Manipulation par décalage de fréquence multiple - Multiple frequency-shift keying

La modulation par déplacement de fréquence multiple ( MFSK ) est une variante de la modulation par déplacement de fréquence (FSK) qui utilise plus de deux fréquences. MFSK est une forme de modulation orthogonale M-aire , où chaque symbole se compose d'un élément d'un alphabet de formes d'onde orthogonales. M, la taille de l'alphabet, est généralement une puissance de deux de sorte que chaque symbole représente log 2 M bits.

  • M est généralement compris entre 4 et 64
  • La correction d'erreur est généralement également utilisée

Fondamentaux

Dans un système de signalisation M-aire comme MFSK, un "alphabet" de M tonalités est établi et l'émetteur sélectionne une tonalité à la fois dans l'alphabet pour la transmission. M est généralement une puissance de 2, donc chaque transmission de tonalité de l'alphabet représente log 2 M bits de données.

MFSK est classé comme un schéma de signalisation orthogonal M-aire car chacun des M filtres de détection de tonalité au niveau du récepteur ne répond qu'à sa tonalité et pas du tout aux autres ; cette indépendance fournit l'orthogonalité.

Comme d' autres systèmes M-aire orthogonal, le nécessaire E b / N 0 rapport pour une probabilité donnée d'erreur diminue avec l'augmentation m sans la nécessité d' une détection cohérente multisymbol. En fait, lorsque M tend vers l'infini, le rapport E b /N 0 requis diminue asymptotiquement jusqu'à la limite de Shannon de -1,6 dB . Cependant, cette diminution est lente avec l'augmentation de M, et des valeurs élevées sont impraticables en raison de l'augmentation exponentielle de la bande passante requise. Les valeurs typiques en pratique vont de 4 à 64, et MFSK est combiné avec un autre schéma de correction d'erreur directe pour fournir un gain de codage (systématique) supplémentaire.  

L'efficacité spectrale des schémas de modulation MFSK diminue avec l'augmentation de l'ordre de modulation M :

Comme toute autre forme de modulation d'angle qui transmet une seule tonalité RF qui varie uniquement en phase ou en fréquence, MFSK produit une enveloppe constante . Cela assouplit considérablement la conception de l'amplificateur de puissance RF, lui permettant d'obtenir des rendements de conversion supérieurs à ceux des amplificateurs linéaires.

MFSK 2 tons

Il est possible de combiner deux systèmes MFSK pour augmenter le débit du lien. Le système MFSK à 2 tons le plus largement utilisé est peut-être le système multifréquence à deux tons (DTMF), mieux connu sous sa marque AT&T de "Touch Tone". Une autre est le multi-fréquence système (MF) utilisé au cours du 20ème siècle pour la signalisation intrabande sur les troncs entre les centraux téléphoniques. Les deux sont des exemples de schémas de signalisation intrabande, c'est -à- dire qu'ils partagent le canal de communication de l'utilisateur.

Les symboles des alphabets DTMF et MF sont envoyés sous forme de paires de tonalités ; DTMF sélectionne une tonalité dans un groupe "élevé" et une dans un groupe "bas", tandis que MF sélectionne ses deux tonalités dans un ensemble commun. DTMF et MF utilisent des fréquences de tonalité différentes en grande partie pour empêcher les utilisateurs finaux d'interférer avec la signalisation entre les bureaux. Dans les années 1970, la MF a commencé à être remplacée par la signalisation numérique hors bande , une conversion motivée en partie par l'utilisation frauduleuse généralisée des signaux MF par les utilisateurs finaux, connue sous le nom de phreaks téléphoniques .

Ces signaux sont distinctifs lorsqu'ils sont reçus de manière auditive sous la forme d'une succession rapide de paires de sons d'une qualité presque musicale.

La transmission simultanée de deux tonalités directement à RF perd la propriété d'enveloppe constante du système à tonalité unique. Deux tonalités RF simultanées est en fait le "stress test" classique d'un amplificateur de puissance RF pour mesurer la linéarité et la distorsion d'intermodulation . Cependant, deux tonalités audio peuvent être envoyées simultanément sur une porteuse RF FM conventionnelle à enveloppe constante , mais la détection non cohérente du signal FM au niveau du récepteur détruirait tout avantage de rapport signal/bruit que le schéma multitonalité pourrait avoir.

MFSK dans les communications HF

La propagation des ondes célestes sur les bandes de hautes fréquences introduit des distorsions aléatoires qui varient généralement avec le temps et la fréquence. Comprendre ces déficiences aide à comprendre pourquoi MFSK est une technique si efficace et populaire sur HF.

Delay spread et cohérence de la bande passante

Lorsqu'il existe plusieurs chemins séparés de l'émetteur au récepteur, une condition connue sous le nom de trajets multiples , ils n'ont presque jamais exactement la même longueur, ils ne présentent donc presque jamais le même délai de propagation. De petites différences de retard, ou étalement du retard , brouillent les symboles de modulation adjacents et provoquent des interférences intersymboles indésirables .

L'étalement du retard est inversement proportionnel à son homologue dans le domaine fréquentiel, la bande passante de cohérence . Il s'agit de la plage de fréquences sur laquelle le gain du canal est relativement constant. En effet, la somme de deux chemins ou plus avec des retards différents crée un filtre en peigne même lorsque les chemins individuels ont une réponse en fréquence plate.

Temps de cohérence et étalement Doppler

L'évanouissement est un changement (généralement aléatoire et indésirable) du gain de chemin avec le temps. Le taux d'évanouissement maximal est limité par la physique du canal, comme la vitesse à laquelle les électrons libres se forment et sont recombinés dans l'ionosphère et les vitesses des nuages ​​de particules chargées dans l'ionosphère. L'intervalle maximum sur lequel le gain du canal ne change pas de manière appréciable est le temps de cohérence .

Un canal d'évanouissement impose effectivement une modulation d'amplitude aléatoire indésirable au signal. Tout comme la bande passante de la modulation AM intentionnelle augmente avec le taux de modulation, l'évanouissement étale un signal sur une plage de fréquences qui augmente avec le taux d'évanouissement. C'est l'étalement Doppler , la contrepartie dans le domaine fréquentiel du temps de cohérence. Plus le temps de cohérence est court, plus l'étalement Doppler est important et vice versa.

Conception de MFSK pour HF

Avec une sélection de paramètres appropriée, MFSK peut tolérer des écarts Doppler ou retard importants, en particulier lorsqu'ils sont augmentés d' une correction d'erreur directe . (Atténuer de grandes quantités de Doppler et de propagation de retard est beaucoup plus difficile, mais c'est toujours possible). Un long étalement de retard avec peu d'étalement Doppler peut être atténué avec une période de symbole MFSK relativement longue pour permettre au canal de "s'installer" rapidement au début de chaque nouveau symbole. Parce qu'un symbole long contient plus d'énergie qu'un symbole court pour une puissance d'émission donnée, le détecteur peut plus facilement atteindre un rapport signal sur bruit (SNR) suffisamment élevé . La réduction de débit résultante peut être partiellement compensée par un grand jeu de tonalités de sorte que chaque symbole représente plusieurs bits de données ; un intervalle de symboles long permet à ces tonalités d'être emballées plus étroitement en fréquence tout en maintenant l'orthogonalité. Ceci est limité par la croissance exponentielle de la taille de l'ensemble de tonalités avec le nombre de bits de données/symbole.

Inversement, si l'étalement Doppler est grand alors que l'étalement de retard est petit, alors une période de symbole plus courte peut permettre une détection de tonalité cohérente et les tonalités doivent être espacées plus largement pour maintenir l'orthogonalité.

Le cas le plus difficile est lorsque le retard et les propagations Doppler sont tous deux grands, c'est-à-dire que la bande passante de cohérence et le temps de cohérence sont tous deux petits. Ceci est plus fréquent sur les canaux auroral et EME que sur HF, mais cela peut se produire. Un temps de cohérence court limite le temps symbole, ou plus précisément, l'intervalle maximum de détection cohérente au niveau du récepteur. Si l'énergie du symbole est trop petite pour un SNR de détection par symbole adéquat, alors une alternative est de transmettre un symbole plus long que le temps de cohérence mais de le détecter avec un filtre beaucoup plus large que celui adapté au symbole transmis. (Le filtre doit plutôt être adapté au spectre de tonalité attendu au niveau du récepteur). Cela capturera une grande partie de l'énergie du symbole malgré l'étalement Doppler, mais cela le fera nécessairement de manière inefficace. Un espacement de tonalité plus large, c'est-à-dire un canal plus large, est également requis. La correction d'erreur directe est particulièrement utile dans ce cas.

Schémas MFSK pour HF

En raison de la grande variété de conditions trouvées sur HF, une grande variété de schémas MFSK, dont certains expérimentaux, ont été développés pour HF. Certains d'entre eux sont:

  • MFSK8
  • MFSK16
  • Olivia MFSK
  • Coquelet
  • Piccolo
  • ALE (MIL-STD 188-141)
  • DominoF
  • DominoEX
  • PALPITER
  • CIS-36 MFSK ou CROWD-36
  • XPA, XPA2

Piccolo était le mode MFSK original, développé pour les communications du gouvernement britannique par Harold Robin, Donald Bailey et Denis Ralphs du Diplomatic Wireless Service (DWS), une branche du Foreign and Commonwealth Office. Il a été utilisé pour la première fois en 1962 et présenté à l' IEE en 1963. La spécification actuelle "Piccolo Mark IV" était encore peu utilisée par le gouvernement britannique, principalement pour les communications radio militaires point à point, jusqu'à la fin des années 1990.

Coquelet est un système de modulation similaire développé par le gouvernement français pour des applications similaires.

MFSK8 et MFSK16 ont été développés par Murray Greenman, ZL1BPU pour les communications radio amateur sur HF. Olivia MFSK est aussi un mode radio amateur. Greenman a également développé DominoF et DominoEX pour les communications radio NVIS sur les fréquences MF supérieures et HF inférieures (1,8 à 7,3 MHz).

L'établissement automatique de lien (ALE) est un protocole développé par l'armée américaine et utilisé principalement comme système de signalisation automatique entre les radios. Il est largement utilisé pour les communications militaires et gouvernementales dans le monde entier et par les radioamateurs. Il est normalisé en tant que MIL-STD-188-141B, qui a succédé à l'ancienne version MIL-STD-188-141A.

"CIS-36 MFSK" ou "CROWD-36" ( russe : Сердолик ) est la désignation occidentale d'un système similaire à Piccolo développé dans l'ex-Union soviétique pour les communications militaires.

« XPA » et « XPA2 » sont des désignations ENIGMA-2000 pour les transmissions polytoniques, provenant apparemment des stations russes du renseignement et du ministère des Affaires étrangères. Récemment, le système a également été décrit sous le nom de "MFSK-20".

Communications VHF et UHF

Modes MFSK utilisés pour les communications VHF , UHF :

  • DTMF
  • FSK441
  • JT6M
  • JT65
  • PI4

FSK441, JT6M et JT65 font partie de la famille WSJT ou des systèmes de modulation radio, développés par Joe Taylor, K1JT , pour les communications radio amateur VHF longue distance dans des conditions de propagation marginales. Ces systèmes de modulation MFSK spécialisés sont utilisés sur les trajets radio de diffusion troposphérique, EME (terre-lune-terre) et de diffusion météorologique.

PI4 est un mode numérique spécialement conçu pour les études de balise VUSHF et de propagation. Le mode a été développé dans le cadre du projet Next Generation Beacons entre autres utilisé par la plus ancienne balise amateur au monde OZ7IGY . Un décodeur pour PI4 est disponible dans le programme PI-RX développé par Poul-Erik Hansen, OZ1CKG.

Le DTMF a été initialement développé pour la signalisation des lignes téléphoniques. Il est fréquemment utilisé pour les applications de télécommande (contrôle à distance) sur les canaux vocaux VHF et UHF.

Voir également

Les références

Lectures complémentaires