Непрерывные методы модуляции.

Методы преобразования сигналов.

Электрические сигналы, подлежащие передаче в системах те­лемеханики, в большинстве случаев лежат в низкочастотной части спектра (в диапазоне от нуля до нескольких десятков герц). Непосредственная передача этих сигналов между ПУ и КП иногда используется в так называемых системах интенсивности ,но дальность действия подобных систем ограничена и редко превышает несколько десятков метров, так как низкочастотные сигналы наиболее сильно подвержены воздействию помех при передаче их на большие расстояния. Так как полоса пропускания воздушных линий связи обычно начинается от 0,5 кГц, для согласования низкочастотного сигнала с высокочастотной линией связи производят перенос спектра передаваемого сигнала в высокочастотную область.

Для этого низкочастотный сигнал приводят в однозначное соответствие с одним из параметров высокочастотного колебания, называемого несущим. Такое преобразование спектра называют модуляцией ,а устройство, осуществляющее модуляцию, - модулятором .Существуют непрерывные, импульсные и цифровые методы модуляции.

Непрерывные методы модуляции.

В непрерывных методах модуляции в качестве несущего используют непрерывное гармоническое колебание, вырабатываемое высокочастотным генератором. В зависимости от того, какой именно параметр несущего колебания изменяется в соответствии с изменением низкочастотного сигнала, различают модуляции амплитудную (АМ), частотную (ЧМ) и фазовую (ФМ).

Рассмотрим амплитудную модуляцию (рис. 14.1). Пусть имеются модулирующий входной сигнал (см. рис. 14.1, а)и несущее гармоническое колебание (см. рис. 14.1, а),причем несущая частота значительно больше частоты входного сигнала , а начальные фазы и примем равными нулю. В результате модуляции амплитуда несущего колебания становится связанной с модулирующим сигналом следующим образом:

где - амплитуда несущего сигнала; Х - амплитуда входного сигнала; - коэффициент модуляции.

Тогда выражение для модулированного сигнала будет иметь вид

Раскрыв скобки, по теореме произведения косинусов получим

т.е. модулированный сигнал состоит из трех составляющих с час­тотами , и и соответственно с амплитудами и . Следовательно, полоса пропускания линии связи должна быть для такого сигнала не менее 2 .

Рис. 14.1. Амплитудная модуляция: а – входной сигнал; б – модулированный сигнал; в – детекти-

рованный сигнал; г – структурная схема преобразования сигнала.

Если входной сигнал является периодическим с частотой , но имеет сложную форму, то его согласно преобразованию Фурье можно представить в виде суммы составляющих гармоник с частотами и т.д. Соответственно в спектре модулирован­ного сигнала появятся составляющие с частотами и т.д. При импульсных и непериодических входных сигналах этот ряд оказывается бесконечным, но мощность высших гармоничес­ких составляющих очень мала, и практически спектр модулиро­ванного сигнала можно считать ограниченным.

Таким образом, независимо от формы сигнала в результа­те модуляции происходит перенос его спектра из низкочастотной области в высокочастотную: с частоты на частоту . Частота высокочастотного колебания выбирается в зависимости от вида и полосы пропускания линии связи. Само по себе модулирован­ное колебание информации не несет, поэтому при приеме произ­водят его обратное преобразование, выделяя исходный низкочас­тотный сигнал. Такое преобразование называется демодуляцией ,а соответствующее устройство демодулятором .

Для демодуляции АМ-колебаний сигнал пропускают через амплитудный детектор, в качестве которого используют одно- или двухполупериодный выпрямитель. В результате получают демодули­рованный сигнал ,форма которого (для двухполупериодного выпрямителя) показана на рис. 14,1, в. В этом сигнале присутствует исходная составляющая с частотой , для выделения которой ис­пользуют фильтр низких частот (ФНЧ) с соответствующей АЧХ.

Существенным недостатком метода амплитудной модуляции яв­ляется его низкая помехоустойчивость. Это происходит потому, что сигнал помехи с частотой , всегда присутствующий в линии связи, складываясь с полезным сигналом ,изменяет прежде всего его амплитуду. А так как амплитуда АМ-колебания является информативным параметром, то после демодуляции вы­деленный сигнал (см. рис. 14.1, г) заметно отличается от переданного сигнала .

До недавнего времени виды принимаемых сигналов определяли, как амплитудную модуляцию (АМ), частотную модуляцию (ЧМ) и фазовую модуляцию (ФМ). Напомню, что мы занимаемся , а для систем наземной подвижной радиосвязи обычно применялась частотная модуляция. Наибольшее распространение получили системы конвенциональной подвижной радиосвязи, работающие в 48, 160 и 450 МГц. Принципиальные и структурные схемы радиоприемников систем связи, работающих с частотной модуляцией, существенно отличаются от схем приема сигналов амплитудной модуляции.

Первые системы подвижной радиосвязи не предусматривали индивидуальный вызов радиоабонентов. Это были диспетчерские системы связи, где диспетчер голосом сообщал всем абонентам с кем он сейчас будет осуществлять радиообмен. Затем появились системы индивидуального вызова, где выбор определенного абонента радиообмена осуществлялся тональным или цифровым вызовом. В это время впервые появляются цифровые виды модуляции. Эти виды модуляции используют уже существующие тракты радиопередачи и радиоприема (так называемый канал тональной частоты, канал ТЧ). В качестве подобного вида модуляции можно назвать особые виды MSK — и FFSK 2400. Для передачи речи применяется обычная частотная модуляция. Подобным же образом организуются первые виды транкинговой связи — SmarTrunk и MPT1327, а также первые виды систем сотовой радиосвязи, такие как NMT-450

Разработка цифровых систем подвижной радиосвязи, как транкинговых, так и сотовых систем связи потребовала более высоких скоростей передачи, а следовательномодуляции непосредственно несущей частоты радиопередатчика. Это привело к разработке специальных видов модуляции, таких как и изменению структурной и принципиальной схемы как тракта передачи, так и тракта приема приемопередатчиков цифровых систем радиосвязи. Разработка еще более эффективных по скорости цифровых видов модуляции привела к созданию сигналов, содержащих амплитудную составляющую, что в свою очередь привело к очередному изменению структурных и принципиальных схем приемопередатчиков, работающихс данными видами модуляции. Классификация основных видов цифовой модуляции приведена на рисунке 1.

Рисунок 1. Классификация цифровых видов модуляции

На данном рисунке отчетливо виден класс цифровых видов модуляции с постоянной огибающей (амплитудой) сигнала. Эти виды цифровой модуляции позволяют работать со схемами приемников, построенным подобно приемникам частотной модуляции (ЧМ). К видам цифровой модуляции с постоянной несущей относятся FFSK, GMSK, GFSK.

ЛикБез > Радиосвязь

Первый опыт передачи речи и музыки по радио методом амплитудной модуляции произвёл в 1906 году американский инженер Р. Фессенден. Несущая частота 50 кГц радиопередатчика вырабатывалась машинным генератором (альтернатором), для её модуляции между генератором и антенной включался угольный микрофон, изменяющий затухание сигнала в цепи. С 1920 года вместо альтернаторов стали использоваться генераторы на электронных лампах. Во второй половине 1930-х годов, по мере освоения ультракоротких волн, амплитудная модуляция постепенно начала вытесняться из радиовещания и радиосвязи на УКВ частотной модуляцией. С середины XX века в служебной и любительской радиосвязи на всех частотах внедряется модуляция с одной боковой полосой (ОБП), которая имеет ряд важных преимуществ перед АМ.

Поднимался вопрос о переводе на ОБП и радиовещания, однако это потребовало бы замены всех радиовещательных приёмников на более сложные и дорогие, поэтому не было осуществлено. В конце XX века начался переход к цифровому радиовещанию с использованием сигналов с амплитудной манипуляциейМодуляция (от латинского modulation-мерность, размеренность) изменение во времени по заданному закону параметров, характеризующих какой либо стационарный физический процесс. Изменяемый в процессе модуляции параметр колебаний (амплитуда, частота, фаза) определяет название модуляции. Соответственно амплитудная, частотная, фазовая. Возможна и смешанная модуляция, например амплитудно-фазовая. Модулированный сигнал представляет собой результат наложения колебаний модулирующего сигнала на колебания несущей частоты.

Во многих случаях модулирующий сигнал имеет форму импульса, а результирующий пачки импульсов высокой частоты. В многоканальных системах связи в качестве переносчика информации используют последовательность радиоимпульсов. Такая последовательность определяется четырьмя параметрами амплитудой, частотой, длительностью (шириной) и фазой. Соответственно возможны несколько вариантов импульсной модуляции. А именно: амплитудно-импульсная, фазово-импульсная, частотно-импульсная, широтно-импульсная, кодово-импульсная модуляции. Импульсные виды модуляции отличаются повышенной помехоустойчивостью по сравнению с модуляцией непрерывного гармонического сигнала.

По дальности действия АМ модуляция проигрывает ЧМ, как видно из рисунка амплитуда сигнала в некоторые моменты времени при АМ меньше чем при ЧМ, отсюда и меньшая дальность действия. Для передачи несущей частоты обычного радиосигнала с АМ используется часть мощности передающей аппаратуры (около 50 %). Выходом позволяющим повысить дальность связи на АМ является переход на модуляцию с одной боковой полосой который дает возможность использовать всю мощность передающей аппаратуры для передачи только полезного сигнала. Существуют и другие виды модуляций, но они менее распространены или имеют прикладное значение.

Модуляция сигнала - процесс изменения одного сигнала в соответствии с формой другого сигнала.
Модуляция осуществляется для передачи данных с помощью электромагнитного излучения. Обычно, модификации подвергается синусоидальный сигнал (несущая). Различают:
- амплитудную модуляцию;
- частотную модуляция;

Модуляция - это процесс, при котором высокочастотная волна используется для переноса низкочастотной волны.

Амплитудная модуляция
В системах с амплитудной модуляцией (АМ) модулирующая волна изменяет амплитуду высокочастотной несущей волны. Анализ частот на выходе показывает присутствие не только входных частот Fc и Fm, но также их сумму и разность: Fc + Fm и Fc - Fm. Если модулирующая волна является комплексной, как например сигнал речи, который состоит из множества частот, то суммы и разности различных частот займут две полосы, одна ниже, другая выше несущей частоты. Их называют верхней и нижней боковыми. Верхняя полоса является копией изначального разговорного сигнала, только сдвинутого на частоту Fc. Нижняя полоса это инвертированная копия изначального сигнала, т.е. верхние частоты в оригинале являются нижними частотами в нижней боковой. Нижняя боковая это зеркальное отображение верхней боковой по отношению к частоте несущей Fc. Система с АМ, которая передает обе боковых и несущую, известна, как двухполосная система (DSB - double sidebaud). Несущая не несет никакой полезной информации и может быть убрана, но с несущей или без, полоса сигнала DSB вдвое больше полосы изначального сигнала. Для сужения полосы возможно вытеснение не только несущей, но и одной из боковых, так как они несут одну информацию. Этот вид работы известен, как однополосная модуляция с подавленной несущей (SSB-SC - Single SideBand Suppressed Carrier).
Демодуляция сигнала АМ достигается путем смешивания модулированного сигнала с несущей той же самой частоты, что и на модуляторе. Изначальный сигнал затем получают, как отдельную частоту (или полосу частот) и его можно отфильтровать от других сигналов. При использовании SSB-SC несущая для демодуляции генерируется на месте и она может не совпадать каким либо образом с частотой несущей на модуляторе. Небольшая разница между двумя частотами является причиной несовпадения частот, что присуще телефонным цепям.

Амплитудная модуляция с использованием цифровых сигналов
Специальным случаем амплитудной модуляции является случай, когда нижний из двух уровней амплитуд доведен до нуля, тогда процесс модуляции состоит во включении и выключении несущей. Однако скачки в передаваемой энергии делают эту технику, не подходящей для передачи данных по сетям связи.

Виды модуляции: FМ, АМ, SSB
Что разрешено, как вид модуляции влияет на дальность связи.
Особенности работы с SSB.
В России в Си-Би диапазоне разрешается использовать частотную (FM), амплитудную (АМ) и однополосную (SSB) модуляцию. Какую модуляцию лучше выбирать для связи?

Прежде всего, ваша модуляция должна совпадать с модуляцией вашего корреспондента. Подавляющее большинство российских пользователей Си-Би диапазона используют FМ. Она обеспечивает наиболее качественное звучание, если сигнал корреспондента достаточно силен. Использование FM позволяет подавить большинство видов помех, которые носят амплитудный характер. Недостатком FМ является высокий уровень шумов детектора при отсутствии сигнала, что требует точной установки порога подавителя шумов.

АМ используется для связи на средних и больших расстояниях, когда сигнал корреспондента слишком слаб для реализации преимуществ FM. Максимальная дальность связи при использовании АМ и FM практически одинакова.

Радиосвязь с использованием одной боковой полосы имеет настолько большие преимущества перед АМ и FM, что в профессиональной и любительской радиосвязи она полностью вытеснила их. В радиолюбительских диапазонах SSB появилась в пятидесятых годах. В 195б г. в мире было всего несколько десятков любительских SSB радиостанций, в 19б1 г. их число уже превышало 20 тысяч. Первым советским коротковолновиком, заработавшим на SSB, был Георгий Румянцев (UA1DZ), много сделал для популяризации работы на SSB один из старейших российских радиолюбителей Л. Лабутин (UA3CR), начавший работать на SSB в 1958 г.

В Си-Би диапазон SSB модуляция пришла значительно позже: за рубежом - в 90-х годах, в России – только в самые последние годы.

Главной причиной малого использования SSB в Си-Би диапазоне является более высокая цена SSB трансиверов, превышающая цены AM/FM станций в 3-5 раз, второй причиной – особенности работы на SSB, требующие более высокой квалификации оператора.

При приеме станции с SSB модуляцией вам необходимо ручкой точной подстройки частоты добиться наилучшей разборчивости и натуральности голоса корреспондента. Именно это препятствовало широкому применению SSB в автомобильных радиостанциях, на ручную подстройку которых водитель не должен отвлекаться при вождении. Однако в последнее время на рынке появились вполне приличные SSB автомобильные станции, но цене только в 1,5-2 раза дороже АМ, FМ станций, обладающие стабильностью частоты, вполне достаточной для работы на SSB при движении автомобиля.

Необходимо иметь в виду, что даже при точной настройке звучание голоса корреспондента при работе на SSB все равно остается ненатуральным, со специфическим "синтезированным" тембром, что впрочем никак не мешает приему информации.

Главным преимуществом SSB по сравнению с АМ и FM является выигрыш в мощности полезного излучаемого сигнала, составляющий 9 дБ, или в 8 раз. Согласно правилам, принятым в России, мощность несущей Си-Би радиостанции при АМ и FM видах модуляции и пиковая мощность при SSB модуляции не должны превышать 10 Вт. Откуда же берется выигрыш?

При SSB модуляции несущая и одна из боковых полос не излучается, что позволяет всю разрешенную мощность излучать в виде одной боковой полосы. Мощность, несущая полезную речевую информацию, при АМ и FM составляет в лучшем случае 1,25 Вт, а при SSB – все 10 Вт. Таким образом, при приеме SSB сигнала передатчика с пиковой мощностью 10 Вт слышимость будет такой же, как при приеме АМ передатчика с мощностью 80 Вт!

Однако преимущества SSB не ограничиваются только этим. АМ и FM станции излучают мощность несущей постоянно, независимо от того, произносите ли вы перед микрофоном звуки или молчите. SSB станции не излучают никакой мощности в паузах между словами. Кроме экономии энергии и облегчения режима выходного каскада передатчика это дает дополнительные преимущества при работе в перегруженном станциями канале. При использовании АМ или FM модуляций включение более мошной станции полностью "давит" более слабую, делая прием невозможным, при использовании SSB в паузах между словами мощной станции слабая станция продолжает прослушиваться. Удается не только следить за станцией, но и улавливать смысл сообщения. Практически в таких случаях удается договориться о переходе на другую частоту. Если уровень сигналов мешающих станций не сильно превышает уровень принимаемой, а частоты всех станций точно совпадают, вы будете понимать большую часть информации желаемой станции, подобно тому, как вы понимаете собеседника при разговоре в окружении говорящих людей. На практике же всегда частоты мешающих станций отличаются от принимаемой, поэтому вследствие нарушения соотношений между частотными составляющими спектра речь корреспондентов мешающих станций становится неразборчивой и все внимание гораздо легче сосредоточить на разборчивой речи вашего корреспондента. Это справедливо, конечно, только в случае помех от других SSB станций. Если мешающая станция работает с амплитудной или частотной модуляцией, SSB преимуществ не дает.

Именно по этой причине пользователи Си-Би диапазоном, в котором нет разграничения частот для работы с разными видами модуляции, договариваются между собой, в каких каналах можно использовать только SSB. Так пользователи Си-Би в странах Европы договорились о преимущественном использовании диапазона D для работы с SSB, оставив диапазон С для АМ и FM.

Все перечисленные преимущества SSB модуляции позволяют при прочих равных условиях получить дальность связи на 50-75% больше, чем при AM или FM.

Модуляция и её разновидности

Виды модуляции

Существует два вида переносчиков: гармонический и импульсный.

Для гармонического переносчика возможны три вида модуляции: амплитудная модуляция (АМ), фазовая (ФМ) и частотная (ЧМ).

Для импульсного переносчика возможны четыре вида модуляции: амплитудно-импульсная, или высотно-импульсная модуляция (АИМ),когда по закону передаваемого сигнала изменяется амплитуда импульсов, фазо-импульсная, или время-импульсная (ФИМ)-изменяется фаза импульсов, широтно-импульсная или модуляция по длительности (ШИМ), когда изменяется ширина импульсов и, наконец, либо частотно-импульсная (ЧИМ)-изменяется частота следования импульсов, либо интервально-импульсная (ИИМ).

Модуляцию ФИМ и ЧИМ объединяют во временно-импульсную (ВИМ). Между ними существует связь, аналогичная связи между фазовой и частотной модуляцией синусоидального колебания.

Спектры ШИМ, ЧИМ, и ФИМ имеют более сложный вид чем спектр сигнала АИМ.

Импульсные последовательности АИМ, ШИМ, ЧИМ, и ФИМ называются последовательностями видеоимпульсов. Если позволяет среда распространения, то видеоимпульсы передаются без дополнительных преобразований (например, по кабелю). Однако по радиолиниям передать видеоимпульсы невозможно. Тогда сигнал подвергают второй ступени преобразования (модуляции).

Модулируя с помощью видеоимпульсов гармоничное несущее колебание достаточно высокой частоты, получают радиоимпульсы, которые способны распространяться в эфире. Полученные в результате сочетания первой и второй ступеней модуляции сигналы могут иметь названия АИМ-АМ, ФИМ-АМ, ФИМ-ЧМ и др.

Сравнение импульсных видов модуляции показывает, что АИМ имеет меньшую ширину спектра по сравнению с ШИМ и ФИМ. Однако последние более устойчивы к воздействию помех. Для обоснования выбора метода модуляции в системе передачи необходимо сравнить эти методы по различным критериям: энергетическим затратам на передачу сигнала, помехоустойчивости (способности модулированных сигналов противостоять вредному воздействию помех), сложности оборудования и др.

Модулированные по ширине (ШИМ) и по фазе (ФИМ) видеоимпульсы.

Воздействие сообщения на модулируемый параметр может повлечь за собой изменение других параметров. Например, частотная модуляция гармонического переносчика сопровождается изменением начальной фазы, и наоборот. Однако одновременное воздействие на несколько параметров может осуществляться преднамеренно. В этом случае модуляция называется смешанной. Возможны, например, амплитудно-частотная и амплитудно-фазовая модуляции гармонического переносчика.

При многоканальной передаче на разные параметры могут воздействовать различные сообщения.

Иногда модуляция осуществляется в несколько этапов: сперва исходное сообщение модулирует некоторое поднесущее колебание, затем модулированный сигнал воздействует на основной переносчик. Примерами могут служить система ЧМ-АМ, в которой сообщение а(t) модулирует поднесущее колебание по частоте, а затем ЧМ колебание модулирует основной переносчик по амплитуде, АМ-ЧМ, ШИМ-ФМ и т.д. Некоторые системы многоступенной модуляции (например, АМ-АМ, АИМ-АМ) эквивалентны одноступенчатой модуляции сообщением a(t) некоторого условного переносчика, который можно сформулировать, модулируя переносчиком первой ступени переносчик следующей ступени.

Изучить: · аппаратуру радиорелейных линий прямой видимости; · приемопередающую аппаратуру радиосвязи; · тропосферные радиорелейные линии; Привести методы расчета: · профиля канала связи; · вычисления затухания в радиочастотном канале; ·...

Анализ систем радиорелейной связи и расчет трасс между узлами

В многоканальных РРЛ модуляция сигнала представляет собой двухступенчатый процесс. С помощью первой ступени формируется многоканальный сигнал...

Локальные вычислительные сети

Информация в кабельных локальных сетях передается в закодированном виде, то есть каждому биту передаваемой информации соответствует свой набор уровней электрических сигналов в сетевом кабеле...

Модуляция и демодуляция оптических колебаний

Процесс модуляции состоит в изменении амплитуды, интенсивности, частоты, фазы или поляризации колебания несущей частоты (fн) в соответствии с информационным сигналом Ui (t)...

Модуляция и её разновидности

Процесс преобразования первичного сигнала заключается в изменении одного или нескольких параметров несущего колебания по закону изменения первичного сигнала (то есть в наделении несущего колебания признаками первичного сигнала) и...

Модуляция и её разновидности

Рассмотрение смешанной модуляции представляет интерес с различных точек зрения. В некоторых приборах (например, магнетронах) при изменениях амплитуды колебания наблюдается изменение частоты генерации...

Радиотелеметрическая система с частотным разделением товаров

Радиотелеметрические системы с временным разделением каналов

Разработка системы эксплуатационного управления спутниковых каналов связи для ООО "ДИАЛОГ" на базе платформы LabVIEW

Технико-экономические показатели радиорелейных (РРСП) и спутниковых (ССП) систем передачи и особенности построения оконечного оборудования ствола...

Расчет необходимой частоты дискретизации амплитудно-модулированных КВ сигналов

При передаче информации в радиотехнике используются полосовые радиосигналы. Введем несколько понятий, для строгости рассуждений. Модулирующим сигналом будем называть низкочастотный информационный сигнал (речь, цифровая информация и т...

Современные методы сбора видеоинформации

беспроводной видеоинформация камера Для осуществления мобильного видеорепортажа или построения мобильных пунктов видеонаблюдения ЗАО «РОКС» предлагает свою новую разработку - специальную РРЛ COFDM модуляции...

Технологии цифровой связи

Сигналы формируются путём изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс (изменения параметров носителя) принято называть модуляцией...

Технология ZigBee

Оборудование стандарта EEE 802.15.4b может работать в трех частотных диапазонах: 868 МГц в Европе, 915 МГц в США и 2,4 ГГц во всем мире. В диапазонах 868 МГц и 915 МГц полосы используются три дополнительных схемы модуляции: двоичная фазовая манипуляция BPSK...

Эффективный способ формирования SSB сигнала

В радиосвязи на коротких (KB) и ультракоротких (УКВ) волнах в настоящее время используются в основном три вида сигналов: телеграфные (CW), однополосные (SSB) и частотно-модулированные сигналы (FM)...

Кроме простых видов цифровой модуляции существуют более сложные виды, предназначенные для максимизации эффективности по каким-либо параметрам. Большинство современных телекоммуникационных систем использует именно эффективные модуляции.

Основные два направления, по которым идет усовершенствование видов цифровой модуляции – это эффективность по мощности и спектральная эффективность.

Квадратурная модуляция. Описывая цифровую модуляцию, сигнальные векторы часто представляют через квадратурную и синфазную составляющую («Q » и «I » – рис. 2.10).

Это связано с тем, что модуляция и демодуляция сигналов в цифровой связи чаще всего осуществляются на квадратурных модуляторах и демодуляторах, поскольку их реализация значительно проще, чем непосредственное управление фазой и амплитудой сигнала, особенно когда требуется одновременная АМ и ФМ.

Простейший способ повышения спектральной эффективности состоит в увеличении длительности прямоугольной битовой посылки с сохранением прежней скорости передачи в числе бит на единицу времени. На этом принципе основана квадратурная фазовая манипуляция (quadrature phase shift keying – QPSK ).

На рис. 2.11, а представлен исходный поток данных d k (t ) = d 0 , d 1 , d 2 , …, состоящий из биполярных импульсов, т. е. d k принимают значения +1 или –1, представляющие двоичную единицу и двоичный нуль.

Этот поток импульсов разделяется на синфазный поток d I (t ) = d 0 , d 2 , d 4 , … и квадратурный d Q (t ) = d 1 , d 3 , d 5 , …, как показано на рис. 2.11, б . Скорости потоков d I (t ) и d Q (t ) равны половине скорости передачи потока d k (t ). Удобную ортогональную реализацию сигнала QPSK, S (t ), можно получить, используя амплитудную модуляцию синфазного и квадратурного потоков на синусной и косинусной функциях от несущей:

С помощью тригонометрических тождеств это уравнение можно представить в следующем виде:

Модулятор QPSK, показанный на рис. 2.11, использует сумму синусоидального и косинусоидального слагаемых.

Поток импульсов d I (t ) используется для амплитудной модуляции (с амплитудой +1 или –1) косинусоиды. Это равноценно сдвигу фазы косинусоиды на 0 или π; следовательно, в результате получается сигнал BPSK. Аналогично, поток импульсов d Q (t ) модулирует синусоиду, что дает сигнал BPSK, ортогональный предыдущему. При суммировании этих двух ортогональных компонентов несущей получается сигнал QPSK. Величина θ(t ) будет соответствовать одному из четырех возможных сочетаний d I (t ) и d Q (t ): θ(t ) = 0, ±90, 180º; результирующие векторы сигналов показаны в сигнальном пространстве на рис. 2.12. Так как cos(2πf 0 + π/4) и sin(2πf 0 + π/4) ортогональны, два сигнала BPSK можно обнаруживать раздельно.

Таким образом, QPSK в два раза экономнее BPSK в отношении использования частотного ресурса, поскольку имеет спектр той же формы, но суженный вдвое за счет двукратного растяжения посылки. И этот выигрыш достигнут без ухудшения помехоустойчивости приема (евклидово расстояние между соседними векторами останется прежним, так как при неизменной мощности энергия посылки удвоится за счет удвоения ее длительности).

Однако базовый вариант квадратурной манипуляции оказывается не совсем благоприятным с точки зрения энергопотребления. Поскольку при передаче возможны скачки фазы на 180º, требования к линейному диапазону усилителя оказываются чрезмерными. Чтобы использовать максимально благоприятный с точки зрения энергопотребления усилителя передатчика режим класса C, необходимо иметь несущую с постоянной огибающей.

Существуют разновидности квадратурной манипуляции, призванные уменьшить скачки фазы. В случае использования квадратурной манипуляции со сдвигом (OQPSK – Offset QPSK ), потоки d I (t ) и d Q (t ) передаются со сдвигом на T , как показано на рис. 2.13.

Поэтому одновременное изменение знака в обоих потоках становится невозможным, а значит, исключаются скачки фазы на 180º, и фаза может измениться только на 90º.

Другой вариант приближения к модуляции с постоянной огибающей получил название π/4-QPSK. Здесь, вместо сдвига посылок введен поворот на угол π/4 алфавита значений фаз при переходе от четных посылок к нечетным. Благодаря такому смещению, при i = 2k φ i принимает значения из множества 0, π, ±π/2, а при i = 2k + 1 – из множества ±π/4, ±3π/4 (рис. 2.14).

Такой вид модуляции позволяет избежать большого усложнения демодулятора, хотя не столь эффективен в смягчении требования к динамическому диапазону, как OQPSK.

QAM. Квадратурную амплитудную модуляцию (QAM – Quadrature Amplitude Mdulation ) можно считать логическим продолжением QPSK, поскольку сигнал QAM также состоит из двух независимых несущих (амплитудно-модулированных). Передачу сигналов, модулированных QAM, можно также рассматривать как комбинацию амплитудной и фазовой манипуляций (ASK и PSK). За счет неодинаковой длины сигнальных векторов достигается оптимизация их созвездия, максимизирующая минимальное расстояние между сигнальными векторами. Подобные форматы модуляции с самым различным числом сигнальных векторов и их конфигурации в созвездии (рис. 2.15) широко используются во многих телекоммуникационных системах.

MSK. Можно дополнительно усилить формат QPSK, устранив разрывные переходы фазы. Одной из схем, реализующей модуляцию без разрыва фазы, является манипуляция с минимальным сдвигом (minimum shift keying – MSK ). Ее можно рассматривать как частный случай частотной манипуляции без разрыва фазы (CPFSK) или как частный случай QPSK с синусоидальным взвешиванием символов. В первом случае сигнал MSK можно представить следующим образом:

Здесь f 0 несущая частота, d k = ±1 представляет биполярные данные, а d k – фазовая постоянная для k -го интервала передачи двоичных данных. При d k = 1 передаваемая частота – это f 0 + 1/4T , а при d k = –1 – это f 0 – 1/4T . Следовательно, разнесение тонов в MSK составляет половину от используемого при ортогональной FSK, откуда и название – манипуляция с минимальным сдвигом.

Рассматриваемый вид модуляции сводится, по существу, к бинарной частотной манипуляции. При этом переключение частоты происходит без скачков фазы, передача очередного символа начинается с той фазы, которая «набежала» в течении передачи предыдущего символа. Этот принцип можно иллюстрировать деревом траекторий фазы (рис. 2.16, а ). В течение каждого отрезка времени фаза линейно растет или убывает в соответствии с текущим приращением частоты, и любая из возможных траекторий фазы оказывается непрерывной функцией (рис. 2.16, б ). Такая модуляция обеспечивает постоянную огибающую и, как результат, оптимальность режима усилителя мощности передатчика.

В квадратурном представлении сигнал можно записать так:

Таким образом, посылкой становится импульс с огибающей в виде полуволны косинуса. За счет его сглаженной формы происходит существенное сужение спектра по сравнению с QPSK.

GMSK. При передаче по радиоканалу часто бывает желательна более узкая полоса спектра сигнала, чем при MSK, где имеются достаточно большие по величине боковые лепестки, выходящие за границу 1/T b . Чтобы добиться дальнейшего сужения спектра, перед модуляцией осуществляют низкочастотную фильтрацию. Если используется фильтр с гауссовской формой АЧХ, то такой вариант модуляции называют GMSK (Gaussian MSK ). Для характеристики полосы пропускания низкочастотного фильтра вводится величина:

где f –3 дБ – частота среза по уровню –3 дБ; R – скорость передачи битов. На рис. 3.17, а приведены импульсные характеристики гауссовского фильтра при BT = 0.3 и BT = 0.5. На рис. 2.17, б можно видеть выигрыш в частотной полосе при использовании GMSK с этими значениями относительно MSK.

Рис. 2.17

Однако, как можно видеть из рис. 2.17, а , при увеличении значения BT длина символа растягивается, что чревато повышенной межсимвольной интерференцией. То есть выигрыш в компактности спектра достигается за счет снижения достоверности передачи информации. В стандарте GSM за оптимальное значение принято BT = 0.3.

Модуляцию GMSK можно рассматривать как дальнейшее усовершенствование принципа достижения непрерывности фазы. При этом устраняются не только разрывы самой фазы, но и ее производных. На рис. 2.18 показано дерево траекторий фазы при модуляции GMSK, иллюстрирующее этот принцип.

Как показывает приведенный обзор, применяемые методы цифровой модуляции отличаются заметным разнообразием. Поэтому при проектировании телекоммуникационных систем существует много путей достижения оптимальных показателей. В заключение можно привести краткое сравнение некоторых видов цифровой модуляции между собой.

На рис. 2.19 представлен график, где по оси ординат отложена удельная спектральная эффективность (бит/с/Гц), а по оси абсцисс – энергетическая эффективность (отношение энергии, приходящейся на бит сообщения к спектральной плотности шума, необходимое для достижения вероятности ошибки 10 –5).

Различные виды модуляции отмечены на этом графике точкой, характеризующей соотношение между спектральной и энергетической эффективностями этого вида. Из графика хорошо виден компромиссный характер выбора вида цифровой модуляции относительно этих двух параметров.

В табл. 2.1 приведены примеры использования некоторых видов цифровой модуляции в коммерческих телекоммуникационных системах различного назначения.

Таблица 2.1

Выбор вида модуляции зависит от особенностей применения, развертывания систем, необходимой скорости передачи, требуемой достоверности передачи.