La manipulación por desplazamiento de frecuencia ( FSK ) es un esquema de modulación de frecuencia en el que la información digital se codifica en una señal portadora cambiando periódicamente la frecuencia de la portadora entre varias frecuencias discretas. [1] La tecnología se utiliza para sistemas de comunicación como telemetría , radiosondas de globos meteorológicos , identificador de llamadas , abridores de puertas de garaje y transmisión de radio de baja frecuencia en las bandas VLF y ELF . La FSK más simple es la FSK binaria ( BFSK , que también se conoce comúnmente como 2FSK o 2-FSK ), en la que la portadora se desplaza entre dos frecuencias discretas para transmitir información binaria (0 y 1). [2]
Existen implementaciones de referencia de módems FSK y están documentadas en detalle. [3] La demodulación de una señal FSK binaria se puede realizar utilizando el algoritmo de Goertzel de manera muy eficiente, incluso en microcontroladores de baja potencia. [4]
En principio, FSK se puede implementar utilizando osciladores de funcionamiento libre completamente independientes y cambiando entre ellos al comienzo de cada período de símbolo. En general, los osciladores independientes no estarán en la misma fase y, por lo tanto, en la misma amplitud en el instante de conmutación, provocando discontinuidades repentinas en la señal transmitida.
En la práctica, muchos transmisores FSK utilizan solo un oscilador y el proceso de cambiar a una frecuencia diferente al comienzo de cada período de símbolo preserva la fase. La eliminación de discontinuidades en la fase (y por tanto la eliminación de cambios bruscos de amplitud) reduce la potencia de la banda lateral , reduciendo la interferencia con los canales vecinos.
En lugar de modular directamente la frecuencia con los símbolos de datos digitales, cambiando "instantáneamente" la frecuencia al comienzo de cada período de símbolo, la manipulación por desplazamiento de frecuencia gaussiana ( GFSK ) filtra los pulsos de datos con un filtro gaussiano para hacer las transiciones más suaves. Este filtro tiene la ventaja de reducir la potencia de la banda lateral , reduciendo la interferencia con los canales vecinos, a costa de aumentar la interferencia entre símbolos . Es utilizado por dispositivos de protocolo de capa 2 mejorado , DECT , Bluetooth , [5] Cypress WirelessUSB, Nordic Semiconductor , [6] Texas Instruments , [7] IEEE 802.15.4 , Z-Wave y Wavenis. Para Bluetooth con velocidad de datos básica, la desviación mínima es de 115 kHz.
Un modulador GFSK se diferencia de un modulador de manipulación por desplazamiento de frecuencia simple en que antes de que la forma de onda de banda base (con niveles −1 y +1) entre al modulador FSK, pasa a través de un filtro gaussiano para suavizar las transiciones y limitar el ancho espectral. El filtrado gaussiano es una forma estándar de reducir el ancho espectral; en esta aplicación se llama configuración de pulso .
En FSK normal sin filtro, en un salto de −1 a +1 o de +1 a −1, la forma de onda modulada cambia rápidamente, lo que introduce un gran espectro fuera de banda. Si el pulso se cambia de −1 a +1 como −1, −0,98, −0,93, ..., +0,93, +0,98, +1, y este pulso más suave se usa para determinar la frecuencia portadora , la salida El espectro fuera de banda se reducirá. [8]
La manipulación por desplazamiento de frecuencia mínima o manipulación por desplazamiento mínimo (MSK) es una forma espectralmente eficiente particular de FSK coherente. En MSK, la diferencia entre la frecuencia superior e inferior es idéntica a la mitad de la tasa de bits. En consecuencia, las formas de onda que representan un bit 0 y un 1 difieren exactamente en la mitad del período de la portadora. La desviación de frecuencia máxima es δ = 0,25 f m , donde f m es la frecuencia de modulación máxima. Como resultado, el índice de modulación m es 0,5. Este es el índice de modulación FSK más pequeño que se puede elegir de modo que las formas de onda para 0 y 1 sean ortogonales .
En el estándar de telefonía móvil GSM se utiliza una variante de MSK llamada manipulación de desplazamiento mínimo gaussiano ( GMSK ) .
La manipulación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK) es una técnica de modulación mediante la cual los datos digitales se representan mediante cambios en la frecuencia ( tono ) de un tono de audio , produciendo una señal codificada adecuada para su transmisión por radio o teléfono . Normalmente, el audio transmitido alterna entre dos tonos: uno, la "marca", representa uno binario ; el otro, el "espacio", representa un cero binario.
AFSK se diferencia de la manipulación por desplazamiento de frecuencia normal en que realiza la modulación en frecuencias de banda base . En aplicaciones de radio, la señal modulada por AFSK normalmente se utiliza para modular una portadora de RF (utilizando una técnica convencional, como AM o FM ) para la transmisión.
AFSK no siempre se utiliza para comunicaciones de datos de alta velocidad, ya que es mucho menos eficiente tanto en potencia como en ancho de banda que la mayoría de los otros modos de modulación. [ cita necesaria ] Sin embargo, además de su simplicidad, AFSK tiene la ventaja de que las señales codificadas pasarán a través de enlaces acoplados en CA , incluida la mayoría de los equipos diseñados originalmente para transportar música o voz.
AFSK se utiliza en el Sistema de Alerta de Emergencia con sede en EE. UU. para notificar a las estaciones sobre el tipo de emergencia, las ubicaciones afectadas y la hora de emisión sin escuchar el texto de la alerta.
Las radios de fase 1 en el sistema Proyecto 25 utilizan codificación por desplazamiento de frecuencia de 4 niveles (4FSK). [9] [10]
En 1910, Reginald Fessenden inventó un método de dos tonos para transmitir el código Morse. Los puntos y rayas fueron reemplazados por diferentes tonos de igual longitud. [11] La intención era minimizar el tiempo de transmisión.
Algunos de los primeros transmisores de onda continua (CW) empleaban un convertidor de arco que no podía manipularse cómodamente . En lugar de encender y apagar el arco, la llave cambió ligeramente la frecuencia del transmisor en una técnica conocida como método de onda de compensación . [12] La onda de compensación no se utilizó en el receptor. Los transmisores Spark utilizados para este método consumían mucho ancho de banda y causaban interferencias, por lo que se desaconsejó en 1921. [13]
La mayoría de los primeros módems de línea telefónica utilizaban codificación por desplazamiento de frecuencia de audio (AFSK) para enviar y recibir datos a velocidades de hasta aproximadamente 1200 bits por segundo. Los módems Bell 103 y Bell 202 utilizaron esta técnica. [14] Incluso hoy en día, el identificador de llamadas norteamericano utiliza AFSK de 1200 baudios en la forma del estándar Bell 202 . Algunas de las primeras microcomputadoras utilizaban una forma específica de modulación AFSK, el estándar de Kansas City , para almacenar datos en casetes de audio . [15] AFSK todavía se utiliza ampliamente en la radioafición , ya que permite la transmisión de datos a través de equipos de banda vocal no modificados.
AFSK también se utiliza en el Sistema de Alerta de Emergencia de los Estados Unidos para transmitir información de advertencia. [ cita necesaria ] Se utiliza a velocidades de bits más altas para Weathercopy utilizado en Weatheradio por la NOAA en los EE. UU.
La estación de radio de onda corta CHU en Ottawa, Ontario , Canadá, transmite una señal horaria digital exclusiva codificada mediante modulación AFSK. [ cita necesaria ]
La codificación por desplazamiento de frecuencia (FSK) se usa comúnmente en líneas telefónicas para identificación de llamadas (que muestra los números de las personas que llaman) y aplicaciones de medición remota . Hay varias variaciones de esta tecnología.
En algunos países de Europa , los estándares 200 778-1 y -2 del Instituto Europeo de Normas de Telecomunicaciones (ETSI), que reemplazan a 300 778-1 y -2, permiten 3 capas de transporte físico ( Telcordia Technologies (anteriormente Bellcore), British Telecom (BT) and Cable Communications Association (CCA)), combinado con 2 formatos de datos: formato de mensaje de datos múltiple (MDMF) y formato de mensaje de datos único (SDMF), además del sistema multifrecuencia de tono dual (DTMF) y un modo sin timbre para el medidor. -lectura y similares. Es más un reconocimiento de que existen diferentes tipos que un intento de definir un "estándar" único.
El estándar Telcordia Technologies (anteriormente Bellcore) se utiliza en Estados Unidos , Canadá (pero ver más abajo), Australia , China , Hong Kong y Singapur . Envía los datos después del primer tono de llamada y utiliza la modulación de tono Bell 202 de 1200 bits por segundo . Los datos pueden enviarse en SDMF, que incluye fecha, hora y número, o en MDMF, que agrega un campo NOMBRE.
British Telecom (BT) en el Reino Unido desarrolló su propio estándar, que activa la pantalla con una inversión de línea y luego envía los datos como tonos de módem CCITT v.23 en un formato similar a MDMF. Lo utilizan BT, redes inalámbricas como la última Ionica y algunas compañías de cable. Los detalles se encuentran en las Notas de información del proveedor (SIN) de BT 227 Archivado el 26 de julio de 2014 en Wayback Machine (enlace roto el 28/7/21) y 242 Archivado el 26 de julio de 2014 en Wayback Machine (enlace roto el 28/ 21/7); Otro documento útil es Diseño de entrega de identificación de llamadas usando XR-2211 para BT Archivado el 6 de marzo de 2016 en Wayback Machine desde el sitio web de EXAR.
La Cable Communications Association (CCA) del Reino Unido desarrolló su propio estándar que envía la información después de un breve primer timbre, como tonos Bell 202 o V.23 . Desarrollaron un nuevo estándar en lugar de cambiar algunas "cajas de calle" (multiplexores) que no podían hacer frente al estándar BT. La industria del cable del Reino Unido utiliza una variedad de conmutadores: la mayoría son Nortel DMS-100; algunos son el Sistema X ; Sistema Y ; y Nokia DX220. Tenga en cuenta que algunos de ellos utilizan el estándar BT en lugar del CCA. El formato de datos es similar al de BT, pero la capa de transporte se parece más a Telcordia Technologies, por lo que es más probable que los equipos norteamericanos o europeos lo detecten.
