Modulacija signala. Manipulacija frekvencijom, fazom, amplitudom

Modulacija- proces promjene jednog ili više parametara oscilacije visokofrekventnog nosioca prema zakonu niskofrekventnog informacijskog signala (poruke).
Prenesena informacija ugrađena je u upravljački signal, a ulogu nositelja informacija obavlja visokofrekventna vibracija, nazvana nosač. Modulacija je, dakle, proces "slijetanja" informacijskog valnog oblika na poznati nosač.
Kao rezultat modulacija spektar niskofrekventnog kontrolnog signala prenosi se u visokofrekventno područje. To omogućuje da se pri organiziranju emitiranja podesi rad svih odašiljačkih i prijamnih uređaja na različitim frekvencijama kako ne bi međusobno "ometali".
Kao nosač mogu se koristiti vibracije raznih oblika (pravokutni, trokutasti i sl.), ali se najčešće koriste harmonijske vibracije. Ovisno o tome koji se od parametara oscilacije nositelja mijenja, razlikuje se vrsta modulacije (amplituda, frekvencija, faza itd.). Modulacija s diskretnim signalom naziva se digitalna modulacija ili keying.
Postoje sljedeće vrste manipulacija:
Frekventni pomak
Fazni pomak
Tipkanje s pomakom amplitude
Kvadraturna amplituda s pomakom
Frekvencijski pomak (FSK) koristi se za prijenos telegrafskih signala preko radio kanala, koji su slijed pravokutnih elementarnih strujnih (pozitivnih) i bezstrujnih (negativnih) poruka. Za razliku od radio signala manipulacije amplitudom, kada odašiljač emitira elektromagnetske oscilacije samo uz prijenos struje, na FT se zračenje radio signala događa kontinuirano i sa strujnim i bez strujnih prijenosa. Stoga se ova metoda manipulacije ponekad naziva radom s aktivnom pauzom.

Slika 1 Digitalna modulacija (tipka)
Pri prelasku s trenutne poruke na bestrujnu i obrnuto, amplitude visokofrekventnog titranja ostaju konstantne, a samo se njegova frekvencija mijenja za neku konstantnu vrijednost fc, što se naziva pomak frekvencije.
Trenutno su najčešće korišteni sustavi frekvencijske telegrafije s frekvencijskim pomacima od 125 (ChT-125), 250 (ChT-250) 500 (ChT-500), 1000 (ChT-1000), 1500 (ChT-1500) Hz. U ovom slučaju, odstupanje frekvencije fm uzbudnika u odnosu na nominalnu (prosječnu) frekvenciju titranja odašiljača je, respektivno, + 62,5 Hz; + 125 Hz; + 500 Hz; +750 Hz.
Prosječna frekvencija fo naziva se nositelj (nominalno frekvencija. Treba napomenuti da se pojam "noseća frekvencija" u frekvencijskoj telegrafiji uvodi prilično uvjetno, budući da tijekom FH prijenos nikada ne radi na frekvenciji fo. Svrsishodnost uvođenja ovog Termin je posljedica samo činjenice da je frekvencija nositelja brojčano jednaka prosječnom frekvencijskom spektru frekvencija na izlazu odašiljača i stoga je nazivna radna frekvencija odašiljača.
Spektar FT signala ne ovisi samo o brzini telegrafije (o osnovnoj frekvenciji telegrafije), već i o veličini pomaka frekvencije i načinu generiranja FT signala. Postoje dva glavna načina formiranja QT signala: s faznim razmakom visokofrekventnih oscilacija i bez njegovog prekida.
U prvom slučaju, FT signal nastaje naizmjeničnim spajanjem dva neovisna izvora visokofrekventnih oscilacija na put pojačala odašiljača. Jedan od izvora generira oscilacije određene frekvencije i uključuje se kada nema trenutnih (negativnih) parcela primarnog signala. Drugi generira oscilacije s frekvencijom koja se razlikuje od prve frekvencije (pomaknuta u odnosu na frekvenciju) za vrijednost fc. Ovaj izvor je povezan sa trenutnim (pozitivnim) prijenosima primarnog signala.
Budući da su oba izvora visokofrekventnih oscilacija neovisna, tijekom prebacivanja faza oscilacija poprima proizvoljnu vrijednost, t.j. dolazi do prekida faze.
U drugoj metodi generiranja signala koristi se jedan izvor visokofrekventnih oscilacija, koji kod bezstrujnih (negativnih) prijenosa primarnog signala generira oscilacije frekvencije fa, a kod strujnih (pozitivnih) - oscilacije s a frekvencija fv. Budući da se koristi jedan izvor, promjena frekvencije titranja događa se kontinuirano, bez prekida faze visokofrekventnog titranja. 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 emisijskoj 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 - Morseova azbuka - najčešće se prenose pomoću amplitudne tipke. U odašiljaču se ova metoda najjednostavnije implementira u usporedbi s 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, tako da se na izlazu može razlikovati audio frekvencija prijemnika. Prikladni prijemnici su direktna konverzija, regenerativni u načinu generiranja i superheterodinski s dodatnim "telegrafskim" lokalnim oscilatorom.
Amplituda visokofrekventnog signala na izlazu radio odašiljača poprima samo dvije vrijednosti: uključeno i isključeno. Sukladno tome, uključivanje ili isključivanje ("ključavanje") obavlja operater pomoću telegrafskog ključa ili pomoću automatskog generatora telegrafskih poruka (senzor Morseovog koda, računalo). Omotnica radio impulsa (elementarna poruka - točke i crtice) u praksi, naravno, nije pravokutna (kao što je shematski prikazano na slici), već ima glatke prednje i zadnje rubove. U suprotnom, frekvencijski spektar signala može postati neprihvatljivo širok, a osjećaju se neugodni klikovi kada se signal prima uho.

Fazno manipulirano signal izgleda ovako:

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

Ako M= 2, tada se poziva fazna tipka 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 promatrati kao linearna kombinacija dvaju ortonormiranih signala y 1 i y 2.

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

U prethodnom članku vidjeli smo da možemo koristiti diskretne promjene amplitude ili frekvencije nositelja kao način predstavljanja jedinica i nula. Nije iznenađujuće da digitalne podatke također možemo predstaviti pomoću faze; ova tehnika se naziva fazno pomaknuto ključanje (PSK).

Binarni fazni pomak

Najjednostavniji tip PSK naziva se binarni fazni pomak (BPSK), pri čemu se "binarni" odnosi na korištenje dvaju faznih pomaka (jedan za logičku jedinicu i jedan za logičku nulu).

Intuitivno možemo prepoznati da će sustav biti pouzdaniji ako je razmak između dvije faze velik - 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 okretanje; stoga, možemo zamisliti BPSK kao jednostavno invertiranje signala nositelja kao odgovor na jedno logičko stanje i ostavljajući ga u izvornom stanju kao odgovor na drugo logičko stanje.

Da bismo poduzeli sljedeći korak, prisjetimo se da je množenje sinusoide negativnom isto što i obrnuto. To omogućuje implementaciju BPSK-a pomoću sljedeće osnovne hardverske konfiguracije:

Osnovna shema za dobivanje BPSK signala

Međutim, ovaj dizajn može lako dovesti do velikih nagiba prijelaza u valnog oblika nosioca: ako se prijelaz između logičkih stanja dogodi kada je nositelj na svojoj maksimalnoj vrijednosti, napon signala nosioca trebao bi brzo ići na svoju minimalnu vrijednost.

Visok nagib BPSK valnog oblika kada se promijeni logičko stanje modulirajućeg valnog oblika

Ovi događaji velikog nagiba su nepoželjni jer stvaraju energiju u visokofrekventnim komponentama koje mogu interferirati s drugim RF signalima. Osim toga, pojačala imaju ograničenu sposobnost stvaranja naglih promjena izlaznog napona.

Ako preciziramo gornju implementaciju s dvije dodatne funkcije, možemo osigurati glatke prijelaze između znakova. Prvo, moramo biti sigurni da je period digitalnog bita jednak jednom ili više potpunih perioda signala nositelja. Drugo, moramo sinkronizirati digitalne prijelaze na signal nosioca. S ovim poboljšanjima mogli bismo dizajnirati sustav tako da se promjena faze od 180° dogodi kada je signal nosača na (ili blizu) nultom križanju.

QPSK

BPSK prenosi jedan bit po znaku, na što smo navikli. Sve što smo raspravljali u vezi s digitalnom modulacijom pretpostavlja da se signal nosioca mijenja ovisno o tome je li digitalni napon logički nizak ili visok, a prijamnik ponovno stvara digitalne podatke, tumačeći svaki znak kao 0 ili 1.

Prije rasprave o kvadraturnom faznom pomaku (QPSK), moramo uvesti sljedeći važan koncept: nema razloga zašto jedan simbol može odašiljati samo jedan bit. Istina je da je svijet digitalne elektronike izgrađen oko sklopova u kojima je napon u jednoj ili drugoj krajnosti, tako da je napon uvijek jedan digitalni bit. Ali radio signal nije digitalan; umjesto toga, koristimo analogne signale za prijenos digitalnih podataka, i sasvim je prihvatljivo dizajnirati sustav 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 odašiljača do prijemnika. Nedostatak je složenost sustava. (Možda mislite da je QPSK podložniji pogreškama u bitu od BPSK jer ima manji razmak između mogućih vrijednosti. Ovo je razumna pretpostavka, ali ako pogledate njihovu matematiku, ispada da su vjerojatnosti pogreške zapravo vrlo slične .)

Varijante

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

Fazni skokovi

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

Ovaj se problem 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 skok faze 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 uključen u modulacijsku shemu zvanu frekvencijska modulacija s minimalnim pomakom (MSK), kao i MSK poboljšanje poznato kao Gaussian 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 tijekom vremena. Faza je, međutim, relativna u smislu da nema univerzalnu referentnu točku - odašiljač generira promjene faze u odnosu na jednu točku u vremenu, a prijemnik može interpretirati promjene faze u odnosu na drugu točku 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 razlike u fazama (osim ako prijemnik ne uključuje krug za oporavak nosioca).

Diferencijalni QPSK (DQPSK, diferencijalni QPSK) je opcija koja je kompatibilna s nekoherentnim prijemnicima (tj. prijemnicima koji ne sinkroniziraju demodulacijski generator s modulacijskim generatorom). Diferencijalni QPSK kodira podatke stvaranjem specifičnog odstupanja faze od prethodnog simbola tako da shema demodulacije analizira fazu simbola koristeći referentnu točku koja je zajednička i prijamniku i odašiljaču.

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 prijenosa podataka (ili postiže istu brzinu prijenosa podataka s pola propusnosti).
• Offset kvadraturno otkazivanje s pomakom faze (OQPSK), π / 4-QPSK, minimalno fazno pomakanje (MSK) su modulacijske sheme koje ublažavaju učinke promjena napona nosioca visokog nagiba tijekom prijelaza simbola.
• Diferencijalni QPSK (DQPSK) koristi faznu razliku između susjednih simbola kako bi se izbjegli problemi povezani s nedostatkom fazne sinkronizacije između odašiljača i prijemnika.

Rekli smo da se ovi signali dobivaju kao poseban slučaj frekvencijske modulacije s 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 razmotriti PSK signale ključa faznog pomaka ako primijenimo digitalni signal kao modulacijski signal na fazni modulator. Ovaj će se članak usredotočiti 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

Razmotrimo 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, u kojem odgovara informacijska logička nula, a donji graf prikazuje bipolarni digitalni signal, u kojem odgovara informacijska logička nula.
Primijenimo digitalni signal kao modulacijski signal na fazni modulator, kao što je prikazano na slici 2, s faznom devijacijom jednakim rad.

Slika 2: Oblikovanje BPSK signala na temelju faznog modulatora

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

Slika 3: Pojednostavljeni blok dijagram BPSK modulatora

Pažljivi čitatelj primijetit će da je ova shema potpuno ista kao i prethodno razmatrana shema AM sa supresijom nosioca (DSB), s modulirajućim signalom. Grafičke objašnjenja BPSK oblikovalnika prikazane su na slici 4.

Slika 4: Objašnjenje BPSK modulatora

Informacije se prenose brzinom bit/s, trajanje jednog impulsa digitalne informacije je jednako. Izvorni modulirajući signal se množi s valnim oblikom nositelja (na slici) i dobivamo fazni signal s faznim skokom za rad. Uočili smo isti fazni skok tijekom formiranja DSB signala. Dakle, BPSK modulacija je degenerirani tip faznog pomaka koji se podudara s uravnoteženom amplitudnom modulacijom u bipolarnom digitalnom signalu osnovnog pojasa.

Spektar i vektorski dijagram BPSK signala

Budući da se BPSK signal može smatrati DSB signalom, njegov spektar je spektar digitalnog bipolarnog signala baznog pojasa 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 izvornog osnovnog signala.

Dakle, glavni režanj BPSK spektra ima širinu jednaku dvostrukoj brzini prijenosa informacija, simetričan je s obzirom na frekvenciju nositelja. Razina maksimalnog (prvog) bočnog režnja spektra je -13 dB. Također možete reći da je širina bočnih režnja.
Razmotrimo vektorski dijagram BPSK signala. Prema izrazu (1), komponenta u fazi kompleksne ovojnice BPSK signala jednaka je, a kvadraturna komponenta je. Kada to poprimi vrijednosti, tada je vektorski dijagram BPSK signala prikazan na slici 7.

Slika 7: Vektorski dijagram BPSK signala

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

Relativni (diferencijalni) binarni fazni pomak (DBPSK)

Prilikom prijenosa informacija pomoću BPSK-a, sustavi za praćenje su potrebni za demodulaciju signala. U ovom slučaju se često koriste nekoherentni prijemni uređaji koji nisu fazno usklađeni s glavnim oscilatorom na odašiljačkoj strani, te, sukladno tome, ne mogu pratiti nasumičnu rotaciju faze kao rezultat širenja koje ide izvan intervala. Na primjer, razmotrite sliku 8.

Slika 8: Objašnjenja za nekoherentan BPSK prijem

Izvorni 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 onu. Kao rezultat širenja, signal će dobiti slučajnu početnu fazu i konstelacija će se rotirati za određeni kut. Slika 8b prikazuje slučaj kada se rotacija sazviježđa nalazi u rasponu od do rad. U tom slučaju, s nekoherentnim prijemom, cijela konstelacija će se rotirati kao što je prikazano strelicama na slici 8b. Zatim, nakon okretanja, sazviježđe će zauzeti svoj izvorni položaj i informacije će biti ispravno demodulirane. Slika 8e prikazuje slučaj kada se rotacija sazviježđa nalazi u rasponu od do rad. U tom slučaju, nakon prijema, sazviježđe će se također zarotirati za vodoravni položaj, ali kao što slijedi sa slike 8f, informacijske nule i jedinice će biti pobrkane.
Kako bi se eliminirala zbrka informacijskih simbola, koristi se relativno ključanje ili kako se još naziva diferencijalni BPSK (DBPSK). Bit relativne manipulacije je da se ne kodira sam bit informacije, već njezina promjena. Struktura sustava za prijenos podataka koji koristi DBPSK prikazana je na slici 9.

Slika 9: Struktura sustava za prijenos podataka koji koristi DBPSK

Izvorni tok bitova prolazi kroz diferencijalno kodiranje, nakon čega ga modulira BPSK i demodulira na prijemnoj strani nekoherentnim BPSK demodulatorom. Demodulirani tok prolazi kroz diferencijalni dekoder i prima primljeni tok.
Razmotrite diferencijalni koder prikazan na slici 10.

Slika 10: Diferencijalni enkoder

Zbrajanje se izvodi 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 kodera dobili smo 010111001. Prvi bit (u danom primjeru prva 0 nije kodirana), zatim se prvi dodaje po modulu dva prethodnog bita na izlazu koder i trenutni bit na ulazu. Za diferencijalno dekodiranje potrebno je napraviti suprotan postupak prema shemi prikazanoj na slici 12 (struktura diferencijalnog dekodera prikazana je na slici 9).

Slika 12: Primjer dekodiranja diferencijalnog bitstreama

Kao što možete vidjeti iz kodiranog toka bitova 010111001, dobili smo originalni 011100101. Razmotrimo sada diferencijalni dekoder ako invertiramo sve bitove kodiranog toka na strani primanja, t.j. umjesto 010111001 uzet ćemo 101000110. To je jasno prikazano na slici 13.

Slika 13: Primjer diferencijalnog dekodiranja s 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 nedvojbena prednost DBPSK-a, koji omogućuje značajno pojednostavljenje odašiljačkih i prijemnih uređaja. Ali mora se reći io nedostatcima diferencijalnog kodiranja. Glavni nedostatak DBPSK-a u usporedbi s BPSK-om je njegova niža otpornost na buku, budući da se pogreške prijema umnožavaju tijekom 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 cjelobrojna bita će se dekodirati s greškom (vidi sliku 14).

Slika 14: Množenje pogrešaka primanja s DBPSK dekodiranjem

Tako smo pogledali signale binarnog pomaka faze (BPSK) i pokazali da je BPSK poseban slučaj PSK s ulaznim signalom u obliku struje bipolarnih impulsa, koji je degeneriran i reducira se na DSB signal. Ispitivali smo BPSK spektar i njegove spektralne karakteristike: širinu glavnog režnja, razinu bočnih režnjeva. Uveden je i koncept relativnog ili diferencijalnog binarnog faznog pomaka (DBPSK), koji eliminira inverziju simbola tijekom nekoherentnog prijema u fazi dekodiranja, ali pogoršava otpornost na buku DBPSK-a u usporedbi s BPSK-om zbog umnožavanja pogrešaka u fazi dekodiranja. faza dekodiranja.

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

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

4.2.1 Binarni fazni pomak. Razlikovati apsolutnu (dvije razine) (AFMP) i relativnu (diferencijalnu) (OFMP) faznu manipulaciju. Kod AFMP-a (slika 4.7, c) faza nositelja se mijenja na svakom rubu odaslanih signala. Rezultirajući signal izgleda ovako (za jedan bitni period):

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 vala dobivaju vrlo oštri prijelazi, te kao rezultat toga signal zauzima vrlo širok spektar. Većina BPSK modulatora primjenjuje određene vrste filtriranja koje čine fazne prijelaze manje naglim, čime se sužava 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 se filtar obično naziva temeljnim filtrom. Međutim, kada se filtriranjem smanji frekvencijski pojas koji zauzima radio signal, potrebno je uzeti u obzir nastali problem međusimbolskih smetnji.

Ovdje se, nakon modulatora, dodaje pojačalo snage radio signala i uskopojasni visokopropusni filtar. Glavna svrha filtra je prigušiti zračenje odašiljača na frekvencijama koje su višestruke od osnovne frekvencije vala nositelja; opasnost od takvih emisija je zbog nelinearnih efekata u pojačalu snage, koji se obično javljaju i pojačavaju kada se pokušava povećati učinkovitost ovog pojačala. Često se ovaj filtar koristi u isto vrijeme za prijemnik - potiskuje jake vanjske signale izvan frekvencijskog pojasa željenih radio signala prije pretvaranja frekvencije prema dolje.

4.2.2 Kvadraturni fazni pomak (QPSK). U BPSK, jedan simbol kanala nosi jedan odaslani 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 informacijskih bitova na ulaz modulatora i stoga svaki simbol kanala sada može zauzeti vremenski interval trajanja T S = 2T b. S M-arnim faznim pomakom, radio signal se može zapisati u sljedećem obliku:

Ovdje (t) može uzeti vrijednosti iz skupa:

gdje - proizvoljna početna faza.

U nastavku, 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 skupina od dva bita predstavljena je odgovarajućim faznim kutom, svi fazni kutovi su međusobno udaljeni 90°. Može se primijetiti da je svaka signalna točka udaljena od realne ili imaginarne osi za = 45 °.

Signali KFMP-4 mogu se generirati 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 podniza neparnih 1, 1, 0, 1, 0, 1 , ... pa čak i 0, 1, 0, 0, 1, 0, ... bitova pomoću demultipleksera DD1.

Bitovi s istim brojem u tim podnizovima tvore parove koji se prikladno promatraju kao složeni bitovi; pravi dio složenog bita je bit u neparnom podnisu ja, i imaginarni dio P- malo ravnomjernog niza. U ovom slučaju, bitovi neparnog niza u grani u fazi odgađaju se neko vrijeme Tb uređaj DD2... Nadalje, trajanje svake sekvence se smanjuje na vrijednost 2 Tb ekstenderi DD3 i DD4.

Kompleksni bitovi dobiveni na ovaj način pretvaraju se u složeni niz pravokutnih električnih impulsa u trajanju od 2 Tb s vrijednostima +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 signala

Slika 4.12 - Vremenski dijagrami prilikom formiranja KFMP-4

radio signala

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

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

U ovom dijagramu, signalna točka s koordinatama (+1, +1) nalazi se na liniji koja s koordinatnim osovinama čini kut od + 45 ° i odgovara prijenosu simbola +1 i +1 u kvadraturnim kanalima modulator. Ako je sljedeći par znakova ( - 1, +1), što odgovara kutu + 135 °, zatim od točke (+1, +1) do točke ( - 1, + 1), možete nacrtati strelicu koja karakterizira prijelaz faze radio signala od vrijednosti +45 na vrijednost + 135 °. Korisnost ovog dijagrama može se ilustrirati sljedećim primjerom. Iz slike 4.13 proizlazi da četiri fazne putanje prolaze kroz ishodište. Na primjer, prijelaz iz točke konstelacije (+1, +1) u točku (-1, -1) znači promjenu trenutne faze visokofrekventnog vala nosioca za 180 °. Budući da je uskopojasni visokopropusni filtar obično instaliran na izlazu modulatora (vidi sliku 4.9), takva promjena faze signala je popraćena značajnom promjenom vrijednosti ovojnice signala na izlazu ovog filtra i, dakle, u cijelom dalekovodu. Nedosljednost vrijednosti ovojnice radio signala je nepoželjna u digitalnim prijenosnim sustavima iz mnogo razloga. CPMF pomaka nema ovog nedostatka.

4.2.3 Offset kvadratura faznog pomaka. Ova metoda oblikovanja signala gotovo je potpuno slična kvadraturnoj metodi formiranja QPSK-4 signala, međutim, s jedinom razlikom što se podsekvencija u kvadraturnoj grani pomiče u vremenu (odgođeno) 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. S takvom promjenom, kvadraturni niz kanalskih simbola bit će odgođen za vrijeme T s relativno infaznom podsekvencijom (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 ishodište. To znači da trenutna faza radio signala nema skokova za +180 ° i, stoga, ovojnica ovog signala nema duboke padove, kao što je bio slučaj s QFMP-4 (slika 4.11).

Slika 4.15 - Dijagram faznih prijelaza 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 radio signal KFMP-8.

Slika 4.16 - Signalna konstelacija za radio signal KFMP-8

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

. (4.23)

Pitanje uspostavljanja korespondencije između točaka signalne konstelacije i trojki informacijskih bitova nije sasvim jednostavno. Ovaj proces se obično naziva kodiranje signala. V U tablici 4.1 prikazan je primjer takvog podudaranja, koje je moguće, ali ne i najbolje, jer za uspostavljanje najboljeg podudaranja prvo morate odrediti kako demodulirati takav signal u prisutnosti smetnji, a zatim izračunati vjerojatnost pogreške prilikom prijema ili jedan simbol kanala ili jedan informacijski bit. Najboljom se može nazvati metoda kodiranja signala u kojoj je vjerojatnost pogreške najmanja.

Tablica 4.1 - Korespondencija između točaka konstelacije i trojki od _ bitova informacija

Slika 4.17 prikazuje funkcionalni dijagram uređaja za generiranje radio signala KFMP-8.

Rad oblikovnika je sljedeći: demultiplekser dd1 dodjeljuje ulazni tok informacijskih bitova trajanja Tb u tri podsekvenca, 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 radio signala QFMP-8. Ovu operaciju izvodi signalni koder, koji uključuje transkoder dd7 ima dva digitalna izlaza s 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 oblikovanje

KFMP-8 radio signal

4.2. 5 π / 4 - Kvadraturni fazni pomak. S KFMP-4 i KFMP-4 s pomakom, maksimalna promjena trenutne faze radio signala je 180 ° i 90 °, respektivno. Trenutno se široko koristi 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 ovojnica ima manje padove u usporedbi s QPSK. Funkcionalni dijagram uređaja za formiranje takvog radio signala prikazan je na slici 4.18.

Slika 4.18 - Funkcionalni dijagram uređaja za oblikovanje

radio signal s π / 4-kvadraturnim relativnom

fazni pomak

Niz bitova informacija ( n i, i = 1,2, ...) se dijeli na dva podniza: neparan ( n 2 i-1, i = 1,2, ...) i parni ( n 2 i, i = 1, 2, ...) bitova, od kojih su bitovi odabrani u parovima. Svaki novi par takvih bitova definira fazni prirast vibracija nosioca po vrijednosti
prema tablici 4.2

Tablica 4.2 - Povećanje faze nosioca od vrijednosti bita

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

Kao rezultat toga, vrijednosti stvarnih i imaginarnih dijelova kompleksne ovojnice ovog signala u trenutnom vremenskom intervalu u trajanju od 2 T b ispasti jednaki:

(4.24)

(4.25)

Iz jednakosti (4.24), (4.25) proizlazi da su moguće vrijednosti faze na intervalu s brojem i ovisi o vrijednosti faze radio signala u intervalu s brojem ( i- jedan). Prema tablici 4.2, nove vrijednosti su višekratnici π / 2.

Slika 4.19, a prikazuje konstelaciju mogućih signalnih točaka za interval s brojem i, ako
; slična konstelacija za slučaj kada je prikazano na slici 4.19, b. Opća konstelacija signalnih točaka za ovu modulacijsku metodu prikazana je na slici 4.19, c i dobivena je preklapanjem 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 s π / 4-kvadraturom

relativna manipulacija

Također je važno naglasiti da kod ove modulacijske metode svaki novi par informacijskih bitova ne određuje punu fazu vala nositelja, već samo prirast ove faze za interval s brojem i s obzirom na punu fazu kompleksne ovojnice u intervalu s brojem ( i- jedan). Takve tehnike modulacije nazivaju se srodnika.

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

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

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 jer ( 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 izračun.

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

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

Iz izraza (4.29) može se vidjeti da amplitude svih spektralnih komponenti ovise o veličini faznog skoka  i radni ciklus impulsnog niza.

Za FMP uključen  = 180  dobivaju 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 frekvencijski pojas je dvostruko širi nego za video impulse, t.j.

ω = 2 /  ili F = 2 / , (4.31)

a na FMF-u na  = 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 osmopoložajnog FMP-a sve se više koriste. Veličine faznog skoka signala u tim slučajevima mogu poprimiti 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 s faznim pomakom ima oblik:

gdje su i konstantni parametri, je noseća frekvencija.

Informacije se prenose kroz fazu. Budući da tijekom koherentne demodulacije postoji nositelj u prijemniku, trenutni fazni pomak se izračunava uspoređivanjem signala (3.21) s nosačem. Promjena faze je jedan prema jedan s informacijskim signalom.

Binarni fazni pomak(BPSK - binarni fazni pomak)

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

Stoga, ... Dakle, za izvođenje BPSK-a dovoljno je pomnožiti signal nosača s informacijskim signalom, koji ima više vrijednosti. Na izlazu signala modulatora

, .

Riža. 3.38. BPSK vremenski valni oblik i konstelacija:

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

Valni oblik i njegova konstelacija prikazani su na slici 3.38.

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

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

, (3,22)

Kvadraturni fazni pomak(QPSK - Kvadraturni fazni pomak)

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

Odnos između faznog pomaka modulirane oscilacije od skupa i mnogi simboli (dibitovi) digitalne poruke postavljeno u svakom slučaju standardom za radio kanal i prikazano signalnom konstelacijom Slika 3.39. Strelice označavaju 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 točkama signalne konstelacije vrijednosti odgovarajućih simbola razlikuju samo u jedan malo. Prilikom prijenosa u bučnom okruženju, najvjerojatnija pogreška bit će određivanje faze susjedne točke konstelacije. Uz navedeno kodiranje, unatoč činjenici da je došlo do pogreške u određivanju značenja simbola, to će odgovarati pogrešci u jednom (a ne dva) bita informacije. Time se postiže smanjenje vjerojatnosti bitne pogreške. Ova metoda kodiranja naziva se Grey kod.

Svaka vrijednost faze moduliranog signala odgovara 2 bita informacije, pa 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 gustoća snage višerazinskog signala poklapa sa spektralnom gustoćom snage binarnog signala kada se interval simbola zamijeni simbolom ... Za modulaciju od 4 razine = 4 i stoga.

Spektralna gustoća snage QPSK signala s modulirajućim signalom s pravokutnim impulsima na temelju (3.22) određena je izrazom:

.

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

QPSK signal se može zapisati kao

gdje .

QPSK signal se može predstaviti kao infazne i kvadraturne komponente

gdje je komponenta u fazi th simbola,