Sagedusmanipulatsioon

Sagedusmanipulatsioon (inglise keeles frequency-shift keying, lühend FSK) on modulatsiooni meetod, mille puhul moduleeriv digitaalsignaal muudab edastuskanali siinusvõnkumise kandesagedust fikseeritud väärtuste vahel.

Binaarse sagedusmanipulatsiooni näide

Edastamisel muutub kandesignaali sagedus, kuid amplituud jääb samaks. Seetõttu on signaali ülekanne häirekindlam kui näiteks amplituudmanipulatsiooni korral. Lihtsam on ka edastatava signaali võimendi valik. Info ei lähe ka siis kaduma, kui mittelineaarne võimendi põhjustab eri sagedustel amplituudi kõikumist.

Viidates sagedusmanipulatsioonile, peetakse harilikult silmas binaarset versiooni, mille korral muutub signaal kahe sageduse vahel.

Binaarne sagedusmanipulatsioon (BFSK)

Lihtsaim FSK on binaarne sagedusmanipulatsioon (BFSK). BFSK kasutab kahte sagedust ning edastab binaarset (0 ja 1) informatsiooni. Sellisel juhul kutsutakse "1" edastust märgi sageduseks ning "0" edastust tühiku sageduseks.

Kokkuleppeliselt on märgi sagedus alati kõrgem tühiku sagedusest. Signaalide sageduse erinevust kesksagedusest ($f_{c}$) nimetatakse deviatsiooniks (ingl deviation) $f_{d}$ või $\Delta f_{c}$. Kui märgi ja tühiku sagedus on liiga lähedased, siis nad segavad teineteist, samas liiga suur eraldus ei ole sageduskasutuselt efektiivne. Vajalik sagedusriba laius on $2*(f_{d}+f_{b})$, kus $f_{b}$ on edastatav bitikiirus. Signaali vastuvõtmiseks peab modulatsiooniindeks soovitatavalt olema $h={\frac {2*f_{d}}{f_{b}}}\geq 1$.

Näiteks edastamiseks kiirusel 2400 bps deviatsiooniga 4,5 kHz on vaja sagedusriba laiusega 2 × (2400 + 4500) = 13,8 kHz.

Kasutades suurt deviatsiooni ja väikest bitikiirust, saame signaale edastada töökindlalt pika vahemaa taha. Sel viisil on BFSK endiselt kasutuses telemeetria rakendustes.

M-tasemeline sagedusmanipulatsioon (MFSK)

Kõrgemat järku (M-tasemeline) sagedusmanipulatsioon (MFSK) on FSK variant, milles kasutatakse kahe sageduse asemel M erinevat sagedust. M on tavaliselt vahemikus 2–64. Enamasti on M 2 ste, seega iga sagedustase edastab log₂(M) bitti.

Võimalik on kombineerida kaks MFSK-süsteemi suurendamaks veelgi edastatavate andmete mahtu. Nii töötab näiteks multisagedusliku kakstoonvalimise (DTMF) helisignaalide genereerimine.

Moduleerimine ja demoduleerimine

Mittekoherentne sagedusmanipulatsioon

Kõige lihtsam binaarse sagedusmoduleerimise viis on kasutada kahte sõltumatut sagedusgeneraatorit ning lülitada nende vahel ümber vastavalt edastatava biti väärtusele. Erinevad generaatorid ei ole aga üldiselt samas faasis ning seega ka amplituud erineb ümberlülitamise hetkel, tekitades hüppeid edastatavas signaalis.

Lihtsaim viis BFSK moduleerimiseks

Koherentne sagedusmanipulatsioon

Koherentne sagedusmanipulatsioon (phase coherent FSK) on edastusviis, mille puhul ettemääratud sagedused on bitiedastuskiiruse täiskordsed ning nende sageduste vahelised siirded (üleminekud) toimuvad kandelaine nulli läbimise hetkedel.

Pidevfaasiga sagedusmanipulatsioon

Pidevfaasiga sagedusmanipulatsiooni (phase-continuous FSK) korral sooritatakse siire ettemääratud sageduste vahel sageduse sellise muutmisega, et siire ei tekita faasinihet.

Praktikas kasutavad paljud FSK süsteemid ühte sagedusgeneraatorit ning eri sümbolitele vastaval sageduse muutmisel säilib signaali faas. Sel viisil eemaldatakse signaali faasis ning ka signaali amplituudis hüpped, mis vähendab ka häireid naaberkanalites.

Gaussi filtriga sagedusmanipulatsioon

Selle asemel et sagedust vahetada järsult sümboli vahetumisel, kasutatakse Gaussi filtrit tegemaks üleminekud sujuvaks. Sellise filtri eeliseks on külgriba võimsuse vähenemine ning vähem häireid naaberkanalite andmeedastusele.

Sellist meetodit kasutavad näiteks juhtmevaba DECT-telefonisüsteem ning Bluetooth ja nutimaja lahendustes kasutatavad Z-Wave seadmed.

Asünkroonse FSK demodulaatori tööpõhimõtte blokkskeem

Sünkroonse FSK demodulaatori tööpõhimõtte blokkskeem

Demoduleerimine

FSK signaali demoduleerimiseks on mitmeid viise. Peamiselt on kasutusel asünkroonne ja sünkroonne detektor. Sünkroonne demodulaator on koherentne, asünkroonne aga mittekoherentne.

Asünkroonne FSK demodulaator kasutab kahte ribapääsfiltrit, kahte detektorit (envelope detector) tuvastamiseks ning otsustusahelat. Ribapääsfiltrid on häälestatud märgi ja tühiku sagedustele, detektor tuvastab seejärel signaali olemasolu ning otsustusahel valib, kumb signaal on tõenäolisem.

Sünkroonne FSK demodulaator koosneb kahest sagedusgeneraatoriga mikserist, ribapääsfiltrist ning otsustusahelast. Sisendiks olev FSK signaal miksitakse generaatori signaaliga ja siis filtreeritakse ribapääsfiltriga. Seejärel otsustusahel valib, kumb sagedus on tõenäolisem.

Heli sagedusmanipulatsioon (AFSK)

Heli sagedusmanipulatsioon (AFSK, audio frequency-shift keying) on modulatsioonitehnika, kus digitaalseid andmeid esitatakse helisageduse (tooni) muutustena. Nii saadakse signaal, mida saab edastada raadio või telefoni teel.

AFSK erineb tavalisest FSK tehnoloogiast selle poolest, et moduleerimine toimub põhiriba sagedustel. Signaali edastamisel moduleeritakse AFSK-signaaliga omakorda saatja kandelainet (kasutades tavalist tehnikat, näiteks AM- või FM-modulatsiooni).

AFSK modulatsiooni üldiselt ei kasutata kiireks andmeedastuseks, kuna võrreldes teiste modulatsioonimeetoditega ei ole see kuigi efektiivne nii võimsuse kui sagedusriba kasutusel. Lisaks lihtsusele on siiski AFSK eeliseks ka töötamine vahelduvvooluseadmetes, mis on mõeldud kõne või muusika edastamiseks.

Rakendused

Morse

1910. aastal leiutas Reginald Fessenden kahe tooni meetodi morsekoodi saatmiseks. Tavalised punktid ja kriipsud asendati kahe eri tooniga, millel on erinev sagedus, kuid ühesugune kestus. Eesmärk oli suurendada edastuskiirust.

Varasemad morse pidevlaine (CW) saatjad kasutasid raadiosignaali loomiseks sädelahendust. Kaare loomine ning stabiliseerumine võttis aega, seega ei saanud saatjat tavalisel viisil sisse-välja lülitada. Selle asemel kasutati sagedusmanipulatsiooni. Saatja töötas pidevalt, muudeti sagedust 5%. Märgi sagedus oli morsemärk ning tühiku sagedus märkidevaheline paus, mida kutsuti ka kompensatsioonisageduseks. Kui vastuvõtja oli häälestatud märgi sagedusele, oli kuulda tavaline morse. Selline saatemeetod kulutas palju sagedusriba, lisaks tekitas häireid, sädesaatjaid ei kasutata enam alates 1921.

Teletaip (RTTY)

RTTY ehk “raadio teletaip” on morse järel vanim sagedusmanipulatsiooni kasutav digitaalne andmeedastusviis. Algselt kasutas teletaip viiebitilist Baudot’ koodi kõigi tähestiku tähtede, numbrite ja kontrollkoodide esitamiseks. Edastuskiirus oli keskmiselt 60 märki minutis. Edaspidi kiirused suurenesid ning hakati kasutama kogu standardset ASCII märgistikku.

AFSK modem

Varasemad telefoniliinil töötavad modemid kasutasid helisignaali sagedusmanipulatsiooni andmeedastuseks tavalises kõnetraktis kiirusega kuni 1200 bitti sekundis. Tänapäeval kasutatakse 1200-boodilist AFSK modulatsiooni Põhja-Ameerika telefonivõrgus helistaja numbrinäidu edastamiseks. AFSK on endiselt asutusel ka amatöörraadiosides, kuna see võimaldab kasutada modifitseerimata kõneedastusseadmeid.

MFSK amatöörraadio töörežiim

MFSK-moduleeritud signaali näide

MFSK-16 on 16 tooniga sagedusmanipulatsioonil põhinev amatöörraadio digitaalside režiim. Toonid on teineteisest 15,625 Hz nihkes ning edastuskiirus on 15,625 boodi. Tänu veaparandusele sobib see režiim hästi ka kaugside pidamiseks.