Za povećanje brzine prijenosa podataka koristi se tzv. kvadraturna amplitudna modulacija QAM, tj. amplitudno-fazni pogled modulacija. QAM se koristi u kabelskim modemima, standard digitalna televizija DVB-C kao i, in digitalno emitiranje Raspon mikrovalne pećnice.
Slika 1. Vektorski dijagram 16-QAM signala (lijevo) i konstelacije 32-QAM signala (desno)
U 16-pozicijskom QAM-u (16-QAM) postoje četiri vrijednosti signala za svaku od kvadraturnih komponenti I i Q. Time se postiže 16 ukupnih vrijednosti signala.
Znajući da je 16 = 2 4, dobivamo da se četiri bita mogu prenijeti u jednom simbolu u 16-QAM. To znači da brzina simbola u ovom obliku modulacije, ispada četiri puta manje od bita, t.j. jednak 1/4 brzine prijenosa. Na ovaj način, dati tip modulacija omogućuje organiziranje spektralno učinkovitijeg prijenosa podataka. Što se tiče brzine prijenosa, ova vrsta modulacije je mnogo učinkovitija od binarne (BPSK), četveropozicijske (QPSK) ili osmopozicijske (8 PSK) fazne modulacije. Odmah treba napomenuti da su QPSK i 4-QAM zapravo isti tip modulacije.
Druga vrsta QAM-a je 32-QAM. Njegove karakteristike su sljedeće: po šest vrijednosti signala za I i za Q, što u konačnici daje 6 × 6 = 36 konstelacijskih točaka za ukupan signal. Ova vrsta modulacije je obdarena posebnom značajkom.
Kao rezultat toga, broj vrijednosti 36 ne odgovara izvornim podacima, budući da prevelika, (36> 32). Stoga su četiri "kutne" signalne vrijednosti (koje čine većinu snage odašiljača) izostavljene.
To smanjuje količinu izlazne snage koju odašiljač mora proizvesti. Uz pretpostavku 32 = 2 5, dobivamo brzinu prijenosa od 5 bps i brzinu simbola 1/5.
Književnost:
- Steve C. Cripps RF pojačala snage za bežične komunikacije - ARTECH HOUSE, INC., 2006.
- Marian K. Kazimierczuk RF pojačala snage - John Wiley & Sons, Ltd 2008.
- Radioprijenosni uređaji: udžbenik za sveučilišta; izd. V. V. Shakhgildyan. - 3. izd., vlč. i dodati. - M .: Radio i komunikacija, 2003.
Uz članak "Kvadraturna modulacija (QAM)" pročitajte:
Opis
Radio signal je predstavljen u obliku dvodimenzionalnog točkastog dijagrama na složenoj ravni, na kojoj su sve točke mogući simboli predstavljen u geometrijskom obliku. Apstraktnije, dijagram prikazuje sve vrijednosti koje se mogu uzorkovati danom shemom manipulacije, kao točke na složenoj ravnini. Konstelacije generirane RF mjerenjima mogu se koristiti za određivanje vrste manipulacije, vrste smetnji i razine izobličenja.
Kada je odaslani simbol predstavljen kao kompleksni broj i kada je sinusni i kosinusni signal noseće frekvencije moduliran realnim i imaginarnim dijelovima, simbol se može odašiljati s dva nositelja s istom frekvencijom. Takvi se nosači često nazivaju kvadratura... Koherentni detektor ( ) može neovisno demodulirati oba nositelja. Princip korištenja dvaju neovisno moduliranih nositelja u središtu je kvadraturne modulacije. Kod jednostavnog faznog pomaka, faza modulirajućeg simbola postaje faza signala nosača.
Ako su simboli predstavljeni kao kompleksni brojevi, mogu se predstaviti kao točke na kompleksnoj ravnini. Često se nazivaju prave i imaginarne osi u fazi ili I-os i kvadratura(kvadratura) ili Q-os. Ucrtavanjem točaka iz više simbola može se dobiti konstelacija. Točke na dijagramu često se nazivaju signalne točke(ili točke sazviježđa). Oni predstavljaju mnoge modulirajući simboli, to je modulirajuća abeceda.
Modulacija kodirana rešetkom
Kada se koristi blokovno ili konvolucijsko kodiranje, otpornost radiokomunikacije na buku povećava se širenjem frekvencijskog pojasa i kompliciranjem radio opreme bez povećanja omjera signal-šum (SNR). Kako bi se održala otpornost na buku pri istom SNR-u, moguće je smanjiti korišteni frekvencijski pojas i pojednostaviti radio opremu korištenjem modulacije kodirane rešetkom (TCM), koju je 1982. godine prvi razvio Ungerbock. U srcu TCM-a je suradnički proces kodiranja i modulacije.
Ako se koristi kombinirani koder / modulator, čija je opća struktura prikazana na slici, tada vam b0 bit omogućuje odabir jedne od dvije konstelacije koje su dobivene tijekom prve podjele. Nadalje, odabir se određuje ovisno o b1 i b2 bitovima.
Primjena
Razmotrite otkrivanje na temelju metode najveće vjerojatnosti. Prilikom primanja radio signala, demodulator ocjenjuje primljeni simbol, koji je izobličen tijekom prijenosa ili prijema (na primjer, zbog aditivnog bijelog Gaussovog šuma, blijeđenja, višestaznog širenja, slabljenja, smetnji i nesavršenosti radio opreme). Demodulator odabire najbolju prilagodbu prenesenom signalu, t.j. najbliža točka sazviježđa u smislu euklidske metrike). Dakle, ako je izobličenje signala dovoljno jako, tada se može odabrati točka drugačija od one koja se prenosi, a demodulator će dati netočan rezultat. Dakle, udaljenost između dvije najbliže točke konstelacije određuje otpornost manipulacije na buku.
U svrhu analize primljenih signala, konstelacija može pojednostaviti detekciju određenih vrsta izobličenja signala. na primjer
- Gaussov šum se pojavljuje kao mutne točke konstelacije
- Nekoherentne jednofrekventne smetnje izgledaju kao krugovi umjesto točke konstelacije
- Fazno izobličenje se vidi kao signalne točke raspoređene po krugu.
- Slabljenje signala dovodi do činjenice da su točke smještene na uglovima bliže središtu nego što bi trebale biti.
Signalna sazviježđa daju sliku sličnu dijagram oka za jednodimenzionalne signale. Očni dijagrami se koriste za određivanje podrhtavanja u jednoj modulacijskoj dimenziji.
vidi također
- Očni dijagram ( Engleski)
Književnost
- Prokis J. Digitalna komunikacija. - Per. s engleskog // Ed. D. D. Klovsky. - M .: Radio i komunikacija, 2000. - 800 str. - ISBN 5-256-01434-X
- Sklyar B. Digitalna komunikacija. Teorijska osnova i praktična upotreba... - Per. s engleskog - M .: Izdavačka kuća"Williams", 2003. - 1104 str. -
Metode modulacije u digitalnim TV sustavima.
U tehnologiji digitalna komunikacija tehnike modulacije igraju vrlo značajnu ulogu. Osim svoje glavne funkcije – simbola – pretvorbe signala – proces modulacije je dio cjelokupni proces usklađivanje signala s karakteristikama kanala. Suvremene metode višepozicijske modulacije u potpunosti u skladu sa Shannonovim teoremom mogu se smatrati načinom kodiranja podataka poruke u simbole kanala.
Specifičnost izbora jedne ili druge metode modulacije u digitalnim televizijskim sustavima posljedica je zadane mreže kanala emitiranja u eteru, t.j. koristeći već postojeće frekventne planove. V različite zemlje dostupni su radio kanali s frekvencijskim pojasevima od 6, 7 ili 8 MHz. Digitalni tok razne usluge koji bi se trebao prenositi u tim opsezima u normalnim uvjetima iznosi različitim sustavima emitiranje oko 20 Mbps i više. Stoga bi specifična brzina prijenosa trebala biti oko 4 bita / (s · Hz) u širini pojasa od 6 MHz i 3 bita / (s · Hz) u širini pojasa od 7 ili 8 MHz. No, uključivanje filtara u prijenosni put koji određuju faktor zaokruživanja spektra od 25-35%, kao i potreba za povećanjem brzine prijenosa podataka zbog uvođenja simbola za zaštitu od pogreške koda, dovodi do dodatnog povećanja specifične stopa veća od danih teoretskih vrijednosti.
U teoriji, vrste modulacije kao što su 16 QAM, 4 VSB ili 16 PSK mogu pružiti spektralnu učinkovitost do 4 bita / (s · Hz). Ali iz tih razloga morate povećati stopu modulacije i primijeniti modulaciju višeg reda, kao što su 64 QAM i 8 VSP. U distribucijskim sustavima kabelske televizije, gdje je razina smetnji znatno niža nego u zemaljskoj radiodifuziji, moguće je dodatno povećati stopu modulacije i koristiti 256 QAM i 16 VSB.
Posebno napominjemo da se kratice za koje postoje latinski i djelomično ruski ekvivalenti obično koriste za označavanje vrsta modulacije. Međutim, neke napredne modulacijske sheme još nisu dobile terminološki točne ruske nazive. Kako bi se izbjegla zabuna, koristit će se pretežno latinske kratice, a gdje je prikladno, ruski izrazi i kratice.
Signalne konstelacije
a) Polarni dijagrami
Prikladan alat za analizu karakteristika moduliranih signala je njihovo prikazivanje pomoću polarnih i kvadraturnih dijagrama u obliku signalna sazviježđa.
Kod modulacije vala nositelja mogu se mijenjati njegovi parametri kao što su amplituda, faza i frekvencija. Na jednostavni tipovi modulacija Modulirajuća poruka mijenja samo jedan parametar. Kod kombiniranih tipova modulacije, amplituda i faza nositelja mogu se mijenjati istovremeno. V poznatim sustavima digitalna televizija koristi višerazinsku amplitudnu modulaciju s djelomično potisnutim donjim bočnim pojasom (8-, 16-VSB), četveropoložajnu kvadraturnu faznu modulaciju (QPSK) i kvadraturnu amplitudno-faznu modulaciju (16-, 64-, 256 QAM).
Najjednostavniji način za prikaz odnosa amplituda-faza moduliranog signala je polarni dijagram. Prilikom konstruiranja polarnog dijagrama, nosilac je referentni element, u odnosu na koji se mjeri kut faznog pomaka i promjena razine moduliranog signala. Modul vektora radijusa koji izlazi iz središta kruga (izvorišta) karakterizira relativnu razinu elementarnog signala, a kut nagiba između radijus vektora i nekog početnog radijusa karakterizira trenutni fazni pomak.
Prikaz signala s (t) na polarnom dijagramu odgovara njegovom "zamrzovanju" u vremenu, kada se bilježi samo amplituda signala A i njegov početni fazni pomak θ .
b ) Kvadraturni dijagrami
Moderni modulatori za digitalni sustavi prijenosi se u pravilu grade prema kvadraturnoj shemi. U takvim 
Modulator proizvodi izlazni signal zbrajanjem dva različita modulirana signala, čiji nositelji imaju fazni pomak od 90° između sebe. Ulazi dvaju signala osnovnog pojasa kvadraturnog modulatora označeni su s ja i P: Ja(u fazi) odnosi se na kanal u kojem se uzima da je početni fazni pomak nosioca 0° , Q- do kanala u kojem je nosač pomaknut za 90 °. Za adekvatan prikaz signalnog prostora na izlazu kvadraturnog modulatora, polarni dijagrami se pretvaraju u pravokutni koordinatni sustav, u kojem je horizontalna os ja postaviti razinu signala u zajednički mod kanal, i 
na okomitoj osi P- razina signala u kvadraturnom kanalu. Sve ostale konstrukcije odgovaraju polarnom dijagramu, uzimajući u obzir da je os ja simbolizira nulti fazni pomak, a Q-os predstavlja pomak od 90°. Projekcije vektora signala na os ja i P smatraju njegovim kvadraturnim komponentama. Riža. 2 objašnjava prijelaz s polarnih na kvadraturne dijagrame, a potpuni kvadraturni dijagrami za 4-PSK i 8-PSK prikazani su na sl. 3.
Da bi se pojednostavilo crtanje kvadraturnog dijagrama, posebno kod prikaza signala modernih višepoložajnih tipova modulacije, obično samo krajnje točke vektori koji potječu iz ishodišta, i sami vektori, kao 
obično se izostavlja. Često se izostavljaju same osovine. ja i Q,što implicira da prolaze kroz središte simetrije lika. Zove se puni skup moduliranih signala prikazanih na kvadraturnom dijagramu u obliku točaka signalna konstelacija, i sami signali - konstelacijske točke. Oblik signalne konstelacije odgovara vrsti modulacije, a udaljenosti između točaka konstelacije karakteriziraju otpornost na buku prilikom prijema signala.
Kao primjer, sl. 4 prikazuje nekoliko jednostavnih sazviježđa: jednodimenzionalni za amplitudna modulacija(AM) i dvodimenzionalan za faznu modulaciju (PM), čije su mjesto točaka ravna crta, odnosno kružnica. Ovdje treba napomenuti da su prikazana AM konstelacija dobivena korištenjem bipolarnih impulsa kao modulirajućeg signala, značajne razine koji su simetrični u odnosu na nultu razinu. Kod modulacije negativnim impulsima, faza signala se istovremeno obrće. Stoga se ovaj AM može smatrati nekom vrstom FM.
Načela kvadraturne modulacije
U većini digitalnih televizijskih sustava modulatori i demodulatori su ugrađeni u kvadraturne sklopove. Kvadraturni modulator je univerzalni uređaj koji se može koristiti 
za dobivanje linearno moduliranog signala nosioca s dva bočna pojasa, uključujući takve vrste kao što su fazna i amplitudsko-fazna modulacija.
Blok dijagram kvadraturnog modulatora prikazan je na Sl. 5. Modulator se temelji na dva balansirana modulatora i zbrajaču RF signala na čijem se izlazu formira kvadraturno modulirani signal. s (t). Nosači koji dolaze na referentne ulaze balansiranih modulatora imaju međusobni fazni pomak od 90°, t.j. su na kvadrat. Ulazni modulirajući signali x j (t) i y 0 (t) su kvantizirane na razini i vremenski diskretne. Trajanje njihovog taktnog intervala određeno je frekvencijom sata. Dakle, ulazni signali su signali modulirane pulsne amplitude (PAM) u osnovnom pojasu.
Primanje različiti tipovi modulacija pomoću kvadraturnog modulatora osigurava se primjenom bipolarnih PAM signala na njegove ulaze x j (t) i y Q (t), kvantizirano u različit broj razina i simetrično oko nule. U "degeneriranom" slučaju, t.j. kada se na jedan od ulaza dovede nulti napon, a na drugi se primijeni binarni slijed s relativnim razinama ± 1, radi samo jedan kanal, a modulator prelazi iz kvadrature u konvencionalni balansirani. Izlaz je jednodimenzionalni signal fazne modulacije s promjenom faze od 180°, koji nosi 1 bit / simbol. Kada se binarni AIM signali dovode u oba kanala modulatora, 1 bit / simbol se prenosi na svaki od kanala, a ukupna brzina prijenosa je 2 bita / simbol. Rezultat je 4-PSK signal, koji se obično naziva QPSK (QPSK), ali se formalno naziva široka klasa QPSK. amplitudno-fazna modulacija(CAFM).
Na fino podešavanje(balansiranje) kvadraturnog modulatora i uz točan oporavak nosećih i taktnih frekvencija u demodulatoru, informacijski signali oba kanala su potpuno neovisni i ni na koji način ne utječu jedan na drugog. U ovom slučaju, model prijenosnog kanala ima oblik prikazan na slici 6. Budući da se par ortogonalnih signala istovremeno prenosi preko radio kanala (x (t), y (t)), tada se takav kanal i odgovarajuća signalna konstelacija nazivaju dvodimenzionalnim. Par signala (x t, y t), koji odgovara određenom intervalu sata naziva se modulirani signalni simbol ili točka konstelacije. Dvodimenzionalna QAPSF modulacija s konstelacijama generiranim iz pravokutnog koordinatnog sustava često se smatra četverostrukom operacijom koja se primjenjuje na dva jednodimenzionalna AIM konstelacija. Zbog ovog razloga dati pogled modulacija se obično naziva kvadraturna amplitudna modulacija (QAM). Dakle, modulacija 4-QPSK (QPSK) i 4-QAM (4 QAM) su ekvivalentni koncepti.
Kada je narušena simetrija krakova balansiranih modulatora, uz odstupanje faznog pomaka između nosača od 90°, dolazi do preslušavanja između kvadraturnih kanala. U ovom slučaju, signalna konstelacija je zamućena, t.j. u svakom ciklusu točka konstelacije ima slučajne koordinate u zoni, čije središte odgovara nominalnim koordinatama točke. Prilikom privremenog preklapanja niza "snimki" sazviježđa, 
kvadraturni grafikon s mutnim točkama na mrežnim pozicijama. Isti vanjski učinak uzrokuju šum i šum kanala. Sve to dovodi do grešaka u demodulaciji i dekodiranju signala. Primjeri izobličenja oblika signalne konstelacije 16-QAM modulacije (vidi sliku 7, a), uzrokovanih različitim razlozima, prikazani su na Sl. 7, b-f (b - smetnje šuma, c - harmonijske smetnje, d - ograničenje amplitude u pojačalu, e - asinkrona frekvencija sata, f - kršenje simetrije krakova balansiranih modulatora).
Problem usklađivanja moduliranog signala s radijskim kanalom rješava se, posebice, optimizacijom oblika i broja točaka dvodimenzionalne signalne konstelacije. Prenošenje QAM signala n bit / karakter, t.j. imajući 2n točke konstelacije, ima sljedeće zanimljivo svojstvo. Ako n je paran cijeli broj, tada je signalna konstelacija jednostavan prikaz dvaju nezavisnih kvadraturnih kanala i kvadratnog je oblika, a točke konstelacije imaju koordinate u obliku neparnih brojeva. Ako je broj n- neparno, tada zviježđe ima oblik križa kada su točke smještene na čvorovima iste pravokutne koordinatne mreže kao i za par n. Minimalna relativna udaljenost između bilo koje dvije točke konstelacije je 2. S povećanjem reda konstelacije (broja bitova po simbolu) za jedan, potrebno je povećati snagu odašiljača za 3 dB.
Jednofrekventne modulacijske sheme
rođak fazna modulacija
Relativna faza(ili fazna razlika) modulacija(OFM ili PRM) je praktična metoda za ostvarivanje prijema signala s faznom modulacijom. Ponovno kodiranje modulirajućeg podatkovnog signala iz apsolutnog u relativni kod omogućuje da se prilikom dekodiranja uzmu u obzir ne apsolutne vrijednosti faze signala, već njegove relativne pomake, što eliminira dvosmislenost odluke o vrijednost simbola.
Zbog svoje jednostavnosti i učinkovitosti, OFM se široko koristi u digitalnim prijenosnim sustavima. Tome su olakšala njegova svojstva poput 4 puta više velika brzina u usporedbi s FM s jednakom otpornošću na buku u kanalu s bijelim šumom, te s jednakom brzinom prijenosa informacija, otpornost na šum je dvostruko veća nego u FM i četiri puta veća nego u AM.
Relativna fazna modulacija je binarna ili dvopozicijska modulacija koja koristi dvije vrijednosti faznog pomaka međusobno udaljene 180°. 2-OFM modulacija je identična uravnoteženoj 2-AM i ima istu konstelaciju s kojom se poklapa dijagram stanja (vidi sliku 4, a). U suvremenim digitalnim prijenosnim sustavima koriste se signali višepoložajnog M-OFM, t.j. modulacija s povećanim foldom K (M = 2DO) u odnosu na OFM, čija se višestrukost uzima kao jedna. Obično se koriste skupovi signala 4-, 8-, 16-OFM, čije su konstelacije prikazane na Sl. 4, b . Ali 8- i 16-OFM su inferiorni od 2-OFM i 4-OFM u energetskoj učinkovitosti, zahtijevajući mnogo više visoka snaga, visoki napon odašiljača za postizanje istih performansi.
U digitalnoj televiziji, za prijenos preko satelitskih staza i u zemaljskom emitiranju u teškim uvjetima prijema, koristi se dvostruka ili četverofazna 4-OFM modulacija, koja daje najbolji kompromis u smislu omjera snage i širine pojasa. Drugi naziv za ovu vrstu modulacije, povezan s metodom dobivanja moduliranih oscilacija, je kvadraturna fazna modulacija(COFM). U literaturi na engleskom jeziku QPSK se naziva QPSK (Quadrature or Quaternary Phase Shift Keying).
QPSK modulacija osigurava nužni kompromis između brzine prijenosa i otpornosti na šum i koristi se samostalno ili u kombinaciji s drugim metodama. Prikazani su dijagrami stanja QPSK modulacije i pomaka diferencijalnog QPSK (S - DQPSK) 
na sl. 8. Prilikom implementacije diferencijalnog kodiranja u kombinaciji s pomakom nositelja za π
Sazviježđe / 4 tvore dva QPSK sazviježđa s četiri točke postavljena na pomak od 45 °. Kao rezultat toga, postoji osam faznih pomaka u signalu, a faze simbola se biraju naizmjenično iz jedne QPSK konstelacije, zatim iz druge.
Blok dijagram QPSK modulatora prikazan je na Sl. 9.
Ulazni tok podataka D dijeli se na dva paralelna toka A i B, koji se zatim u kodnom pretvaraču (PC) prekodiraju u relativnu 
kod dva kanala (komponente) ja ′ i Q ′. Digitalni tokovi I ′ i Q ′ su izglađeni u filterima za oblikovanje (FF), čiji su izlazni signali ja i P izravno kontroliraju rad četverofaznog modulatora koji se sastoji od dva balansirana modulatora i zbrajača.
Fazni pomak nositelja u kanalima ja i P jednak je 90°. Pravilo za kodiranje faznih pomaka prikazano je u tablici. jedan.
b ) Kvadraturna amplitudna modulacija
Zahtjevi za točnost karakteristika filtara za oblikovanje i propusnost su što veći, to viši više broja pozicije u moduliranom signalu.
Signali kvadraturna amplitudna modulacija M-QAM se široko koristi u prijenosu televizijskih signala preko mikrovalnih i kabelskih linija, u nekim digitalnim zemaljskim televizijskim sustavima emitiranja. Najčešći format modulacije je 16 QAM (vidi sliku 10).
Blok dijagrami 16 QAM modulatora i 16 QAM demodulatora prikazani su na Sl. 11. Ulazni tok podataka prvo se podvrgava potrebnoj digitalnoj obradi u procesoru podataka: taktna frekvencija, kodiranje, diferencijalno kodiranje, serijsko-paralelno pretvorba. Budući da 16 QAM modulacija pruža specifičnu brzinu prijenosa od 4 bita / (s digitalna obrada podijeljen u 4 podtoka s odgovarajućim smanjenim brzinama. Zatim proizveden digitalno-analogna pretvorba dva binarna podtoka u jednu četverorazinu uz istovremeno formiranje njihovog spektra u CTF-u, gdje se impulsima daje izglađeni oblik. Četverorazinski signali u kanalima ja i P kontrolirati rad ravnoteže 
modulatori čiji se izlazi dodaju kako bi se formirao 16 QAM dvopojasni, potisnuti signal nosioca. Nosač dolazi do uravnoteženih modulatora s pomakom π
/ 2, tj. na kvadrat. Izlaz modulatora na međufrekvenciji nosioca prolazi kroz pojasni filtar kako bi se ograničile emisije izvan pojasa i može se pretvoriti u bilo koji kanal za emitiranje.
Demodulator ima sličan par balansiranih modulatora i blokova obrnuta transformacija od četiri razine do binarni signali uz naknadnu obradu podataka. Temeljno složene komponente su sklopovi za obnavljanje potisnutog nosioca i sinkronizacijski krugovi. Obje ove operacije izvode se na temelju analize strukture primljenog signala u sinfaznom i kvadraturnom kanalu. Oblikovanje niskopropusnih filtara na izlazima balansiranih modulatora dovodi spektar signala do potrebnog Nyquistovog i ublažava šum i smetnje.
c) Jednopojasna amplitudna modulacija
Jedna od metoda modulacije u sustavima digitalnog TV emitiranja je višerazinska amplitudna modulacija s djelomično potisnutim donjim bočnim pojasom (AM-VBBP, poznatiji kao 8- i 16-VSB). Modulirajući signal je impuls od 8 ili 16 razina, izglađen filterom za oblikovanje. Niski i visoki kraj spektra je 620 kHz s punom širinom spektra od 6 MHz.
8-VSB modulacija je namijenjena za korištenje u zemaljskom digitalnom emitiranju, a 16-VSB je za kabelsku distribucijske mreže... Obje vrste VSB modulacije imaju jednodimenzionalne konstelacije s različitim brojem točaka, od kojih se samo polovica koristi za prijenos korisna informacija a druga polovica je za korekcijsko kodiranje. Stoga, u smislu brzine prijenosa korisnih informacija, modulacija 8- (16-) VSB-a zapravo odgovara 4- (8-) VSB-u bez kodiranja. Brzina simbola za sve VSB varijante je gotovo 2 puta veća od brojčane vrijednosti zauzete propusnosti.
Kodiranje protiv smetnji
Praktički važan zaključak Shannonovog rada je da ako je brzina prijenosa informacija manja od kapaciteta kanala, tada je pomoću kodova za ispravljanje pogrešaka moguće stvoriti komunikacijski sustav s proizvoljno malom vjerojatnošću pogreške na izlazu kanalnog dekodera. U isto vrijeme, adekvatan sustav bez korektivnog kodiranja bit će složeniji, skuplji i energetski intenzivniji. Odatle zaključak: sustav koji nema ispravljačko kodiranje i radi bez grešaka iznimno je težak. učinkovit sustav... Naprotiv, učinkovit sustav bi trebao biti sposoban raditi u režimu s dovoljnim visoka frekvencija pogreške u toku na ulazu dekodera, a sam dekodirani tok mora imati iznimno nisku vjerojatnost greške po bitu.
Dobitak energetskog kodiranja
Uvod u kodiranje za ispravljanje grešaka informacijski signal suvišni znakovi popraćeni su negativnim učinkom - smanjenjem, uz konstantnu brzinu prijenosa ( C DS), brzina prijenosa korisnog tereta ( Uz inf) obrnuto je proporcionalna brzini koda (R): C DS = C lnf / R, komadići. Stoga slijedi da je za održavanje brzine prijenosa korisnog opterećenja potrebno proširiti propusnost kanala za R puta ili povećanjem stope modulacije.
Pozitivan učinak kodiranja s ispravljanjem pogrešaka je ili smanjenje vjerojatnosti pogreške, ili smanjenje energije prijenosa s istom vjerojatnošću pogreške, ili oboje u isto vrijeme. Dakle, kodiranje poboljšava propusnost i energiju kanala svojstvene svakom komunikacijskom sustavu.
Kao primjer kompromisa sustava, razmotrite mogućnost izbora između višestrukosti relativne fazne modulacije DO= LG 2 M, kodna stopa R i minimalno potrebna traka B N.
Pretpostavimo da izvorni koder proizvodi bitove informacija velikom brzinom V b = 1/ T b, gdje T b- trajanje informacijskog simbola (satnog intervala) u sustavu bez kodiranja. Zatim, ovisno o višestrukosti modulacije M-pozicije PM signala, potrebna je Nyquistova širina pojasa B N = 1/ CT b. Kod kodiranja s kodom za ispravljanje pogrešaka, brzina grupnog toka, koji se sastoji od informacija i simbola za provjeru, povećava se za 1 / R puta i postaje jednak na= 1/ RT b, Nyquist band se u skladu s tim povećava Gostionica=1/ KRT b. Proračunski podaci za raspon vrijednosti DO i R date su u tabeli 2.
Iz tablice proizlazi da pri prijenosu konstantnom brzinom V b = const, ista vrijednost Nyquistovog pojasa, na primjer B N = 1/2T b, predviđeno za kombinacije (K = 2, R = 1), (K = 3, D=2/3), (K = 4, R = 1/2). Koja je kombinacija bolja?
Odgovor na ovo pitanje daje parametar tzv dobit od kodiranja energije(EVK).
Razmotrimo slučaj kada se prijenos u sustavima bez kodiranja i s kodiranjem vrši pri konstantnoj prosječnoj snazi P usp. U sustavu bez kodiranja, izračunata energija jednog bita informacije je E b = P cp / V b... U sustavu s kodiranjem povećanjem ukupno simbola, energija jednog bita kodiranog toka se smanjuje na vrijednost E S = RE b< Е b i P cf = E C V C.
Neka aditivni bijeli Gaussov šum (AWGN) djeluje u kanalu s jednostranom spektralnom gustoćom snage N 0... Tada je omjer snage moduliranog signala i snage šuma na izlazu prijemnog Nyquistovog filtra širine pojasa (obično se naziva omjer nosioca i šuma):
Formula (2) pokazuje da je za određenu vjerojatnost pogreške vrijednost omjera C/N možda 10 lg(1/R) je niža od vrijednosti omjera E b / N 0 za istu vjerojatnost pogreške u sustavu bez kodiranja. Ova vrijednost je neka konstantna komponenta dobitka energije kodiranja i ponekad se naziva dobitka performansi.
Realno ostvariv EVK ovisi, prije svega, o svojstvima ispravljačkog koda i njegovog algoritma za dekodiranje. Kao primjer definicije EVC-a na sl. P2V.19 prikazuje karakteristike vjerojatnosti pogreške iz omjera E b / N 0 za FM sustav sa i bez kodiranja. Razlika vrijednosti E b / N 0 između dvije krivulje vodoravno s fiksnom vjerojatnošću greške (na slici 12 - za vrijednosti 10 -3 i 10 -5) je EVK ( G C).
Vrijednost stvarnog EVC-a ovisi o vjerojatnosti pogreške R e, pri čemu se određuje. Uzlazni C/N(smanjenje vjerojatnosti pogreške) EVK raste, ali do određenih granica. Gornja granica stvarnog EVC-a je asimptotski EVC, koji je definiran kao:
 |
(3) |
gdje d f –
slobodna udaljenost konvolucijski kod.
Tipična ovisnost EVC-a o vjerojatnosti greške kanala prikazana je na Sl. 13, gdje krivulja odgovara korištenju konvolucionog koda s R = 1/2, d f = 5 za asimptotski EVK jednak 3,98 dB.
Učinkovitost i otpornost na buku digitalnih prijenosnih sustava
Određivanje učinkovitosti digitalnih prijenosnih sustava
a) Spektralna učinkovitost
Spektralna (frekvencijska) učinkovitost digitalni sustav definiran je kao
| (4) |
gdje R b- brzina prijenosa informacija, bit / s;
B W- puna traka frekvencije kanala, Hz.
Spektralna učinkovitost mjeri se brojem bitova u sekundi po 1 Hz propusnosti kanala, t.j. bit / (s · Hz).
V stvarni uvjeti dostupna propusnost kanala B W iz ovog ili onog razloga, možda neće biti u potpunosti iskorišten, pa će čak i dovoljno učinkovit prijenosni sustav u svojoj specifičnoj primjeni, prema ovom kriteriju procjene, izgledati neučinkovit. Osim toga, potrebno je pojasniti kriterij spektralne učinkovitosti povezujući ga s Nyquistovim pojasom B N i faktor zaokruživanja spektra α , čija vrijednost karakterizira proširenje propusnosti kanala praktički zauzetog spektrom signala B L preko Nyquist benda B N:
V idealan slučaj na puna upotreba cjelokupna propusnost kanala kada B W = B L, indikator performansi η i γ podudaraju, tj. γ = η.
Također je poželjno uvesti kriterij za potencijalnu spektralnu učinkovitost određene modulacijske metode, koji odgovara koeficijentu η ili γ na B W = B L i α = 0.
mi definiramo potencijalnu učinkovitost kako:
Kada se koristi višepozicijska digitalna modulacija
Stoga, za B W = B L
 |
(11) |
Otuda slijedi da je za povećanje spektralne učinkovitosti h potrebno je povećati brzinu modulacije lg 2 ( M) i istovremeno smanjiti vrijednost koeficijenta zaokruživanja spektra α , čime se povećava nagib graničnika spektra modulirajućeg signala.
Na modernoj razini Kompresija slikovnih signala za prijenos jednog HDTV programa ili nekoliko programa standardne kvalitete zahtijeva brzinu prijenosa od oko 20 Mbps. Ranije je napomenuto da je za usklađivanje ove brzine sa standardnim frekvencijskim pojasevima od 6, 7 i 8 MHz postojećih TV kanala u svijetu potrebno koristiti kombinaciju višepozicijske modulacije s kodiranjem za ispravljanje pogrešaka. U normalnim uvjetima, kompromisi sustava postižu se pri spektralnoj učinkovitosti od oko 4 bita / (s · Hz). Međutim, uz nedovoljnu otpornost komunikacijskog kanala na buku, potrebno je smanjiti modulacijsku višestrukost i povećati redundantnost zbog povećanja udjela simbola korekcijskog kodiranja, dok se, sukladno tome, propusnost i, kao posljedica toga, smanjuje se spektralna učinkovitost. Ovisno o stopi modulacije i kodnim brzinama usvojenim u digitalnom zemaljskom TV emitiranju, vrijednosti spektralne učinkovitosti mogu varirati u vrlo širokom rasponu, što je prikazano u tablici. 3 za tipičnu nehijerarhijsku modulaciju na kanalu od 8 MHz.
b) Energetska učinkovitost
Pokazatelj energetske učinkovitosti
gdje Eb je energija signala po bitu informacije na ulazu prijemnog filtra, dobivamo
Budući da se s usklađenim Nyquistovim filtriranjem širina pojasa šuma prijemnika podudara s Nyquistovim propusnim opsegom, snaga buke na ulazu rješavač jednako je R W= N o B N, dok je omjer signal-šum q = R C / R W, i b = R b / B Nq.
Izgledi η i β međusobno povezani. Zamjena u formulu (P2V.38) za β stav R b / B N = γ 0 = η (1 + α), dobivamo
Ovdje ispod propusnosti sustava ΔF treba shvatiti kao širinu buke jednaku Nyquistovoj širini pojasa B N... U granicama, pod uvjetima teorema, R b= C, a zatim možete dobiti omjer za gornju granicu učinkovitosti prijenosa informacija
Potencijalna imunost digitalne modulacije
a) Fazna modulacija
Kada se šum primjenjuje na dvofazni 2-PM signal, vjerojatnost greške bita na izlazu prijemnog filtra određuje se formulom:
gdje E b- energija po bitu ulaznog signala PSK;
N 0- jednostrana spektralna gustoća snage šuma na ulazu prijemnog filtra.
U slučaju koherentnog 4-PSK, proces demodulacije je ekvivalentan koherentnoj detekciji 2-PSK signala, čija je razina 3 dB niža od razine 4-PSK signala, pod uvjetom da je ulazni signal 4-PSK koherentno detektiran parom referentnih nosača koji su ortogonalni jedan prema drugom i pomaknuti za 45° u odnosu na faze ulaznog signala.
Tada je vjerojatnost greške bita za 4-PSK signal
Ovdje E s je energija simbola PM signala na ulazu prijemnog filtra.
Budući da se signalni simbol 4-PSK, za razliku od simbola signala 2-PSK, sastoji od 2 bita, tada E s=
E b za signal u 2 popodne, i E s = 2E b za signal od 4 popodne. Posljedično, formule (23) i (25) su numerički jednake jedna drugoj, a vjerojatnost bitne pogreške za koherentni 4-PM prijem signala je funkcija E b / N 0,što se tiče koherentnog 2-PM signala. Dakle, 4-PM modulacija (QPSK) pruža najbolji kompromis između snage i pojasa. Osim toga, PM signali su podložni niskom izobličenju s jakom nelinearnošću kanala. To predodređuje prevladavajući izbor signala s PM modulacijom za satelitske komunikacijske sustave.
Karakteristika stope bitne pogreške R e ovisno o stavu E b / N 0 za koherentnu QPSK detekciju 2-PM ili 4-PM signala prikazana je na Sl. 14.
b) Kvadraturna modulacija
Vjerojatnost pogreške po simbolu kanala za M-QAM općenito:
Nakon zamjene (27) u (26), možemo konstruirati odgovarajuće krivulje P e ovisno o C/N, prikazano na sl. šesnaest.
U sustavima s kodiranjem za ispravljanje pogrešaka potrebno je uzeti u obzir smanjenje energije zbog uvođenja kontrolnih simbola u grupni tok.
Tada će formula (P2V.50) imati oblik
| (28) |
gdje R- kodna brzina.
c) Procjena otpornosti na buku i učinkovitost sustava digitalnog TV emitiranja
U objavljenim izvještajima o ispitivanju različitim sustavima digitalna televizija, koja karakterizira otpornost na buku, daju zajedno ili zasebno vrijednosti vjerojatnosti greške R e i odnosima E b / N 0, C / N. Uzimajući u obzir prijavu različite metode preplitanja digitalnih tokova i njihovog kodiranja s ispravljanjem pogrešaka često je teško provesti apsolutno točnu komparativnu analizu korištenih metoda prijenosa, ali je njihova sasvim stvarna procjena sasvim moguća. Najveću sigurnost daju krivulje vjerojatnosti pogreške u odnosu na omjer E b / N 0, ali možete i preračunati omjer C/N v E b / N 0 s naknadnim određivanjem odgovarajućih vrijednosti vjerojatnosti pogreške iz krivulja sličnih onima prikazanim na sl. 15 i 16 (imajući na umu i dostižan energetski dobitak zbog sustava zaštite od pogreške).
Prilikom procjene spektralne učinkovitosti sustava digitalno emitiranje s jednim nosačem, ali u principu različite vrste modulacijama kao što su M-QAM i 8-VSB, treba imati na umu da se ista vrijednost učinkovitosti u ovim sustavima postiže zahvaljujući različitim fizikalnim principima. U M-QAM sustavima propusnost kanala se u potpunosti koristi prijenosom dvodimenzionalnog signala ili dva ortogonalna nositelja s jednom nominalnom frekvencijom, ali s različitim fazama. VSB sustavi nose 1D signal, ali sa samo jednim bočnim pojasom. Teorijski proračuni pokazuju da se pri istoj spektralnoj učinkovitosti i istoj vrijednosti pogreške po bitu, jednakoj 10 -3, potrebni omjer signal-šum u oba sustava razlikuje za najviše 0,02 dB. Neke od izračunatih vrijednosti prikazane su u tablici. 4.
Podaci tablice. 4 to pokazuju kvadraturna modulacija M-QAM je nešto fleksibilniji od VSB-a jer može prenositi podatke na neparnom broju bitova/Hz.
Jednoznačno kodiranje dva bita prenesene informacije
QPSK modulacija temelji se na kodiranju dva bita prenesene informacije jedan lik. U ovom slučaju, brzina simbola je dva puta manja od brzine prijenosa informacija. Da biste razumjeli kako jedan znak kodira dva bita odjednom, razmotrite sliku 1.
Slika 1: Vektorski dijagram BPSK i QPSK signala
Slika 1 prikazuje vektorske dijagrame BPSK i QPSK signala. BPSK signal je razmatran ranije, a rekli smo da jedan BPSK simbol kodira jedan bit informacije, dok se na BPSK vektorskom dijagramu nalaze samo dvije točke na sinfaznoj osi, koje odgovaraju nuli i jednoj od prenesenih informacija. Kvadraturni kanal u slučaju BPSK je uvijek je nula... Točke na vektorskom dijagramu čine konstelaciju fazni pomak... Da bi se dva bita informacije kodirali jednim simbolom, potrebno je da se konstelacija sastoji od četiri točke, kao što je prikazano na QPSK vektorskom dijagramu na slici 1. Tada dobivamo to i različite su od nule, sve točke konstelacije se nalaze na jedinični krug. Zatim se kodiranje može izvršiti na sljedeći način: podijeliti bitni tok na parne i neparne bitove, zatim će kodirati parne i neparne bitove. Dva uzastopna bita informacija istovremeno su kodirana sinfaznim i kvadraturnim signalima. To je jasno prikazano na oscilogramima prikazanim na slici za tok informacija "1100101101100001".
Slika 2: Infazne i kvadraturne komponente QPSK signala
U gornjem grafu, ulazni tok je podijeljen na parove bitova koji odgovaraju jednoj točki QPSK konstelacije prikazanoj na slici 1. Drugi graf prikazuje valni oblik koji odgovara prenesenoj informaciji. Ako je parni bit 1 (imajte na umu da su bitovi numerirani od nule, a ne od jedan, pa je prvi bit u redu označen brojem 0, što znači da je paran po redu), i ako je parni bit 0 (tj. ). Kvadraturni kanal je konstruiran slično, ali samo neparnim bitovima. Trajanje jednog simbola je dvostruko dulje od trajanja jednog bita izvorne informacije. Uređaj koji izvodi takvo kodiranje i prema QPSK konstelaciji je uobičajeno prikazan na slici 3.
Slika 3: QPSK I / Q enkoder
Ovisno o paru bitova na ulazu na izlazu, dobivamo signale i, konstantne unutar trajanja ovog para bitova, čija vrijednost ovisi o prenesenoj informaciji.
Blok dijagram QPSK modulatora
Blok dijagram QPSK modulatora prikazan je na slici 4.
Slika 4: Blok dijagram QPSK modulatora
Signal izgleda ovako:
| (1) |
Važno je napomenuti da se arktangens mora izračunati uzimajući u obzir četvrtinu kompleksne ravnine (funkcija arktangenta 2). Oblik fazne ovojnice za informacijski tok "1100101101100001" prikazan je na slici 5.
Slika 5: Fazni omotač QPSK signala
Fazna ovojnica je stepenasta funkcija vremena koja prolazi kroz diskontinuitet kada se QPSK simbol promijeni (sjetite se da jedan QPSK simbol nosi dva bita informacije). U ovom slučaju, unutar jednog simbola, QPSK vektorski dijagram je uvijek u jednoj točki konstelacije, kao što je prikazano dolje, a kada se simbol promijeni, skače na točku koja odgovara sljedećem simbolu. Budući da QPSK ima samo četiri točke u konstelaciji, fazna ovojnica može poprimiti samo četiri vrijednosti: i.
Amplitudna ovojnica QPSK signala također se može dobiti iz složene ovojnice:
| (4) |
Primjer oscilograma QPSK signala s ulaznim protokom bitova "1100101101100001" pri brzini prijenosa podataka 
a noseća frekvencija od 20 kHz prikazana je na slici 6.
Slika 6: Oscilogram QPSK signala
Imajte na umu da faza oscilacije nosioca može imati četiri vrijednosti: i radijane. U ovom slučaju, faza sljedećeg simbola u odnosu na prethodni se možda neće promijeniti, ili promijeniti za ili za radijane. Također napominjemo da kod brzine prijenosa informacija imamo brzinu simbola i trajanje jednog simbola, što je jasno vidljivo na oscilogramu (fazni skok se događa za 0,2 ms).
Slika 7 prikazuje BPSK spektar i QPSK spektar 
signala na i nosećoj frekvenciji od 100 kHz. Može se vidjeti da je širina glavnog i bočnih režnjeva QPSK signala upola manja od BPSK signala pri istoj brzini prijenosa. To je zato što je QPSK brzina simbola signala polovica brzine informacija, dok je brzina simbola BPSK jednaka brzini informacija. Razine bočnih režnja QPSK i BPSK su jednake.
Oblikovanje QPSK signala pomoću Nyquistovih filtara
Ranije smo razmatrali pitanje sužavanja širine signala prilikom korištenja Nyquist filteri za oblikovanje s povišenim kosinusnim frekvencijskim odzivom... Filtri za oblikovanje omogućuju prijenos BPSK signala brzinom od 1 bita/s po propusnosti signala od 1 Hz, dok eliminiraju međusimbolske smetnje na primajuća strana... Međutim, takvi filtri su neostvarivi, stoga se u praksi koriste filteri za oblikovanje koji daju 0,5 bita/s po širini signala od 1 Hz. U slučaju QPSK-a, brzina prijenosa informacija je dvostruko veća od brzine simbola, tada nam upotreba filtara za oblikovanje daje mogućnost prijenosa 0,5 simbola u sekundi po širini pojasa od 1 Hz ili 1 bit/s digitalnih informacija po propusnoj širini od 1 Hz kada korištenjem povišenog kosinusnog filtra. Rekli smo da impulsni odziv Nyquistovog filtera za oblikovanje ovisi o parametru ima oblik:| (5) |
Slika 8 prikazuje spektre i pri korištenju Nyquist filtara za oblikovanje s parametrom.
Slika 8 prikazuje crnom bojom spektar QPSK signala bez filtera za oblikovanje. Vidi se da primjena Nyquistovog filtera omogućuje potpuno suzbijanje bočnih režnjeva kako u BPSK spektru tako i u QPSK spektru signala. Blok dijagram QPSK modulatora koji koristi filter za oblikovanje prikazan je na slici 9.
Slika 9: Blok dijagram QPSK modulatora koji koristi filter za oblikovanje
Grafovi koji objašnjavaju rad QPSK modulatora prikazani su na slici 10.
Slika 10: Grafovi s objašnjenjima
Digitalne informacije stižu velikom brzinom i pretvaraju se u simbole i u skladu s QPSK konstelacijom, trajanje jednog odaslanog simbola je 
... Sat generira slijed delta impulsa s periodom, ali referenciran na središte impulsa i kao što je prikazano na četvrtom grafikonu. Impulsi generatora takta se strobiraju pomoću tipki i dobivamo uzorke i, prikazane na dva donja grafikona, koji impulsnim odzivom pobuđuju interpolator filtera za oblikovanje i na izlazu imamo sinfaznu i kvadraturnu komponentu složene ovojnice, koje se napajaju u univerzalni kvadraturni modulator. Na izlazu modulatora dobivamo QPSK signal sa potiskivanjem bočnih režnjeva spektra.
Imajte na umu da infazna i kvadraturna komponenta postaju kontinuirane funkcije vrijeme, kao rezultat toga, QPSK kompleksni vektor ovojnice više nije u točkama konstelacije, skače tijekom promjene simbola, već kontinuirano pomiče kompleksnu ravninu kao što je prikazano na slici 11 koristeći povišeni kosinusni filtar s različitim parametrima.
| , što je jasno prikazano QPSK valnim oblikom prikazanim na slici 12.
zaključkeU ovom članku predstavili smo novi koncept - simbolnu brzinu prijenosa informacija, razmatrajući kako jedan simbol može kodirati dva bita prenesene informacije kada se koristi QPSK modulacija. Razmatrana je konstelacija QPSK signala i strukturna shema QPSK modulator. Također smo analizirali spektar QPSK signala i njegove staze sužavanja pomoću Nyquistovog (povišenog kosinusa) filtera za oblikovanje. Utvrđeno je da uključivanje filtera za oblikovanje dovodi do kontinuiranog kretanja vektora kompleksne ovojnice QPSK signala duž kompleksne ravnine, uslijed čega signal dobiva amplitudnu ovojnicu. U sljedećem članku nastavit ćemo se upoznati s QPSK-om, posebno razmotriti njegove vrste: offset QPSK i pi / 4 QPSK. |
