Modulacija signala. Manipulacija frekvencijom, fazom, amplitudom

Modulacija- proces promjene jednog ili više parametara oscilacije visokofrekventnog nosioca prema zakonu niskofrekventnog informacijskog signala (poruke).
Prenesena informacija je ugrađena u upravljački signal, a ulogu nosioca informacije obavlja visokofrekventna vibracija, koja se naziva nosilac. Modulacija je, dakle, proces "slijetanja" talasnog oblika informacije na poznati nosač.
Kao rezultat modulacija spektar niskofrekventnog kontrolnog signala se prenosi u visokofrekventno područje. To omogućava da se prilikom organiziranja emitiranja podesi rad svih odašiljačkih i prijemnih uređaja na različitim frekvencijama tako da se međusobno ne "ometaju".
Kao nosilac se mogu koristiti vibracije raznih oblika (pravougaone, trouglaste itd.), ali se najčešće koriste harmonijske vibracije. U zavisnosti od toga koji se od parametara oscilacije nosioca menja, razlikuje se tip modulacije (amplituda, frekvencija, faza itd.). Modulacija sa diskretnim signalom naziva se digitalna modulacija ili keying.
Postoje sljedeće vrste manipulacija:
Frekventni pomak
Fazni pomak
Amplitudno Shift Keying
Kvadraturna amplituda Shift Keying
Frekventni pomak (FSK) se koristi za prijenos telegrafskih signala preko radio kanala, koji su niz pravokutnih elementarnih strujnih (pozitivnih) i bezstrujnih (negativnih) poruka. Za razliku od radio signala manipulacije amplitudom, kada predajnik emituje elektromagnetne oscilacije samo sa strujnim prijenosima, na FT, zračenje radio signala se javlja kontinuirano i sa strujnim i bez strujnih prijenosa. Stoga se ova metoda manipulacije ponekad naziva rad s aktivnom pauzom.

Slika 1 Digitalna modulacija (ključ)
Prilikom prelaska sa trenutne poruke na bestrujnu i obrnuto, amplitude visokofrekventne oscilacije ostaju konstantne, a samo se njena frekvencija mijenja za neku konstantnu vrijednost fc, što se naziva pomak frekvencije.
Trenutno se najčešće koriste frekventni telegrafski sistemi sa pomakom frekvencije od 125 (ChT-125), 250 (ChT-250) 500 (ChT-500), 1000 (ChT-1000), 1500 (ChT-1500) Hz. U ovom slučaju, odstupanje frekvencije fm pobuđivača u odnosu na nominalnu (prosječnu) frekvenciju oscilovanja predajnika je, respektivno, + 62,5 Hz; + 125 Hz; + 500 Hz; +750 Hz.
Prosječna frekvencija fo se zove nosilac (nominalno frekvencija. Treba napomenuti da se pojam "noseća frekvencija" u frekvencijskoj telegrafiji uvodi prilično uslovno, jer tokom FH prijenos nikada ne radi na frekvenciji fo. Svrsishodnost uvođenja ovog termin je samo zbog činjenice da je noseća frekvencija numerički jednaka srednjem frekvencijskom spektru frekvencija na izlazu predajnika i stoga je nominalna radna frekvencija predajnika.
Spektar FT signala ne zavisi samo od brzine telegrafije (od osnovne frekvencije telegrafije), već i od veličine pomaka frekvencije i načina generisanja FT signala. Postoje dva glavna načina formiranja QT signala: sa faznim jazom visokofrekventnih oscilacija i bez njegovog prekida.
U prvom slučaju, FT signal se formira naizmjeničnim povezivanjem dva nezavisna izvora visokofrekventnih oscilacija na putanju pojačala predajnika. Jedan od izvora generiše oscilacije određene frekvencije i uključuje se kada nema trenutnih (negativnih) parcela primarnog signala. Drugi generiše oscilacije sa frekvencijom koja se razlikuje od prve frekvencije (pomerene u odnosu na frekvenciju) za vrednost fc. Ovaj izvor je povezan sa trenutnim (pozitivnim) prenosima primarnog signala.
Kako su oba izvora visokofrekventnih oscilacija nezavisna, pri prebacivanju faza oscilacija poprima proizvoljnu vrijednost, tj. dolazi do prekida faze.
U drugom načinu generisanja signala koristi se jedan izvor visokofrekventnih oscilacija, koji kod besstrujnih (negativnih) prenosa primarnog signala generiše oscilacije sa frekvencijom fa, a sa strujnim (pozitivnim) - oscilacije sa a frekvencija fv. Budući da se koristi jedan izvor, promjena frekvencije oscilacije se odvija kontinuirano, bez prekida faze visokofrekventne oscilacije. FT signal ovog tipa može se smatrati posebnim slučajem frekvencijske modulacije visokofrekventne oscilacije diskretnim signalom
Koristeći metode frekvencijske telegrafije, moguće je prenijeti dvije različite telegrafske poruke preko radio kanala. Ova metoda prijenosa naziva se Dual Frequency Telegraphy (DFT) i odgovara emisionoj klasi F.
Amplitude Shift Keying je promjena signala u kojoj se amplituda oscilacije nosioca naglo mijenja. AMn se može smatrati posebnim slučajem manipulacije kvadraturom
Telegrafski signali - Morzeov kod - najčešće se prenose pomoću amplitudne tipke. U predajniku se ova metoda najjednostavnije implementira u poređenju sa drugim vrstama manipulacije. Prijemnik za primanje telegrafskih signala na uho, s druge strane, postaje nešto složeniji: mora imati lokalni oscilator koji radi na frekvenciji bliskoj frekvenciji primljenog signala kako bi se razlika audio frekvencije mogla razlikovati na izlazu prijemnik. Odgovarajući prijemnici su direktna konverzija, regenerativni u režimu generisanja i superheterodinski sa dodatnim "telegrafskim" lokalnim oscilatorom.
Amplituda visokofrekventnog signala na izlazu radio predajnika poprima samo dvije vrijednosti: uključeno i isključeno. U skladu s tim, uključivanje ili isključivanje („ključavanje“) vrši operater pomoću telegrafskog ključa ili pomoću automatskog generatora telegrafskih poruka (senzor Morzeovog koda, kompjuter). Omotača radio impulsa (elementarne poruke - tačke i crtice) u praksi, naravno, nije pravougaona (kao što je šematski prikazano na slici), već ima glatke prednje i zadnje ivice. U suprotnom, frekventni spektar signala može postati neprihvatljivo širok, a neugodni klikovi se osjećaju kada se signal prima u uho.

Fazno manipulisano signal izgleda ovako:

gdje g(t) definiše envelope signala; je modulirajući signal. mogu uzeti M diskretne vrijednosti.

Ako M= 2, tada se poziva fazni pomak binarni fazni pomak(1 bit po 1 promjeni faze), ako M = 4 - kvadraturni fazni pomak(2 bita za 1 faznu promjenu), M= 8 (3 bita za 1 faznu promjenu), itd.

Dakle, broj bitova n prenesena jednim faznim skokom je snaga na koju se dvije podižu kako bi se odredio broj faza potrebnih za prijenos n- redni binarni broj.

Phase Shift Keying Signal s i(t) može se posmatrati kao linearna kombinacija dva ortonormalna signala y 1 i y 2.

Digitalna fazna modulacija je svestrana i široko korištena metoda za bežični prijenos digitalnih podataka.

U prethodnom članku smo vidjeli da možemo koristiti diskretne promjene amplitude ili frekvencije nosioca kao način predstavljanja jedinica i nula. Nije iznenađujuće da digitalne podatke možemo predstaviti i koristeći fazu; ova tehnika se naziva fazno pomeranje (PSK).

Binarni fazni pomak

Najjednostavniji tip PSK-a naziva se binarno fazno pomicanje (BPSK), gdje se "binarni" odnosi na korištenje dva fazna pomaka (jedan za logičku jedinicu i jedan za logičku nulu).

Intuitivno možemo prepoznati da će sistem biti pouzdaniji ako je razdvajanje između dvije faze veliko - naravno, prijemniku će biti teško razlikovati simbol pomaka faze od 90° od simbola pomaka faze od 91°. Za rad imamo fazni raspon od 360 °, tako da je maksimalna razlika između faza logičke jedinice i logičke nule 180 °. Ali znamo da je prebacivanje sinusnog vala za 180° isto što i invertiranje; stoga, možemo zamisliti BPSK kao jednostavno invertiranje signala nosioca kao odgovor na jedno logičko stanje i ostavljajući ga u njegovom originalnom stanju kao odgovor na drugo logičko stanje.

Da bismo poduzeli sljedeći korak, prisjetimo se da je množenje sinusoide negativnom isto kao i njeno invertiranje. Ovo omogućava implementaciju BPSK koristeći sljedeću osnovnu hardversku konfiguraciju:

Osnovna šema za dobijanje BPSK signala

Međutim, ovaj dizajn može lako dovesti do velikih nagiba prijelaza u talasnom obliku nosioca: ako dođe do prijelaza između logičkih stanja kada je nosilac na svojoj maksimalnoj vrijednosti, napon signala nosioca bi trebao brzo otići na svoju minimalnu vrijednost.

Visok nagib u BPSK talasnom obliku kada se promeni logičko stanje modulacionog talasnog oblika

Ovi događaji velikog nagiba su nepoželjni jer stvaraju energiju u visokofrekventnim komponentama koje mogu ometati druge RF signale. Osim toga, pojačala imaju ograničenu sposobnost da proizvedu nagle promjene u izlaznom naponu.

Ako preciziramo gornju implementaciju s dvije dodatne funkcije, možemo osigurati glatke prijelaze između znakova. Prvo, moramo biti sigurni da je digitalni period bita jednak jednom ili više kompletnih perioda signala nosioca. Drugo, moramo da sinhronizujemo digitalne prelaze na signal nosioca. Sa ovim poboljšanjima, mogli bismo dizajnirati sistem tako da dođe do promjene faze od 180° kada je signal nosioca na (ili blizu) nulti prelaz.

QPSK

BPSK prenosi jedan bit po karakteru, na šta smo navikli. Sve što smo raspravljali u vezi sa digitalnom modulacijom pretpostavljalo je da se signal nosioca mijenja ovisno o tome da li je digitalni napon nizak ili visok, a prijemnik ponovo kreira digitalne podatke, tumačeći svaki znak kao 0 ili 1.

Prije razmatranja kvadraturnog faznog pomaka (QPSK), moramo uvesti sljedeći važan koncept: nema razloga zašto jedan simbol može prenijeti samo jedan bit. Istina je da je svijet digitalne elektronike izgrađen oko kola u kojima je napon u jednom ili drugom ekstremu, tako da je napon uvijek jedan digitalni bit. Ali radio signal nije digitalan; umjesto toga, koristimo analogne signale za prenošenje digitalnih podataka, i sasvim je prihvatljivo dizajnirati sistem u kojem se analogni signali kodiraju i interpretiraju tako da jedan znak predstavlja dva (ili više) bita.

Prednost QPSK-a je njegova veća brzina prijenosa podataka: ako zadržimo isto trajanje simbola, možemo udvostručiti brzinu prijenosa podataka od predajnika do prijemnika. Nedostatak je složenost sistema. (Možda mislite da je QPSK podložniji greškama u bitovima od BPSK jer ima manji razmak između mogućih vrijednosti. Ovo je razumna pretpostavka, ali ako pogledate njihovu matematiku, ispada da su vjerovatnoće greške zapravo vrlo slične .)

Varijante

QPSK modulacija je naravno efikasna tehnika modulacije. Ali to se može poboljšati.

Fazni skokovi

Standardna QPSK modulacija osigurava da su prijelazi između simbola na velikom nagibu; budući da fazni skokovi mogu biti ± 90°, ne možemo koristiti pristup opisan za fazne skokove od 180° proizvedene BPSK modulacijom.

Ovaj problem se može ublažiti korištenjem jedne od dvije QPSK opcije. Offset QPSK (Quadrature Phase Shift Keying), koji uključuje dodavanje kašnjenja jednom od dva digitalna toka podataka koji se koriste u procesu modulacije, smanjuje maksimalni fazni skok na 90°. Druga opcija je π / 4-QPSK, koja smanjuje maksimalni fazni skok na 135 °. Dakle, OQPSK ima prednost smanjenja faznih diskontinuiteta, ali π / 4-QPSK pobjeđuje jer je kompatibilan s diferencijalnim kodiranjem (o čemu se govori u nastavku).

Drugi način rješavanja praznina između znakova je implementacija dodatne obrade signala koja stvara glatkije prijelaze između znakova. Ovaj pristup je inkorporiran u modulacionu šemu koja se zove minimalna pomaka (MSK) frekvencijska modulacija, kao i MSK poboljšanje poznato kao Gausov MSK (GMSK).

Diferencijalno kodiranje

Drugi izazov je da je PSK demodulacija teža od FSK demodulacije. Frekvencija je "apsolutna" u smislu da se promjene frekvencije uvijek mogu protumačiti analizom promjena u signalu tokom vremena. Faza je, međutim, relativna u smislu da nema univerzalnu referentnu tačku - predajnik generiše fazne promene u odnosu na jednu tačku u vremenu, a prijemnik može interpretirati promene faze u odnosu na drugu tačku u vremenu.

Praktična manifestacija ovoga je da ako postoje razlike između faza (ili frekvencija) oscilatora koji se koriste za modulaciju i demodulaciju, PSK postaje nepouzdan. I moramo pretpostaviti da će postojati fazne razlike (osim ako prijemnik ne uključuje kola za oporavak nosioca).

Diferencijalni QPSK (DQPSK, diferencijalni QPSK) je opcija koja je kompatibilna s nekoherentnim prijemnicima (tj. prijemnicima koji ne sinkroniziraju demodulacijski generator sa modulacijskim generatorom). Diferencijalni QPSK kodira podatke kreiranjem specifičnog pomaka faze od prethodnog simbola tako da demodulaciona šema analizira fazu simbola koristeći referentnu tačku koja je zajednička i prijemniku i predajniku.

Sažetak

• Binarni fazni pomak (BPSK) je jednostavna tehnika modulacije koja može prenijeti jedan bit po simbolu.
• Quadrature Phase Shift Keying (QPSK) je složeniji, ali udvostručuje brzinu podataka (ili postiže istu brzinu podataka sa polovinom propusnog opsega).
• Offset kvadratura faznog pomaka (OQPSK), π / 4-QPSK, minimalni fazni pomak (MSK) su modulacijske šeme koje ublažavaju efekte promjena napona nosioca visokog nagiba tokom tranzicije simbola.
• Diferencijalni QPSK (DQPSK) koristi faznu razliku između susjednih simbola kako bi se izbjegli problemi povezani s nedostatkom fazne sinhronizacije između predajnika i prijemnika.

Rekli smo da se ovi signali dobijaju kao poseban slučaj frekvencijske modulacije sa digitalnim modulirajućim signalom u obliku niza impulsa koji odgovaraju nulama i jedinicama binarnog toka. Budući da impulsi modulirajućeg signala mijenjaju predznak kada se promijeni informacijski bit, dobili smo frekvencijski pomak.
Analogno, možemo uzeti u obzir PSK signale ključa pomaka faze ako primijenimo digitalni signal kao modulirajući signal na fazni modulator. Ovaj članak će se fokusirati na binarni fazni pomak (BPSK). Ova vrsta modulacije našla je vrlo široku primjenu zbog visoke otpornosti na buku i jednostavnosti modulatora i demodulatora. U domaćoj literaturi, BPSK modulacija se naziva FMn-2.

Binarni signali s pomakom faze

Razmotrite signal u obliku niza impulsa digitalnih informacija, kao što je prikazano na slici 1.

Slika 1: Unipolarni i bipolarni digitalni signal

Gornji graf prikazuje unipolarni digitalni signal, kojem odgovara logička informacijska nula, a donji graf prikazuje bipolarni digitalni signal, kojem odgovara logička nula informacija.
Primijenimo digitalni signal kao modulirajući signal na fazni modulator, kao što je prikazano na slici 2 sa faznom devijacijom jednakim rad.

Slika 2: Oblikovanje BPSK signala zasnovano na faznom modulatoru

Budući da uzima samo vrijednosti jednake 0 i 1, infazne i kvadraturne komponente kompleksne ovojnice BPSK signala su:
a blok dijagram modulatora se može pojednostaviti, kao što je prikazano na slici 3.

Slika 3: Pojednostavljeni blok dijagram BPSK modulatora

Pažljivi čitalac će primijetiti da je ova šema potpuno ista kao i ranije razmatrana AM sa supresijom nosioca (DSB), sa modulirajućim signalom. Dijagrami objašnjenja BPSK oblikovalnika prikazani su na slici 4.

Slika 4: Objašnjenje BPSK modulatora

Informacija se prenosi brzinom u bit/s, trajanje jednog impulsa digitalne informacije je jednako. Originalni modulirajući signal se množi sa talasnim oblikom nosioca (na slici) i dobijamo fazni signal sa faznim skokom za rad. Uočili smo isti fazni skok tokom formiranja DSB signala. Dakle, BPSK modulacija je degenerisani tip faznog pomaka koji se poklapa sa balansiranom amplitudnom modulacijom u bipolarnom digitalnom osnovnom signalu.

Spektar i vektorski dijagram BPSK signala

Budući da se BPSK signal može smatrati DSB signalom, njegov spektar je spektar digitalnog bipolarnog osnovnog signala koji se prenosi na noseću frekvenciju. Slika 5 prikazuje spektar BPSK signala pri brzini prijenosa i frekvenciju nosioca ... Slika 5 jasno pokazuje da spektar BPSK signala ima glavni režanj i polako opadajuće bočne režnjeve. Slika 6 prikazuje osnovne odnose između BPSK spektra i parametara originalnog osnovnog signala.

Dakle, glavni režanj BPSK spektra ima širinu jednaku dvostrukoj brzini prijenosa informacija, simetričan je u odnosu na frekvenciju nosioca. Nivo maksimalnog (prvog) bočnog režnja spektra je -13 dB. Također možete reći da je širina bočnih režnjeva.
Razmotrimo vektorski dijagram BPSK signala. Prema izrazu (1), komponenta u fazi kompleksnog omotača BPSK signala je jednaka, a kvadraturna komponenta je. Kada ovo poprimi vrijednosti, tada je vektorski dijagram BPSK signala prikazan na slici 7.

Slika 7: Vektorski dijagram BPSK signala

Kompleksni vektor omotača može imati jednu od dvije vrijednosti (pri prijenosu informacije nula) i pri prijenosu informacijske jedinice.

Relativno (diferencijalno) binarno fazno pomakanje (DBPSK)

Prilikom prijenosa informacija korištenjem BPSK, sistemi za praćenje su potrebni za demodulaciju signala. U ovom slučaju se često koriste nekoherentni prijemni uređaji, koji nisu fazno usklađeni sa glavnim oscilatorom na strani odašiljanja, te, shodno tome, ne mogu pratiti nasumičnu rotaciju faze kao rezultat propagacije koja ide izvan intervala. Na primjer, razmotrite sliku 8.

Slika 8: Objašnjenja za nekoherentan BPSK prijem

Originalni BPSK fazorski dijagram (u slučaju PSK signala, fazorski dijagram se često naziva konstelacijom) prikazan je na slikama 8a i 8d. Crvena označava vrijednost koja odgovara informacijskoj nuli, a plava. Kao rezultat širenja, signal će dobiti nasumičnu početnu fazu i konstelacija će se rotirati za određeni ugao. Slika 8b prikazuje slučaj kada se rotacija sazviježđa nalazi u rasponu od do rad. U ovom slučaju, kod nekoherentnog prijema, čitavo sazvežđe će biti rotirano kao što je prikazano strelicama na slici 8b. Zatim, nakon okretanja, sazviježđe će zauzeti svoju prvobitnu poziciju i informacije će biti ispravno demodulirane. Slika 8e prikazuje slučaj kada se rotacija sazviježđa nalazi u rasponu od do rad. U ovom slučaju, nakon prijema, sazviježđe će se također rotirati za horizontalni položaj, ali kao što slijedi sa slike 8f, informacijske nule i jedinice će biti pobrkane.
Kako bi se eliminisala zabuna informacijskih simbola, koristi se relativno ključanje ili kako se još naziva diferencijalni BPSK (DBPSK). Suština relativne manipulacije je da se ne kodira sam bit informacije, već njena promjena. Struktura sistema za prenos podataka koji koristi DBPSK prikazana je na slici 9.

Slika 9: Struktura sistema za prijenos podataka koji koristi DBPSK

Originalni tok bitova prolazi kroz diferencijalno kodiranje, nakon čega se modulira pomoću BPSK i demodulira na strani prijema nekomherentnim BPSK demodulatorom. Demodulirani tok prolazi kroz diferencijalni dekoder i prima primljeni tok.
Razmotrite diferencijalni enkoder prikazan na slici 10.

Slika 10: Diferencijalni enkoder

Zbrajanje se vrši po modulu dva, što odgovara logičkom XOR (isključivo OR). Oznaka znači kašnjenje od jednog bita informacije. Primjer diferencijalnog kodiranja prikazan je na slici 11.

Slika 11: Primjer kodiranja diferencijalnog bitstreama

Originalni bitstream je 011100101, na izlazu diferencijalnog enkodera dobili smo 010111001. Prvi bit (u datom primjeru prva 0 nije kodirana), zatim se prvi dodaje po modulu dva prethodnog bita na izlazu enkoder i trenutni bit na ulazu. Za diferencijalno dekodiranje potrebno je uraditi suprotan postupak prema šemi prikazanoj na slici 12 (struktura diferencijalnog dekodera je prikazana na slici 9).

Slika 12: Primjer diferencijalnog bitstream dekodiranja

Kao što možete vidjeti iz kodiranog toka bitova 010111001, dobili smo originalni 011100101. Razmotrimo sada diferencijalni dekoder ako invertujemo sve bitove kodiranog toka na prijemnoj strani, tj. umjesto 010111001 uzet ćemo 101000110. Ovo je jasno prikazano na slici 13.

Slika 13: Primjer diferencijalnog dekodiranja sa inverzijom primljenog toka

Iz slike 13 jasno proizlazi da kada se svi bitovi informacija pomiješaju na izlazu diferencijalnog dekodera, informacija nije izobličena (osim prvog bita prikazanog crvenom bojom), a to je nesumnjiva prednost DBPSK-a, koji omogućava značajno pojednostavljenje uređaja za prenos i prijem. Ali mora se reći io nedostacima diferencijalnog kodiranja. Glavni nedostatak DBPSK-a u odnosu na BPSK je njegova niža otpornost na buku, jer se greške prijema umnožavaju tokom faze dekodiranja.
Pogledajmo primjer. Pretpostavimo da je originalni tok 011100101, kodirani tok je 010111001. Pretpostavimo da je četvrti bit kodiranog toka primljen s greškom prilikom prijema, tada će na ulazu dekodera biti 010101001. I kao rezultat dekodiranja, dva cela bita će biti dekodirana sa greškom (vidi sliku 14).

Slika 14: Množenje grešaka prijema sa DBPSK dekodiranjem

Tako smo pogledali signale binarnog pomaka faze (BPSK) i pokazali da je BPSK poseban slučaj PSK sa ulaznim signalom u obliku toka bipolarnih impulsa, koji je degenerisan i redukuje se u DSB signal. Ispitivali smo BPSK spektar i njegove spektralne karakteristike: širinu glavnog režnja, nivo bočnih režnjeva. Uveden je i koncept relativnog ili diferencijalnog binarnog faznog pomaka (DBPSK), koji eliminiše inverziju simbola tokom nekoherentnog prijema u fazi dekodiranja, ali pogoršava otpornost DBPSK na buku u odnosu na BPSK zbog umnožavanja grešaka u fazi dekodiranja. .

Sa digitalnim faznim pomakom, faza nosioca S (t) razlikuje se od trenutne faze nemoduliranog nosećeg vala za konačni broj vrijednosti u skladu sa simbolima prenesene poruke SA (t) :

Postoje dvije vrste faznog pomaka - binarni (binarni) fazni pomak (BPSK) i kvadraturni fazni pomak (QPSK).

4.2.1 Binarni fazni pomak. Razlikovati apsolutnu (dvostepenu) (AFMP) i relativnu (diferencijalnu) (OFMP) faznu manipulaciju. Kod AFMP-a (slika 4.7, c), faza nosioca se mijenja na svakoj ivici odašiljanih signala. Rezultirajući signal izgleda ovako (za period od jednog bita):

Binarno 1

Binarno 0

Signalna konstelacija DPSK signala koja odgovara izrazu (4.19) prikazana je na slici (4.8).

Crtanje. 4.7 - Apsolutni i relativni fazni pomak

Crtanje. 4.8 - Signalna konstelacija DPSK signala

Treba napomenuti da je BPMD jedan od najjednostavnijih oblika digitalnog ključanja i da se široko koristi u telemetriji pri generiranju širokopojasnih signala. Glavni nedostatak DPSK-a je to što se pri manipulaciji signalom pravokutnog talasa dobijaju vrlo oštri prijelazi i kao rezultat toga signal zauzima vrlo širok spektar. Većina BPSK modulatora primjenjuje određene vrste filtriranja koje čine fazne prijelaze manje naglim, sužavajući tako spektar signala. Operacija filtriranja se gotovo uvijek izvodi na modulirajućem signalu prije manipulacije (slika 4.9).

Slika 4.9 - Funkcionalni dijagram formiranja DFMP radio signala

Takav filter se obično naziva osnovni filter. Međutim, kada se filtriranjem smanji frekventni opseg koji zauzima radio signal, mora se uzeti u obzir nastali problem međusimbolskih smetnji.

Ovdje se, nakon modulatora, dodaju pojačalo snage radio signala i uskopojasni visokopropusni filter. Glavna svrha filtera je da priguši zračenje predajnika na frekvencijama koje su višestruke od osnovne frekvencije nosećeg vala; opasnost od takvih emisija je zbog nelinearnih efekata u pojačivaču snage, koji se obično javljaju i pojačavaju kada se pokušava povećati efikasnost ovog pojačala. Često se ovaj filter koristi u isto vrijeme za prijemnik - potiskuje jake vanjske signale izvan frekventnog opsega željenih radio signala prije pretvaranja frekvencije naniže.

4.2.2 Kvadraturni fazni pomak (QPSK). U BPSK, jedan simbol kanala nosi jedan preneseni bit. Međutim, kao što je gore navedeno, jedan simbol kanala može nositi više bitova informacija. Na primjer, par uzastopnih bitova može imati četiri vrijednosti: (0, 0) (0, 1) (1, 0) (1, 1).

Ako se za prijenos svakog para koristi jedan simbol kanala, tada su potrebna četiri simbola kanala, recimo ( s 1 (t), s 2 (t), s 3 (t), s 4 (t)), dakle M= 4. U ovom slučaju, brzina prijenosa simbola u komunikacijskom kanalu ispada dva puta manja od brzine pristizanja bitova informacija na ulaz modulatora i stoga svaki simbol kanala sada može zauzeti vremenski interval trajanja T sa = 2T b. Sa M-arnim faznim pomakom, radio signal se može zapisati u sljedećem obliku:

Evo (t) može uzeti vrijednosti iz skupa:

gdje - proizvoljna početna faza.

U daljem tekstu, umjesto o četiri simbola kanala ili četiri radio signala, govorit ćemo o jednom radio signalu, čija kompleksna amplituda može poprimiti četiri naznačene vrijednosti, prikazane na slici 4.10 u obliku signalne konstelacije.

Svaka grupa od dva bita je predstavljena odgovarajućim faznim uglom, svi fazni uglovi su međusobno udaljeni 90°. Može se primijetiti da je svaka signalna točka udaljena od realne ili imaginarne ose = 45 °.

Signali KFMP-4 mogu se generisati pomoću uređaja čiji je funkcionalni dijagram prikazan na slici 4.11, a vremenski dijagrami njegovog rada prikazani su na slici 4.12.

Slika 4.10 – Konstelacija signala KFMP-4 radio signala

Niz odaslanih bitova 1, 0, 1, 1, 0, 0, 1, 0, 0, 1, 1, 0, ... je podijeljen u dva niza neparnih 1, 1, 0, 1, 0, 1 , ... pa čak i 0, 1, 0, 0, 1, 0, ... bitova pomoću demultipleksera DD1.

Bitovi sa istim brojem u ovim nizovima formiraju parove koji se zgodno posmatraju kao složeni bitovi; pravi dio složenog bita je dio u neparnom nizu I, i imaginarni dio Q- malo ravnomjeran niz. U ovom slučaju, bitovi neparnog niza u grani u fazi odlažu se neko vrijeme Tb uređaj DD2... Nadalje, trajanje svake sekvence se smanjuje na vrijednost 2 Tb ekstenderi DD3 i DD4.

Kompleksni bitovi dobijeni na ovaj način se pretvaraju u složeni niz pravokutnih električnih impulsa u trajanju od 2 Tb sa vrijednostima od +1 ili -1 njihovih stvarnih i imaginarnih dijelova, koji se koriste za modulaciju exp nosioca (
). Rezultat je KFMP-4 radio signal.

Crtanje. 4.11 - Funkcionalni dijagram uređaja za formiranje KFMP-4

radio signal

Slika 4.12 – Vremenski dijagrami prilikom formiranja KFMP-4

radio signal

Dijagram faznog prelaza za KFMP-4 prikazan je na slici 4.13.

Slika 4.13 - Dijagram faznih prelaza za KFMP-4 radio signal

Na ovom dijagramu, signalna tačka sa koordinatama (+1, +1) nalazi se na liniji koja sa koordinatnim osovinama čini ugao od +45° i odgovara prenosu simbola +1 i +1 u kvadraturnim kanalima modulator. Ako je sljedeći par znakova ( - 1, +1), što odgovara uglu + 135 °, zatim od tačke (+1, +1) do tačke ( - 1, + 1), možete nacrtati strelicu koja karakterizira prijelaz faze radio signala sa vrijednosti +45 na vrijednost +135°. Korisnost ovog dijagrama može se ilustrovati sljedećim primjerom. Iz slike 4.13 proizilazi da četiri fazne putanje prolaze kroz nultu vrijednost. Na primjer, prijelaz iz točke konstelacije (+1, +1) u tačku (-1, -1) znači promjenu od 180° u trenutnoj fazi visokofrekventnog vala nosioca. Budući da je uskopojasni visokopropusni filtar obično instaliran na izlazu modulatora (vidi sliku 4.9), takva promjena faze signala je praćena značajnom promjenom vrijednosti ovojnice signala na izlazu ovog filtera. a samim tim i u cijelom dalekovodu. Nedosljednost vrijednosti ovojnice radio signala je nepoželjna u digitalnim prijenosnim sustavima iz mnogo razloga. Ofsetni CPMF nema ovog nedostatka.

4.2.3 Offset kvadratura faznog pomaka. Ova metoda oblikovanja signala je skoro potpuno analogna kvadraturnoj metodi formiranja QPSK-4 signala, ali sa jedinom razlikom što se podsekvenca u kvadraturnoj grani pomjera u vremenu (kašnjenju) s vremenom T b ili, ekvivalentno, pola trajanja simbola kanala. Da biste implementirali ovu metodu, morate ukloniti element vremenske odgode T b DD2 u grani u fazi. Sa takvom promjenom, kvadraturni niz simbola kanala će biti odgođen za vrijeme T sa relativno u fazi podsekvencije (Slika 4.14).

Slika 4.14 – Vremenski dijagrami prilikom formiranja KFMP-4

offset radio signala

Kao rezultat toga, na dijagramu faznog prijelaza (Slika 4.15) za ovu metodu manipulacije nema putanja koje prolaze kroz nultu vrijednost. To znači da trenutna faza radio signala nema skokova za +180° i, prema tome, omotač ovog signala nema duboke padove, kao što je bio slučaj sa QFMP-4 (slika 4.11).

Slika 4.15 - Dijagram faznih prelaza radio signala KFMP-4

offset

4.2.4 KFMP-8 signali. Tok bitova informacija koji pristižu na ulaz modulatora može se podijeliti u grupe od 3, 4 bita, itd., zatim formirajući signale KFMP-8, KFMP-16, itd. Slika 4.16 prikazuje konstelaciju signala za KFMP-8 radio signal.

Slika 4.16 - Konstelacija signala za KFMP-8 radio signal

Ova metoda modulacije zahtijeva osam kanalnih simbola, čije se početne faze razlikuju od trenutne faze nemoduliranog nosećeg vala za umnožak od 45°. Ako su amplitude svih simbola kanala iste, tada se signalne tačke nalaze u krugu. Moguće vrijednosti stvarnih i imaginarnih dijelova kompleksnih amplituda ovih simbola proporcionalne su koeficijentima I i Q uzimajući vrijednosti iz skupa

. (4.23)

Pitanje uspostavljanja korespondencije između tačaka signalne konstelacije i tripleta bitova informacija nije sasvim jednostavno. Ovaj proces se obično naziva kodiranje signala. V U tabeli 4.1 prikazan je primjer takvog podudaranja, koje je moguće, ali ne i najbolje, jer da biste uspostavili najbolje podudaranje, prvo morate odrediti kako demodulirati takav signal u prisustvu smetnji, a zatim izračunati vjerovatnoću greške pri prijemu ili jedan simbol kanala ili jedan informacioni bit. Najboljim se može nazvati metoda kodiranja signala u kojoj je vjerovatnoća greške najmanja.

Tabela 4.1 – Korespondencija između tačaka konstelacije i trojki od _ bitova informacija

Na slici 4.17 prikazan je funkcionalni dijagram uređaja za generisanje radio signala KFMP-8.

Rad oblikovnika je sljedeći: demultiplekser DD1 dodjeljuje ulazni tok informacijskih bitova trajanja Tb na tri niza, elemente kašnjenja DD2 i DD3 uskladiti u vremenu ove podsekvence, ekspandere DD4- DD6 povećati trajanje svakog simbola na vrijednost trajanja simbola kanala T c = 3 T b. Kodiranje signala u ovom slučaju se svodi na izračunavanje vrijednosti infazne i kvadraturne komponente kompleksne ovojnice QFMP-8 radio signala. Ovu operaciju izvodi enkoder signala, koji uključuje transkoder DD7 ima dva digitalna izlaza sa 3 - bitne riječi, koje u digitalno-analognim pretvaračima (DAC) DD1 iDD2 pretvorene u analogne vrijednosti sa traženim vrijednostima (4.23).

Slika 4.17 - Funkcionalni dijagram uređaja za formiranje

KFMP-8 radio signal

4.2. 5 π / 4 - Kvadraturni Phase Shift Keying. Sa KFMP-4 i KFMP-4 sa pomakom, maksimalna promjena trenutne faze radio signala je 180° i 90°, respektivno. Trenutno u širokoj upotrebi π / 4-kvadraturni fazni pomak, pri kojem je maksimalni fazni skok 135°, a sve moguće vrijednosti trenutne faze radio signala su višekratnici π / 4. Nijedna putanja faznog prijelaza za ovu metodu modulacije ne prolazi kroz ishodište. Kao rezultat toga, RF omotač ima manje padove u odnosu na QPSK. Funkcionalni dijagram uređaja za formiranje takvog radio signala prikazan je na slici 4.18.

Slika 4.18 - Funkcionalni dijagram uređaja za formiranje

radio signal sa π / 4-kvadraturnim relativnim

fazni pomak

Niz bitova informacija ( n i, i = 1,2, ...) je podijeljen u dva podniza: neparan ( n 2 i-1, i = 1,2, ...) i paran ( n 2 i, i = 1, 2, ...) bitova, od kojih su bitovi odabrani u parovima. Svaki novi par takvih bitova definira fazni prirast nosilac vibracije po vrijednosti
prema tabeli 4.2

Tabela 4.2 - Povećanje faze nosioca od vrijednosti bita

Ako uvedemo notaciju za odstupanje faze radio signala od faze nemoduliranog nosećeg vala u prethodnom intervalu, tada se nove vrijednosti devijacije faze ovog signala i kompleksne amplitude u trenutnom intervalu određuju pomoću jednakosti:

Kao rezultat, vrijednosti stvarnih i imaginarnih dijelova kompleksne ovojnice ovog signala u trenutnom vremenskom intervalu u trajanju od 2 T b ispostavilo se da su jednaki:

(4.24)

(4.25)

Iz jednakosti (4.24), (4.25) slijedi da su moguće vrijednosti faze na intervalu sa brojem i zavisi od vrednosti faze radio signala u intervalu sa brojem ( i- 1). Prema tabeli 4.2, nove vrijednosti su višekratnici π / 2.

Slika 4.19, a prikazuje konstelaciju mogućih signalnih tačaka za interval sa brojem i, ako
; slična konstelacija za slučaj kada je prikazana na slici 4.19, b. Opšta konstelacija signalnih tačaka za ovu metodu modulacije prikazana je na slici 4.19, c i dobijena je superponiranjem slika 4.19, a, b jedna na drugu. Na slici 4.19, u, smjerovi prijelaza nisu označeni strelicama, jer su za svaki prijelaz mogući smjerovi u oba smjera.

Slika 4.19 - Signalne konstelacije radio signala sa π / 4-kvadraturom

relativna manipulacija

Također je važno naglasiti da kod ove metode modulacije svaki novi par bitova informacija ne određuje punu fazu nosećeg vala, već samo prirast ove faze za interval sa brojem i u odnosu na punu fazu kompleksne ovojnice u intervalu sa brojem ( i- 1). Takve tehnike modulacije se nazivaju relativno.

4.2. 6 Spektar PMF signala. Označavajući modulirajući signal kroz C (t), modulirani signal zapisujemo u sljedećem obliku:

Tokom modulacije, takav signal mijenja svoju početnu fazu od -  /2 prije +  /2 i obrnuto pri promjeni modulirajućeg signala C (t) od 0 prije 1 i nazad.

Vrijednost

, (4.27)

karakteriziranje maksimalnog odstupanja faze od srednje vrijednosti naziva se indeks faznog pomaka. Nakon trigonometrijskih transformacija, izraz (4.26) se može zapisati na sljedeći način:

Za pronalaženje spektra FMF signala, dovoljno je pronaći spektre funkcije cos ( C (t)) i grijeh ( C (t))... Ova metoda je prikladna za sve situacije. U ovom slučaju, tj. za pravokutne modulirajuće impulse, možete koristiti jednostavniju vizualnu metodu za izračunavanje.

Slika 4.7, b-d pokazuje da je signal sa uključenom manipulacijom 180  može se smatrati zbirom AMP signala sa dvostruko većom amplitudom od nemoduliranog valnog oblika, čija je faza suprotna fazi nosioca AMP signala. Ovaj obrazac se može generalizirati na slučaj bilo koje vrijednosti faznog skoka ( <> 180  ) ... Posljedično, FMP pod kutom  može se smatrati zbirom AMP signala i nemoduliranog nosioca. Dakle, možemo zaključiti da se spektar signala faznog ključa po obliku poklapa sa spektrom AMF signala (sa izuzetkom nosioca).

Ako koristimo bilo koju od dvije gore razmatrane metode, izrazi za FMF spektar imaju oblik

Iz izraza (4.29) se može vidjeti da amplitude svih spektralnih komponenti zavise od veličine faznog skoka  i radni ciklus niza impulsa.

Za FMP uključen  = 180  dobijaju se jednostavniji izrazi:

. (4.30)

Primjeri spektra izračunatih pomoću izraza (4.29) i (4.30) prikazani su na slici 4.20.

Slika 4.20 - Spektri PMF signala

Kao što se vidi iz gornjih spektra, traženi frekventni opseg je duplo širi nego za video impulse, tj.

ω = 2 /  ili F = 2 / , (4.31)

i na FMF-u dalje  = 180 i Q = 2 nema nosioca u spektru.

Kao što smo vidjeli, pri prijenosu diskretnih poruka ne koristi se samo dvopozicijski FMP. Metode kvadraturnog četveropozicijskog i osmopozicijskog FMP-a se sve više koriste. Veličine faznog skoka signala u ovim slučajevima mogu imati 4 odnosno 8 vrijednosti. Za takve slučajeve vrijede i gore dobiveni rezultati. Spektar bočnih traka, zadržavajući isti oblik, mijenjat će svoju amplitudu s promjenom veličine skoka.

Za složenije slučajeve, kada se izmjenjuju fazni skokovi različitih veličina, gornje formule ne vrijede. Spektar može značajno varirati.

Signal sa pomakom faze ima oblik:

gdje su i konstantni parametri, je frekvencija nosioca.

Informacije se prenose kroz fazu. Pošto tokom koherentne demodulacije postoji nosilac u prijemniku, trenutni fazni pomak se izračunava poređenjem signala (3.21) sa nosiocem. Promjena faze je jedan prema jedan sa informacijskim signalom.

Binarni fazni pomak(BPSK - Binarni Phase Shift Keying)

Skup vrijednosti informacijskog signala stavlja se u korespondenciju jedan-na-jedan sa skupom promjena faze. Kada se vrijednost informacijskog signala promijeni, faza radio signala se mijenja za 180º. Dakle, BPSK signal se može zapisati kao

dakle, ... Dakle, za izvođenje BPSK, dovoljno je pomnožiti signal nosioca sa informacijskim signalom koji ima više vrijednosti. Na izlazu modulatora signali

, .

Rice. 3.38. BPSK vremenski talasni oblik i konstelacija:

a - digitalna poruka; b - modulirajući signal; c - modulisana VF oscilacija; d - signalna konstelacija

Talasni oblik i njegova konstelacija prikazani su na slici 3.38.

Diferencijalni (relativni) BPSK (DBPSK) je podvrsta porodice BPSK. Potreba za relativnom modulacijom nastaje zbog činjenice da većina shema obnavljanja nosioca dovodi do fazne dvosmislenosti obnovljenog nosioca. Kao rezultat oporavka, može se formirati trajni fazni pomak, višestruki od 180º. Poređenje primljenog signala sa oporavljenim nosiocem će u ovom slučaju dovesti do inverzije (promjena vrijednosti svih bitova na suprotno). Ovo se može izbjeći kodiranjem ne apsolutnog pomaka faze, već njegove promjene u odnosu na vrijednost u prethodnom intervalu bita. Na primjer, ako se na trenutnom intervalu bita vrijednost bita promijenila u odnosu na prethodnu, tada se vrijednost faze moduliranog signala mijenja za 180º, ako ostane ista, tada se ni faza ne mijenja.

Spektralna gustina snage BPSK signala je ista kao i OOK signala, osim odsustva signala nosioca u spektru:

, (3,22)

Kvadraturni fazni pomak(QPSK - Quadrature Phase Shift Keying)

Kvadraturni fazni pomak (QPSK) je četverostepeni fazni pomak (= 4) u kojem faza visokofrekventne oscilacije može poprimiti 4 različite vrijednosti sa korakom koji je višekratnik π/2.

Odnos između pomaka faze modulirane oscilacije od skupa i mnogo simbola (dibita) digitalne poruke postavljeno u svakom slučaju standardom za radio kanal i prikazano signalnom konstelacijom Slika 3.39. Strelice pokazuju moguće prijelaze iz jednog faznog stanja u drugo.

Iz slike se može vidjeti da je korespondencija između vrijednosti simbola i faze signala uspostavljena na način da se u susjednim tačkama signalne konstelacije vrijednosti odgovarajućih simbola razlikuju samo u jedan bit. Prilikom odašiljanja u bučnom okruženju, najvjerovatnija greška će biti određivanje faze susjedne točke sazviježđa. Uz navedeno kodiranje, uprkos činjenici da je došlo do greške u određivanju značenja simbola, to će odgovarati grešci u jednom (a ne dva) bita informacije. Time se postiže smanjenje vjerovatnoće bitne greške. Ova metoda kodiranja naziva se Grey kod.

Svaka vrijednost faze moduliranog signala odgovara 2 bita informacije, te se stoga promjena modulirajućeg signala kod QPSK modulacije događa 2 puta manje nego kod BPSK modulacije pri istoj brzini prijenosa informacija. Poznato je da se spektralna gustina snage signala na više nivoa poklapa sa spektralnom gustinom snage binarnog signala kada se interval simbola zamijeni simbolom ... Za 4-stepenu modulaciju = 4 i stoga.

Spektralna gustina snage QPSK signala sa modulirajućim signalom s pravokutnim impulsima na osnovu (3.22) određena je izrazom:

.

Iz ove formule se može vidjeti da je udaljenost između prvih nula spektralne gustine snage QPSK signala 2 puta manja nego kod BPSK signala. Drugim riječima, spektralna efikasnost QPSK modulacije je 2 puta veća od one kod BPSK binarne modulacije.

QPSK signal se može napisati kao

gdje .

QPSK signal se može predstaviti kao infazne i kvadraturne komponente

gdje je komponenta u fazi th simbola,