 |
2.4 Частотная манипуляция: шаг за шагом
|
|
|
|
2. 4 Частотная манипуляция: шаг за шагом
Введение
Данная пошаговая демонстрация разработана для изучения соотношения между М-арностью FSK передатчика и полученной областью частот. Частотная манипуляция (FSK) – это цифровая схема модуляции, в которой цифровая информация передаётся изменением частоты синусоидальной несущей. В цифровой коммуникации имеется несколько типов модуляции, которые основываются на тех же фундаментальных понятиях амплитудной, частотной или фазовой модуляции. В нашем случае информация передаётся путём изменения частоты. Кроме того, в соответствии со значением термина «Shift Keying» («Манипуляция»), изменения частоты используются для представления дискретных цифровых значений. Другие варианты FSK включают префиксы, которые показывают число символов (B = 2, Q = 4, M = любое). Однако вы часто можете пропускать префикс, если М=2. Вследствие этого, BFSK синонимична FSK. FSK – это самый простой тип частотной манипуляции, используемый в системах радиочастотной идентификации, беспроводных телефонах и во многих других приложениях.
Когерентность FSK:
Частотная манипуляция может быть разделена на два типа, когерентную и некогерентную. В когерентных формах FSK нет фазовой неоднородности в сигнале на выходе. Форматы FSK модуляции позволяют генерировать модулированные сигналы, являющиеся точными реальными величинами, и поэтому не имеют общих черт со схемами квадратурной амплитудной модуляции (QAM). В некогерентных формах FSK мгновенная частота движется между двумя дискретными значениями. В BPSK они обозначаются как частоты “mark” (метка) и “space” (пауза). В данной демонстрации мы покажем некогерентную манипуляцию, поскольку её проще представить в частотной области.
|
|
|
Упражнение:
1) Сначала откройте пример ВП FSK Step by Step и переключитесь на блок-диаграмму, показанную ниже. Как видите, несколько элементов управления, константы и индикаторы уже созданы и сгруппированы для упрощения программирования.
2) Затем найдите палитру модуляции и поместите ВП MT Bit Generation на блок-диаграмму. Затем подсоедините элемент управления “total bits(128)” к соответствующему терминалу ВП. Данный ВП генерирует поток цифровых данных, который позже будет смодулирован с использованием FSK модуляции.
3) Поместите ВП Generate System Parameters на блок-диаграмму и выберите опцию FSK (M) с помощью конфигуратора. Подсоедините константы количества выборок на символ “samples per symbol”) и непрерывности фазы сигнала между символами “symbol phase continuity” к входам с теми же названиями ВП Generate System Parameters. Затем подсоедините элементы управления “FSK deviation (Hz)” и “M-FSK” к соответствующим входам. Наконец, соедините терминал “error out” предыдущего ВП с терминалом “error in” ВП Generate System parameters.
4) Поместите ВП Modulate FSK на блок-диаграмму и подсоедините к терминалам «system parameters» и «error in» предыдущего ВП. Также соедините «bitstream» (поток бит) на выходе ВП MT Generate Bits с входом «bitstream» ВП Modulate FSK.
5) Поместите ВП Upconversion («Преобразование с повышением частоты») на блок-диаграмму и подсоедините вход “carrier frequency” (Частота Несущей) к соответствующему элементу управления. Вход “complex waveform” (Комплексный Сигнал) должен быть присоединён к выходу ВП Modulate FSK.
6) Затем добавьте Экспресс ВП Spectral Measurements Express. Для этого перейдите в палитру Express> > Signal Analysis. Мы будем использовать установки по умолчанию, поэтому выберите “OK”, чтобы закрыть диалоговое окно. Чтобы сохранить пространство на блок-диаграмме, щелкните правой кнопки мыши и выберите опцию “View as Icon”.
7) После этого подсоедините вход “Signals” ВП Spectral Measurements к выходу “Waveform” предыдущего ВП. Затем подсоедините выход “FFT (RMS) к терминалу “FFT - (RMS)” графического индикатора на блок-диаграмме. Блок-диаграмма должна выглядеть как показано ниже.
|
|
|
Демонстрация:
Теперь мы будем исследовать различные параметры FSK передатчика и наблюдать их влияние на частотную область. Будем менять такие характеристики как: М-арность, девиацию частоты и скорость передачи символов.
1) Во-первых, нажмите кнопку запуска ВП для того, чтобы начать выполнение только что созданной программы. Заметьте, что на графике FFT(RMS) вся мощность сигнала центрирована на 5 МГц. Кроме того, видны четыре пика, которые расположены приблизительно через 650 кГц. Эти пики соответствуют четырём частотам, использованным при передаче. Обрати внимание, что «4» было выбрано в элементе управления “M-FSK”. Это относится к М-арному способу модуляции и показывает, что данные передаются путём регулирования частоты, формируя одно из четырёх значений.
2) Сейчас мы исследуем воздействие М на частотную область. Установите для величины M-FSK все возможные значения (2, 4, 8) и понаблюдайте за изменениями в частотной области. Как видите, число пиков соответствует количеству частот, выбранному для М-арного способа. При M-FSK = 8 каждый из пиков интерферирует с другим. Так происходит, потому что неправильно заданы диапазоны частот. Данная проблема будет рассматриваться далее.
3) Девиация FSK определяет расположение каждого из этих пиков. Более точно, она определяет разницу между частотой несущей и крайней полосой частот. До сих пор мы использовали для этой величины частоту 1 MHz. Однако когда выбирается 8-MSK, ширина полосы каждого канала слишком велика для девиации частоты. Таким образом, каналы перекрываются. Поэтому мы можем изменять FSK девиацию (Hz) для размещения большего количества каналов. Проведите опыт с данной величиной и наблюдайте за результатами в частотной области. Ниже показан частотный спектр с девиациями частоты 1. 25 MHz и 3 MHz.
4) Последний параметр, проиллюстрированный в данной демонстрации, это воздействие символьной скорости на ширину полосы канала. Так как более подробно данная тема исследуется в соответствующей демонстрации, мы кратко остановимся на ней. Во время работы ВП медленно уменьшите ширину полосы с 200 кГц до 50 кГц. Вы увидите, что каждый из частотных пиков становится уже, когда символьная скорость уменьшается. В результате можно использовать меньшую часть частотной области. Фактически, даже с восемью разными частотами мы можем уменьшить девиацию частоты и передвинуть каждый из пиков ближе друг к другу без перекрытия. Однако, символьная скорость прямо пропорциональна пропускной способности. Поэтому в реальных коммуникационных системах имеют место компромиссы между шириной полосы и производительностью. Ниже показаны шесть отдельных пиков модулированного сигнала.
|
|
|
Заключение:
Как показывается в данной демонстрации, FSK передает цифровую информацию посредством изменения частоты несущей. Кроме того, исследовано соотношение между частотой несущей, М-арностью, девиацией частоты и скоростью передачи символов.
|
|
|
