1.7. Часткові варіанти фазової маніпуляції

Розглянемо простіший випадок ФМ – двійкову фазову маніпуляцію (Binary Phase Shift Key, BPSK), що дозволяє за допомогою зміни фази несучої передавати два повідомлення, відповідних інформаційним елементам "1" і "0". У такій ситуації доцільним виявляється вибір фаз ФМ-сигналів таким способом, щоб різниця їх становила 180°. При цьому передача "0" здійснюється за допомогою сигналу :

(1.11)

а передача "1" за допомогою сигналу:

(1.12)

Функції s₀(t) і s₁(t) утворюються систему так званих протилежних сигналів, застосування яких дозволяє забезпечити максимальну потенційну завадостійкість [5]. ФМ при цьому називається відносна (ВФМ).

Важливе значення має ФМ з 4 сигналами, крок фази яких становить 90°. При цьому утворюється квадратурна фазова маніпуляція (Quadrature Phase Shift Keying, QPSK) , яка еквівалентна передачі по двох ортогональним ВФМ-каналах, де кожен із сигналів має фазу 0°, 90°, 180° або 270°. Один з варіантів розподілу значень фаз між укрупненими символами "00", "01", "10", "11" наведений на рис. 1.13, а. Відповідно до нього ФМ-сигнали можна записати як:

(1.13)

(1.14)

(1.15)

(1.16)

Рис. 1.13. Фазове сузір'я ФМ-4/QPSK (а) і ФМ-8 при повороті сузір'я QPSK (б)

Якщо фазове сузір'я QPSK є вже встановленим, то для ФМ-8 існує кілька варіантів. Найбільш поширеним є спосіб розподілу фаз, продемонстрований на Рис.1.13, б . Представлене на ньому сузір'я утворюється поворотом на 45⁰ сузір'я, показаного на рис. 1.13, а. В результаті отриману четвірку символів перетворять в трьохбітову додаванням "0", а отриману – додаванням "1". При цьому сигнали характеризуються такими виразами:

(1.17)

(1.18)

(1.19)

(1.20)

(1.21)

(1.22)

(1.23)

(1.24)

Можлива також організація ФМ-8 з дещо іншим розподілом фаз між символами по три біта. Наприклад, може бути нумерація з кроком 45⁰, сузір'я зображено на рис.1.14.

Рис. 1.14. Фазове сузір'я ФМ-8 при послідовної нумерації

Маніпуляція ФМ-8 відповідно до рис. 1.14 володіє простою схемною реалізацією, але далеко не кращою завадо захищеністю: це показується в близькості укрупнених символів, що мають відмінність більш ніж одним елементом. Візьмемо як приклад схему рис. 1.13, б де взагалі немає дуже близьких сусідніх укрупнених елементів, що мають відмінність трьома бітам, а в схемі рис. 1.14 таких пар 2: " 000 " і "111", і "011" і "100". Це набагато краще охарактеризовує завадостійкість 1 схеми ФМ- сигналів в порівнянні з 2.

Цей приклад демонструє, що зведення укрупнених символів в сузір'я при багато позиційній фазовій маніпуляції має багато варіантів, число яких стає більшим із збільшенням позиційності. Таким чином вибір конкретного сузір'я потрібно здійснювати на основі аналізу умов застосування ФМ. До яких належать:

1) інформація про джерело повідомлень, потрібна для визначення апріорних ймовірностей укрупнених символів;

2) відомості про очікувані впливи шуму і перешкод;

3) можливості з побудови апаратної частини системи зв'язку.

1.8. Способи та пристрої для створення фазової маніпуляція

Фазова маніпуляція – один з видів модуляції коливань, при якій фаза несучого коливання управляється інформаційним сигналом. Фазомодульований сигнал s(t) має наступний вигляд:

s(t) = g(t)sin[2πf_ct + φ(t)], (1.25)

де g(t) – обвідна сигналу;  φ(t) – є модулюючим сигналом; f_c – частота несучого сигналу; t – час.

Фазова маніпуляція, не пов'язана з початковою фазою несучого сигналу, називається відносною фазовою маніпуляцією (ВФМ).

У разі, коли інформаційний сигнал є дискретним, то говорять про фазову маніпуляцію. Хоча, строго кажучи, в реальних виробах маніпуляції не буває, так як для скорочення займаної смуги частот маніпуляція проводиться не прямокутним імпульсом, а дзвоноподібним (піднесеним косинусом та ін.) Незважаючи на це, при модуляції дискретним сигналом говорять тільки про маніпуляцію [10].

За характеристиками фазова маніпуляція близька до частотної маніпуляції. У разі синусоїдального модулюючого (інформаційного) сигналу, результати частотної та фазової маніпуляції збігаються.

Крім однократної фазової маніпуляції (поворот фази на 180) розрізняють також двократну (через 90), трьохкратну (через 60), чотирьохкратну (через 45) та інші види фазової маніпуляції. Однак практичне застосування в техніці передачі даних отримали в основному одно-, дво- та трьохкратні види маніпуляції. Фазову маніпуляцію іноді називають абсолютною фазовою модуляцією (АФМ).

Поняттю відносна фазова маніпуляція еквівалентний термін “фазорізницева модуляція” (ФРМ), чи маніпуляція, якщо модулюючим повідомленням є серія імпульсів, як на рис. 1.15, а. 

Принцип здійснення ВФМ показано на рис. 1.15, е. Якщо при АФМ фаза несучої змінюється при кожній зміні полярності імпульсів, що передаються (рис. 1.15, в, д), то при ВФМ вона змінюється при передачі кожного імпульсу тільки позитивної полярності. У нашому прикладі зміна фази відбувається при передачі кожного позитивного імпульсу, тобто 1. Зміна фази несучої при ВФМ не призводить до помилок, тобто до зворотної роботи, як при АФМ, так як зміна фази при ВФМ завжди вказує на виникнення 1 (в нашому прикладі), а відсутність цієї зміни – на передачу 0. При цьому про виникнення 1 свідчить зміна фази як в негативному півперіоді несучої (моменти часу t₂ і t₆), так і в позитивний (момент часу t₃ на рис.1.15, е). Зміна фази несучої на π (рис. 1.15, г) призвела до того, що при ВФМ положення фаз несучої в момент їх зміни на рис. 1.15, ж стало інверсним в порівнянні з положенням фаз на рис. 1.15, е, де опорним при ВФМ являлась синусоїдальна напруга, представлена на рис. 1.15, б .

Рис. 1.15. Зміни фази несучої при зміні полярності імпульсів [4]

Для передачі інформації, як правило, застосовується ДФМ – дискретна фазова маніпуляція (модуляція), коли в якості інформаційного повідомлення використовуються дискретні повідомлення у вигляді послідовності прямокутних імпульсів. ДФМ отримують на основі використання ключових і діодних схем. Найпростіші фазові модулятори для однократної ФМ будуються по ключовій і кільцевій схемам (див. рис. 1.16).

 

а) б)

Рис.1.16. Фазові модулятори: а) ключова схема, б) кільцева схема [7]

В першій схемі (рис. 1.16, а) зміна фази гармонічного коливання на вході отримують за допомогою трансформатора з середньою точкою і ключів Кл₁ і Кл₂, які, в залежності від полярності напруги, що подається на їх керуючі входи, відкриваються чи закриваються, посилаючи в лінію напруги з різною фазою (0° чи 180°). Позитивна півхвиля через Кл₁ проходить на вихід прямо. При негативній півхвилі сигнал проходить на вихід у протифазі [8].

В кільцевому модуляторі (рис. 1.16, б) зміна напряму струму в первинній обмотці вихідного трансформатора відбувається за допомогою перемикання діодів різнополярними імпульсами інформаційного сигналу U_Ω. При цьому фаза вихідного сигналу змінюється на 180°.