3. Фазовая модуляция

Рассмотрим более подробно фазовую модуляцию, так как она довольно часто используется в современных системах передачи информации, например, в модемах, обеспечивающих скорость передачи данных до 2400 бод (4-PSK).

Вслучае фазовой модуляции фаза несущего сигнала должна изменяться в соответствии с передаваемым сообщениемf(t).

где Δφ – предельное изменение фазы от модуляции передаваемым сообщением. Сигнал при фазовой модуляции можно записать, как

Фазомодулированный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, что объясняется тем, что такой параметр как фаза переносчика менее других параметров сигнала подвержена губительному воздействию помех. Например, для обеспечения уровня ошибок не более 10^-4 (1 ошибка на 10000 переданных сигналов) при амплитудной модуляции требуется, чтобы эффективное напряжение сигнала U_АМэф. было на порядок выше эффективного значения помехи U_п.эф.: параметр q=U_АМэф./U_п.эф.>10, при частотной модуляции q≥6, а при фазовой q≈2.

При передаче цифровых сообщений говорят о фазовой манипуляции – PSK (Phase Shift Keying). Фазоманипулированный (ФМ) сигнал представляет собой отрезок гармонического колебания с изменяющейся на 180° фазой:

первый сигнал, соответствующий «1»: S₁(t)=A₀·cos ω₀t;

второй сигнал, соответствующий «0»: S₂(t)=A₀·cos(ω₀t+), 0≤t≤Tc.

Демодулятор при приеме таких сигналов решает задачу о том, в какой области находится принятый сигнал (верхней или нижней) (рис.2.8а).

а) б)

Рис.2.8. Фазовая диаграмма сигнала: а) 2ФМ, б) 4ФМ (4-PSK)

Причем, когда область принятия решений состоит только из двух частей, вероятность ошибки наименьшая. Для одновременной передачи более одного двоичного сигнала чаще всего используют многократную фазовую манипуляцию 4ФМ, 8ФМ, 16ФМ, 32ФМ и т.д. Помехоустойчивость при этом снижается, однако если 2ФМ переносит один двоичный сигнал, то 4ФМ (квадратичная фазовая манипуляция 4-PSK)– два таких сигнала (рис.2.8б), 8ФМ – сразу четыре.

Этот же подход можно использовать для кодирования не одного, а нескольких битов одновременно. В частности в модемах, обеспечивающих скорость передачи данных до 1200 бит/с (но только 600 бод), с фазовой манипуляцией 4-PSK, данные передаются по два бита, причем используются следующие сдвиги фаз: для комбинации битов 00 – 0°, для 01 – 90°, для 10 – 180°, для 11 – 270° (протокол V.22). Для скорости 4800 бит/с (но 1600 бод) используют 8ФМ модуляцию и кодируют различными фазами 8 комбинаций из 3 битов (протокол V.27).

Практическая реализация демодуляторов ФМ сигналов встречает определенные трудности, связанные с созданием опорного (несущего) напряжения с неизменной начальной фазой. Поэтому часто применяют систему относительной фазовой модуляции (ОФМ) - DPSK, в которой полезная информация содержится не в абсолютном значении фазы сигнала (отсчитываемой от некоторого эталона), а в разности начальных фаз двух соседних сигналов. Так для двоичных сигналов для передачи символа «0» начальная фаза передаваемого колебания сохраняется неизменной по отношению к начальной фазе колебания на интервале длительности предшествующего символа. Для передачи «1» начальная фаза колебания поворачивается на 180°.

Аналогично организуется и многократная относительная фазовая модуляция. При этом передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего колебания. Такой тип модуляции (4-DPSK) применяется модемах в соответствии с протоколом V.32 для скорости передачи 4800 бит/с.

Современные модемы для обеспечения высокой помехоустойчивой связи при высоких скоростях передачи информации используются более скоростные методы модуляции, например, для скоростей 12000 bps в протоколах V.32bis и V.33 предусмотрена модуляция типа 64-ТСМ, а для 14400 – 128-ТСМ. При этом используют комбинированную квадратурно-амплитудную и фазовую модуляции.