как следствие повышения эффективности самой FSK. Достаточно каким либо образом уменьшить/сузить область основной энергии боковых вокруг частот манипуляции, что позволит уменьшить разнос. Эта идея реализуется через предварительную фильтрацию битового потока перед подачей на модулятор. Для FSK широкое распространение получили фильтры Гаусса, они обеспечивают достаточно эффективное сужение полосы за счет сглаживания резких переходов напряжения манипуляции и хорошую управляемость параметрами. В принципе любой фильтр сглаживающий резкие переходы годен для этой цели, но фильтры Гаусса обладают более лучшими характеристиками, хотя они не единственные конечно. Классическая FSK с предварительной фильрацией напряжения манипуляции фильтром Гаусса получила название GFSK. Общая схема модулятора остается прежней, но битовый поток проходит через фильтр Гаусса.



Это позволяет уйти от ограничения минимального сдвига классической FSK, Shift >= Br в сторону уменьшения. От параметров фильтра Гаусса зависит насколько сильно будет сужен основной спектр боковых и насколько сильно можно сдвинуть частоты манипуляции. На практике(да собственно и в теории для такой схемы как изображено) эта величина всегда больше чем Br/2. Это вызвано тем, что уменьшение боковых достигается сильной пологостью фронтов напряжения манипуляции, что приводит к наезду одного импульса на другой, и как следствие к невозможности демодуляции. Типовое уменьшение разноса для GFSK составляет на 30-40% от классического Shift = Br, то есть Shift = (0.7-0.6)*Br. Очень трудно в общем случае при анализе сказать, что используется именно GFSK, так как такого же или практически такого же эффекта можно достигнуть и с другими фильтрами.



Дальнейшее развитие техники FSK манипуляции привело к появлению MSK манипуляции, манипуляции с минимальным частотным сдвигом, теоретически было обосновано при каких условиях возможна манипуляция с разносом частот Br/2, в теорию углубляться не будем, однако замечу, что в этом случае произошел отказ от генератора управляемого напряжением, и для формирования MSK манипуляции используются квадратурные модуляторы. Схема MSK модулятора сушественно сложнее и выглядит примерно так, замечу, что самих схем очень много, на них выдают патенты, нам важен общий принцип.



Может показаться, что в MSK сам модулятор так же независим и несинхронизирован с битовым потоком, однако это не так, условия MSK манипуляции требуют, что бы смена бит происходила при экстремумах колебаний генератора в манипуляторе, или проще в абсолютных пиках синусоиды и/или в нулях. При выполнении всех условий автоматически устанавливается разнос частот манипуляции равный Br/2 и общая ширина спектра получается примерно 1.5*Br. Не сложно понять, что манипуляция представляет собой одну частоту имеющую на разных посылках разную фазу, причем фаза никогда не стоит на месте, а имеет постоянный разный набег, что и дает две частоты с минимальным разнсом, все это хорошо представлено в теории.



Введение фильтра Гаусса в схему MSK модулятора позволяет уменьшить еще больше общий спектр сигнала, но платой за это будет некоторое снижение помехозащищенности. Подобная манипуляция получила название GMSK, стандартно GMSK манипуляция может имееть спектр примерно всего на 12-15% больше чем Br, меньшие значения чреваты сильной потерей помехоустойчивости.





Наибольшую помехоустойчивость имеет конечно MSK манипуляция при когеррентном демодуляторе. Однако как не сложно заметить, суть всех ухищрений это сужение полосы при FSK манипуляции, что позволяет демодулировать MSK, GMSK режимы обычными частотными детекторами, но конечно это скорее вынужденный способ, и в принципе не правильный. Так же не сложно заметить, что MSK и GMSK, во первых манипулируют фазой несущего колебания, во вторых требуют для полной реализации своих потенциальных возможностей когеррентные демодуляторы.

Таким образом получаются следующие характеристики этих модуляций. FSK - простота реализации и относительно широкий спектр. GFSK - простота реализации меньший спектр, но и несколько худшая помехоустойчивость по отношению к FSK. MSK - очень высокая помехоустойчивость при относительно небольшом спектре, но сложная схема модулятора-демодулятора. GMSK - ширина спектра практически близка к теоретическому пределу Br, несколько худшая помехоустойчивость по сравнению с MSK, сложность модулятора-демодулятора такая же как у MSK.

Подобные "двуликие" сигналы, такие как MSK и GMSK я называю полумодами, это не общепринятое название, просто потребовалось как-то выделить этот класс сигналов из общего семейства PSK, так как обладая и признаками PSK и признаками FSK они и в самом деле занимают особое промежуточное положение. Вторая гармоника этих полумод, имеет две яркие спектральные линии, разнос между которыми равен Br, что является одним из признаков этих режимов. Это необходимое условие их определения при анализе, но не достаточное. Две линии во второй степени так же дают и SDPSK и OQPSK режимы. SDPSK в общем случае не требует синхронности переходов в экстермумах несущей и за счет этого имеет большую ширину спектра чем MSK, которую так же можно уменьшить фильтруя битовоый поток перед подачей на модулятор, что и делают используя обычно RRC фильтры. SDPSK(PSK-2 с вращением фазы) в сущности имеет такой же результирующий сигнал как и MSK, только с более широким спектром, и так же может демодулироваться FSK демодулятором, попадая под определение полумод.

Современные методы формирования различных сигналов зачастую стирают грань между различными режимами, по той причине, что разработчики почти всегда(это сильно упрощает разработку) стремятся выбрать кратное соотношение между тактовой частотой манипуляции и частотой несущей, в этом случае призводитель заявляет и собственно формирует к примеру модуляцию как SDPSK, а результирующий сигнал в сущности MSK. Случайно или осознанно вносится определенная неразбериха в многообразие различных режиов и их определений. Очень часто в описаниях сигналов указана GFSK модуляция, тогда как на деле это типичная SDPSK по всем признакам, например сигнал финского радиозонда. Посмотрев на схему формирования GFSK модуляции, легко понять, что если засинхронизировать тактовую и генератор и выбрать разнос частот Br/2 то при определенных параметрах фильтра Гаусса, и высокой стабильности параметров генератора, такая "GFSK" легко выродится в одну из полумод, о чем разработчики похоже не задумываются или просто не знают. Кстати в свое время GFSK ошибочно была отнесена к классу полумод именно по этой причине, на одном из зарубежных сайтов модуляция ACARS VHF была заявлена как GFSK. Иногда правда упоминают о какой-то "фирменной" GFSK модуляции, но думается, вся фирменность в получении типичных полумод не типичными способами.

При анализе желательно определиться хотя бы примерно, какой тип модуляции используется. Следует по мимо всего ориентироваться и на ширину спектра занимаемого сигналом и на его форму. При чистой MSK модуляции ширина спектра примерно 1.5*Br, при GMSK спектр меньше этой величины и в пределе очень близок к теоретическому Br, форма спектра при этом у MSK, GMSK явно выраженная колоколообразная, при SDPSK(тоже кстати имеет много названий) спектр больше 1.5*Br. Основной признак полумод две линии во второй степени, основной но не однозначный, требует определенной аккуратности и внимания. С формой спектра так же нужна определенная аккуратность, зачастую приемники искажают ее до неузнаваемости особенно если сигнал снимается с выхода НЧ или дискриминатора, в этом смысле гораздо предпочтительнее или I/Q запись или IF.

Удачи. getQuotation();






Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.