Sagedusmanipulatsioon

Sagedusmanipulatsioon (FSK, frequency-shift keying) on modulatsiooni meetod, mille puhul moduleeriv digitaalsignaal varieerib väljundsignaali sagedust fikseeritud arvu ettemääratud väärtustena.

Binaarse sagedusmanipulatsiooni näide

Edastataval signaalil muutub sagedus, kuid amplituud jääb samaks. See lihtsustab edastatava signaali võimendi valikut. Info ei lähe ka siis kaduma, kui mittelineaarne võimendi põhjustab eri sagedustel amplituudi kõikumist. Viidates FSK-le peetakse sageli 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 edastussagedust märgi sageduseks ning "0" edastust tühiku sageduseks.

Kokkuleppeliselt on märgi sagedus alati kõrgem tühiku sagedusest. Signaalide sageduse erinevust kesksagedusest ($f_{c}$) nimetatakse deviatsiooniks (i.k deviation) $f_{d}$ või $\Delta f_{c}$. Kui märgi ja tühiku sagedus on teineteisele liiga lähedal, 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 kiiruse 2400 bps edastamiseks deviatsiooniga 4,5 kHz on vaja sagedusriba laiusega 2 * (2400 + 4500) = 13,8 kHz.

Kasutades suurt deviatsiooni ja väikest bitikiirust saame signaale edastada töökindlalt suure vahemaa taha. Sel viisil on BFSK leidnud kasutust varemalt piirarite infoedastusel ning on endiselt kasutuses telemeetria rakendustes.

M-tasemeline sagedusmanipulatsioon (MFSK)

Kõrgemat järku (M-tasemeline) sagedusmanipulatsioon (MFSK) on FSK variatsioon, milles kasutatakse kahe sageduse asemel M erinevat sagedust. MFSK on M-ortogonaalse modulatsiooni (M-ary orthogonal modulation) kuju. M on tavaliselt vahemikus 2–64. Enamasti on M kahe aste, seega iga sageduse edastamine 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 BFSK moduleerimise viis on kasutada kahte sõltumatut sagedusgeneraatorit ning lülitada nende vahel ümber vastavalt edastatava biti väärtusele. Erinevad generaatorid ei ole 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 toimuvad kandja laine 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 genereerijad ühte sagedusgeneraatorit ning eri sümbolitel sageduse muutmine säilitab signaali faasi. Sel viisil eemaldadakse 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 kõrvalkanalite andmeedastusele. Sellist meetodit kasutavad näiteks juhtmevaba DECT telefonisüsteem ning Bluetooth ja nutimaja lahendustes kasutatavad Z-Wave seadmed.

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.

Asünkroonse FSK demodulaatori tööpõhimõtte blokkskeem

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

Sünkroonse FSK demodulaatori tööpõhimõtte blokkskeem

Heli sagedusmanipulatsioon (AFSK)

Heli sagedusmanipulatsioon on modulatsioonitehnika, kus digitaalseid andmeid esitatakse helisignaali sageduse (tooni) muutmistega. Nii saadakse signaal, mida saab edastada tavalise helitehnika, raadio või telefoni abil.

AFSK erineb tavalisest FSK tehnoloogiast seetõttu, et sagedusmanipulatsioon tehakse vahesagedusel. Signaali edastamisel moduleeritakse AFSK signaal omakorda saatja kandevsignaaliga (kasutades tavalist AM-, FM- vms 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 galvaaniliselt eraldatud ühendustes, sh. seadmed mis on mõeldud kõne või muusika edastamiseks.

Rakendused

Morse (CW)

1910 leiutas Reginald Fessenden kahe tooni meetodi morsekoodi saatmiseks. Tavapärased punktid ja kriipsud asendati kahe eri tooniga, millel on erinev sagedus kuid sama kestvus. Eesmärk oli suurendada edastuskiirust.

Varasemad morse (CW) saatjad kasutasid raadiosignaali loomiseks sädelahendust. Kaare loomine ning stabiliseerumine võttis aega, seega ei saanud saatjat tavapäraselt sisse-välja lülitada. Selle asemel kasutati sagedusmanipulatsiooni. Saatja töötas pidevalt, muudeti sagedust 5%. Märgi sagedus oli morse märk 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. Originaalselt kasutas teletaip viiebitilist Baudot koodi kõigi tähestiku tähtede, numbrite ja osade kontrollkoodide esitamiseks. Edastuskiirus on keskmiselt 60 märki minutis. Kaasaegsemad implementatsioonid kasutavad ka suuremaid kiiruseid ning kogu standardset ASCII märgistikku, nagu ka tavalised lauaarvutid. Kuna telataibul ei ole veaparandust, on see tundlik häirete suhtes. Sellegipoolest on see režiim raadioamatööride seas endiselt kasutusel.

RTTY signaali näide

AFSK modem

Varasemad telefoniliinil töötavad modemid kasutasid helisignaali sagedusmanipulatsiooni (AFSK) andmeedastuseks tavalises kõnetraktis kiirusega kuni 1200 bitti sekundis. Näiteks Bell 103 ja Bell 202 modemid.

Tänapäeval kasutatakse 1200-boodilist AFSK modulatsiooni Põhja-Ameerika telefonivõrgus helistaja numbrinäidu edastamiseks. Ka varasemad personaalarvutid kasutasid AFSK modulatsiooni programmide salvestamiseks tavalisele helikassetile. AFSK on endiselt laialt kasutusel ka amatöörsides, kuna see võimaldab kasutada modifitseerimata kõneedastusseadmeid.

MFSK amatöörraadio töörežiim

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.

MFSK-moduleeritud signaali näide

Muid rakendusi

Hiina patent CN104898114A kirjeldab FSK pidevsignaali kasutavat madalama ehituskuluga kiiruse mõõtmise radarit.

Takahisha Fujita jt kirjeldavad oma uurimuses valguse (laserkiire) sagedusmanipulatsiooni, millega saavutati 10 Gbit/s andmeedastus 95 km kaugusele kasutades monomoodis (single mode) valguskaablit.