ЦИФРОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ. БАЗОВЫЕ МЕТОДЫ

---


...

Оглавление
1. Введение 2
1.1. МОДУЛЯЦИЯ 2
1.2 ЦИФРОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ 5
2. Базовые методы цифровой модуляции 7
2.1 ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ 7
2.1.1 М-ичные системы модуляции. 7
2.1.2 Двоичная фазовая модуляция. 8
2.1.3 Квадратурная фазовая модуляция (QPSK). 9
2.1.4 Квадратурная фазовая модуляция со смещением. 11
2.1.5 ФМ-8 сигналы (8PSK) 12
2.1.6 п/4-квадратурная относительная фазовая модуляция 13
2.2 ЧАСТОТНАЯ МОДУЛЯЦИЯ 15
2.2.1 Сигналы с постоянной огибающей 15
2.2.2 Двоичная частотная манипуляция 16
2.2.3 Частотная манипуляция с минимальным сдвигом 17
2.2.4 Гауссовская частотная манипуляция с минимальным сдвигом 18
2.2.5 Квадратурная амплитудная модуляция 20
2.2.6 М-ичная частотная модуляция 21
2.3 МОДУЛЯЦИЯ С РАСШИРЕНИЕМ СПЕКТРА 22
2.3.1 Прямое расширение спектра 22
2.3.2 Расширение спектра скачками по частоте 24
2.3.3 Расширение спектра скачками по времени 25
Список литературы: 2

---

Уже отмечалось, что при фазовой модуляции возможны изменения мгновенных значений фазы высокочастотного несущего колебания на +180°, в результате чего могут возникнуть значительные изменения значений огибающей радиосигнала. Эти изменения оказываются не столь значительными для сигналов с квадратурной фазовой модуляцией со смещением. Функциональная схема устройства формирования такого радиосигнала изображена на рис. 9.Рис 9. Функциональная схема устройства Этот способ формирования сигнала практически полностью аналогичен квадратурному способу формирования ФМ сигнала, однако с той лишь разницей, что подпоследовательность в квадратурной ветви сдвигается во времени (задерживается) на время Tс или, что эквивалентно, на половину длительности канального символа. На рис. 10 представлены временные диаграммы последовательностей информационных битов и соответствующих канальных символов для этой функциональной схемы.Рис 10.Временные диаграммы при формировании ФМ-4 радиосигнала со смещениемДиаграмма фазовых переходов QPSK радиосигнала со смещением представлена на рис. 11.Рис 11. Диаграмма фазовых переходов ФМ-4 радиосигнала со смещением.2.1.5 ФМ-8 сигналы (8PSK) Поток информационных битов, поступающих на вход модулятора, можно разбивать на группы по 3, 4 бита и т.д.. формируя затем ФМ-8, ФМ-16 сигналы и т.д. На рис. 12 изображено сигнальное созвездие для 8PSK радиосигнала.Рис. 12. Сигнальное созвездие для ФМ-8 радиосигнала.Для этого способа модуляции необходимо иметь восемь канальных символов, начальные фазы которых отличаются от мгновенной фазы немодулированного несущего колебания на угол, кратный 45°. Если амплитуды всех канальных символов одинаковы, то сигнальные точки располагаются нa окружности. Возможные значения вещественных и мнимых частей комплексных амплитуд этих символов при этом пропорциональны коэффициентам I и Q. Не совсем простым является вопрос об установлении соответствий между точками сигнального созвездия и тройками информационных битов. Этот процесс называют сигнальным кодированием. На рис. 13 приведена функциональная схема устройства формирования 8PSK радиосигнала. Основными здесь являются устройства, аналогичные соответствующим устройствам уже рассмотренных ранее модуляторов: демультиплексор распределяет входной поток информационных битов длительностью Tс на три подпоследовательности, элементы задержек выравнивают во времени эти подпоследовательности, расширители увеличивают длительность каждого символа до значения длительности канального символа Tкс = 3Tс. Сигнальное кодирование в этом случае сводится к вычислению значений синфазной и квадратурной компонент комплексной огибающей 8PSK радиосигнала. Эта операция выполняется сигнальным кодером, в состав которого входит транскодер, имеющий два цифровых выхода с L-битовыми словами, которые в цифро-аналоговых преобразователях (ЦАП) преобразуются в аналоговые величины с требуемыми значениями.Рис 13. Функциональная схема устройства формирования ФМ-8 радиосигнала2.1.6 п/4-квадратурная относительная фазовая модуляцияПри квадратурной QPSK и QPSK со смещением максимальное изменение мгновенной фазы радиосигнала равно 180° и 90° соответственно. В настоящее время достаточно широко используется л/4-квадратурная относительная фазовая модуляция, при которой максимальный скачок фазы равен 135°, а все возможные значения мгновенной фазы радиосигнала кратны значению л/4. Ни одна траектория фазовых переходов для этого способа модуляции не проходит через начало координат. В результате огибающая радиосигнала имеет меньшие провалы по сравнению с квадратурной фазовой модуляцией. Функциональная схема устройства формирования такого радиосигнала представлена на рис. 14Рис. 14 Функциональная схема устройства формирования радиосигнала п/4-квадратурной относительной фазовой модуляциейПоследовательность информационных битов {аj, j = 1,2...} разбивается на две подпоследовательности: нечетных и четных битов, из которых биты выбираются парами. Каждая новая пара таких битов определяет приращение фазы несущего колебания на величину , в соответствии с табл. 1. Таблица 1На рис. 15,а изображено созвездие возможных сигнальных точек для интервала с номером i, если ; аналогичное созвездие для случая, когда , представлено на рис.3.14,6. Общее созвездие сигнальных точек для данного способа модуляции изображено на рис. 15,б и получается путем наложения рис. 15,а и рис. 15,б друг на друга. На рис.15,в не указаны стрелками направления переходов, поскольку для каждого перехода возможны направления в обе стороны.Рис 15.Сигнальные созвездия радиосигнала с п/4-квадратурной относительной модуляцией2.2 Частотная модуляцияЧастотная модуляции (ЧМ) - вид модуляции колебаний, при которой частота несущего высокочастотного колебания изменяется во времени по закону, соответствующему передаваемому сигналу. Особенность ЧМ — высокая помехозащищенность. ЧМ применяется для высококачественной передачи информации: в радиовещании (в диапазоне УКВ), для звукового сопровождения телевизионных программ, при тональном телеграфировании, в радиотелефонии и др.2.2.1 Сигналы с постоянной огибающейПри фазовой манипуляции фаза несущего колебания изменялась скачком от одного возможного значения к другому в соответствии с изменением значения модулирующего сигнала. Отмечалось, что при таких изменениях фазы возможны значительные изменения амплитуды радиосигнала, которые приводят к заметному снижению как средней мощности радиосигнала, так и спектральной эффективности системы связи. Вместо разбиения интервала возможных значений мгновенной фазы несущего колебания на небольшие интервалы и переходов между ними скачками можно переходить от одного значения фазы к другому плавно по какому-либо закону. Если это сделать таким образом, чтобы сигнальная точка оставалась на окружности радиусом единица, то можно получить радиосигнал с постоянным значением амплитуды. Многие современные системы связи с подвижными объектами используют методы модуляции, которые обеспечивают формирование радиосигнала с постоянным значением амплитуды несущего колебания при меняющихся значениях модулирующего сигнала. Известно несколько таких методов модуляции, которые обеспечивают системам связи ряд следующих положительных свойств: • возможность использования усилителей мощности класса С без риска расширения полосы занимаемых частот в радиоканале; известно, что усилители этого класса являются наиболее экономичными с точки зрения потребляемой энергии при прочих равных характеристиках; • низкий уровень внеполосных излучений, достигающий значений от -60 до -70 дБ, что позволяет уменьшить защитный частотный интервал между соседними частотными каналами; • возможность использования простых устройств демодуляции, содержащих устройства ограничения уровня принимаемого сигнала, что упрощает проектирование приемных устройств и обеспечивает устойчивый прием в условиях значительных замираний принимаемого сигнала. Мгновенная частота любого узкополосного колебания может быть определена как производная по времени полной мгновенной фазы; Поэтому фазовую модуляцию с непрерывным гладким изменением фазы можно рассматривать как частотную модуляцию. В этом случае частота несущего колебания является параметром, значение которого должно изменяться в зависимости от значения модулирующего сигнала.2.2.2 Двоичная частотная манипуляцияПри двоичной частотной манипуляции частота несущего колебания с постоянной амплитудой может иметь два возможных значения и изменяется скачками в соответствии со значениями модулирующего сигнала. В общем случае ЧМ сигнал можно представить следующим образом:Более общий метод формирования ЧМ сигнала заключается в том, что используется один генератор несущего колебания, мгновенная частота которого изменяется в соответствии с изменениями модулирующего сигнала. Этот способ модуляции аналогичен методу формирования ЧМ сигнала при аналоговом модулирующем сигнале, однако в этом случае модулирующий сигнал является цифровым и принимает всего два возможных значения. Для такого радиосигнала можно записатьНа рис. 16 представлена функциональная схема устройства формирования ЧМ сигнала при двоичном модулирующем сигнале. Основным элементом этого модулятора является генератор гармонического несущего колебания, частота которого может управляться напряжением модулирующего сигнала (ГУН - генератор, управляемый напряжением).Рис 16. Функциональная схема устройства формирования ЧМ сигнала с непрерывной фазойПоток информационных битов сначала преобразуется в модулирующий сигнал u(t) — последовательность прямоугольных импульсов положительной и отрицательной полярности, амплитуды которых выбираются такими, чтобы обеспечить требуемое значение индекса частотной модуляции где Fс=1/Tс обычно называют частотой манипуляции. Начальная фаза несущего колебания в каждом канальном символе в данном случае не определена; поэтому данный модулятор формирует некогерентный ЧМ сигнал. Полосовой фильтр ослабляет возможные внеполосные гармонические колебания, которые могут появиться из-за нелинейности динамической характеристики усилителя. На рис. 17 тонкими линиями изображена фазовая решетка ЧМ сигнала с непрерывной фазой. Жирной ломаной линией здесь представлена возможная фазовая траектория - отклонения мгновенной фазы сигнала от текущей фазы немодулированного несущего колебания. Эта траектория соответствует последовательности импульсов положительной и отрицательной полярности модулирующего сигнала, указанной на этом же рисунке вдоль оси времени.Рис 17. Фазовая решетка и фазовая траектория ЧМ сигнала с непрерывной фазойОтрезки траектории с положительным значением производной этой траектории по времени соответствуют более высокой частоте несущего колебания Fв = Fо + <>F, а отрезки с отрицательным значением производной - более низкой частоте Fн = Fо - <>F по сравнению с частотой немодулированного несущего колебания.2.2.3 Частотная манипуляция с минимальным сдвигомМанипуляция с минимальным сдвигом (ММС) может рассматриваться как фазовая или как частотная модуляция с непрерывной фазой. Основная особенность этого способа модуляции состоит в том, что приращение фазы несущего колебания на интервале времени, равном длительности Тс одного символа, всегда равно + 90° или -90° в зависимости от знаков символов модулирующего сигнала. Поскольку на интервале каждого очередного импульса модулирующего сигнала мгновенная фаза несущего колебания, отклоняясь от фазы немодулированного гармонического колебания, изменяется линейно, увеличиваясь или уменьшаясь, то мгновенная частота такого радиосигнала будет изменяться скачками. Таким образом, ММС сигнал является частным случаем ЧМ сигнала с непрерывной фазой. Сигнал с ММС может быть сформирован с помощью квадратурной схемы. Последовательность символов {bi, i = 1, 2, ...}, принимающих значения +1 или -1, разбивается на две подпоследовательности нечетных {b2i-1, i=1,2,...} и четных {b2i, i = 1.2, ...} символов. Из этих подпоследовательностей формируются квадратурные компоненты модулирующего сигнала Теперь сформируем сигнал в соответствии со следующим представлением: Здесь F0 - частота несущего колебания; функции и на интервале длительностью 2Тс имеют полуволну и фактически сглаживают прямоугольную форму импульсов квадратурных компонентов модулирующего сигнала. ММС сигнал, сформированный квадратурным модулятором, обладает следующей особенностью: знак приращения фазы на очередном временном интервале определяется не только очередным символом, передаваемым на этом интервале, но и значением предшествующего символа. Поэтому при демодуляции такого сигнала в приемнике необходимо учитывать эту взаимосвязь между соседними канальными символами.Рис 18. Функциональная схема устройства формирования ММС сигналаНа рис. 18 представлена функциональная схема устройства, обеспечивающего формирование ММС сигнала. Поток информационных битов поступает на вход демультиплексора, в котором разбивается на две подпоследовательности - нечетных и четных битов. Каждая подпоследовательность преобразуется в последовательность положительных или отрицательных прямоугольных импульсов. Далее импульсы обеих подпоследовательностей расширяются до длительностей 2Тс, перемножаются на гармонические полуволны квадратурных каналов и переносятся на высокую частоту.2.2.4 Гауссовская частотная манипуляция с минимальным сдвигомММС сигнал имеет постоянную огибающую и занимает меньшую полосу частот, чем сигнал с обычной частотной манипуляцией. Однако для многих приложений спектр ММС сигнала все еще остается достаточно широким. Основная причина этого состоит в том, что его фазовые траектории хотя и непрерывны, но являются ломаными линиями, так что их первая производная по времени оказывается разрывной. Сглаживание»этих фазовых траекторий является одним из возможных путей дальнейшего уменьшения ширины спектра ММС сигнала. Достигается данный эффект использованием дополнительной фильтрации модулирующего сигнала до его переноса на высокую частоту.На рис. 19 представлена функциональная схема устройства формирования сигнала с гауссовской модуляцией с минимальным сдвигом (ГММС сигнал). Новым элементом в данной схеме является гауссовский фильтр низкой частоты (ГФНЧ) с импульсным откликом и амплитудно-частотной характеристикой, определяемыми следующими равенствами:где В - ширина полосы пропускания фильтра на уровне -3 дБ. На выходе ГФНЧ отклик на каждый импульс подпоследовательности определяется как свертка прямоугольного импульса на входе и импульсной характеристики фильтра:При ВТс = 1 длительность импульсного отклика фильтра примерно равна длительности одного импульса на входе фильтра и сглаживание формы импульса оказывается незначительным. При уменьшении полосы пропускания В отклик на одиночный импульс приближается к гауссовской кривой и имеет более компактный спектр; в результате фазовые траектории не имеют изломов. Если полоса В неограниченно увеличивается, то форма отклика приближается к форме одиночного импульса. В пределе при ВТс = оо можно считать, что фильтр отсутствует, а схема формирует ММС сигнал. Наиболее сложным элементом этой схемы является гауссовский фильтр низкой частоты. Обычно он реализуется как цифровой фильтр с конечной импульс ной характеристикой. Значительная доля операций при этом может быть выполнена специализированным процессором.2.2.5 Квадратурная амплитудная модуляцияПри М-ичной фазовой модуляции, рассмотренной ранее, амплитуда и частота несущего колебания в течение сеанса связи остаются постоянными. Изменяется только начальная фаза каждого канального символа. При квадратурной амплитудной модуляции (КАМ) изменяются значения амплитуды и начальной фазы каждого канального символа. Если число возможных значений этих параметров дискретно и конечно, то этот тип модуляции также является цифровым. Один канальный символ сигнала при таком способе модуляции можно представить следующим равенством:в котором Аm является комплексной амплитудой этого канального символа, m = 1,2,...,М. При построении сигнального созвездия этого сигнала удобнее использовать вещественную и мнимую части комплексной амплитуды:где am и bm - координаты m-й точки сигнального созвездия КАМ сигнала. На рис. 20 представлено сигнальное созвездие КАМ-16.