Señales FSK – Segunda Parte

18 05 2013

Tony Paredes

Continuando con nuestra serie de artículos técnicos, tenemos aquí la segunda parte de “Señales FSK” donde trataremos de explicar algunos aspectos menos conocidos de estas señales, pero que en definitiva hacen a la cuestión para completar la introducción a las mismas. De esta forma iniciamos a quienes tengan interés en profundizar en el estudio de las señales FSK y MFSK.

Senãles sincrónicas y asincrónicas (Coherentes – No Coherentes)

Las señales FSK pueden ser emitidas en forma sincrónica o asincrónica. Sincrónica significa que la fase de marca o espacio está en relación (en fase) con una referencia (clock). Para que el cambio de marca a espacio y viceversa esté continuamente en fase con el clock (glitch free), la desviación (shift) y la velocidad (baudrate) deben Inter-relacionarse. Una señal FSK sincrónica que tenga una desviación en Hz igual a un múltiplo entero exacto de la velocidad de transmisión en baudios, es la forma más común de FSK coherente (sincrónica).

Mientras la FSK coherente tiene un mejor comportamiento frente a errores, la FSK no coherente es más simple de generar y es usada en la mayoría de las transmisiones FSK. La FSK no coherente no tiene ninguna especial relación de fase entre los consecutivos elementos de marca y espacio. (Fig.3)

F3

Muchos diferentes códigos son usados para transmitir datos con señales FSK. Como ya hemos dicho, en las señales FSK sincrónicas, la transición marca – espacio y espacio – marca, están en sincronismo con un clock de referencia. Las señales FSK asincrónicas no requieren de un clock de referencia pero en cambio necesitan de un arreglo especial de bits para controlar el muestreo (timing) durante la decodificación.

Uno de los más comunes códigos asincrónicos utilizados es el código Baudot de 5 bits, conocido también como ITA-2. Este código incluye, además de los bits de datos, bits de start (release) y bits de stop (latch). En este sistema, originalmente diseñado para máquinas teleimpresoras mecánicas, la decodificación es “retenida” (latched) hasta que un bit de “liberación” (release) es recibido, permitiendo al sistema la interpretación de los siguientes cinco bits como datos. El valor binario de estos cinco bits se corresponde con un carácter del código. (Fig. 4)

En la figura 4 podemos observar las letras “I” y “B” del código Baudot, con sus correspondientes bits de latch y release.

Observe que la emisión finaliza en un bit de latch, por lo tanto el sistema queda así retenido hasta que un bit de release sea recibido. La longitud del bit de latch puede ser muy largo, en especial en los sistemas operados manualmente. Es el caso cuando recibimos un solo tono de los dos de una señal FSK.

Un sistema sincrónico común es el que usa el código Moore (ITA-3). Este código tiene siete bits por carácter y no utiliza bits de latch ni de release. La sincronización es mantenida utilizando un clock de referencia, el cual se obtiene de la propia señal recibida. La sincronización de los caracteres es mantenida enviando periódicamente caracteres sin valor entre los caracteres válidos.

ITA-2 (Baudot)

Character tables

Bit coding tables

Code combination Letter shift Figure shift

Erect
12345

Inverted
12345

1  A  –

11000

00111

2  B  ?

10011

01100

3  C  :

01110

10001

4  D  Who are you

10010

01101

5  E  3

10000

01111

6  F  %

10110

01001

7  G  &

01011

10100

8  H  #

00101

11010

9  I  8

01100

10011

10  J  Bell

11010

00101

11  K  (

11110

00001

12  L  )

01001

10110

13  M  .

00111

11000

14  N  ,

00110

11001

15  O  9

00011

11100

16  P  0

01101

10010

17  Q  1

11101

00010

18  R  4

01010

10101

19  S  ‘

10100

01011

20  T  5

00001

11110

21  U  7

11100

00011

22  V  =

01111

10000

23  W  2

11001

00110

24  X  /

10111

01000

25  Y  6

10101

01010

26  Z  +

10001

01110

27  Carriage return

00010

11101

28  Line feed

01000

10111

29  Letter shift

11111

00000

30  Figures shift

11011

00100

31  Space

00100

11011

32  Unperf. tape

00000

11111

ITA-3 (Moore)

 

Character tables

Bit encoding tables

Code
combination

Letter shift

Figure shift

Erect
1234567

Inverted
1234567

1

A

0011010

1100101

2

B

?

0011001

1100110

3

C

:

1001100

0110011

4

D

Who are you

0011100

1100011

5

E

3

0111000

1000111

6

F

0010011

1101100

7

G

1100001

0011110

8

H

1010010

0101101

9

I

8

1110000

0001111

10

J

Bell

0100011

1011100

11

K

(

0001011

1110100

12

L

)

1100010

0011101

13

M

.

1010001

0101110

14

N

,

1010100

0111001

16

P

0

1001010

0110101

17

Q

1

0001101

1110010

18

R

4

1100100

0011011

19

S

0101010

1010101

20

T

5

1000101

0111010

21

U

7

0110010

1001101

22

V

=

1001001

0110110

23

W

2

0100101

1011010

24

X

/

0010110

1101001

25

Y

6

0010101

1101010

26

Z

+

0110001

1001110

27

Carriage return

1000011

0111100

28

Line feed

1011000

0100111

29

Letters shif

0001110

1110001

30

Figures shift

0100110

1011001

31

Space

1101000

0010111

32

Unperf. tape

0000111

1111000

Specials:
Idle signal (Alpha) / phasing signal 1

0101001

1010110

Idle signal (Beta)

0101100

1010011

Repetition signal (RQ) phasing signal 2

0110100

1001011

Frequency Division Multiplex

Varias señales FSK pueden ser emitidas simultáneamente en una banda de frecuencia asignando diferente frecuencias centrales a cada una de las señales. Este método de transmisión es llamado FDM. Varias señales de audio de FSK son frecuentemente combinadas para luego ser emitidas por un transmisor de banda lateral. Esta forma de FDM es llamada VFT (Voice Frequency Telegraph). Para minimizar el ancho de banda, los canales individuales de FSK tienen usualmente desviaciones angostas de 50 a 200 Hz. Un sistema FDM típico es mostrado en la fig. 5. en donde puede observarse 16 señales FSK cada una con una diferente frecuencia central, todas dentro de un canal de voz de 3 Khz. de ancho.

Como sabemos, la radio en HF está sujeta a diversos factores que alteran la calidad de la comunicación, entre ellos el desvanecimiento por caminos múltiples (multipath fading). La relativamente angosta naturaleza de este fenómeno de fading, causa que solo uno o dos de los canales sean afectados en un momento dado. Como una defensa en contra de este tipo de fading, es una práctica común duplicar los datos en el grupo FDM, es decir, si dos canales separados adecuadamente llevan la misma información, el fading afectará a un canal en particular en un momento dado, pero los datos estarán disponibles en otro canal que no está siendo afectado en ese momento. Usualmente los canales duplicados se intercalan, por ejemplo, 1 con 9, 2 con 10, 3 con 11, etc.

La desventaja de este sistema es que la capacidad de transmisión se reduce a la mitad debido a la duplicación de canales.

Una alternativa a este sistema es el FDM entrelazado. El FDM entrelazado toma ventaja del hecho que tonos de marca y espacio son complementarios. Esto sugiere que la recepción de tonos de marca o espacio solos es suficiente para determinar la transmisión de datos. Si los tonos de marca y espacio son separados por 1 Khz o más, pueden ser luego detectados por diversidad de frecuencia. Para combinar tonos de marca y espacio solos en una única señal FDM, cada par debe ser intercalado con los otros pares. Este sistema es mostrado en la fig. 6

Entrelazando los pares de tonos FSK es posible lograr buena performance contra el multipah fading sin sacrificar la eficiencia en cuanto al ancho de banda, sin embargo este sistema no es muy utilizado debido a la complejidad del demodulador.

DFSK (Double Frequency Shift Keying)

DFSK, algunas veces llamado DFS o TWINPLEX, es un sistema de transmisión de dos flujos binarios independientes corriendo la frecuencia de una simple portadora en cuatro frecuencias discretas. La fig. 7 muestra una tabla de código para convertir dos bits binarios en una salida de cuatro estados.

Si cada uno de estos estados es asignado a una correspondiente frecuencia FSK, luego es posible transmitir cualquier combinación de dos bits de entrada como un elemento simple. La fig. 8 muestra una señal DFSK típica.

Como los dos canales binarios son independientes, pueden contener combinación de señales sincrónicas y asincrónicas.

No es raro tener un teleimpresor en un canal y una señal CW en el otro canal. La sincronización de bits no es necesaria.

En los ejemplos de las figuras 7 y 8, los estados de las salida de A a D son asignados a las frecuencias f1 a f4 respectivamente. Como los sistemas DFSK transmiten solo una frecuencia a la vez, los transmisores trabajan con una mayor eficiencia de potencia que en FDM, los cuales necesitan de una alta linealidad para prevenir la intermodulación de tonos.

MFSK – Multi Frequency Shift Keying

MFSK es una técnica para transmitir datos digitales utilizando múltiples tonos. Diferentes técnicas de MFSK son utilizadas; en paralelo, secuencial y combinación de tonos.

Paralelo: varios tonos son emitidos simultaneamente.

Secuencial: los tonos son emitidos uno a continuación de otro.

Combinación: en secuencia por pares.

En general, las señales MFSK usan separación entre tonos relativamente angosto, entonces gran cantidad de datos pueden ser emitidos en un reducido ancho de banda. Los sistemas MFSK también pueden utilizar técnicas FEC para reducir errores en la transmisión.

Ejemplos de señales MFSK son: Coquelet, Piccolo, Crowd36, Diferentes sistemas MFSK utilizados por los radioaficionados, etc.

Auto-Correlation Frequency

La correlación es una operación matemática que permite cuantificar el grado de similitud entre dos señales, aunque aparentemente no haya evidencias de similitud entre ellas.

En la descripción y el análisis de señales la correlación juega un papel importante teniendo un amplio abanico de aplicaciones: La geología, la medicina y la economía son algunos ejemplos de ellas.

La estimación de retardos en radar y sonar, la detección y sincronización en comunicaciones digitales, el control predictivo de máquinas y procesos, el reconocimiento de patrones, con aplicaciones en procesado de voz y de imágenes, el estudio de entornos acústicos, la estimación espectral o la identificación de sistemas son un ejemplo de aplicaciones de la correlación en el campo de la ingeniería.

La autocorrelación es la comparación de dos secuencias, separadas una cierta “distancia” (en nuestro caso “bits”), de la misma señal.

Al estudiar la autocorrelacion de una señal, podemos comprender la naturaleza de la estructura de bits de la misma y de esta forma saber qué codificación tiene.

En el caso de señales FSK simples, y para ponerlo con palabras sencillas, el ACF indicaría el “régimen de repetición de bits de la señal”

Supongamos una señal FSK de RTTY, el cual, como sabemos utiliza el código ITA-2 de cinco bits.

Tomemos como ejemplo la siguiente linea:

0XXXXX10XXXXX10XXXXX10XXXXX1

Start bit XXXXX (caracter Baudot de 5bit) Stop bit

Sin importar el valor de XXXXX, veremos que esta secuencia tiene un ACF = 7.

En este ejemplo tenemos una señal RTTY en código ITA-2 (cinco bits) más un bit de start al comienzo de cada carácter más un bit de stop al finalizar cada carácter. Es decir que la secuencia encuentra coincidencias CADA 7 BITS, aunque no todos los bits coincidan.

Otros códigos (como el SITOR-CCIR476) tienen propiedades similares. Los sistemas que utilizan FEC (Forward error Correction), por ejemplo el SITOR-B, muestran un ACF igual a la cantidad de bits de diferencia entre las dos copias emitidas. (Ver FEC). Otros sistemas tienen ACF diferentes según el código utilizado, la cantidad de bits de stop, utilización de algún tipo de FEC, inversión de bits, etc.

Las transmisiones encriptadas (codificadas) muestran normalmente un ACF de cero, por ejemplo el sistema NATO KG84, sin embargo es posible encontrar transmisiones igualmente encriptadas que utilizan ITA-2 o algún otro código similar. Esto da un ACF como si no estuviera encriptada.

Esto es solo un ejemplo sencillo de un tema complejo que no necesitamos conocer a la perfección, pero si saber que existe y que se utiliza para la identificación de señales digitales.

Por suerte algunos software utilizados para la decodificación también tienen la posibilidad de analizar el ACF en forma automática.

Entre los programas más conocidos que ofrecen este módulo están: Hoka Code, Skysweep y Centurión.

Es posible obtener el ACF en forma manual (a ojo) extrayendo los unos y ceros de las señales FSK pero esto es un trabajo duro que yo no estoy en condiciones, por el momento, de hacer ni de explicar cómo se hace.

En la figura siguiente podemos observar el Hoka-Code en su módulo de Bit Correlation identificando una señal SITOR-B (ACF=35)

A continuación una breve lista de los modos digitales más usuales y su ACF característico

Baudot (RTTY) 7, 8 ó 15
MIL-STD-188-110A serial modem 20/60
ARQ-E 28/56
STANAG 4285 serial modem 32
SITOR-A 45
SITOR-B 35
ARQ-E3 56
PACTOR-FEC 97/194
GW Dataplex 102/204/231

FEC – Forward Error Correction

Como ya sabemos, hay múltiples factores en HF que pueden afectar la calidad de las comunicaciones; Ruidos, interferencias, desvanecimiento de la señal, entre otros.

Para evitar, o por lo menos disminuir la posibilidad de perder datos, algunos sistemas utilizan técnicas de repetición de bit para que, de esta forma, si se llegara a perder la primera línea de datos, estarán disponibles esos mismos datos un poco más adelante en la transmisión para que luego el programa decodificador los incorpore en el texto en la posición correcta.

Este es el caso de SITOR-B. Otros sistemas utilizan diferentes técnicas FEC.

ARQ – Automatic Repeat ReQuest

Como su nombre lo indica, consiste en que el receptor solicite al emisor en forma automática, la repetición de los últimos datos emitidos.

El modo ARQ más usual que podemos escuchar es SITOR-A, el cual es utilizado por estaciones costeras y barcos, entre otros servicios.

El modo SITOR-A permite establecer contacto entre dos estaciones entre las cuales se intercambian los datos. Mientras la comunicación se lleva a cabo, una estación emite su tráfico en cortos pedazos de datos, agregando algunos bits adicionales que sirven para detectar errores. Mientras esto sucede, la estación receptora analiza los datos recibidos y evalúa si han llegado bien. En este caso emite un corto pulso de datos indicándole a la estación emisora que los datos han sido recibidos correctamente, continuando luego con la siguiente paquete de datos. En caso que los datos hayan sido recibidos con errores, la estación receptora solicita la repetición de los mismos.

En el modo SITOR-A este proceso se lleva a cabo interrumpiendo momentáneamente la transmisión para recibir la respuesta de la otra estación, ya que la comunicación se establece en una única frecuencia.

Artigo disponibilizado mediante autorização do autor. A publicação em qualquer outro meio é expressamente proibida.

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