רשתות אלחוטיות בעלות עוצמה נמוכה (LPWANs) הפכו לטכנולוגיה בסיסית עבור האינטרנט של הדברים, המאפשרות קישוריות אלחוטית לטווח ארוך למכשירים מתוכמים סוללות בתחומים כגון חקלאות, מ"מ חכם, מעקב נכסים, ניטור סביבתי.הבחירה של טכניקת מודולציה ישירות צורות רשת, יעילות חשמל וקישור אמינות.

תוצאות של FSK Modulation

תדירות Shift Keying מקודמת נתונים דיגיטליים על ידי שינוי תדירות המוביל בין ערכים דיסקרטיים. בצורתו הפשוטה ביותר, משדר בינארי FSK (BFSK) שולח תדר אחד כדי לייצג את בינארי 0 והשני עבור בינארי 1. המקלט מזהה שינויים תדר אלה כדי לשחזר את הנתונים.הפרמטרים הליבה הגדרת אות FSK כוללים את התדירות, התדירות (ההבדל בין שני תדרי ה- 1 ל- Especit) הוא בדרך כלל מדד שימור נמוך יותר מאשר את ה- 1.

אותות FSK הם חד-פעמיים חד-משמעיים, כלומר האמפולציה של הגל המועבר אינה נושאת מידע. הנכס הזה מאפשר שימוש במגברי כוח לא ליניאריים הפועלים ליד השכור, למקסם את יעילות האנרגיה - דרישה קריטית למכשירים של LPWAN שעשויים לרוץ במשך שנים על סוללה של תאי מטבע.בנוסף, מודולים קבועים הם פחות רגישים לעיוותים של FudeS, אשר עשויים לפעול במשך שנים על סוללות-King חזקות.

FSK Variants Used in LPWANs

בעוד הרעיון הבסיסי FSK הוא פשוט, כמה גרסאות פותחו כדי לשפר את היעילות ספקטרלית, להפחית את ההתערבות, או לפשט את עיצוב המקלט.גרסאות אלה מאומצות באופן נרחב בתקני LPWAN כגון Mioty, Dash7 ומערכות קנייניות מסוימות.

Binary FSK (BFSK)

Binary FSK מעסיקה שני תדרים נפרדים מופרדים על ידי סטייה קבועה.זה הצורה הפשוטה והחסכונית ביותר של משדרי FSK. BFSK ניתן לבנות עם מעגלים מינימליים, לעתים קרובות שילוב של אוסטרטור מבוקר מתח ומקור נתונים דיגיטלי.המחשב הנמוך הופך את BFSK אטרקטיבי עבור נמוך מאוד, נמוך-נתונים משדר חיישנים קטנים, עם קצב נמוך יותר, אך בדרך כלל דורש יעילות של BK נמוכה יותר, כאשר הוא דורש יותר מאשר רוחב פסטה נמוכה יותר, הוא דורש יעילות גבוהה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, הוא דורש רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, בדרך כלל דורש יעילות גבוהה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, הוא דורש יעילות על ידי שימוש, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, עם רוחב פסטה נמוכה יותר, הוא דורש יעילות על ידי שימוש, 000.

גאוסיאן FSK (GFSK)

Gussian Frequency Shift Keying pre-filters את הנתונים של בסיס עם מסנן נמוך Gaussian נמוך קצה לפני תדירות Modulation. זה חלק להפחית את הרכיבים גבוה ⁇ הגורם ספקטרום של lobes, וכתוצאה מכך אותות קומפקטיים יותר, מוגבל הלהקה. GFSK הוא הבסיס של ביצועים בסיסיים של Bluetooth, והוא נמצא גם ב כמה יישומי WAN, כולל תקן נמוך יותר עבור פילטרים אינדקס נמוך יותר.

מינימום Shift Keying (MSK) ו- GMSK

מינימום Shift Keying הוא מקרה מיוחד של FSK מתמשך שבו סטיית התדירות שווה חצי את שיעור ה bit rate, נותן מדד מודולציה של 0.5. בחירה זו ממזער את רוחב הפס שנכבש על ידי הספקטרום הראשי של ספקטרום מרכזי תוך שמירה על מעטפה קבועה. MSK מציעה גם המשכיות שלב שמובילה להפצת ספקטרום פחות, עם זאת, מה שהופך אותו מתאים לערוצי LP WAN.

FSK Performance Characteristics ב- LPWAN Context

כאשר בוחנים את FSK Modulation עבור LPWAN, כמה מדדי ביצועים: טווח קישורים, שיעור נתונים, צריכת חשמל, עמידות להפרעות, ויעילות ספקטרלית.כל אחד מהם מושפע מגרסאות FSK הנבחרות ופרמטריזציה שלה.

טווח קישורים ו Sרגישות

מקלטי FSK להשיג רגישות טובה כי גילוי דומיין תדירות יכול להשתמש מסננים פס צר כדי לדחות רעש מחוץ לפס.טבע מהירויות קבוע-envelope מאפשר השידור לפעול בצו שיא ללא ספקטרום ספקטרום מגבר שאינו לינאריות. בפועל, קישורים מבוססי FSK מבוססי WAN יכולים להשיג טווחים של כמה קילומטרים בתנאי קו-of-sight, בהתאם לעוצמה, שידורים, ואובדן גבוה יותר מאשר קידוד FSK-FSK.

שיעור נתונים ויציבות ספקטרלית

יעילותו של FSK היא בדרך כלל נמוכה יותר מאשר Qudrature amplitude Modulation (QAM) או שלב שינוי מפתח (PSK) באותו קצב כי FK משתמש יותר רוחב פס לסמל.שיעורי נתונים WAN טיפוסיים באמצעות טווח FSK מכמה מאות סיביות לשנייה עד עשרות קילו-קייט למעצבים אחרים.

כוח

אחד היתרונות החזקים ביותר של FSK הוא יעילות האנרגיה שלה.המעביר יכול להשתמש oscillator פשוט ומגבר כוח ללא מעגליות לינאריזציה.בקבל מצב, הדגמה FSK יכול להיות מיושם עם כוח נמוך הגבלת מגברים כוח נמוך ומפלטים בתדר דיגיטלי תדירות שבבים מבוססי FSKWAN להשיג צריכת תת- 10A הנוכחית במהלך קבלת פנים פעילה, המאפשרת שימוש תאים תפעוליים של מחזור אופניים.

המונחים:ilience

התערבות מבוססת אמנסטי, כגון רעש אימפולסיבי או משדרים אלחוטיים סמוכים עם כוח משתנה, יש השפעה מוגבלת על FSK כי מידע מקודד בתדר, לא amplitude. עם זאת, הפרעה תדירות-selective (למשל, צרבת) יכול לשדר טונים ספציפיים ספקטרום כגון ספקטרום תדר (HSS) יכול לשלב עם פרוטוקול FSKSK מדויק יותר מצמצם את התדירות גבוהה, בנוסף לשיטות לצמצום של WANKSKSK.

תוצאות עבור FSK ב- LPWAN Systems

בחירת הגרסאות המתאימות FSK והגדרת הפרמטרים שלה דורש איזון מספר, לעתים קרובות סותר, דרישות.הבאים הם החלטות עיצוב מפתח:

  • מדד ה-FLT:0 (Modulation Index: FLT:1 A low Modulation Index (קרוב ל-0.5) מניב רוחב פס צר יותר, אך מגביר את הרגישות לשגיאות התזמון ולנטיעת תדרים גבוהים יותר ( ⁇ 1) משפר את חסינות הרעש במחיר צריכת הספקטרום.
  • (FLT:0)Fitering:FLT:1 רוחב הפס וצורה של מסנן הבסיס (למשל, Gaussian) משפיע על התערבות ספקטרלית והתערבות בין-סימבול.המוצר הסינון זמן-bandwidth (BT) עבור GFSK/GMSK הוא פרמטר קריטי; ערכים טיפוסיים ב- LPWANs נע בין 0.3 ל-0.5.
  • (FLT:0) סטיות גדולות יותר הופכות את שני התדרים לקלים יותר להבחין, שיפור שולי הקישור, אך הן מרחיבות את רוחב הפס הכבוש לעיתים קרובות כופים רוחב פס כבוש מקסימלי, הגבלת סטייה.
  • (FLT:0Data Rate & Bandwidth:03FLT:1) ב- LPWANs, אולטרה-narrowband FSK (עם קידוד ערוצים של 12.5 kHz או צר יותר) משמש לעתים קרובות כדי למקסם טווח וקיבולת.הקצב הנתונים חייב להיות נמוך מספיק כדי להתאים בתוך רוחב הפס שהוקצה עם התערבות ערוץית מקובלת.
  • אדריכלות:0 (Receiver Architecture: FLT:1 , Coherent Demodulation (אשר דורש שחזור מוביל) הדגמה בלתי-מחדשת על ידי בערך 1–3 dB ביחס אות-לא-רעש, אבל על חשבון כוח ומורכבות. רבים של מכשירי LPWAN משתמשים במקלטי FKS שאינם בעלי יכולת נמוכה ופשטות שלהם.

מעצבי המערכת צריכים גם לשקול את תקן השכבה הפיזי של ה- LPWAN המיועד.לדוגמה, מפרט IEEE 802.15.4k עבור LECIM (Low Energy Critical Infrastructure Monitoring) PHY משתמש ב- GFSK עם תדירות-ההההפצה כדי לשפר את האמינות המהימנות.

השוואה עם טכניקות שונות של LPWAN

FSK היא אחת מכמה משפחות מודולציה המשמשות ב- LPWANs. שתי חלופות בולטות הן Chirp Spectrum (CSS), המשמשות את LoRa, ו-Squence Spread Spectrum (DSSS), המשמשות במערכות קנייניות וסטנדרט IEEE 802.15.4.הבנת ההבדלים מסייע להקשר של תפקידו של FSK.

  • (FLT:0)FSK לעומת CSS:FLT:1 של LoRa משתמשת הדופקים רחבים כימפוזרים באופן טבעי על פני רוחב פס גדול, המציע רווח עיבוד גבוה וחוסן חזק להפרעות פס צר ו fading. CSS בדרך כלל משיג טווחים ארוכים יותר מאשר FSK עבור אותו שיעור נתונים, אבל במחיר של פחות מפול באמצעות אנרגיה גבוהה יותר עבור FSK, בדרך כלל יכול להשיג רוחב פס נמוך יותר, כך יותר עם שיעור נתונים נמוך יותר, כך נמוך יותר, כדי להשיג יותר עם קיבולת נמוכה יותר עם קיבולת נמוכה יותר עם זה יכול להיות יעיל יותר מאשר על פני רוחב פס נמוך יותר מאשר על ידי פחות גבוה יותר, כדי להשיג רוחב פס נמוך יותר עבור רוחב פס נמוך יותר עבור רוחב פס נמוך יותר עם זה יכול להיות יעיל יותר עבור זה יכול להיות יעיל יותר מאשר על ידי פחות גבוה יותר עבור אותו רוחב פס נמוך יותר עבור רוחב פס נמוך יותר עבור אותו רוחב פס נמוך יותר עבור אותו, 000 נמוך יותר עבור זה, 000 נמוך יותר עבור אותו יותר עבור אותו יותר עבור אותו, 000 נמוך יותר עבור אותו יותר עבור אותו יותר עבור אותו זמן קצר יותר עבור אותו, 000 נמוך יותר עבור אותו, 000 נמוך יותר עבור אותו יותר עבור אותו זמן קצר יותר, 000 נמוך יותר, 000 קל יותר, 000 קל יותר, 000 קל
  • (FLT:0)FSK לעומת DSSS: DSSS Modulates כל אחד עם רצף קוד פסאודודום, הפצת האות על רוחב פס רחב, זה מספק התנגדות לייבוש מכוון וכיסוי.עם זאת, מקלטים DSSS דורשים רכישת קוד למעקב, מורכבות מוגברת וצריכת חשמל.
  • (FLT:0)FSK לעומת PSK:FIRLT:1 שלב Shift Keying (במיוחד BPSK ו QPSK) מציעה יעילות ספקטרלית טובה יותר מאשר FSK אבל דורש תוספת ליניארית והדגמה קוהרנטית.היחס העליון של כוח עליון לממוצע של PSK הופך יעילות מוגברת יותר, אשר עשוי להוריד את היתרונות המרכזיים ב-WANs.

כל טכניקת מודולציה תופסת נקודה אחרת על גבול Pareto של טווח, שיעור נתונים, כוח ומורכבות. FSK מצטיין ב כוח נמוך, קליטה פשוטה, והוא מתאים היטב עבור להקות סטנדרטיות כמו 868 M (EU) ו 915 MHz (US) להקות ISM שבו מופצות ערוצים צרים.

כיוונים עתידיים ואופטימיזציה

מטרת המחקר והפיתוח של Onמתמשכים לשפר את ביצועי FSK בהקשרים של LPWAN.אזור אחד הוא מודולציה הסתגלותית, שבו הפרמטרים FSKHz (אינדקס מתון, שיעור הנתונים, הסטייה) מותאמים בזמן אמת בהתבסס על תנאי קישור - אישור באמצעות זיהוי כאשר הערוץ הוא טוב ומרחיב טווח כאשר הוא מכווץ.

מסקנה

טכניקות המודולציה יעילות Shift Keying Modulation מחזיקות מקום חיוני בעיצוב של רשתות בעלות נמוכה רחבות עוצמה גבוהה-שטחיות.החומרה המוטבעת שלהם, קבוע-envelope נכסים, צריכת חשמל נמוכה, וקלות יישום הופכות אותם מתאימים למערך עצום של מקרים של שימוש ב-IoT, ממטר חכם לרשתות חיישן סביבתיות.

(ב) ראו את הסקירה (FLT:0) מה-is-shift-keying-ofskFLT) 1 סקירה על כלRF, TheFLT:2Wikipedia על FSKearFLT 3 עבור תיאוריה בסיסית, ואת המאמר FLT:4Digi-Key על LoRa PHYFLT5 להשוואה עם CSS.