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频移键控

频移键控

频移键控

以数位讯号控制载波频率变化的调製方式,称为频移键控(FSK)。根据已调波的相位连续与否,频移键控分为两类:相位不连续的频移键控和相位连续的频移键控。频移键控(Frequency-shift keying)是信息传输中使用得较早的一种调製方式,它的主要优点是:实现起来较容易,抗噪声与抗衰减的性能较好。在中低速数据传输中得到了广泛的套用。频移键控如图所示。

基本介绍

  • 中文名:频移键控
  • 外文名:Frequency-shiftkeying
  • 套用学科:通信

简介

频移键控是信息传输中使用得较早的一种调製方式,最常见的是用两个频率承载二进制1和0的双频FSK系统。
技术上的FSK有两个分类,非相干和相干的FSK。在非相干的FSK,瞬时频率之间的转移是两个分立的价值观命名为马克和空间频率。在另一方面,在相干频移键控或二进制的FSK,是没有间断期在输出信号。
在数位化时代,电脑通信在数据线路(电话线、网路电缆、光纤或者无线媒介)上进行传输,就是用FSK调製信号进行的,即把二进制数据转换成FSK信号传输,反过来又将接收到的FSK信号解调成二进制数据,并将其转换为用高,低电平所表示的二进制语言,这是计算机能够直接识别的语言。
频移键控的标準,用于在各个国家在全球各地。他们以ETSI的FSK、bellcore的FSK、英国电信(英国电信)的FSK和共同国家评估(有线通信协会)的FSK。该bellcore标準是用来在美国、澳大利亚、中国、中国香港地区和新加坡。它使用1200波特率贝尔202的语气调製和第一位的数据转移后,收到的第一铃声。
BT的FSK信号或英国电信频移键控是原来的标準,是由英国电信公司。这个标準醒来,显示与一条线的逆转和传递数据,作为cittv23数据机铃声,类似的格式mdmf。英国电信本身使用这个标準,以及一些无线网路,如已故的lonica和一些有线电视公司,以及。更详细的关于英国电信频移键控标準,可从档案设计来电识别交付使用XR的-2211年英国电信或供应商的资料,笔记(捷联惯导系统)227和242。
在有线通信协会的标準,数据传送后,短期内第一环,无论是作为贝尔202或v23铃声。在这里,传输层是越来越像bellcore,即使数据格式看起来很像英国电信的,正因为如此,欧洲或北美的教材更容易侦测到它。
频移键控是至少一个世纪老人。儘管其年龄,FSK信号已成功地保持其使用期间,更现代的时代,并已适应,以及向数字网域,并继续提供服务那些需要传输数据通过计算机,电缆或电线上。这是毫无疑问的FSK,将周围的,只要是有需要传递信息在一个高效和负担得起的方式。

相位不连续的频移键控

相位不连续的频移键控是由单极性不归零码对两个独立的载频振荡器进行键控,产生相位不连续的FSK信号,其原理图如图1所示。
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FSK信号可以表达如图2所示。
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这样可以分别具有不同的角频率,可以表示两个不同的数据状态。而相位和则是(–π,π)内均匀分布的随机变数。
FSK信号的形成波形如图3所示。
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相位不连续的FSK信号的接收可以採用两种不同的方法,即相干解调和包络检测的方法。
相干解调需要同步的本地相干载波,FSK信号的相干解调原理如图4所示。
包络检测的原理如图5所示,它与相干解调的区别是用线性包络检波器和起平滑波形作用的低通滤波器来代替相干解调时用的乘法器和用以滤去高频分量的低通滤波器。抽样判决採用比较判决方式,不需要设定判决门限电平。
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相位不连续的FSK信号所需要的频带约为ASK信号的3倍,因此,在使用频移键控时常常使用相位连续的频移键控。

相位连续的频移键控

相位连续的频移键控信号是利用基带信号对一个压控振荡器(VCO)进行频率调製,在二元码{ak}时,可以产生相位连续的频移键控信号。这种调製方式在码元转换时,相位变化是连续的,而且保持恆定的包络,因此,称为相位连续的频移键控。其信号瞬时频率与瞬时相位变化如图6所示。
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最小频移键控(MSK)

MSK的基本原理

MSK是一种特殊的连续相位的频移键控(CPFSK),MSK是调製係数为0.5的连续相位的FSK。
MSK选择两个不同的频率分别传输基带信息中的+1和-1,两种频率信号在一个码元周期内所积累的相位差必须严格等于π,则MSK信号可以表示为:
式中:ωc=2πfc; ωd=2πfd; ak=±1是传输的数据;
是在第k个码元周期间的起始相位,是一个常数。
由于要求不同频率的信号在一个码元周期所积累的相位差严格等于
,则可得MSK信号的另一种表示形式:
并且,由于要求两个不同频率的信号在一个码元周期内所积累的相位差为
,则必须
在这个信号中除载波相位之外,还附加了一个相位:
ak=±1,φk=0或
(模2
为了易于区别两个信号,则希望这两个信号是正交的,或者说其相关係数为0。如果给定两个信号
,其相关係数:
上式要为0,则式中的两项须为0。但是上式中第二式为0的可能性有两个,其一是其分母远远大于1,即4πfcTb>> 1,这个条件在实际的通信系统中比较容易满足。其二是其分子为0,即正弦函式的值为0。这就要求:
。其含意是:信号在码元期间要包含四分之一载波周期的整数倍。
再研究相关係数中的第一项,令
,而
,代入第一项后,该项的值也为0。
根据FSK调製係数的定义:

MSK信号的功率谱

MSK信号的功率谱密度如图7所示:
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其功率谱密度如图8所示。
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图8中给出了MSK信号的功率谱密度,以及QPSK和OQPSK的功率谱密度。从图中可以看出MSK信号的旁瓣比QPSK和OQPSK信号低。MSK信号的90%的功率位于频宽B=1.2/T之中。QPSK和OQPSK信号包含了99%功率的频宽B=8/T
MSK信号虽然具有频谱特性和误码性能比较好的优点,但是从图中也可以看出:MSK的频谱利用率比相移键控技术要低。其次是其带外衰减仍不够快,以致于在25kHz信道间隔内传输16kbit/s数位讯号时,不可避免地会产生邻道干扰。

MSK信号的产生和解调

根据前面的讨论,MSK信号可以表示为:
令,ak=±1,φk=0或
(模2
将上式展开可得到如图9所示的结果:
频移键控
Ik为同相分量,Qk为正交分量,它们都与输入数据有关,也可称为等效数据。
由上式可以看出:信号是由两个正交的AM信号合成,两个分量与原始数据之间的对应关係如下:
① 只有当k为奇数,且akak1极性不同时,IkIk1极性才会不同。
② 只有当k为偶数时,且akak1极性不同时,QkQk1极性才会不同。
IkQk必须经过两个Tb才能改变极性,即等效数据IkQk的速率为原始数据ak速率的1/2。
由此可知,只要先将原始数据ak变换成IkQk,分别经过加权处理后进行正交调製,合成后的信号即为MSK信号。具体过程如下:
① 对ak进行差分编码得到ck
② 对ck进行串并变换,并延迟Tb后得到IkQk
③ 分别用sin(πt/2Tb)=sin 2πfdt和cos(πt/2Tb)=cos 2πfdt进行加权。
④正交调幅。
⑤ 合成。
由此,MSK调製器的框图如图10所示。
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MSK信号的解调原理是:接收到的信号分别与同相和正交载波分量相乘。乘法器的输出经两比特周期积分后,每当上两比特结束时,送入判别器。根据积分器输出电平的大小,阀值检测器决定信号是0或1。输出数据流对应mI (t)和mQ(t),并可以将它们组合得到调解信号。MSK接收机如图11所示。
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高斯最小频移键控(GMSK)

GMSK是由MSK演变来的一种简单的二进制调製方法。其基本思想是,在GMSK中将调製的原始数据(NRZ不归零的数据)进行过滤(通过预调滤波器),再对经过预调製的信号进行MSK调製,使MSK频谱上的旁瓣功率进一步下降。

预调滤波器

预调滤波器是将全回响信号(即每个基带符号占据一个比特周期T)转换成部分回响信号,每一传送符号占据几个比特周期。
GMSK的预製滤波器的冲激回响为:
式中:是一个常数,选择不同的,滤波器的特性随之变化。
传输函式为:
参数与H(f)的3dB频宽有关,即
GMSK滤波器可以由B和基带符号持续时间T完全决定,通常用BT乘积来定义GMSK。图12显示了GMSK信号不同的BT值的射频功率谱。
从图中可以看到:当BT增大时,滤波器的传输函式随之变窄,并且拖尾衰减极快,但是BT减小会增加误码率,这是由于低通滤波器引发的码间干扰引起的。只要GMSK产生的误码率小于移动无线信道的要求,GMSK仍然是适合的。

GMSK信号的产生和解调

GMSK信号的产生方法有多种。
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① 用MSK调製相同的正交调製方式来产生,只要在调製前先对原始数据用高斯型低通滤波器进行过滤即可,如图13所示。
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② 在原始数据经高斯滤波后,直接对压控振荡器进行调频也能生成GMSK信号,虽然这种方法比较简单,但是它要求压控振荡器具有很高的频率稳定性和频偏準确性。
GMSK的解调方法可以採用正交相干检测器和简单的非相干检测器(如标準的FM检测器)。图14是二比特延迟差分检测器的原理图。
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除了採用二比特差分延迟检测的方法外,还可以採用一比特延迟差分检测。但是,二比特延迟差分的误码性能要优于一比特差分延迟检测的误码性能。

套用

来电显示的信息传输方式有2种:FSK和DTMF。 FSK方式与DTMF方式相比有如下的优点:(1)数据传输速率高,在规定时间内能传的字元数多;(2)FSK方式支持ASCII字元集,而DTMF方式只支持数字及少数字元。目前採用FSK方式的国家和地区有:美国、中国、日本、英国、加拿大、比利时、西班牙、新加坡等;採用DTMF主要则是以瑞典为代表的一些欧洲国家等。
FSK是二进制信号的频移键控的英文缩写,它是指传号(指传送"1")时传送某一频率正弦波,而空号(指传送"0")时传送另一频率正弦波。根据Bell202的建议,来电显示的数据传送採用连续相位的二进制频移键控,比特率是1200bps,而"1"对应的频率是1200Hz,"0"对应的频率是2200Hz。

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