Modulation par déplacement de fréquence

La modulation par déplacement de fréquence ( FSK ) est un système de modulation de fréquence dans lequel les informations numériques sont codées sur un signal porteur en décalant périodiquement la fréquence du porteur entre plusieurs fréquences discrètes. Cette technologie est utilisée pour les systèmes de communication tels que la télémétrie , les radiosondes à ballons météorologiques , l'identification de l'appelant , les ouvre-portes de garage et la transmission radio basse fréquence dans les bandes VLF et ELF . La FSK la plus simple est la FSK binaire ( BFSK , également appelée 2FSK ou 2-FSK ), dans laquelle la porteuse est décalée entre deux fréquences discrètes pour transmettre des informations binaires (0 et 1).

Des implémentations de référence de modems FSK existent et sont documentées en détail. La démodulation d'un signal binaire FSK peut être effectuée en utilisant l' algorithme de Goertzel de manière très efficace, même sur des microcontrôleurs à faible consommation.

En principe, la FSK peut être mise en œuvre en utilisant des oscillateurs totalement indépendants et en commutant entre eux au début de chaque période de symbole. En général, les oscillateurs indépendants ne seront pas à la même phase et donc à la même amplitude au moment de la commutation, ce qui provoquera des discontinuités soudaines dans le signal transmis.

En pratique, de nombreux émetteurs FSK n'utilisent qu'un seul oscillateur et le processus de commutation vers une fréquence différente au début de chaque période de symbole préserve la phase. L'élimination des discontinuités de phase (et donc l'élimination des changements brusques d'amplitude) réduit la puissance de la bande latérale , réduisant ainsi les interférences avec les canaux voisins.

Plutôt que de moduler directement la fréquence avec les symboles de données numériques, en changeant « instantanément » la fréquence au début de chaque période de symbole, la modulation par déplacement de fréquence gaussien ( GFSK ) filtre les impulsions de données avec un filtre gaussien pour rendre les transitions plus fluides. Ce filtre a l'avantage de réduire la puissance de la bande latérale , réduisant ainsi les interférences avec les canaux voisins, au prix d'une augmentation des interférences entre symboles . Il est utilisé par les appareils Improved Layer 2 Protocol , DECT , Bluetooth , Cypress WirelessUSB, Nordic Semiconductor , Texas Instruments , IEEE 802.15.4 , Z-Wave et Wavenis. Pour le débit de données de base Bluetooth, l'écart minimum est de 115 kHz.

Un modulateur GFSK diffère d'un modulateur à déplacement de fréquence simple en ce sens qu'avant que la forme d'onde de bande de base (avec les niveaux −1 et +1) n'entre dans le modulateur FSK, elle passe par un filtre gaussien pour rendre les transitions plus fluides afin de limiter la largeur spectrale. Le filtrage gaussien est une méthode standard pour réduire la largeur spectrale ; il est appelé mise en forme d'impulsion dans cette application.

En FSK ordinaire non filtré, lors d'un saut de −1 à +1 ou de +1 à −1, la forme d'onde modulée change rapidement, ce qui introduit un large spectre hors bande. Si l'impulsion est modifiée de −1 à +1 comme −1, −0,98, −0,93, ..., +0,93, +0,98, +1, et que cette impulsion plus lisse est utilisée pour déterminer la fréquence porteuse , le spectre hors bande sera réduit.

La modulation par déplacement de fréquence minimum ou modulation par déplacement minimum (MSK) est une forme particulière de modulation FSK cohérente à haut rendement spectral. En MSK, la différence entre la fréquence supérieure et la fréquence inférieure est identique à la moitié du débit binaire. Par conséquent, les formes d'onde qui représentent un bit 0 et un bit 1 diffèrent exactement d'une demi-période de porteuse. L' écart de fréquence maximal est δ = 0,25 f _m , où f _m est la fréquence de modulation maximale. Par conséquent, l'indice de modulation m est de 0,5. Il s'agit du plus petit indice de modulation FSK qui peut être choisi de telle sorte que les formes d'onde pour 0 et 1 soient orthogonales .

Une variante de la modulation MSK appelée modulation à décalage minimum gaussien ( GMSK ) est utilisée dans la norme de téléphonie mobile GSM .

La modulation par déplacement de fréquence audio (AFSK) est une technique de modulation par laquelle les données numériques sont représentées par des changements de fréquence ( hauteur ) d'un signal audio , produisant un signal codé adapté à la transmission par radio ou par téléphone . Normalement, le signal audio transmis alterne entre deux tonalités : l'une, la « marque », représente un signal binaire ; l'autre, l'« espace », représente un zéro binaire.

La modulation AFSK diffère de la modulation par déplacement de fréquence classique dans la mesure où elle effectue la modulation aux fréquences de la bande de base . Dans les applications radio, le signal modulé par AFSK est normalement utilisé pour moduler une porteuse RF (en utilisant une technique conventionnelle, telle que AM ou FM ) pour la transmission.

L'AFSK n'est pas toujours utilisé pour les communications de données à haut débit, car il est beaucoup moins efficace en termes de puissance et de bande passante que la plupart des autres modes de modulation. Cependant, en plus de sa simplicité, l'AFSK présente l'avantage que les signaux codés passeront par des liaisons couplées en courant alternatif , y compris la plupart des équipements conçus à l'origine pour transporter de la musique ou de la parole.

L'AFSK est utilisé dans le système d'alerte d'urgence basé aux États-Unis pour informer les stations du type d'urgence, des emplacements touchés et de l'heure d'émission sans réellement entendre le texte de l'alerte.

Les radios de la phase 1 du système Project 25 utilisent la modulation par déplacement de fréquence à 4 niveaux (4FSK).