kur A ir φ 0 yra konstantos, ω yra nešlio dažnis.
Informacija užkoduojama faze φ(t) . Kadangi koherentinės demoduliacijos metu imtuvas turi rekonstruotą nešiklį s C (t) = Acos(ωt +φ 0), tai lyginant signalą (2) su nešikliu, apskaičiuojamas srovės fazės poslinkis φ(t). Fazių pokytis φ(t) yra vienas su vienu susijęs su informaciniu signalu c(t).
Dvejetainės fazės moduliavimas (BPSK – BinaryPhaseShiftKeying)
Informacinių signalų reikšmių rinkinys (0,1) yra vienareikšmiškai priskiriamas fazių pokyčių rinkiniui (0, π). Pasikeitus informacinio signalo vertei, radijo signalo fazė pasikeičia 180º. Taigi BPSK signalas gali būti parašytas kaip
Vadinasi, s(t)=A⋅2(c(t)-1/2)cos(ωt + φ 0). Taigi, norint įgyvendinti BPSK moduliaciją, pakanka nešiklio signalą padauginti iš informacinio signalo, kuris turi daug reikšmių (-1,1). Pagrindinio dažnio moduliatoriaus išvestyje signalai
I(t)= A⋅2(c(t)-1/2), Q(t)=0
Signalo laiko forma ir jo konsteliacija parodyta 3 pav.
Ryžiai. 12. BPSK signalo laiko forma ir signalo konsteliacija: a – skaitmeninis pranešimas; b – moduliuojantis signalas; c – moduliuotas HF svyravimas; G– signalų žvaigždynas
Kvadratūrinis fazės moduliavimas (QPSK – QuadraturePhaseShiftKeying)
Kvadratūrinė fazės moduliacija yra keturių lygių fazės moduliacija (M=4), kurioje aukšto dažnio virpesių fazė gali turėti 4 skirtingas reikšmes π / 2 žingsniais.
Ryšys tarp moduliuoto svyravimo fazės poslinkio iš aibės (±π / 4,±3π / 4) ir skaitmeninių pranešimų simbolių rinkinio (00, 01, 10, 11) kiekvienu konkrečiu atveju nustatomas standartu radijo kanalą ir rodomas signalo konsteliacija, panašia į 4 pav. Rodyklės rodo galimus perėjimus iš vienos fazės būsenos į kitą.
Ryžiai. 13. QPSK moduliacijos konsteliacija
Iš paveikslo matyti, kad simbolių reikšmių ir signalo fazės atitikimas nustatomas taip, kad gretimuose signalo žvaigždyno taškuose atitinkamų simbolių reikšmės skiriasi tik vienu šiek tiek. Perduodant triukšmingomis sąlygomis, labiausiai tikėtina klaida bus nustatyti gretimo žvaigždyno taško fazę. Naudojant šį kodavimą, nors ir įvyko klaida nustatant simbolio reikšmę, tai atitiks vieno (ne dviejų) informacijos bitų klaidą. Taigi sumažinama bitų klaidos tikimybė. Šis kodavimo metodas vadinamas pilku kodu.
Kelių padėčių fazės moduliavimas (M-PSK)
M-PSK formuojamas, kaip ir kitos kelių padėčių moduliacijos, sugrupuojant k = log 2 M bitus į simbolius ir įvedant vieną su vienu atitikimą tarp simbolių reikšmių rinkinio ir moduliuotos bangos formos fazės poslinkio verčių rinkinio. Fazės poslinkio reikšmės nuo rinkinio skiriasi tuo pačiu dydžiu. Pavyzdžiui, 4 pav. parodyta 8-PSK su pilkos spalvos kodavimu signalų konsteliacija.
Ryžiai. 14. 8-PSK moduliacijos signalo konsteliacija
Amplitudinės fazės moduliacijos tipai (QAM)
Akivaizdu, kad perduodamai informacijai užkoduoti galima naudoti ne vieną nešiklio bangos parametrą, o du vienu metu.
Minimalus simbolių klaidų lygis bus pasiektas, jei atstumas tarp gretimų signalo konsteliacijos taškų bus vienodas, t.y. taškų pasiskirstymas žvaigždyne bus vienodas plokštumoje. Todėl signalo žvaigždynas turėtų turėti grotelių išvaizdą. Moduliacija su tokio tipo signalų konsteliacija vadinama kvadratine amplitudine moduliacija (QAM – Quadrature Amplitude Modulation).
QAM yra kelių padėčių moduliacija. Kai M=4 jis atitinka QPSK, todėl formaliai laikoma, kad QAM M ≥ 8 (kadangi bitų skaičius vienam simboliui k = log 2 M ,k∈N , tada M gali priimti tik 2 laipsnių reikšmes: 2, 4, 8, 16 ir kt.). Pavyzdžiui, 5 pav. parodyta 16-QAM signalo konsteliacija su pilkos spalvos kodavimu.
Ryžiai. 15. 16 –QAM moduliacijos konsteliacija
Dažnio moduliavimo tipai (FSK, MSK, M-FSK, GFSK, GMSK).
Esant dažnio moduliacijai, nešančiosios vibracijos – informacijos nešėjo – parametras yra nešiklio dažnis ω(t). Modifikuotas radijo signalas turi tokią formą:
| s(t)= Acos(ω(t)t +φ 0)= Acos(ω c t +ω d c(t)t +φ 0)= | ||
| Acos(ω c t +φ 0) cos(ω d c(t)t) − Asin(ω c t+φ 0)sin(ω d c(t)t), | ||
čia ω c – pastovus centrinis signalo dažnis, ω d – dažnio nuokrypis (pokytis), c(t) – informacinis signalas, φ 0 – pradinė fazė.
Jeigu informacinis signalas turi 2 galimas reikšmes, vyksta dvejetainis dažnio moduliavimas (FSK – FrequencyShiftKeying). Informacinis signalas (4) yra polinis, t.y. paima reikšmes (-1,1), kur -1 atitinka pradinio (nepoliarinio) informacinio signalo reikšmę 0, o 1 - vieną. Taigi, naudojant dvejetainį dažnio moduliavimą, pradinio informacinio signalo reikšmių rinkinys (0,1) yra susietas su moduliuoto radijo signalo dažnio verčių rinkiniu (ω c −ω d,ω c + ω d). FSK signalo tipas parodytas 1.11 pav.
Ryžiai. 16. FSK signalas: a – informacinis pranešimas; b- moduliuojantis signalas; c – HF virpesių moduliavimas
Iš (4) seka tiesioginis FSK moduliatoriaus įgyvendinimas: signalai I(t) ir Q(t) turi tokią formą: I (t) = Acos(ω d c(t)t), Q(t) = Asin( ω d c(t )t) . Kadangi funkcijos sin ir cos įgauna reikšmes intervale [-1..1], FSK signalo signalo konsteliacija yra apskritimas, kurio spindulys A.
Kvadratūrinis fazės moduliavimas QPSK (Quadrate Phase Shift Keying) yra keturių lygių fazės moduliacija (M = 4), kurioje RF virpesių fazė gali turėti keturias skirtingas reikšmes, kurių žingsnis lygus
π/2. Kiekvienas |
fazės vertė |
moduliuotas signalas |
|||
yra du informacijos bitai. Nes |
absoliutus |
||||
fazių vertės |
nesvarbu, renkamės |
||||
± π 4, ± 3 π 4. |
Susirašinėjimas |
vertybes |
|||
moduliuotas signalas ± π 4, ± 3 π 4 |
ir perduodama |
||||
Informacijos sekos dvibitai 00, 01, 10, 11 nustatomi pilku kodu (žr. 3.13 pav.) arba kitu algoritmu. Akivaizdu, kad moduliuojančio signalo reikšmės su QPSK moduliacija keičiasi perpus dažniau nei su BPSK moduliacija (esant tokiai pačiai informacijos perdavimo spartai).
Sudėtingas apvalkalas g(t) su QPSK moduliacija
yra pseudoatsitiktinis poliarinis bazinės juostos signalas, kurio kvadratūros komponentai pagal
(3.41), paimkite skaitines reikšmes ± 1 2 . Kuriame
Kiekvieno kompleksinio apvalkalo simbolio trukmė yra dvigubai ilgesnė nei simbolių originaliame skaitmeniniame moduliuojančiame signale. Kaip žinoma, daugiapakopio signalo galios spektrinis tankis sutampa su dvejetainio signalo galios spektriniu tankiu
M = 4 ir todėl T s = 2T b . Atitinkamai QPSK signalo galios spektrinis tankis (skirta
teigiami dažniai), remiantis (3.28) lygtimi, nustatoma pagal išraišką:
P(f) = K × ( |
nuodėmė 2 |
||||
p×(f - f |
)×2×T |
||||
Iš (3.51) lygties išplaukia, kad atstumas tarp pirmųjų nulių QPSK signalo galios spektriniame tankyje yra lygus D f = 1 T b, kuris yra du kartus mažesnis nei
BPSK moduliacijai. Kitaip tariant, kvadratinės QPSK moduliacijos spektrinis efektyvumas yra dvigubai didesnis nei dvejetainės fazės moduliacijos BPSK.
cos(ωc t ) |
||||||
Formuojantis |
||||||
w(t) |
Formuotojas |
|||||
kvadratūra |
Sudėtojas |
|||||
komponentas |
||||||
aš(t) |
sin(ωc t ) |
|||||
Formuojantis |
||||||
3.15 pav. Kvadratūrinio moduliatoriaus QPSK signalas
Kvadratūrinio QPSK moduliatoriaus funkcinė schema parodyta 3.15 pav. Kodo keitiklis priima skaitmeninį signalą greičiu R. Kodo keitiklis generuoja kvadratinius komplekso komponentus
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
voką pagal 3.2 lentelę du kartus mažesniu greičiu nei pradinis. Formavimo filtrai suteikia tam tikrą moduliuojančio (ir atitinkamai moduliuojamo) signalo dažnių juostą. Nešančio dažnio kvadratiniai komponentai į RF daugiklius tiekiami iš dažnio sintezatoriaus grandinės. Sumatoriaus išvestyje yra gaunamas QPSK moduliuotas signalas s (t) in
pagal (3.40).
3.2 lentelė
QPSK signalo generavimas
cos[θk ] |
|||||||||||||||
sin[θk] |
|||||||||||||||
komponentas |
|||||||||||||||
I komponentas |
|||||||||||||||
QPSK signalas, kaip ir BPSK signalas, savo spektre neturi nešlio dažnio ir gali būti priimtas tik naudojant koherentinį detektorių, kuris yra moduliatoriaus grandinės veidrodinis vaizdas ir
s(t) |
||||||
cos(ωc t ) |
||||||
atsigavimas |
||||||
skaitmeninis |
||||||
sin(ωc t ) |
||||||
aš(t)
3.16 pav. Kvadratūrinio demoduliatoriaus QPSK signalas
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
parodyta 3.16 pav.
3.3.4. Diferencinė dvejetainė fazė moduliacija DBPSK
Esminis nešlio dažnio nebuvimas moduliuoto signalo spektre kai kuriais atvejais sukelia nepagrįstą imtuvo demoduliatoriaus komplikaciją. QPSK ir BPSK signalus gali priimti tik koherentinis detektorius, kurio įgyvendinimui būtina arba kartu su signalu perduoti atskaitos dažnį, arba imtuve įdiegti specialią nešlio atkūrimo grandinę. Didelis detektoriaus grandinės supaprastinimas pasiekiamas, kai fazinė moduliacija įgyvendinama diferencine forma DBPSK (Diferencialinis dvejetainis fazės poslinkio raktas).
Diferencialinio kodavimo idėja yra perteikti ne absoliučią informacijos simbolio vertę, o jos pasikeitimą (arba nepasikeitimą), palyginti su ankstesne verte. Kitaip tariant, kiekviename paskesniame perduotame simbolie yra informacija apie ankstesnį simbolį. Taigi, norint išgauti pirminę informaciją demoduliacijos metu, kaip atskaitos signalą galima naudoti ne absoliučią, o santykinę moduliuojamo nešlio dažnio parametro reikšmę. Diferencinio dvejetainio kodavimo algoritmas aprašomas tokia formule:
dk = |
m k Å d k −1 |
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
čia ( m k ) yra pradinė dvejetainė seka; (dk)-
gautą dvejetainę seką; Å yra papildymo modulo 2 simbolis.
Diferencinio kodavimo pavyzdys pateiktas 3.3 lentelėje.
3.3 lentelė |
||||||||||
Dvejetainis diferencinis kodavimas |
||||||||||
skaitmeninis signalas |
||||||||||
(d k |
||||||||||
(d k |
||||||||||
Aparatinis diferencinis kodavimas įgyvendinamas signalo uždelsimo grandinės pavidalu laiko intervalui, lygiam vieno simbolio trukmei dvejetainėje informacijos sekoje ir modulo 2 papildymo grandinėje (3.17 pav.).
Loginė grandinė |
|||||
dk = |
|||||
m k Å d k −1 |
|||||
Vėlavimo linija
3.17 pav. Diferencialinis DBPSK signalo kodavimo įrenginys
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
DBPSK signalo diferencinis nekoherentinis detektorius tarpiniu dažniu parodytas 3.18 pav.
Detektorius uždelsia gautą impulsą vienu simbolio intervalu, o tada padaugina gautus ir uždelstus simbolius:
s k × s k −1 = d k sin(w c t )d k −1 × sin(w c t ) = 1 2 d k × d k −1 × .
Po filtravimo naudojant žemųjų dažnių filtrą arba suderintą
Akivaizdu, kad nei kompleksinio apvalkalo laiko forma, nei diferencinio DBPSK signalo spektrinė sudėtis nesiskirs nuo įprasto BPSK signalo.
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
3.3.5. Diferencialinis kvadratūros fazės moduliavimas π/4 DQPSK
π/4 DQPSK (diferencialinis kvadratinis fazės poslinkio raktas) moduliavimas yra diferencinio fazių moduliavimo forma, specialiai sukurta keturių lygių QPSK signalams. Šio tipo moduliacijos signalas gali būti demoduliuojamas nekoherentiniu detektoriumi, kaip būdinga DBPSK moduliacijos signalams.
Skirtumas tarp diferencinio kodavimo π/4 DQPSK moduliacijoje ir diferencinio kodavimo DBPSK moduliacijoje yra tas, kad santykinis pokytis perduodamas ne moduliuojančiame skaitmeniniame simbolyje, o moduliuojamame parametre, šiuo atveju fazėje. Modifikuoto signalo generavimo algoritmas paaiškintas 3.4 lentelėje.
3.4 lentelė
Signalų generavimo algoritmas π/4 DQPSK
Informacija |
|||||
ny dibit |
|||||
Prieaugis |
ϕ = π 4 |
ϕ = 3 π 4 |
ϕ = −3 π 4 |
ϕ = − π 4 |
|
fazės kampas |
|||||
Q komponentas |
Q = sin (θk ) = nuodėmė (θk − 1 + |
||||
I komponentas |
I = cos(θ k ) = cos(θ k − 1 + |
||||
Kiekvienas pradinės informacijos sekos dvibitas yra susietas su nešlio dažnio fazės prieaugiu. Fazės kampo prieaugis yra π/4 kartotinis. Todėl absoliutus fazės kampas θ k gali turėti aštuonias skirtingas vertes žingsniais
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
π/4, o kiekvienas kompleksinio gaubto kvadratūros komponentas yra viena iš penkių galimų reikšmių:
0, ±1 2, ±1. Perėjimą iš vienos nešlio dažnio fazės į kitą galima aprašyti naudojant būsenos diagramą 3.13 pav., kai M = 8, pakaitomis pasirenkant absoliučią nešlio dažnio fazės reikšmę iš keturių padėčių.
π/4 DQPSK moduliatoriaus blokinė schema parodyta 3.19 pav. Originalus dvejetainis skaitmeninis moduliavimo signalas patenka į kodo fazės keitiklį. Keitiklyje, uždelsus signalą vienu simbolio intervalu, nustatoma srovės dibito reikšmė ir atitinkamas nešlio dažnio fazės prieaugis φ k. Tai
fazės prieaugis tiekiamas į kompleksinio gaubto kvadratūros I Q dedamųjų skaičiuotuvus (3.3 lentelė). Išeiti
I Q skaičiuotuvas yra penkių lygių
skaitmeninis signalas su impulso trukme du kartus |
||||||||||
Q = cos(θk –1 + Δφ) |
Formavimo filtras |
|||||||||
cos(ωc t ) |
||||||||||
Δφk |
||||||||||
sav.(t) |
||||||||||
Konverteris |
||||||||||
Δφk |
||||||||||
sin(ωc t ) |
||||||||||
I = sin(θk –1 + Δφ) |
Formavimo filtras |
|||||||||
3.19 pav. π/4 DQPSK moduliatoriaus funkcinė schema |
||||||||||
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
viršijanti pradinio dvejetainio skaitmeninio signalo impulso trukmę. Toliau praeina kompleksinio apvalkalo kvadratūros komponentai I (t), Q (t).
formavimo filtras ir tiekiami į aukšto dažnio daugiklius, kad sudarytų aukšto dažnio signalo kvadratinius komponentus. Aukšto dažnio sumatoriaus išvestyje yra visiškai suformuota
π/4 DQPSK signalas.
Signalo demoduliatorius π/4 DQPSK (3.20 pav.) skirtas aptikti moduliuojančio signalo kvadratūrinius komponentus ir savo struktūra panaši į DBPSK signalo demoduliatoriaus struktūrą. Įvesties RF signalas r (t) = cos(ω c t + θ k) tarpiniu dažniu
rI(t)
r(t)
Vėlavimas τ = T s
w(t) sprendimo įtaisas
Fazių poslinkis Δφ = π/2
rQ(t)
3.20 pav. Demoduliatorius π/4 DQPSK signalas tarpiniu dažniu
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
eina į vėlinimo grandinės ir RF daugiklių įvestį. Signalas kiekvieno daugiklio išvestyje (pašalinus aukšto dažnio komponentus) yra tokia forma:
r I (t) = cos(w c t + q k) × cos(w c t + q k −1) = cos(Df k); |
||
r Q (t) = cos(w c t + q k) × sin(w c t + q k −1) = sin(Df k). |
||
Sprendimas analizuoja bazinės juostos signalus kiekvieno žemųjų dažnių filtro išvestyje. Nustatomas fazės kampo prieaugio ženklas ir dydis, taigi ir gauto dibito reikšmė. Aparatinis demoduliatoriaus įgyvendinimas tarpiniu dažniu (žr. 3.20 pav.) nėra lengvas uždavinys dėl aukštų reikalavimų aukšto dažnio vėlinimo grandinės tikslumui ir stabilumui. Dažnesnė π/4 DQPSK signalo demoduliatoriaus grandinės versija su tiesioginiu moduliuojamo signalo perdavimu į bazinės juostos diapazoną, kaip parodyta 3.21 pav.
r(t) |
r11(t) |
rQ(t) |
|||||||||
τ = T s |
|||||||||||
cos(ωc t + γ) |
r1(t) |
r12 (t) |
rI(t) |
||||||||
r21 (t) |
|||||||||||
sin(ωc t + γ) |
|
r2(t) |
|
r22 (t) |
|
τ = T s |
|
3.21 pav. Demoduliatoriaus π/4 QPSK signalas bazinės juostos diapazone
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
Tiesioginis moduliuoto signalo perdavimas į bazinės juostos diapazoną leidžia visiškai įgyvendinti
moduliuojamo virpesių spektro perkėlimas į bazinės juostos diapazoną. Atskaitos signalai, taip pat tiekiami į RF daugiklių įvestis, nėra faziškai užrakinti pagal moduliuoto virpesio nešlio dažnį. Dėl to bazinės juostos signalai žemųjų dažnių filtrų išvestyje turi savavališką fazės poslinkį, kuris laikomas pastoviu simbolio intervalo metu:
(t) = cos(w c t + q k) × cos(w c t + g) = cos(q k - g); |
|||
r 2 (t) = cos (w c t + q k) × sin (w c t + g) = sin (q k - g), |
|||
kur γ yra fazės poslinkis tarp priimtų ir atskaitos signalų.
Demoduliuoti bazinės juostos signalai tiekiami į dvi vėlinimo grandines ir keturis bazinės juostos daugiklius, kurių išėjimuose atsiranda šie signalai:
r 11 (t) = cos(q k - g) × cos(q k -1 - g); |
|
r 22 (t) = sin(q k - g) × sin(q k -1 - g); |
|
r 12 (t) = cos(q k - g) × sin(q k -1 - g); |
r 21 (t) = sin(q k - g) × cos(q k -1 - g).
Susumavus daugiklių išėjimo signalus, pašalinamas savavališkas fazės poslinkis γ, paliekant tik informaciją apie nešlio dažnio Δφ fazės kampo prieaugį:
Dj k);
r I (t) = r 12 (t) + r 21 (t) =
R 12 (t) = cos (q k - g) × sin (q k -1 - g) + r 21 (t) =
Sin(q k - g ) × cos(q k −1 - g ) = sin(q k - q k −1 ) = sin(Dj k ).
Vėlinimo grandinės įgyvendinimas bazinės juostos diapazone ir
vėlesnis skaitmeninis demoduliuoto signalo apdorojimas žymiai padidina grandinės stabilumą ir informacijos priėmimo patikimumą.
3.3.6. Kvadratūrinis fazės poslinkio moduliavimas
OQPS (Offset Quadrate Phase Shift Keying) yra ypatingas QPSK atvejis. QPSK signalo nešlio dažnio gaubė teoriškai yra pastovi. Tačiau kai moduliuojančio signalo dažnių juosta yra apribota, faziniu būdu moduliuoto signalo amplitudės pastovumo savybė prarandama. Perduodant signalus su BPSK arba QPSK moduliacija, fazės pokytis per simbolių intervalą gali būti π arba p 2 . Intuityviai
aišku, kad kuo didesnis momentinis šuolis nešlio fazėje, tuo didesnis lydimasis AM, kuris atsiranda, kai signalo spektras yra ribotas. Tiesą sakant, kuo didesnis momentinio signalo amplitudės pokyčio dydis, kai keičiasi jo fazė, tuo didesnis spektro harmonikų dydis, atitinkantis šį laiko šuolį. Kitaip tariant, kai signalo spektras yra ribotas
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
susidariusio vidinio AM dydis bus proporcingas nešlio dažnio momentinio fazės šuolio dydžiui.
QPSK signale galite apriboti maksimalų nešlio fazės šuolį, jei naudojate laiko poslinkį T b tarp Q ir I kanalų, t.y. įveskite elementą
T b reikšmės vėlavimai į kanalą Q arba I . Naudojimas
Laiko poslinkis lems tai, kad visas būtinas fazės pasikeitimas įvyks dviem etapais: pirmiausia pasikeičia (arba nesikeičia) vieno kanalo būsena, tada kito. 3.22 paveiksle parodyta moduliuojančių impulsų Q (t) ir I (t) seka
kvadratiniai kanalai įprastinei QPSK moduliacijai.
Q(t)
aš(t) |
||||||||||||||||
I(t – Tb) |
||||||||||||||||
2Ts |
||||||||||||||||
3.22 pav. Signalų moduliavimas I/Q kanaluose su QPSK
ir OQPSK moduliacija
Kiekvieno impulso trukmė T s = 2 T b . Nešiklio fazės pasikeitimas keičiant bet kurį simbolį I arba Q
PDF, sukurtas naudojant FinePrint pdfFactory Pro bandomąją versiją http://www.fineprint.com
5. MODULIAVIMO TIPŲ APŽVALGA
Nešlio harmoninio virpesio (vieno ar kelių jo parametrų) transformacija pagal perduodamos informacijos sekos kitimo dėsnį vadinama moduliacija. Perduodant skaitmeninius signalus analogine forma, jie veikia su manipuliavimo koncepcija.
Moduliavimo metodas vaidina svarbų vaidmenį siekiant didžiausios galimos informacijos perdavimo spartos esant tam tikrai klaidingo priėmimo tikimybei. Maksimalias perdavimo sistemos galimybes galima įvertinti naudojant gerai žinomą Šenono formulę, kuri nustato ištisinio kanalo su baltu Gauso triukšmu talpos C priklausomybę nuo naudojamos dažnių juostos F bei signalo ir triukšmo galių santykį Pc/ Psh.
kur PC yra vidutinė signalo galia;
PSh yra vidutinė triukšmo galia dažnių juostoje.
Juostos plotis apibrėžiamas kaip viršutinė faktinės informacijos perdavimo spartos V riba. Aukščiau pateikta išraiška leidžia mums rasti didžiausią perdavimo spartos vertę, kurią galima pasiekti Gauso kanale su nurodytomis reikšmėmis: dažnių diapazono, kuriame vyksta perdavimas (DF) ir signalo ir triukšmo santykis (PC/RSh).
Klaidingo bito priėmimo tikimybę konkrečioje perdavimo sistemoje lemia santykis PC/РШ. Iš Šenono formulės matyti, kad norint padidinti specifinę perdavimo spartą V/DF, reikia padidinti energijos sąnaudas (PC) vienam bitui. Specifinio perdavimo greičio priklausomybė nuo signalo ir triukšmo santykio parodyta fig. 5.1.
5.1 pav. Specifinio perdavimo greičio priklausomybė nuo signalo ir triukšmo santykio
Bet kurią perdavimo sistemą galima apibūdinti tašku, esančiu žemiau kreivės, parodytos paveikslėlyje (B sritis). Ši kreivė dažnai vadinama riba arba Šenono riba. Bet kuriame B zonos taške galima sukurti ryšio sistemą, kurios klaidingo priėmimo tikimybė gali būti tokia maža, kiek reikia.
Šiuolaikinės duomenų perdavimo sistemos reikalauja, kad neaptiktos klaidos tikimybė būtų ne didesnė kaip 10-4...10-7.
Šiuolaikinėse skaitmeninių ryšių technologijose labiausiai paplitusios yra dažnio moduliavimas (FSK), santykinis fazės moduliavimas (DPSK), kvadratinės fazės moduliavimas (QPSK), poslinkio fazės moduliavimas (offset), vadinamas O-QPSK arba SQPSK, kvadratinės amplitudės moduliavimas ( QAM).
Naudojant dažnio moduliaciją, informacijos sekos reikšmės „0“ ir „1“ atitinka tam tikrus analoginio signalo dažnius su pastovia amplitudė. Dažnio moduliavimas yra labai atsparus triukšmui, tačiau dažnio moduliavimas eikvoja ryšio kanalo pralaidumą. Todėl šis moduliavimo tipas naudojamas mažo greičio protokoluose, kurie leidžia palaikyti ryšį kanalais su mažu signalo ir triukšmo santykiu.
Naudojant santykinę fazės moduliaciją, priklausomai nuo informacinio elemento vertės, keičiasi tik signalo fazė, o amplitudė ir dažnis išlieka nepakitę. Be to, kiekvienas informacijos bitas yra susietas ne su absoliučia fazės verte, o su jos pokyčiu, palyginti su ankstesne verte.
Dažniau naudojamas keturių fazių DPSK arba dvigubas DPSK, pagrįstas keturių signalų perdavimu, kurių kiekvienas neša informaciją apie du pradinės dvejetainės sekos bitus (dibitą). Paprastai naudojami du fazių rinkiniai: priklausomai nuo dibito reikšmės (00, 01, 10 arba 11), signalo fazė gali pasikeisti į 0°, 90°, 180°, 270° arba 45°, 135°, 225 °, 315° atitinkamai. Tokiu atveju, jei užkoduotų bitų skaičius yra didesnis nei trys (8 fazių sukimosi padėtys), DPSK atsparumas triukšmui smarkiai sumažėja. Dėl šios priežasties DPSK nenaudojamas didelės spartos duomenų perdavimui.
4 padėčių arba kvadratinių fazių moduliavimo modemai naudojami sistemose, kuriose teorinis BPSK perdavimo įrenginių spektrinis efektyvumas (1 bit/(s·Hz)) yra nepakankamas turimam pralaidumui. Įvairūs demoduliavimo būdai, naudojami BPSK sistemose, taip pat naudojami QPSK sistemose. Be tiesioginio dvejetainių moduliavimo metodų išplėtimo į QPSK atveju, taip pat naudojamas 4 padėčių moduliavimas su poslinkiu (offset). Kai kurios QPSK ir BPSK rūšys pateiktos lentelėje. 5.1.
Taikant kvadratinės amplitudės moduliaciją, keičiasi tiek signalo fazė, tiek amplitudė, o tai leidžia padidinti užkoduotų bitų skaičių ir tuo pačiu žymiai pagerinti atsparumą triukšmui. Šiuo metu taikomi moduliavimo metodai, kuriuose vienu bodų intervalu užkoduotų informacijos bitų skaičius gali siekti 8...9, o signalo pozicijų skaičius signalo erdvėje – 256...512.
5.1 lentelė – QPSK ir BPSK tipai
| Dvejetainis PSK | Keturių pozicijų PSK | Trumpas aprašymas |
| BPSK | QPSK | Įprastas nuoseklus BPSK ir QPSK |
| DEBPSK | DEQPSK | Įprasti nuoseklūs BPSK ir QPSK su santykiniu kodavimu ir SVN |
| DBSK | DQPSK | QPSK su autokoreliacijos demoduliacija (be EHV) |
| FBPSK | BPSK arba QPSK Su patentuotu Feer procesoriumi, tinkančiu nelinijinėms stiprinimo sistemoms QPSK su poslinkiu (pokrypis) QPSK su pamainomis ir santykiniu kodavimu QPSK su Shift ir Feer patentuotais procesoriais QPSK su santykiniu kodavimu ir fazės poslinkiu p/4 |
Kvadratūrinis signalų atvaizdavimas yra patogi ir gana universali priemonė jiems apibūdinti. Kvadratūros vaizdavimas yra išreikšti vibraciją kaip tiesinį dviejų stačiakampių komponentų - sinuso ir kosinuso - derinį:
S(t)=x(t)sin(wt+(j))+y(t)cos(wt+(j)), (5.2)
čia x(t) ir y(t) yra dvipoliai diskretieji dydžiai.
Tokia diskretiška moduliacija (manipuliacija) atliekama dviem kanalais nešikliuose, paslinktuose 90° vienas kito atžvilgiu, t.y. esantis kvadratu (iš čia ir atvaizdavimo ir signalo generavimo metodo pavadinimas).
Kvadratūrinės grandinės veikimą (5.2 pav.) paaiškinsime naudodamiesi QPSK signalų generavimo pavyzdžiu.
5.2 pav. Kvadratūrinio moduliatoriaus grandinė
Pradinė T trukmės dvejetainių simbolių seka, naudojant poslinkio registrą, padalijama į nelyginius Y impulsus, kurie tiekiami kvadratiniam kanalui (coswt), ir lyginius X impulsus, tiekiamus į fazės kanalą (sinwt). Abi impulsų sekos patenka į atitinkamų manipuliuojančių impulsų formuotojų įėjimus, kurių išėjimuose susidaro dvipolių impulsų sekos x(t) ir y(t).
Manipuliuojamų impulsų amplitudė ir trukmė yra 2T. Impulsai x(t) ir y(t) patenka į kanalų daugiklių įėjimus, kurių išėjimuose susidaro dvifaziai faziškai moduliuoti virpesiai. Po sumavimo jie sudaro QPSK signalą.
Aukščiau pateikta išraiška signalui apibūdinti pasižymi daugiapakopių manipuliuojančių impulsų x(t), y(t) abipuse nepriklausomybe kanaluose, t.y. Vieno lygis viename kanale gali atitikti vieno arba nulio lygį kitame kanale. Dėl to kvadratūros grandinės išėjimo signalas kinta ne tik fazėje, bet ir amplitudėje. Kadangi amplitudės manipuliavimas atliekamas kiekviename kanale, toks moduliavimas vadinamas amplitudės kvadratūros moduliavimu.
Naudojant geometrinę interpretaciją, kiekvienas QAM signalas gali būti pavaizduotas kaip vektorius signalo erdvėje.
Pažymėdami tik vektorių galus, QAM signalams gauname vaizdą signalo taško pavidalu, kurio koordinates nustato reikšmės x(t) ir y(t). Signalinių taškų rinkinys sudaro vadinamąjį signalų žvaigždyną.
Fig. 5.3 parodyta moduliatoriaus blokinė schema, o pav. 5.4 – signalų konsteliacija tuo atveju, kai x(t) ir y(t) įgauna reikšmes ±1, ±3 (QAM-4).
5.4 pav. – QAM-4 signalo schema
Reikšmės ±1, ±3 nustato moduliacijos lygius ir yra santykinės. Žvaigždynas turi 16 signalo taškų, kurių kiekvienas atitinka keturis perduodamos informacijos bitus.
Lygių ±1, ±3, ±5 derinys gali sudaryti 36 signalo taškų žvaigždyną. Tačiau iš jų ITU-T protokolai naudoja tik 16 taškų, tolygiai paskirstytų signalo erdvėje.
Yra keletas būdų praktiškai įgyvendinti QAM-4, iš kurių labiausiai paplitęs yra vadinamasis superpozicijos moduliacijos (SPM) metodas. Šį metodą įgyvendinančioje schemoje naudojami du vienodi QPSK (5.5 pav.).
Naudodami tą pačią QAM gavimo metodiką, galite gauti QAM-32 praktinio įgyvendinimo diagramą (5.6 pav.).
5.5 pav. – QAM-16 moduliatoriaus grandinė
5.6 pav. – QAM-32 moduliatoriaus grandinė
QAM-64, QAM-128 ir QAM-256 gavimas vyksta tokiu pačiu būdu. Šių moduliacijų gavimo schemos nepateiktos dėl jų sudėtingumo.
Iš komunikacijos teorijos žinoma, kad esant vienodam taškų skaičiui signalo konsteliacijoje, QAM ir QPSK sistemų atsparumas triukšmui skiriasi. Esant dideliam signalo taškų skaičiui, QAM spektras yra identiškas QPSK signalų spektrui. Tačiau QAM signalai turi geresnį našumą nei QPSK sistemos. Pagrindinė to priežastis yra ta, kad atstumas tarp signalo taškų QPSK sistemoje yra mažesnis nei atstumas tarp signalo taškų QAM sistemoje.
Fig. 5.7 paveiksle pavaizduoti vienodo stiprumo QAM-16 ir QPSK-16 sistemų signalų konsteliacijos. Atstumas d tarp gretimų signalo konsteliacijos taškų QAM sistemoje su L moduliacijos lygiais nustatomas pagal išraišką:
(5.3)
Panašiai ir QPSK:
(5.4)
čia M yra fazių skaičius.
Iš aukščiau pateiktų posakių išplaukia, kad padidėjus M vertei ir tuo pačiu galios lygiui, QAM sistemos yra geresnės nei QPSK sistemos. Pavyzdžiui, kai M = 16 (L = 4), dQAM = 0,47 ir dQPSK = 0,396, o kai M = 32 (L = 6), dQAM = 0,28, dQPSK = 0,174.
Taigi galime pasakyti, kad QAM yra daug efektyvesnis, palyginti su QPSK, kuris leidžia naudoti daugiau kelių lygių moduliaciją su tuo pačiu signalo ir triukšmo santykiu. Todėl galime daryti išvadą, kad QAM charakteristikos bus arčiausiai Šenono ribos (5.8 pav.), kur: 1 – Šenono riba, 2 – QAM, 3 – M padėties ARC, 4 – M padėties PSK.
5.8 pav. Įvairių moduliacijų spektrinio efektyvumo priklausomybė nuo C/N
Paprastai tiesinio stiprinimo M padėties QAM sistemos, tokios kaip 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM, turi didesnį spektrinį efektyvumą nei tiesinis stiprinimas QPSK, kurio teorinė efektyvumo riba yra 2 bitai/(s∙Hz).
Viena iš QAM charakteristikų yra žemos išorinės galios reikšmės (5.9 pav.).
5.9 pav. – QAM-64 energijos spektras
Kelių padėčių QAM naudojimas gryna forma yra susijęs su nepakankamo atsparumo triukšmui problema. Todėl visuose šiuolaikiniuose didelės spartos protokoluose QAM naudojamas kartu su grotelių kodavimu (TCM). TCM signalo konsteliacijoje yra daugiau signalo taškų (signalo pozicijų), nei reikia moduliacijai be grotelių kodavimo. Pavyzdžiui, 16 bitų QAM konvertuoja į grotelių koduotą 32 QAM žvaigždyną. Papildomi konsteliacijos taškai užtikrina signalo dubliavimą ir gali būti naudojami klaidoms aptikti ir taisyti. Konvoliucinis kodavimas kartu su TCM sukuria priklausomybę tarp nuoseklių signalo taškų. Rezultatas buvo nauja moduliavimo technika, vadinama Trellis moduliacija. Tam tikru būdu pasirinkto specifinio QAM triukšmui atsparaus kodo derinys vadinamas signalo kodo struktūra (SCC). SCM leidžia padidinti informacijos perdavimo atsparumą triukšmui ir sumažinti signalo ir triukšmo santykio reikalavimus kanale 3–6 dB. Demoduliavimo proceso metu gautas signalas dekoduojamas naudojant Viterbi algoritmą. Būtent šis algoritmas, naudojant įvestą dubliavimą ir žinią apie priėmimo proceso istoriją, leidžia, naudojant didžiausios tikimybės kriterijų, pasirinkti patikimiausią atskaitos tašką iš signalo erdvės.
QAM-256 naudojimas leidžia perduoti 8 signalo būsenas, tai yra 8 bitus, 1 bodu. Tai leidžia žymiai padidinti duomenų perdavimo greitį. Taigi, kai perdavimo diapazono plotis yra Df = 45 kHz (kaip mūsų atveju), 1 bodas, tai yra 8 bitai, gali būti perduodamas per 1/Df laiko intervalą. Tada didžiausias perdavimo greitis šiame dažnių diapazone bus
Kadangi šioje sistemoje perdavimas vykdomas dviem vienodo pločio dažnių diapazonais, maksimalus šios sistemos perdavimo greitis bus 720 kbit/s.
Kadangi perduodamame bitų sraute yra ne tik informacijos bitai, bet ir paslaugų bitai, informacijos greitis priklausys nuo perduodamų kadrų struktūros. Šioje duomenų perdavimo sistemoje naudojami kadrai yra suformuoti Ethernet ir V.42 protokolų pagrindu ir turi maksimalų K=1518 bitų ilgį, iš kurių KS=64 yra paslaugų bitai. Tada informacijos perdavimo greitis priklausys nuo informacijos bitų ir paslaugų bitų santykio
Šis greitis viršija techninėse specifikacijose nurodytą greitį. Todėl galime daryti išvadą, kad pasirinktas moduliavimo būdas atitinka techninėse specifikacijose keliamus reikalavimus.
Kadangi šioje sistemoje perdavimas vienu metu vykdomas dviem dažnių diapazonais, reikia organizuoti du lygiagrečiai veikiančius moduliatorius. Tačiau reikia atsižvelgti į tai, kad sistema gali persijungti iš pagrindinių dažnių diapazonų į atsarginius. Todėl būtina generuoti ir valdyti visus keturis nešlio dažnius. Dažnio sintezatorius, skirtas generuoti nešlio dažnius, susideda iš atskaitos signalo generatoriaus, skirstytuvų ir aukštos kokybės filtrų. Kvarcinis kvadratinis impulsų generatorius veikia kaip atskaitos signalo generatorius (5.10 pav.).
5.10 pav. Generatorius su kvarciniu stabilizavimu
Siekiant įvertinti informacijos saugumo būklę; - susirinkimo dalyvių patekimo į patalpas valdymas; - įėjimo į paskirtą patalpą ir supančios aplinkos stebėjimo organizavimas susirinkimo metu. 2. Pagrindinės priemonės, užtikrinančios akustinės informacijos apsaugą susirinkimo metu yra: - įvairių triukšmo generatorių įrengimas, patalpos stebėjimas...
Ar naudojate kompiuterinio spausdinimo technologijas? 10. Apibūdinti nusikalstamas veikas, numatytas Rusijos Federacijos baudžiamojo kodekso 28 skyriuje „Nusikaltimai kompiuterinės informacijos srityje“. 2 SKYRIUS. KOVA SU NUSIKALTIMAI KOMPIUTERINĖS INFORMACIJOS SRITYJE 5 SKYRIUS. NUSIKALTIMŲ KONTROLĖ AUKŠTOSIŲJŲ TECHNOLOGIJŲ SRITYJE 5.1 Kompiuterinių nusikaltimų kontrolė Rusijoje Kontrolės priemonės...
LickSec > Radijo ryšys
Keturių padėčių fazės poslinkio raktas (QPSK)
Iš komunikacijos teorijos žinoma, kad dvejetainis fazės moduliavimas BPSK turi didžiausią atsparumą triukšmui. Tačiau kai kuriais atvejais sumažinus ryšio kanalo atsparumą triukšmui, galima padidinti jo pralaidumą. Be to, taikant triukšmui atsparų kodavimą, galima tiksliau suplanuoti mobiliojo ryšio sistemos aprėpiamą plotą.
Keturių padėčių fazės moduliacija naudoja keturias nešiklio fazių reikšmes. Šiuo atveju (25) išraiška aprašyto signalo fazė y(t) turi turėti keturias reikšmes: 0°, 90°, 180° ir 270°. Tačiau dažniau naudojamos kitos fazių reikšmės: 45°, 135°, 225° ir 315°. Šio tipo kvadratinės fazės moduliacijos vaizdavimas parodytas 1 paveiksle.
Tas pats paveikslas rodo bitų reikšmes, kurias perduoda kiekviena nešiklio fazės būsena. Kiekviena būsena vienu metu perduoda du naudingos informacijos bitus. Šiuo atveju bitų turinys parenkamas taip, kad perėjimas į gretimą nešlio fazės būseną dėl priėmimo klaidos lemtų ne daugiau kaip vieną bito klaidą.
Paprastai QPSK moduliacijos signalui generuoti naudojamas kvadratūros moduliatorius. Norėdami įdiegti kvadratūros moduliatorių, jums reikės dviejų daugiklių ir sumatoriaus. Daugiklio įvestys gali būti tiekiamos su įvesties bitų srautais tiesiogiai NRZ kodu. Tokio moduliatoriaus blokinė schema parodyta 2 pav.
Kadangi naudojant šį moduliacijos tipą per vieną simbolių intervalą vienu metu perduodami du įvesties bitų srauto bitai, šio tipo moduliacijos simbolių sparta yra 2 bitai vienam simboliui. Tai reiškia, kad įdiegiant moduliatorių įvesties srautas turėtų būti padalintas į du komponentus – fazės komponentą I ir kvadratinį komponentą Q. Vėlesni blokai turi būti sinchronizuojami simbolių greičiu.
Taikant šį įgyvendinimą, moduliatoriaus išėjimo signalo spektras yra neribotas, o jo apytikslė forma parodyta 3 pav.
3 pav. QPSK signalo, moduliuoto NRZ signalu, spektras.
Natūralu, kad šio signalo spektras gali būti apribotas naudojant moduliatoriaus išvestyje esantį pralaidumo filtrą, tačiau tai niekada nedaroma. „Nyquist“ filtras yra daug efektyvesnis. QPSK signalo kvadratūros moduliatoriaus blokinė schema, sukurta naudojant Nyquist filtrą, parodyta 4 paveiksle.
4 pav. QPSK moduliatoriaus, naudojant Nyquist filtrą, blokinė schema
„Nyquist“ filtras gali būti įdiegtas tik naudojant skaitmenines technologijas, todėl 17 paveiksle pavaizduotoje grandinėje prieš kvadratinį moduliatorių yra numatytas skaitmeninis-analoginis keitiklis (DAC). Nyquist filtro veikimo ypatumas yra tas, kad intervaluose tarp atskaitos taškų jo įėjime neturėtų būti signalo, todėl jo įėjime yra impulsų formuotojas, kuris išveda signalą į savo išvestį tik atskaitos taškų momentu. Likusį laiką jo išvestyje yra nulinis signalas.
Nyquist filtro išvestyje perduodamo skaitmeninio signalo formos pavyzdys parodytas 5 pav.
5 pav. Q signalo laiko diagramos pavyzdys keturių padėčių QPSK faziniam moduliavimui
Kadangi siųstame įrenginyje naudojamas Nyquist filtras radijo signalo spektrui susiaurinti, nėra tarpsimbolinių iškraipymų signale tik signalo taškuose. Tai aiškiai matyti iš Q signalo akies diagramos, parodytos 6 paveiksle.
Be to, kad susiaurinamas signalo spektras, Nyquist filtro naudojimas lemia generuojamo signalo amplitudės pasikeitimą. Intervaluose tarp signalo atskaitos taškų amplitudė gali padidėti vardinės vertės atžvilgiu arba sumažėti iki beveik nulio.
Norint sekti tiek QPSK signalo amplitudės, tiek jo fazės pokyčius, geriau naudoti vektorinę diagramą. To paties signalo fazinė diagrama, parodyta 5 ir 6 paveiksluose, parodyta 7 paveiksle.
7 pav. QPSK signalo vektorinė diagrama, kai a = 0,6
QPSK signalo amplitudės pokytis matomas ir QPSK signalo oscilogramoje prie moduliatoriaus išėjimo. Būdingiausia signalo laiko diagramos dalis, parodyta 6 ir 7 paveiksluose, parodyta 8 paveiksle. Šiame paveikslėlyje aiškiai matomi tiek moduliuoto signalo nešiklio amplitudės kritimai, tiek jo vertės padidėjimas, palyginti su vardiniu lygiu.
8 pav. QPSK signalo, kurio a = 0,6, laiko schema
5...8 paveiksluose esantys signalai parodyti Nyquist filtro, kurio apvalinimo koeficientas a = 0,6, atveju. Naudojant Nyquist filtrą su mažesne šio koeficiento reikšme, Nyquist filtro impulsinės reakcijos šoninių skilčių įtaka turės stipresnį poveikį ir keturi signalo keliai, aiškiai matomi 6 ir 7 paveiksluose, susijungs į vieną ištisinę zoną. . Be to, signalo amplitudės šuoliai padidės, palyginti su vardine verte.
9 pav. – QPSK signalo spektrograma su a = 0,6
Signalo amplitudės moduliacijos buvimas lemia tai, kad ryšių sistemose, naudojančiose tokio tipo moduliavimą, būtina naudoti labai tiesinį galios stiprintuvą. Deja, tokie galios stiprintuvai turi mažą efektyvumą.
Dažnio moduliavimas su minimaliu dažnių tarpu MSK leidžia sumažinti pralaidumą, kurį užima skaitmeninis radijo signalas eteryje. Tačiau net ir tokio tipo moduliacija netenkina visų šiuolaikinėms mobiliojo ryšio sistemoms keliamų reikalavimų. Paprastai MSK signalas radijo siųstuve filtruojamas įprastiniu filtru. Štai kodėl atsirado dar vienas moduliacijos tipas su dar siauresniu radijo dažnių spektru eteryje.
Perspektyvūs moduliavimo metodai plačiajuosčio duomenų perdavimo sistemose
Šiandien komunikacijos specialistų nebestebins paslaptinga frazė Spread Spectrum. Plačiajuosčio ryšio (o tai ir slepiasi už šių žodžių) duomenų perdavimo sistemos viena nuo kitos skiriasi duomenų perdavimo būdu ir greičiu, moduliacijos tipu, perdavimo diapazonu, paslaugų galimybėmis ir kt. Šiame straipsnyje bandoma klasifikuoti plačiajuosčio ryšio sistemas pagal juose naudojama moduliacija.
Pagrindinės nuostatos
Plačiajuosčio ryšio duomenų perdavimo sistemoms (BDSTS) galioja vieningas IEEE 802.11 standartas pagal protokolus, o radijo dažnių dalyje – vienodos FCC (JAV Federalinės ryšių komisijos) taisyklės. Tačiau jie skiriasi vienas nuo kito duomenų perdavimo būdu ir greičiu, moduliacijos tipu, perdavimo diapazonu, aptarnavimo galimybėmis ir pan.
Visos šios charakteristikos yra svarbios renkantis plačiajuosčio ryšio priedą (potencialaus pirkėjo) ir elementų bazę (ryšio sistemų kūrėjo, gamintojo). Šioje apžvalgoje plačiajuosčio ryšio tinklus bandoma klasifikuoti remiantis mažiausiai techninėje literatūroje aprašyta charakteristika – jų moduliacija.
Naudojant įvairių tipų papildomas moduliacijas, naudojamas kartu su faziniu (BPSK) ir kvadratinės fazės moduliavimu (QPSK), siekiant padidinti informacijos greitį perduodant plačiajuosčius signalus 2,4 GHz diapazone, galima pasiekti iki 11 Mbit/s informacijos perdavimo spartą. atsižvelgiant į apribojimus, kuriuos FCC nustatė darbui šiame diapazone. Kadangi tikimasi, kad plačiajuosčio ryšio signalai bus perduodami negavus spektro licencijos, signalų charakteristikos ribojamos siekiant sumažinti abipusius trukdžius.
Šie moduliavimo tipai yra įvairios M formos ortogoninės moduliacijos (MOK), impulsinės fazės moduliacijos (PPM), kvadratinės amplitudės moduliacijos (QAM) formos. Plačiajuostis ryšys taip pat apima signalus, gaunamus vienu metu veikiant keliais lygiagrečiais kanalais, atskirtais dažniu (FDMA) ir (arba) laiku (TDMA). Atsižvelgiant į konkrečias sąlygas, pasirenkamas vienoks ar kitoks moduliacijos tipas.
Moduliacijos tipo pasirinkimas
Pagrindinė bet kurios komunikacijos sistemos užduotis – ekonomiškiausiu būdu perduoti informaciją iš pranešimo šaltinio vartotojui. Todėl pasirenkamas moduliavimo tipas, kuris sumažina trukdžių ir iškraipymo poveikį, taip pasiekiant maksimalų informacijos greitį ir minimalų klaidų dažnį. Nagrinėjami moduliavimo tipai buvo parinkti pagal kelis kriterijus: atsparumas daugialypiam sklidimui; trukdžių; galimų kanalų skaičius; galios stiprintuvo tiesiškumo reikalavimai; pasiekiamas perdavimo diapazonas ir įgyvendinimo sudėtingumas.
DSSS moduliacija
Dauguma šioje apžvalgoje pateiktų moduliavimo tipų yra pagrįsti tiesioginės sekos plačiajuosčiais signalais (DSSS), klasikiniais plačiajuosčiais signalais. Sistemose su DSSS signalo spektro išplėtimas kelis kartus leidžia tuo pačiu dydžiu sumažinti signalo spektrinės galios tankį. Spektro išskleidimas paprastai pasiekiamas santykinai siaurajuostį duomenų signalą padauginus iš plačiajuosčio sklaidos signalo. Skleidžiantis signalas arba sklaidos kodas dažnai vadinamas į triukšmą panašiu kodu arba PN (pseudonoise) kodu. Aprašyto spektro išplėtimo principas parodytas fig. 1.
Bitų periodas – informacijos bito periodas
Chip period – žetonų sekimo laikotarpis
Duomenų signalas – duomenys
PN kodas – į triukšmą panašus kodas
Koduotas signalas – plačiajuostis signalas
DSSS/MOK moduliacija
Plačiajuosčiai tiesioginės sekos signalai su M-arine ortogonaliąja moduliacija (arba trumpiau MOK moduliacija) buvo žinomi ilgą laiką, tačiau juos gana sunku įdiegti analoginiuose komponentuose. Naudojant skaitmenines mikroschemas, šiandien galima panaudoti unikalias šios moduliacijos savybes.
MOK variantas yra M-arinis biortogoninis moduliavimas (MBOK). Informacijos greičio padidėjimas pasiekiamas vienu metu naudojant kelis stačiakampius PN kodus, išlaikant tą patį lusto pasikartojimo dažnį ir spektro formą. MBOK moduliacija efektyviai naudoja spektro energiją, tai yra, turi gana aukštą perdavimo greičio ir signalo energijos santykį. Jis yra atsparus trukdžiams ir kelių krypčių sklidimui.
Iš to, kas parodyta fig. 2 MBOK moduliavimo schemą kartu su QPSK matyti, kad PN kodas yra parenkamas iš M ortogoninių vektorių pagal valdymo duomenų baitą. Kadangi I ir Q kanalai yra stačiakampiai, juos galima MBOK įjungti vienu metu. Biortogonalinėje moduliacijoje taip pat naudojami invertuoti vektoriai, kurie leidžia padidinti informacijos greitį. Plačiausiai naudojamas tikrai stačiakampių Walsh vektorių rinkinys, kurio vektoriaus matmuo dalijasi iš 2. Taigi, naudojant Walsh vektorių sistemą, kurios vektoriaus matmuo yra 8, ir QPSK kaip PN kodus, kurių pasikartojimo dažnis yra 11 megalustų per sekundę, visiškai laikantis su IEEE 802.11 standartu galima perduoti 8 bitus vienam kanalo simboliui, todėl kanalo greitis siekia 1,375 megasymbolių per sekundę, o informacijos greitis – 11 Mbit/s.
Moduliacija leidžia gana paprastai organizuoti bendrą darbą su plačiajuosčio ryšio sistemomis, veikiančiomis standartiniu lusto greičiu ir naudojant tik QPSK. Šiuo atveju kadro antraštė perduodama 8 kartus mažesniu greičiu (kiekvienu konkrečiu atveju), o tai leidžia lėtesnei sistemai teisingai suvokti šią antraštę. Tada duomenų perdavimo greitis didėja.
1. Įvesti duomenis
2. Scrambleris
3. Multiplekseris 1:8
4. Pasirinkite vieną iš 8 Walsh funkcijų
5. Pasirinkite vieną iš 8 Walsh funkcijų
6. I kanalo išvestis
7. Q kanalo išvestis
Teoriškai MBOK klaidų lygis (BER) yra šiek tiek mažesnis, palyginti su BPSK, naudojant tą patį Eb/N0 santykį (dėl savo kodavimo savybių), todėl tai yra labiausiai energiją taupanti moduliacija. BPSK kiekvienas bitas apdorojamas nepriklausomai nuo kito, MBOK simbolis atpažįstamas. Jei jis atpažįstamas neteisingai, tai nereiškia, kad visi šio simbolio bitai buvo gauti neteisingai. Taigi tikimybė gauti klaidingą simbolį nėra lygi tikimybei gauti klaidingą bitą.
MBOK moduliuotų signalų spektras atitinka nustatytą IEEE 802.11 standarte. Šiuo metu Aironet Wireless Communications, Inc. siūlo belaidžius tiltus Ethernet ir Token Ring tinklams naudojant DSSS/MBOK technologiją ir perduodant informaciją oru iki 4 Mbit/s greičiu.
Daugiatakis atsparumas priklauso nuo Eb/N0 santykio ir signalo fazės iškraipymo. Harris Semiconductor inžinierių atliktas skaitinis plačiajuosčio ryšio MBOK signalų perdavimo modeliavimas pastatuose patvirtino, kad tokie signalai yra gana atsparūs šiems trukdantiems veiksniams1. Žr.: Andren C. 11 MBps moduliavimo metodai // Harris Semiconductor Newsletter. 05/05/98.
Fig. 3 paveiksle pavaizduoti klaidingų duomenų kadrų (PER) gavimo tikimybės grafikai kaip atstumo funkcija, kai spinduliuojamo signalo galia yra 15 dB/MW (5,5 Mbit/s – 20 dB/MW), gauta kaip skaitinis rezultatas. modeliavimas, skirtas įvairiems informacijos perdavimo spartams.
Modeliavimas rodo, kad padidėjus Es/N0, reikalingo patikimam simbolių atpažinimui, PER žymiai padidėja stipraus signalo atspindžio sąlygomis. Norėdami tai pašalinti, galima naudoti suderintą kelių antenų priėmimą. Fig. 4 paveiksle parodyti šio atvejo rezultatai. Kad priėmimas būtų optimalus, PER bus lygus nekoordinuoto priėmimo PER kvadratui. Svarstant Fig. 3 ir 4, būtina atsiminti, kad esant PER=15%, faktinis informacijos greičio praradimas bus 30% dėl poreikio pakartotinai perduoti nepavykusius paketus.
Būtina sąlyga norint naudoti QPSK kartu su MBOK yra nuoseklus signalo apdorojimas. Praktiškai tai pasiekiama gavus kadro preambulę ir antraštę naudojant BPSK, kad būtų sukurta fazinė grįžtamojo ryšio kilpa. Tačiau visa tai, taip pat serijinių koreliatorių naudojimas koherentiniam signalo apdorojimui, padidina demoduliatoriaus sudėtingumą.
CCSK moduliacija
Plačiajuostės M-arinės ortogoninės ciklinės kodų sekos (CCSK) signalus lengviau demoduliuoti nei MBOK, nes naudojamas tik vienas PN kodas. Šio tipo moduliacija atsiranda dėl laiko poslinkio simbolio koreliacijos smailėje. Naudojant 11 ilgio Barkerio kodą ir 1 megasimbolio per sekundę greitį, piką galima perkelti į vieną iš aštuonių pozicijų. Likusios 3 pozicijos neleidžia jų panaudoti informacijos greičio didinimui. Tokiu būdu vienam simboliui gali būti perduodami trys informacijos bitai. Pridėjus BPSK, vienam simboliui galima perduoti dar vieną informacijos bitą, tai yra iš viso 4. Dėl to naudojant QPSK gauname 8 informacijos bitus vienam kanalo simboliui.
Pagrindinė PPM ir CCSK problema yra jautrumas kelių krypčių sklidimui, kai vėlavimas tarp signalo atspindžių viršija PN kodo trukmę. Todėl tokio tipo moduliacijas sunku naudoti patalpose su tokiais atspindžiais. CCSK yra gana lengva demoduliuoti ir reikalauja tik šiek tiek sudėtingesnio tradicinės moduliatoriaus / demoduliatoriaus grandinės. CCSK schema yra panaši į MBOK moduliavimo schemą kartu su QPSK (žr. 2 pav.), tik vietoj bloko, skirto pasirinkti vieną iš 8 Walsh funkcijų, yra žodžio poslinkio blokas.
DSSS/PPM moduliacija
Plačiajuosčiai tiesioginės sekos impulsų fazės moduliuoti (DSSS/PPM) signalai yra signalo tipas, kuris yra tolesnis tiesioginės sekos plitimo spektro signalų tobulinimas.
Įprastų plačiajuosčių signalų impulsų fazės moduliavimo idėja yra ta, kad informacijos greičio padidėjimas gaunamas keičiant laiko intervalą tarp nuoseklių simbolių koreliacijos smailių. Moduliaciją išrado Rajeev Krishnamoorthy ir Israel Bar-David iš Bell Labs Nyderlanduose.
Dabartinės moduliacijos įgyvendinimas leidžia nustatyti aštuonias koreliacijos impulsų laiko pozicijas simbolių intervale (PN sekos intervale). Jei ši technologija DQPSK I ir Q kanaluose taikoma nepriklausomai, gaunamos 64 (8x8) skirtingos informacijos būsenos. Sujungus fazės moduliaciją su DQPSK moduliacija, kuri suteikia dvi skirtingas būsenas I kanale ir dvi skirtingas būsenas Q kanale, gaunamos 256 (64x2x2) būsenos, kas atitinka 8 informacijos bitus vienam simboliui.
DSSS/QAM moduliacija
Tiesioginės sekos kvadratinės amplitudės moduliacijos (DSSS/QAM) plačiajuosčiai signalai gali būti laikomi klasikiniais plačiajuosčiais DQPSK moduliuotais signalais, kuriuose informacija taip pat perduodama pasikeitus amplitudei. Taikant dviejų lygių amplitudės moduliaciją ir DQPSK, I kanale gaunamos 4 skirtingos būsenos, o Q kanale – 4 skirtingos būsenos. Modifikuotam signalui taip pat gali būti taikoma impulsų fazės moduliacija, kuri padidins informacijos greitį.
Vienas iš DSSS/QAM apribojimų yra tas, kad signalai su tokia moduliacija yra gana jautrūs kelių kelių sklidimui. Be to, naudojant ir fazės, ir amplitudės moduliavimą, Eb/N0 santykis padidinamas, kad būtų gauta tokia pati BER reikšmė kaip ir MBOK.
Norėdami sumažinti jautrumą iškraipymams, galite naudoti ekvalaizerį. Tačiau jo naudojimas yra nepageidautinas dėl dviejų priežasčių.
Pirma, būtina padidinti simbolių seką, koreguojančią ekvalaizerį, o tai savo ruožtu padidina preambulės ilgį. Antra, pridėjus ekvalaizerį, padidės visos sistemos kaina.
Papildomą kvadratūrinį moduliavimą taip pat galima naudoti sistemose su dažnio šuoliu. Taigi „WaveAccess“ išleido „Jaguar“ prekės ženklo modemą, kuriame naudojama dažnio šuolio technologija, QPSK moduliacija kartu su 16QAM. Priešingai nei šiuo atveju visuotinai priimta FSK dažnio moduliacija, tai leidžia pasiekti realų 2,2 Mbit/s duomenų perdavimo greitį. „WaveAccess“ inžinieriai mano, kad DSSS technologijos naudojimas didesniu greičiu (iki 10 Mbit/s) yra nepraktiškas dėl trumpo perdavimo diapazono (ne daugiau kaip 100 m).
OCDM moduliacija
Plačiajuosčiai signalai, gaunami multipleksuojant kelis ortogoninio kodo padalijimo multiplekso (OCDM) signalus, vienu metu naudoja kelis plačiajuosčius kanalus tuo pačiu dažniu.
Kanalai atskiriami naudojant ortogonalinius PN kodus. „Sharp“ paskelbė apie 10 megabitų modemą, sukurtą naudojant šią technologiją. Tiesą sakant, vienu metu perduodama 16 kanalų su 16 lustų ortogonaliais kodais. BPSK taikomas kiekviename kanale, tada kanalai sumuojami naudojant analoginį metodą.
Data Mux – įvesties duomenų multiplekseris
BPSK – bloko fazės moduliacija
Spread – tiesioginės sekos plitimo spektro blokas
Suma – išvesties sumatorius
OFDM moduliacija
Plačiajuosčiai signalai, gaunami sutankinus kelis plačiajuosčio ryšio signalus su ortogoniniu dažnio padalijimo tankintuvu (OFDM), reiškia vienu metu faziškai moduliuotų signalų perdavimą skirtingais nešlio dažniais. Moduliavimas aprašytas MIL-STD 188C. Vienas iš jo pranašumų yra didelis atsparumas spektro spragoms, atsirandančioms dėl daugiatakio slopinimo. Siaurajuosčio ryšio slopinimas gali neįtraukti vieno ar kelių nešėjų. Patikimas ryšys užtikrinamas paskirstant simbolio energiją keliais dažniais.
Tai 2,5 karto viršija analogiškos QPSK sistemos spektrinį efektyvumą. Yra paruoštų mikroschemų, kurios įgyvendina OFDM moduliaciją. Visų pirma, „Motorola“ gamina MC92308 OFDM demoduliatorių ir MC92309 „priekinę“ OFDM lustą. Tipinio OFDM moduliatoriaus schema parodyta fig. 6.
Data mux – įvesties duomenų multiplekseris
Kanalas – dažnio kanalas
BPSK – bloko fazės moduliacija
Suma – dažnio kanalo sumatorius
Išvada
Palyginimo lentelėje pateikiami kiekvieno moduliavimo tipo įvertinimai pagal įvairius kriterijus ir galutinis įvertinimas. Mažesnis balas atitinka geresnį rezultatą. Kvadratūrinė amplitudės moduliacija naudojama tik palyginimui.
Peržiūros metu buvo atmesti įvairūs moduliacijų tipai, kurių įvairių rodiklių vertinimo vertės buvo nepriimtinos. Pavyzdžiui, plačiajuosčiai signalai su 16 padėčių fazės moduliacija (PSK) – dėl prasto atsparumo trukdžiams, labai plačiajuosčiai signalai – dėl dažnių diapazono ilgio apribojimų ir poreikio turėti bent tris kanalus bendram veikimui. netoliese esantys radijo tinklai.
Tarp nagrinėjamų plačiajuosčio ryšio moduliavimo tipų įdomiausias yra M-arinis biortogoninis moduliavimas - MBOK.
Baigdamas norėčiau atkreipti dėmesį į moduliaciją, kuri nebuvo įtraukta į Harriso Semiconductor inžinierių atliktų eksperimentų seriją. Kalbame apie filtruotą QPSK moduliaciją (Filtered Quadrature Phase Shift Keying – FQPSK). Šią moduliaciją sukūrė profesorius Kamilo Feher iš Kalifornijos universiteto ir užpatentavo kartu su Didcom, Inc.
Norint gauti FQPSK, siųstuve naudojamas netiesinis signalo spektro filtravimas ir vėlesnis jo atkūrimas imtuve. Dėl to FQPSK spektras užima maždaug pusę ploto, palyginti su QPSK spektru, o visi kiti parametrai yra vienodi. Be to, FQPSK PER (paketo klaidų dažnis) yra 10-2-10-4 geresnis nei GMSK. GSMK yra Gauso dažnio moduliacija, ypač naudojama GSM skaitmeninio korinio ryšio standarte. Naująją moduliaciją pakankamai įvertino ir savo gaminiuose naudoja tokios kompanijos kaip EIP Microwave, Lockheed Martin, L-3 Communications, taip pat NASA.
Neįmanoma vienareikšmiškai pasakyti, kokia moduliacija bus naudojama plačiajuosčio ryšio srityje XXI amžiuje. Kiekvienais metais informacijos kiekis pasaulyje auga, todėl vis daugiau informacijos bus perduodama komunikacijos kanalais. Kadangi dažnių spektras yra unikalus gamtos išteklius, reikalavimai perdavimo sistemos naudojamam spektrui nuolat didės. Todėl efektyviausio moduliavimo metodo pasirinkimas plėtojant plačiajuostį ryšį ir toliau yra vienas iš svarbiausių klausimų.