La modulación por desplazamiento de frecuencia múltiple ( MFSK ) es una variación de la modulación por desplazamiento de frecuencia (FSK) que utiliza más de dos frecuencias. MFSK es una forma de modulación ortogonal M-aria , donde cada símbolo consta de un elemento de un alfabeto de formas de onda ortogonales. M, el tamaño del alfabeto, suele ser una potencia de dos, de modo que cada símbolo representa log 2 M bits.
En un sistema de señalización M-ario como MFSK, se establece un "alfabeto" de tonos M y el transmisor selecciona un tono a la vez del alfabeto para su transmisión. M suele ser una potencia de 2, por lo que cada transmisión de tono del alfabeto representa log 2 M bits de datos.
MFSK se clasifica como un esquema de señalización ortogonal M-ario porque cada uno de los M filtros de detección de tonos en el receptor responde solo a su tono y no a los demás; esta independencia proporciona la ortogonalidad.
Al igual que otros esquemas ortogonales M-arios, la relación E b /N 0 requerida para una probabilidad de error dada disminuye a medida que M aumenta sin la necesidad de una detección coherente de múltiples símbolos. De hecho, a medida que M se acerca al infinito, la relación E b /N 0 requerida disminuye asintóticamente hasta el límite de Shannon de −1,6 dB . Sin embargo, esta disminución es lenta a medida que aumenta M, y los valores grandes son poco prácticos debido al aumento exponencial del ancho de banda requerido. Los valores típicos en la práctica varían de 4 a 64, y MFSK se combina con otro esquema de corrección de errores hacia adelante para proporcionar una ganancia de codificación adicional (sistemática).
La eficiencia espectral de los esquemas de modulación MFSK disminuye con el aumento del orden de modulación M : [1]
Al igual que cualquier otra forma de modulación angular que transmite un único tono de RF que varía solo en fase o frecuencia, la MFSK produce una envolvente constante . Esto relaja significativamente el diseño del amplificador de potencia de RF, lo que le permite lograr mayores eficiencias de conversión que los amplificadores lineales.
Es posible combinar dos sistemas MFSK para aumentar el rendimiento del enlace. Quizás el sistema MFSK de dos tonos más utilizado sea el de multifrecuencia de doble tono (DTMF), más conocido por su marca registrada de AT&T "Touch Tone". Otro es el esquema de multifrecuencia (MF) utilizado durante el siglo XX para la señalización en banda en troncales entre centrales telefónicas. Ambos son ejemplos de esquemas de señalización en banda , es decir, comparten el canal de comunicación del usuario.
Los símbolos de los alfabetos DTMF y MF se envían como pares de tonos; DTMF selecciona un tono de un grupo "alto" y uno de un grupo "bajo", mientras que MF selecciona sus dos tonos de un conjunto común. DTMF y MF utilizan frecuencias de tono diferentes en gran medida para evitar que los usuarios finales interfieran con la señalización entre oficinas. En la década de 1970, MF comenzó a ser reemplazada por la señalización digital fuera de banda , una conversión motivada en parte por el uso fraudulento generalizado de señales MF por parte de los usuarios finales conocidos como phreaks telefónicos .
Estas señales son distintivas cuando se reciben auditivamente como una rápida sucesión de pares de tonos con una calidad casi musical. [2]
La transmisión simultánea de dos tonos directamente en RF pierde la propiedad de envolvente constante del sistema de tono único. Dos tonos de RF simultáneos es, de hecho, la "prueba de estrés" clásica de un amplificador de potencia de RF para medir la linealidad y la distorsión de intermodulación . Sin embargo, se pueden enviar dos tonos de audio simultáneamente en una portadora de RF FM convencional de envolvente constante , pero la detección no coherente de la señal FM en el receptor destruiría cualquier ventaja de relación señal/ruido que pudiera tener el esquema multitono.
La propagación de ondas ionosféricas en las bandas de alta frecuencia introduce distorsiones aleatorias que generalmente varían con el tiempo y la frecuencia. Comprender estas deficiencias ayuda a entender por qué la MFSK es una técnica tan eficaz y popular en HF.
Cuando existen varias rutas separadas desde el transmisor al receptor, una condición conocida como multitrayecto , casi nunca tienen exactamente la misma longitud, por lo que casi nunca presentan el mismo retardo de propagación. Las pequeñas diferencias de retardo, o propagación del retardo , difuminan los símbolos de modulación adyacentes y causan interferencias no deseadas entre símbolos .
La dispersión del retardo es inversamente proporcional a su contraparte en el dominio de la frecuencia, el ancho de banda de coherencia . Este es el rango de frecuencia en el que la ganancia del canal es relativamente constante. Esto se debe a que la suma de dos o más rutas con diferentes retardos crea un filtro de peine incluso cuando las rutas individuales tienen una respuesta de frecuencia plana.
El desvanecimiento es un cambio (generalmente aleatorio y no deseado) en la ganancia de la trayectoria con el tiempo. La tasa máxima de desvanecimiento está limitada por la física del canal, como la velocidad a la que se forman los electrones libres y se recombinan en la ionosfera y las velocidades de las nubes de partículas cargadas dentro de la ionosfera. El intervalo máximo en el que la ganancia del canal no cambia de manera apreciable es el tiempo de coherencia .
Un canal con desvanecimiento impone efectivamente una modulación de amplitud aleatoria no deseada en la señal. Así como el ancho de banda de la AM intencional aumenta con la tasa de modulación, el desvanecimiento propaga una señal en un rango de frecuencia que aumenta con la tasa de desvanecimiento. Esto es propagación Doppler, la contraparte del dominio de frecuencia del tiempo de coherencia. Cuanto más corto sea el tiempo de coherencia, mayor será la propagación Doppler y viceversa.
Con una selección de parámetros adecuada, MFSK puede tolerar importantes dispersiones Doppler o de retardo, especialmente cuando se complementa con corrección de errores hacia adelante . (Mitigar grandes cantidades de dispersión Doppler y de retardo es significativamente más desafiante, pero aún es posible). Una dispersión de retardo larga con poca dispersión Doppler se puede mitigar con un período de símbolo MFSK relativamente largo para permitir que el canal se "establezca" rápidamente al comienzo de cada nuevo símbolo. Debido a que un símbolo largo contiene más energía que uno corto para una potencia de transmisión dada, el detector puede alcanzar más fácilmente una relación señal-ruido (SNR) suficientemente alta. La reducción de rendimiento resultante se puede compensar parcialmente con un conjunto de tonos grande de modo que cada símbolo represente varios bits de datos; un intervalo de símbolo largo permite que estos tonos se empaqueten más de cerca en frecuencia mientras se mantiene la ortogonalidad. Esto está limitado por el crecimiento exponencial del tamaño del conjunto de tonos con la cantidad de bits de datos/símbolo.
Por el contrario, si la dispersión Doppler es grande mientras que la dispersión del retardo es pequeña, entonces un período de símbolo más corto puede permitir la detección de tonos coherentes y los tonos deben estar más espaciados para mantener la ortogonalidad.
El caso más complicado es cuando el retardo y la dispersión Doppler son grandes, es decir, el ancho de banda de coherencia y el tiempo de coherencia son pequeños. Esto es más común en los canales aurorales y EME que en HF, pero puede ocurrir. Un tiempo de coherencia corto limita el tiempo del símbolo, o más precisamente, el intervalo máximo de detección coherente en el receptor. Si la energía del símbolo es demasiado pequeña para una relación señal/ruido (SNR) de detección por símbolo adecuada, entonces una alternativa es transmitir un símbolo más largo que el tiempo de coherencia pero detectarlo con un filtro mucho más ancho que uno adaptado al símbolo transmitido. (El filtro debería, en cambio, adaptarse al espectro de tonos esperado en el receptor). Esto capturará gran parte de la energía del símbolo a pesar de la dispersión Doppler, pero necesariamente lo hará de manera ineficiente. También se requiere un espaciado de tonos más amplio, es decir, un canal más ancho. La corrección de errores hacia adelante es especialmente útil en este caso.
Debido a la amplia variedad de condiciones que se encuentran en HF, se han desarrollado una amplia variedad de esquemas MFSK, algunos de ellos experimentales, para HF. Algunos de ellos son:
Piccolo fue el modo MFSK original, desarrollado para las comunicaciones del gobierno británico por Harold Robin, Donald Bailey y Denis Ralphs del Servicio Inalámbrico Diplomático (DWS), una rama del Ministerio de Asuntos Exteriores y de la Commonwealth. Se utilizó por primera vez en 1962 [3] y se presentó al IEE en 1963. La especificación actual "Piccolo Mark IV" todavía se utilizaba de forma limitada por el gobierno del Reino Unido, principalmente para comunicaciones de radio militares punto a punto, hasta finales de los años 1990. [4] [5]
Coquelet es un sistema de modulación similar desarrollado por el gobierno francés para aplicaciones similares. [3]
MFSK8 y MFSK16 fueron desarrollados por Murray Greenman, ZL1BPU para comunicaciones de radioaficionados en HF. Olivia MFSK también es un modo de radioaficionado. Greenman también desarrolló DominoF y DominoEX para comunicaciones de radio NVIS en las frecuencias MF superiores e inferiores de HF (1,8–7,3 MHz).
El establecimiento automático de enlaces (ALE) es un protocolo desarrollado por el ejército de los Estados Unidos y utilizado principalmente como un sistema de señalización automática entre radios. Se utiliza ampliamente para comunicaciones militares y gubernamentales en todo el mundo y por radioaficionados. [6] [ aclaración necesaria ] Está estandarizado como MIL-STD-188-141B, [7] que sucedió a la versión anterior MIL-STD-188-141A.
"CIS-36 MFSK" o "CROWD-36" ( en ruso : Сердолик ) es la designación occidental de un sistema similar a Piccolo desarrollado en la ex Unión Soviética para comunicaciones militares. [8] [9] [10]
"XPA" y "XPA2" son designaciones ENIGMA-2000 [11] para transmisiones politónicas, supuestamente originadas en estaciones de inteligencia y del Ministerio de Asuntos Exteriores de Rusia. [12] [13] Recientemente, el sistema también fue descrito como "MFSK-20".
Modos MFSK utilizados para comunicaciones VHF y UHF :
FSK441, JT6M y JT65 son partes de la familia WSJT o sistemas de modulación de radio, desarrollados por Joe Taylor, K1JT , para comunicaciones de radioaficionados de larga distancia en VHF en condiciones de propagación marginales. Estos sistemas de modulación MFSK especializados se utilizan en trayectorias de radio de dispersión troposférica, EME (Tierra-Luna-Tierra) y dispersión meteorológica.
PI4 [14] es un modo digital diseñado específicamente para estudios de propagación y balizas VUSHF. El modo se desarrolló como parte del proyecto Next Generation Beacons, entre otros, utilizado por la baliza de radioaficionado más antigua del mundo, OZ7IGY . Un decodificador para PI4 está disponible en el programa PI-RX desarrollado por Poul-Erik Hansen, OZ1CKG.
La tecnología DTMF se desarrolló inicialmente para la señalización de líneas telefónicas. Se utiliza con frecuencia para aplicaciones de telecomando (control remoto) en canales de voz VHF y UHF.
{{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite book}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite journal}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link){{cite web}}: CS1 maint: numeric names: authors list (link)