Методы манипуляции цифровой радиосвязи

31

Процесс преобразования в ДУ характеризуется данными табл. 5. Сравнение данных табл. 4 и табл. 5 показывает, что восстановленная последовательность совпадает с переданной, т.е. дифференциальное кодирование устраняет фазовую неоднозначность восстановленной несущей.

3.3. Схема Костаса для квазикогерентной демодуляции DQPSK-радиосигнала

На рис. 1.20 изображена схема Костаса для квазикогерентной демодуляции DQPSK-радиосигнала, являющаяся несколько усложненным вариантом схемы рис. 1.8.

Рис. 20. Структурная схема Костаса для демодуляции DQPSK-радиосигнала

Схема содержит четыре перемножителя (Пм1, Пм2, Пм3, Пм4), три фильтра нижних частот (ФНЧ1, ФНЧ2, ФНЧ3), управляемый генератор (УГ), фазовращатель (ФВ). Элементы Пм3, Пм4, СУ, ФНЧ3 образуют ФД системы ФАПЧ.

УГ охвачен петлей ФАПЧ (Пм1-Пм2, Пм3-Пм4, СУ, ФНЧ3).

Для анализа работы данной схемы запишем выражения, характеризующие колебания

радиосигнал для системы ФАПЧ можно представить выражением (относительно любого исходного значения фазы):

В режиме «слежения» системы ФАПЧ (после «захвата» системой ФАПЧ несущей частоты входного сигнала) УГ генерирует колебание с некоторым смещением начальной фазы ( ) относительно начальной фазы принимаемого колебания. При этом опорные колебания синфазного и квадратурного каналов:

32

Напряжения на выходах Пм1, Пм2, Пм3, Пм4:

Полученный результат в виде (34) позволяет сформулировать следующее:

режим «слежения» системы ФАПЧ возможен только при фазовых переходах входного

Для обеспечения стабильной работы системы ФАПЧ схемы Костаса необходимо в битовом потоке предусмотреть периодическую передачу «пакета частотной коррекции», в котором начальная фаза DQPSK-радиосигнала постоянна (или k 45 о , или k 135 о , или

k 225 о , или k 315 о ). При приеме необходимо синхронизовать по времени работу системы ФАПЧ этим «пакетом частотной коррекции».

При достаточной крутизне управления частотой УГ значение Ue r r невелико ( Ue r r 0 ).

При этом, как следует из (34), и значение также невелико ( 0 ). Следовательно, схема Костаса обеспечивает квазикогерентную демодуляцию DQPSK-радиосигнала, т.е. демодуляцию при малом значении .

Влияние неоднозначности фазы опорного колебания на достоверность приема устраняется использованием дифференциальной QPSK (DQPSK, см. подразделы 3.1, 3.2).

3.4. Некогерентная демодуляция DQPSK-радиосигнала

На рис. 21,а приведена структурная схема некогерентного автокорреляционного демодулятора DQPSK-радиосигнала (демодулятор с задержкой высокочастотного сигнала), а на рис. 21,б – структурная схема некогерентного корреляционного демодулятора DQPSK-радиосигнала (демодулятор с задержкой низкочастотного сигнала).

Для первой схемы демодулятора (см. рис. 21,а) в качестве опорных напряжений Sоп I и

для перемножителей в символьном интервале времени kTS используется сигнал предыдущего символьного интервала (k 1)TS . Особенности работы такого двухканального демодулятора аналогичны особенностям работы одноканального DBPSK-демодулятора, рассмотренным в подразделе 1.6.

33

Рис. 21. Структурные схемы некогерентных демодуляторов DQPSK-радиосигнала: с задержкой высокочастотного сигнала (а); с задержкой низкочастотного сигнала (б). На второй схеме для упрощения не показан БВТЧ

Для схемы с задержкой низкочастотного сигнала (см. рис. 21,б):

влияет на процесс демодуляции.

34

4.Дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом / 4 –

/ 4 Differential Quadrature Phase Shift Keying ( / 4 DQPSK)

При / 4 DQPSK вектор несущей частоты может принимать восемь положений. Фазовая диаграмма и возможные переходы вектора радиосигнала (показаны стрелками) изображены на рис. 22,а. Эта фазовая диаграмма состоит из двух диаграмм: диаграммы QPSK-манипуляции (положения вектора несущей частоты помечены черными кружками) и диаграммы, сдвинутой по фазе на / 4 (положения вектора помечены светлыми кружками). Получение такой фазовой диаграммы возможно при использовании структурной схемы/ 4 DQPSK-модулятора, изображенной на рис. 22,б.

Рис. 22. Фазовая диаграмма / 4 DQPSK-радиосигнала (а); структурная схема / 4 DQPSK-модулятора (б)

Также как и при QPSK, из исходного цифрового потока Mk 1,2 последовательно-

параллельный кодер (ППК) образовывает два параллельных потока дибитов Ck и Dk .

Кодирующее устройство (КУ) из потоков дибитов Ck , Dk формирует модулирующие последовательности синфазного ( I ) и квадратурного ( Q ) каналов по следующим алгоритмам:

где k , k 1 фазы радиосигнала соответственно в текущий и в предыдущий символьные интервалы времени ( TS 2Tb );

k изменение фазы радиосигнала при переходе от предыдущего символьного

интервала к текущему символьному интервалу.

Тогда выходной радиосигнал / 4 DQPSK-модулятора представляется выражением:

SRF Ik cos t Qk sin t cos k cos t sin k sin t

36

Для пояснения данных, приведенных в табл. 7, запишем следующее. Для третьего столбца таблицы из (37) и (38):

Ik (0,707)cos( 135o ) (0,707)sin ( 135o ) 0,5 0,5 0 cos( 90o ) cos k ; Qk (0,707)sin ( 135o ) (0,707)cos( 135o ) 0,5 0,5 1 sin ( 90o ) sin k ;

для четвертого столбца:

Ik (0)cos(135o ) ( 1)sin (135o ) 0,707 cos(45o ) cos k ; Qk (0)sin (135o ) ( 1)cos(135o ) 0,707 sin (45o ) sin k ;

для пятого столбца:

Ik (0,707)cos(45o ) (0,707)sin (45o ) 0,5 0,5 0 cos(90o ) cos k ; Qk (0,707)sin (45o ) (0,707)cos(45o ) 0,5 0,5 1 sin (90o ) sin k ;

для шестого столбца:

Ik (0)cos( 45o ) (1)sin ( 45o ) 0,707 cos(45o ) cos k ; Qk (0)sin ( 45o ) (1)cos( 45o ) 0,707 sin (45o ) sin k .

Поскольку одно значение фазы / 4 DQPSK-радиосигнала определяет два бита исходного цифрового потока Mk1,2 , то ширина его спектра между минимумами главного лепестка такая же, как и у QPSK-радиосигнала (см. (1.23)):

несущего колебания k 1 в предшествующий символьный интервал (k 1)TS , что является

признаком «дифференциальности» модуляции. Следовательно, демодуляция / 4 DQPSKрадиосигнала возможна как когерентным, так и некогерентным демодуляторами (см. структурные схемы на рис. 19, рис. 20, рис. 21,а,б).

К недостатку / 4 DQPSK относится необходимость использования линейных усилителей, поскольку максимальные фазовые переходы (скачки) несущего колебанияmax k k 1 135о . При этом провал огибающей «фильтрованного» сигнала достигает

-(6…9) дБ. Несмотря на этот недостаток, / 4 DQPSK используется, например, в цифровых стандартах сотовой связи PDC (Personal Digital Cellular, Япония) и DAMPS (Digital Advanced Mobile Phone Service, США), в европейском цифровом стандарте транковой радиосвязи

TETRA (TErrestrial Trunked RAdio).

37

5. Частотная манипуляция – Frequency Shift Keying (FSK).

Многопозиционная частотная манипуляция –

Multi Frequency Shift Keying (M-FSK)

Простейшим видом частотной манипуляции сигнала с постоянной амплитудой является двоичная FSK (2-FSK). При этом полезный сигнал формируется из отрезков двух сигналов:

Первый – использование двух генераторов, не связанных между собой; при этом FSK называют манипуляцией с разрывом фазы.

Второй – использование одного генератора, управляемого напряжением (ГУН); при этом FSK называют манипуляцией с непрерывной фазой (CPFSK – Continuous Phase Frequency Shift Keying). Ширина спектра CPFSK-радиосигнала меньше, поэтому этот вид манипуляции нашел применение на практике.

Модулятор многопозиционной частотной манипуляции (M-FSK) с M несущими

т.е. при некогерентной M-FSK ширина спектра радиосигнала больше, чем при когерентной

MFSK.

На практике получила распространение четырехуровневая частотная манипуляция с непрерывной фазой (4-FSK), например, в системе мобильной транковой связи APCO25 (Association of Public safety Communications Official International, США). При таком виде манипуляции используется четыре значения частоты несущего колебания, соответствующие различным возможным вариантам символа-дибита (11, 00, 10, 01). Дальнейшее увеличение количества частот в радиоканале не имеет смысла, так как это приводит к неоправданному расширению спектра сигнала.

38

На рис. 23 изображены структурные схемы когерентного и некогерентного демодуляторов M-FSK-радиосигнала.

Рис. 23. Структурные схемы когерентного (а)

и некогерентного (б) демодуляторов M-FSK-радиосигнала

а на выходе ФНЧ i того канала образуется «единичное» напряжение:

UФНЧ i cos0 1.

Пороговая решающая схема (ПРС) в соответствии с этим напряжением запускает декодирующее устройство (ДУ), которое генерирует соответствующую последовательность выходных битов М k .

квадратурных каналов исключает влияние случайной начальной фазы опорных колебанийна процесс демодуляции, т.к.

40

6. Манипуляция с минимальным сдвигом – Minimum Shift Keying (MSK). Гауссовская манипуляция с минимальным сдвигом

– Gaussian Minimum Shift Keying (GMSK)

Структурная схема MSK-модулятора изображена на рис. 24,а, где ГМС – генератор модуля синусоиды sin t / 2Tb с полупериодом 2Tb (т.е. в течение двух битов аргумент синусоиды меняется на ), УЗ – устройство задержки синусоиды на время одного бита, на

(ППК) разделяется на два потока дибитов, которые в преобразователях уровней (ПУ) превращаются в знакопеременные последовательности Ik 1 и Qk 1 (рис. 23,в,г), а на выходах ПМ 1 и Пм 2 – в знакопеременные модулирующие полуволновые отрезки синусоид и косинусоид (рис. 24,д,е):