Il principio fondamentale

La modulazione FSK (Frequency Shift Keying) è una delle tecniche più utilizzate nelle comunicazioni digitali via radio, in particolare in ambito radiantistico. Il suo principio è concettualmente semplice: invece di variare l’ampiezza o la fase del segnale, si cambia la frequenza della portante per rappresentare i dati digitali. L’informazione non sta nel “quanto” o nel “come” oscilla il segnale, ma in quale frequenza viene usata in un dato momento.

Nel caso più basilare, chiamato BFSK (Binary FSK), si utilizzano esattamente due frequenze distinte: una per il bit “0” (space) e una per il bit “1” (mark). Questo approccio è robusto, semplice da implementare e storicamente resistente alle condizioni avverse di propagazione, motivo per cui è stato adottato già dalle prime telescriventi radio.

RTTY: l’applicazione storica

Il modo digitale più classico basato su FSK è l’RTTY (Radioteletype). Nelle trasmissioni HF radioamatoriali, la differenza tra le due frequenze – chiamata shift – è tipicamente di 170 Hz, anche se in altri contesti (ad esempio le trasmissioni commerciali degli anni passati) si usavano shift di 425 o 850 Hz. Il principio resta valido indipendentemente dai valori numerici scelti.

Per convenzione consolidata, la frequenza mark è sempre quella più alta delle due in radiofrequenza. Quando ci si riferisce alla frequenza di una stazione RTTY, si intende sempre la sua frequenza mark. Questa convenzione è importante per l’interoperabilità tra stazioni diverse.

L’RTTY, pur essendo una tecnologia datata, rimane ancora oggi molto diffuso grazie alla sua affidabilità e alla facilità di decodifica anche in condizioni di segnale non ottimali. Non richiede algoritmi complessi né sincronizzazione temporale precisa: basta ricevere i due toni alternati.

FSK o AFSK? due strade per lo stesso risultato

Nella pratica di stazione, esistono due approcci distinti per generare un segnale RTTY: l’FSK diretto e l’AFSK. Il segnale ricevuto è percettivamente identico nei due casi – all’ascolto si sentono sempre i due toni alternati, il classico suono RTTY – ma il modo in cui viene generato in trasmissione è molto diverso.

FSK diretto

Nell’FSK “puro”, è la radio stessa che commuta tra le due frequenze di trasmissione. Il trasmettitore non resta fermo su una sola frequenza, ma oscilla rapidamente tra due valori molto vicini, pilotato direttamente dallo stadio di sintesi o dal VFO tramite un segnale digitale proveniente da un computer o da una telescrivente. Non c’è audio di mezzo: il segnale nasce già in radiofrequenza.

Il risultato è un segnale molto stabile, ben definito e privo delle distorsioni che possono introdursi attraverso una catena audio. Inoltre, operando in modalità RTTY/FSK nativa, il ricetrasmettitore consente di usare i filtri IF stretti dedicati (tipicamente 250 o 500 Hz), un vantaggio significativo in banda affollata. Per questo nelle stazioni più curate, soprattutto in contesti contest, l’FSK diretto è spesso preferito: occupa meno banda reale e presenta uno spettro più pulito.

Il limite pratico è che non tutte le radio supportano un ingresso FSK dedicato, e il setup richiede in genere una porta seriale o un’interfaccia apposita – il che lo rende meno immediato.

AFSK

L’AFSK (Audio FSK) nasce come soluzione più accessibile. In questo caso non si agisce direttamente sulla frequenza della radio: il computer genera due toni audio distinti – tradizionalmente 2125 Hz (mark) e 2295 Hz (space), separati esattamente da 170 Hz – che vengono inviati all’ingresso microfonico o line-in della radio, impostata in LSB (Lower Side Band).

Qui entra in gioco un dettaglio non intuitivo ma importante: la SSB in banda laterale inferiore inverte la relazione tra frequenza audio e frequenza RF. Il tono audio più alto (2295 Hz, space) diventa la frequenza RF più bassa, e il tono più basso (2125 Hz, mark) diventa la frequenza RF più alta. In questo modo si rispetta automaticamente la convenzione RTTY che vuole il mark come frequenza RF superiore. Se si usasse la USB invece della LSB, i due toni risulterebbero invertiti e la comunicazione sarebbe incompatibile con le altre stazioni.

Dal punto di vista del segnale trasmesso, il risultato finale è sorprendentemente simile all’FSK diretto: si ottengono comunque due frequenze RF separate di 170 Hz. La differenza sta nel percorso: nell’AFSK c’è di mezzo una catena audio completa (scheda audio, livelli, filtri interni della radio), il che introduce alcune criticità pratiche:

• se il livello audio è troppo alto si introduce distorsione;
• se è troppo basso il segnale risulta debole;
• il processore vocale della radio va disabilitato, pena la deformazione del segnale;
• chi usa il VOX per commutare in trasmissione deve fare attenzione: qualsiasi suono generato dal computer – una notifica, un avviso di sistema – potrebbe aprire accidentalmente la trasmissione.

D’altra parte, l’AFSK è estremamente comodo: basta un’interfaccia audio e praticamente qualsiasi ricetrasmettitore SSB diventa compatibile con l’RTTY e con molti altri modi digitali.

Come per l’FSK, anche all’ascolto di un segnale AFSK il ricevitore lo demodula riportandolo in audio: quello che si sente sono sempre e solo i due toni alternati. Non c’è modo pratico di distinguere all’ascolto se un segnale è stato generato in FSK o AFSK.

Le varianti della famiglia FSK

L’FSK binario è solo il punto di partenza. Nel corso degli anni si sono sviluppate varianti più sofisticate, ognuna con caratteristiche e applicazioni specifiche.

MFSK – Multiple FSK

Invece di usare solo due frequenze, l’MFSK ne impiega un numero maggiore. Ogni tono trasmesso rappresenta un simbolo, che a sua volta codifica più bit: con 4 toni si codificano 2 bit per simbolo, con 8 toni si codificano 3 bit per simbolo, e così via. Il vantaggio rispetto all’FSK binario è una migliore efficienza spettrale e una maggiore resilienza al rumore e al fading, perché i toni multipli – spaziati in modo ortogonale – possono essere discriminati individualmente dal ricevitore con filtri molto stretti, riducendo l’impatto del rumore di banda. A questo si aggiunge tipicamente un FEC (Forward Error Correction) che aumenta ulteriormente la robustezza complessiva.

I rappresentanti più significativi della famiglia MFSK in ambito radioamatoriale sono Olivia, Thor e – in forma evoluta – FT8.

Olivia è il modo MFSK più diffuso in ambito HF per conversazioni in condizioni difficili. Usa un numero di toni configurabile (tipicamente 8, 16 o 32) su una larghezza di banda anch’essa selezionabile (250, 500 o 1000 Hz): la combinazione più comune per iniziare un contatto è Olivia 8/250, mentre Olivia 16/500 e Olivia 32/1000 vengono usate per conversazioni prolungate una volta stabilito il collegamento. Le soglie di decodifica sono notevolmente inferiori a quelle dell’RTTY: Olivia riesce a decodificare correttamente segnali con un rapporto segnale/rumore di circa −14 dB rispetto alla larghezza di banda del segnale, il che significa che in molti casi il segnale è percettivamente inudibile ma viene comunque decodificato correttamente dal software. Questo la rende particolarmente apprezzata per i percorsi lunghi, le condizioni di fading polare o aurorale e le comunicazioni a bassa potenza.

Thor è un modo MFSK sviluppato come evoluzione diretta di MFSK16, con alcune differenze progettuali significative: usa un interleaving dei simboli più sofisticato per combattere il fading selettivo in frequenza, e una spaziatura tonale leggermente diversa. Come Olivia, è disponibile in più varianti di velocità (Thor8, Thor16, Thor22 ecc.) che permettono di adattare il compromesso tra velocità di trasmissione e robustezza alle condizioni del momento. Thor è considerato leggermente più veloce di Olivia a parità di condizioni, ma in genere meno robusto nei casi estremi.

FT8 rappresenta invece l’estremo opposto in termini di automazione e soglia di decodifica, ed è descritto più in dettaglio qui.

CPFSK – Continuous Phase FSK

Una limitazione dell’FSK elementare è che quando il segnale commuta da una frequenza all’altra, se la fase non è allineata si produce una discontinuità istantanea. Questa discontinuità genera emissioni parassite fuori banda, allargando lo spettro occupato.

La CPFSK (Continuous Phase FSK) risolve questo problema imponendo che la fase del segnale sia continua al momento della transizione: la frequenza cambia, ma senza “salti” di fase. Il risultato è uno spettro molto più compatto e pulito, con riduzione delle emissioni indesiderate. Questo dettaglio, apparentemente teorico, ha implicazioni pratiche rilevanti in termini di efficienza spettrale e compatibilità con gli altri occupanti della banda.

Un caso particolare di CPFSK con indice di modulazione pari a 0,5 è la MSK (Minimum Shift Keying), considerata la variante a banda minima possibile. Da essa deriva la GMSK (Gaussian MSK), che applica un filtro gaussiano prima della modulazione per lisciare ulteriormente le transizioni: è la modulazione usata nelle reti GSM e in molti sistemi radio digitali moderni.

FSK e l’effetto Doppler

Un aspetto rilevante in certi contesti operativi, come le comunicazioni via satellite in orbita bassa (LEO), è l’effetto Doppler: il moto relativo tra trasmettitore e ricevitore causa uno spostamento in frequenza del segnale ricevuto. Nelle modulazioni FSK questo si traduce in uno scorrimento dell’intera coppia (o dell’intero gruppo, nel caso MFSK) di frequenze, che può spostare i toni al di fuori dei filtri del ricevitore se non viene compensato. I sistemi che operano in questi contesti devono prevedere una correzione Doppler attiva. È interessante notare che MFSK16, e per estensione Olivia e Thor, sono intrinsecamente più tolleranti al Doppler rispetto a PSK31, grazie alla natura non coerente della demodulazione usata.

Applicazioni contemporanee

Packet radio

Il Packet radio (basato sul protocollo AX.25) utilizza una forma di AFSK tipicamente a 1200 baud in VHF, con toni a 1200 Hz (mark) e 2200 Hz (space) secondo lo standard Bell 202. In UHF si usano spesso velocità di 9600 baud con FSK diretto. Questo approccio ha il vantaggio di poter essere implementato con hardware relativamente semplice: un’interfaccia audio e un TNC (Terminal Node Controller) sono sufficienti per la maggior parte delle applicazioni.

FT8 e i modi weak signal

FT8 non è una FSK classica nel senso stretto, ma ne rappresenta un’evoluzione significativa. Usa una modulazione a 8 toni (GFSK – Gaussian FSK) con spaziatura di 6,25 Hz tra toni adiacenti, trasmissioni sincronizzate a finestre temporali di 15 secondi e una codifica di canale LDPC (Low-Density Parity-Check) che consente la decodifica anche con rapporti segnale/rumore molto negativi (tipicamente fino a −20 dB rispetto alla larghezza di banda del segnale). L’obiettivo è massimizzare la probabilità di decodifica corretta anche quando il segnale è percettivamente inudibile: in questo caso la scelta della modulazione è inscindibile dall’elaborazione digitale e dagli algoritmi di correzione degli errori.

In sintesi

La famiglia delle modulazioni FSK rappresenta un equilibrio efficace tra semplicità, robustezza ed efficienza spettrale. Dalle prime telescriventi radio fino ai modi weak signal contemporanei, queste tecniche continuano a essere una delle colonne portanti delle comunicazioni radioamatoriali.

Non esiste una scelta assolutamente migliore: l’FSK diretto offre il segnale più pulito e compatto, ed è la soluzione preferita in contesti dove la qualità tecnica è prioritaria. L’AFSK è più flessibile e accessibile, e rappresenta la soluzione più diffusa nelle stazioni moderne basate su computer. Le varianti MFSK – con Olivia e Thor come esempi più rappresentativi in ambito amatoriale – ampliano ulteriormente le possibilità, ottimizzando il compromesso tra velocità, occupazione di banda e resistenza al rumore.

Soluzioni concettualmente semplici come la commutazione tra frequenze hanno dimostrato di potersi evolvere e restare rilevanti anche nell’era del DSP avanzato – e probabilmente continueranno a farlo.