ПТСМС / Tema_5
.pdfТема 5. Цифровая и аналоговая модуляция. Виды модуляции. Модуляция с несколькими несущими
Модуляция – это процесс изменения одного или нескольких параметров колебания (несущей частоты) под воздействием информационного сигнала. В качестве несущей могут быть использованы колебания различной формы (прямоугольные, треугольные и т.д.), однако чаще всего применяются гармонические колебания. В зависимости от того, какой из параметров несущей частоты изменяется, различают вид модуляции (амплитудная, частотная, фазовая и др.).
Цифровая модуляция (манипуляция) применяется для передачи цифровой информации в основной полосе частот. Для цифровой модуляции существуют три основные схемы: амплитудная манипуляция (ASK), частотная манипуляция (FSK) и фазовая манипуляция (PSK). Например, в результате цифровой модуляции цифровой поток со скоростью 1 Мбит/с преобразуется в узкополосный аналоговый сигнал с частотой 1 МГц.
Аналоговая модуляция применяется для переноса спектра информационного сигнала в область высоких частот, где передача электромагнитных сигналов посредством излучения более эффективна по нескольким причинам.
1. Для эффективной работы антенны ее размеры должны иметь тот же порядок, что и длина волны сигнала. В примере с модулирующим сигналом частотой 1 МГц высота антенны составляла бы несколько сотен метров. Понятно, что для переносных устройств это не очень практично. В то же время для частоты 1 ГГц можно использовать антенныдлинойнесколько сантиметров.
2.Схему частотного уплотнения нельзя применить к немодулированной передаче. Для частотного уплотнения необходимо с помощью аналоговой модуляции перевести модулирующие сигналы на различные несущие частоты. Чемвышенесущаячастота, темширеполосачастот, доступная длямодулирующихсигналов.
3.Все эффекты – затухание, проникновение сквозь препятствия, отражение, рассеяние и дифракция – сильно зависят от длины волны сигнала. Поэтому в каждом случае необходимо выбирать такие несущие частоты, которые бы лучше подходили для данного применения: длинные волны – для подводных лодок, короткие волны – для переносных устройств, очень короткие волны – для направленной микроволновой передачи и т.д.
Для аналоговой модуляции существуют три основные схемы: амплитудная модуляция (AM), частотная модуляция (FM) и фазовая модуляция
(РМ).
На рис. 5.1 показана (упрощенная) структурная схема радиопередатчика цифровых данных. На первом этапе выполняется цифровая модуляция. Здесь происходит преобразование цифровых данных в аналоговый модулирующий сигнал. Затем спектр аналогового сигнала посредством механизма аналоговой модуляции переносится на несущую радиочастоту. Далеемодулированныйсигналпередаетсянаантенну.
Рис. 5.1. Модуляция в передатчике
Приемник рис. 5.2 с помощью своей антенны принимает сигнал и преобразует (демодулирует) его в аналоговый узкополосный сигнал. Для получения цифровых данных требуется синхронизация приемника и передатчика. Битовая синхронизация нужна для того, чтобы правильно выделить битовые интервалы и принять решение какой бит передавался (0 или 1). Синхронизация по кадрам нужна для того, чтобы в потоке бит выделить начало кадра и последующие поля. Способ синхронизации зависит отиспользуемойсхемыцифровоймодуляции.
Рис. 5.2. Демодуляция и восстановление данных в приемнике
Основными характеристиками схем цифровой модуляции являются спектральная эффективность, энергетическая эффективность, устойчивость к эффектам многолучевого распространения, шумам и помехам.
Спектральная эффективность показывает, насколько эффективно используется доступная полоса частот и может быть выражена удельной скоростью передачи, т.е. количеством переданных битов в секунду на один герц [бит/(с*Гц)]. Энергетическая эффективность показывает количество требуемой энергии на бит информации.
Далее рассмотрим основные виды цифровой модуляции.
Амплитудная манипуляция (Amplitude Shift Keying, ASK) показана на рис. 5.3. Два двоичных значения, 0 и 1, представляются различными уровнями амплитуды сигнала. В приведенном примере двоичному нулю
соответствует нулевая амплитуда. Для этой простой схемы достаточно узкой полосы частот, но она весьма восприимчива к помехам. Эффекты многолучевого распространения, шум, затухание сильно влияют на амплитуду сигнала. Поэтому в беспроводной среде не удается обеспечить ее постоянство. По этой причине схему ASK обычно не используют для беспроводной радиопередачи. Схема ASK применяется в оптических системах и при беспроводной инфракраснойпередаче.
Рис. 5.3. Амплитудная манипуляция (ASK)
Частотная манипуляция (Frequency Shift Keying, FSK) показана на рис. 5.4. В двоичной частотной манипуляции единице ставится в соответствие частота ƒ1, а двоичному нулю – частота ƒ2. Для схемы FSK необходима более широкая полоса частот, чем для схемы ASK, но она менее восприимчива к помехам.
Рис. 5.4. Частотная манипуляция (FSK)
Фазовая манипуляция (Phase Shift Keying, PSK) показана на рис.5.5 и
рис. 5.6. С этой схеме для представления данных используются разные значенияначальногосдвигафазыгармоническогосигнала. Нарис. 5.5 показана двоичная фазовая манипуляция (BPSK). В этой схеме единице соответствует начальныйсдвигфазы0˚, нулю180˚.
Рис. 5.5. Фазоваяманипуляция(BPSK)
На рис. 5.6 показана относительная двоичная фазовая манипуляция (DBPSK). При формировании относительно кодируемого бита dk кодированной последовательности {dk} сравниваются текущий бит bk информационной последовательности {bk} и предыдущий бит dk-1. При совпадении bk и dk-1 формируется dk=1, в противном случае dk=0. Значение начального опорного бита последовательности {dk} может быть любым из двух возможных.
Рис. 5.6. Относительная фазовая манипуляция (DBPSK)
По сравнению с частотной манипуляцией фазовая манипуляция менее подвержена влиянию помех и требует меньшую полосу частот.
Улучшенные виды частотной манипуляции
Одним из видов частотной манипуляции является быстрая частотная манипуляция (Fast Frequency Shift Keying, FFSK). Две разновидности FFSK
показаны на рис. 5.7. На рис. 5.7, а единице соответствует частота f1, а нулю – частота f2 = 1.5f1. На рис. 5.7, б для представления единицы используется частота f1, а нуля – частота f2 = 0.5f1.
а)
б)
Рис. 5.7. Виды быстрой частотной манипуляции (FFSK)
Во многих беспроводных системах используется манипуляция с минимальным сдвигом (Minimum Shift Keying, MSK). На рис. 5.8 приведен пример реализации схемы MSK. На первом этапе информационные биты разделяются на четные и нечетные биты с удвоенной продолжительностью. Эта схема использует две частоты – нижнюю ƒ1 и верхнюю ƒ2 = 2ƒ1.
При генерации сигнала в схеме MSK нижняя или верхняя (или же инвертированная или неинвертированная) частоты выбираются по следующимправилам.
•Если четный и нечетный биты равны нулю, то используется
инвертированная верхняя частота ƒ2 (т.е. частота ƒ2 используется со сдвигом на 180°).
•Когда четный бит равен единице, а нечетный – нулю, то используется инвертированная нижняя частота ƒ1.
• Если четный бит равен нулю, а нечетный – единице, то применяется частота ƒ1 без изменения фазы.
• Наконец, если оба бита равны единице, выбирается исходная частота
ƒ2.
Рис.5.8. Манипуляция с минимальным сдвигом (MSK)
Из рис. 5.8. видно, что MSK является манипуляцией без разрыва фазы. При добавлении в схему так называемого гауссова фильтра нижних частот схема MSK превращается в гауссову манипуляцию с минимальным
сдвигом (GMSK). Фильтр сужает слишком широкий спектр частот, необходимый для работы схемы MSK.
Улучшенные виды фазовой манипуляции
Модемы с 4-позиционной или квадратурной фазовой манипуляции (QPSK) используются в системах, которых теоретическая спектральная эффективность модемов BPSK (1 бит/(с*Гц)) недостаточна при имеющейся в наличии полосе частот. В системах QPSK модулированный сигнал имеет четыре различных фазовых состояния. Эти состояния формируются специальной схемой преобразования последовательных дибитов (пар битов) в символы. Соответствующие фазовые состояния сохраняются в течение сигнального интервала Ts, который равен длительности двух битов, т.е. Ts = 2Tb. Эти четыре возможных дибита часто преобразуются в соответствии с кодом Грея. Важное свойство данного кода состоит в том, что соседние символы (фазовые состояния) различаются только в одном бите.
Структурные схемы модуляторов сигналов QPSK, обычного и со сдвигом, представлены на рис. 5.9.
Рис. 5.9. Модулятор сигналов QPSK и O-QPSK и векторная диаграмма
Для обычной QPSK линия задержки для сдвига на Tb в квадратурном канале отсутствует. Поток данных БВН – без возвращения к нулю (Nonreturn to zero, NRZ), поступающий на модулятор, разделяется на два потока БВН с помощью последовательно-параллельного преобразователя. Один поток I(t) – синфазный, а другой Q(t) – квадратурный, при этом каждый поток имеет символьную скорость, равную половине входной битовой скорости. На рис. 5.10 показаны временные диаграммы входного и квадратурных (I и Q) потоков данных. Потоки I и Q подаются на перемножители (балансные смесители,
перемножающие модуляторы). На второй вход перемножителя канала I подается сигнал несущей cosω0t, а на второй вход перемножителя канала Q
– квадратурная несущая, т.е. сигнал, сдвинутый по фазе на 90˚ (sinω0t).
Рис.5.10. Временная диаграмма входного и квадратурных (I и Q) потоков данных
Выходными сигналами обоих перемножителей являются сигналы BPSK. Выходной сигнал перемножителя I имеет фазу 0˚ или 180˚ относительно несущей, а перемножителя Q – 90˚ или 270˚ относительно несущей. Затем выходные данные суммируются для получения четырехфазного сигнала.
Четыре возможных выходных сигнала модулятора QPSK и соответствующие им цифровые комбинации IQ представлены диаграммой сигнального пространства, изображенной на рис. 5.11. В данной схеме возможны фазовые переходы на 90˚ или 180˚.
Рис.5.11. Сигнальное созвездие для QPSK
Различие схемы QPSK со сдвигом (О-QPSK, offset-QPSK) от обычной схемы заключается в смещении моментов переходов сигналов данных в каналах I и Q относительно друг друга на входах перемножителей. Входной поток данных (рис. 5.9) подается на последовательно-параллельный преобразователь. Поток Q смещается во времени относительно потока I с помощью линии задержки на величину, равную длительности бита входного сигнала Tb. Результирующие фазовые состояния сигнала на выходе модулятора такие же, как и у сигнала QPSK.
Однако, поскольку переходы в обоих потоках данных, подаваемых на перемножители, никогда не происходят одновременно, то в конкретный момент времени меняется только один из векторов, образующих выходной сигнал О-QPSK. В результате в выходных сигналах модулятора присутствуют только фазовые переходы на 90˚.
Построение когерентных демодуляторов сигналов и О-QPSK является трудной задачей, особенно если требуется очень быстрая их синхронизация. Чтобы избежать необходимости в сложной схеме восстановления несущей и сократить время синхронизации демодулятора применяют относительную QPSK (DQPSK).
Метод модуляции, известный как QPSK с относительным кодированием и фазовым сдвигом π/4 (π/4- DQPSK), используется в американских и японских цифровых системах сотовой связи. Мгновенные фазовые переходы для π/4- DQPSK могут быть следующими: 0˚, ±45˚, ±135˚. Сигнальное созвездие для модуляции π/4- DQPSK представлено на рис. 5.12. Отметим вращение на π/4 созвездия базовой QPSK для четных и нечетных символов.
Рис. 5.12. Сигнальное созвездие сигнала π/4- DQPSK
Для повышения скорости передачи в доступной полосе частот можно объединить фазовую и амплитудную манипуляции. Этот подход применяется в квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Например, могут быть объединены 3 различных амплитуды и 12 углов. При этом в одном изменении фазы/амплитуды кодируется 4 бита (рис. 5.13).
Рис. 5.13. Сигнальное созвездие 16-QAM
Модуляция с несколькими несущими (MultiCarrier Modulatin, MCM) несколько отличается от рассмотренных ранее видов модуляции. Эту схему модуляции также называют ортогональным уплотнением с частотным разделением (OFDM) или кодированным частотным уплотнением (COFDM).
При модуляции с несколькими несущими поток данных разбивается на несколько потоков с меньшей скоростью, каждый из них использует независимую частоту (поднесущую). Параметры поднесущей вычисляются на основе выбранной схемы модуляции (BPSK, QPSK, QAM).
OFDM символом называется группа несущих частот, которая за время Ts переносит определенное количество бит параллельных цифровых потоков.
Длительность символа представляет собой сумму двух частей: -полезная часть, длительность которой равна Tu;
-защитный интервал, его длительность равна Тg.
Для выполнения условий ортогональности необходимо, чтобы частотный разнос между несущими был равен 1/Tu. При этом происходит перекрытие спектров поднесущих. Как видно из рис. 5.14, спектральная кривая любой из поднесущих имеет нулевое значение для "центральной" частоты смежной кривой. Именно эта особенность спектра поднесущих и обеспечивает отсутствие интерференции между ними.
Рис.5.14. Ортогональные поднесущие
Защитный интервал располагается перед полезной частью символа. В нем размещается фрагмент полезной части символа. Введение защитных интервалов в OFDM-символы позволяет бороться с межсимвольной интерференцией в радиоканалах с многолучевым распространением сигналов и подверженных эффекту Доплера.
Технически метод OFDM реализуется путем выполнения инверсного дискретного преобразования Фурье (Fast Fourier Transform, FFT) в модуляторе передатчика и прямого дискретного преобразования Фурье – в демодуляторе приемника приемопередающего устройства.