Slibné metody modulace v systémech širokopásmového přenosu dat. Rádiová komunikace Kolik informačních symbolů obsahuje každý signál qpsk

Dnes už specialisty na komunikaci nepřekvapí tajemné sousloví Rozprostřené spektrum. Širokopásmové (jmenovitě se za těmito slovy skrývají) systémy přenosu dat se od sebe liší způsobem a rychlostí přenosu dat, typem modulace, dosahem přenosu, možnostmi služby atd. V tomto článku byl učiněn pokus o klasifikaci širokopásmového připojení systémy založené na modulaci v nich použité.

Základní ustanovení

Širokopásmové datové přenosové systémy (WBDS) podléhají z hlediska protokolů jednotnému standardu IEEE 802.11 a v radiofrekvenční části jednotným pravidlům FCC (US Federal Communications Commission). Zároveň se však od sebe liší způsobem a rychlostí přenosu dat, typem modulace, přenosovou vzdáleností, možnostmi služby a tak dále.

Všechny tyto vlastnosti jsou důležité při výběru širokopásmového přístupu (potenciálním kupcem) a základny prvků (vývojářem, výrobcem komunikačních systémů). V tomto přehledu byl učiněn pokus klasifikovat širokopásmový přístup na základě nejméně pokryté charakteristiky v technické literatuře, konkrétně jejich modulace.

Použitím různých typů přídavných modulací, aplikovaných ve spojení s fázovou (BPSK) a kvadraturní fázovou modulací (QPSK) ke zvýšení informační rychlosti při přenosu širokopásmových signálů v pásmu 2,4 GHz, lze dosáhnout informační rychlosti až 11 Mbps, přičemž zohledněte omezení stanovená FCC pro provoz v tomto rozsahu. Protože se očekává, že širokopásmové signály budou přenášeny bez získání licence pro frekvenční pásmo, jsou charakteristiky signálů omezeny, aby se snížilo vzájemné rušení.

Tyto typy modulace jsou různé formy M-ary ortogonální modulace (MOK), pulzní fázové modulace (PPM), kvadraturní amplitudové modulace (QAM). Širokopásmové signály lze také klasifikovat jako signály přijímané během současného provozu na několika paralelních kanálech oddělených frekvencí (FDMA) a/nebo časem (TDMA). V závislosti na konkrétních podmínkách se volí jeden nebo druhý typ modulace.

Výběr typu modulace

Hlavním úkolem každého komunikačního systému je přenášet informace ze zdroje zpráv ke spotřebiteli co nejhospodárnějším způsobem. Proto se volí takový typ modulace, který minimalizuje vliv rušení a zkreslení, čímž se dosáhne maximální informační rychlosti a minimální chybovosti. Typy uvažované modulace byly vybrány podle několika kritérií: odolnost vůči vícecestnému šíření; rušení; počet dostupných kanálů; požadavky na linearitu výkonových zesilovačů; dosažitelný dosah přenosu a složitost implementace.

DSSS modulace

Většina typů modulace prezentovaných v přehledu je založena na širokopásmových signálech přímé sekvence (DSSS) - klasických širokopásmových signálech. V systémech s DSSS umožňuje několikanásobné rozšíření spektra signálu snížit hustotu spektrálního výkonu signálu o stejnou hodnotu. Rozprostření se typicky provádí vynásobením relativně úzkopásmového datového signálu širokopásmovým rozprostíracím signálem. Šíření signálu nebo šíření kódu je často označováno jako kód podobný šumu nebo PN (pseudonoise) kód. Princip popsaného rozšíření spektra je znázorněn na Obr. 1.

Bit perioda - perioda informačního bitu
Perioda čipu - perioda čipu
datový signál
PN-kód - kód podobný šumu
Kódovaný signál - širokopásmový signál
DSSS/MOK modulace

Širokopásmové přímé sekvenční signály s M-ary ortogonální modulací (nebo zkráceně MOK modulace) jsou známy již dlouhou dobu, ale je poměrně obtížné je implementovat na analogové komponenty. Pomocí digitálních mikroobvodů je dnes možné využít unikátní vlastnosti této modulace.

Variantou MOK je M-ary bi-ortogonální modulace (MBOK). Zvýšení informační rychlosti je dosaženo použitím několika ortogonálních PN kódů současně při zachování stejné rychlosti opakování čipu a tvaru spektra. Modulace MBOK využívá energii spektra efektivně, to znamená, že má poměrně vysoký poměr přenosové rychlosti k energii signálu. Je imunní vůči interferenci a multipath.

Z toho, který je znázorněn na Obr. 2 MBOK modulačního schématu ve spojení s QPSK je vidět, že PN kód je vybrán z M-ortogonálních vektorů podle datového řídicího bytu. Protože I- a Q-kanály jsou ortogonální, mohou současně podstoupit MBOK. V biortogonální modulaci se používají i invertované vektory, což umožňuje zvýšit rychlost informace. Nejširší distribuci získala sada skutečně ortogonálních Walshových vektorů s násobkem vektorové dimenze 2. Přenášet 8 bitů na kanálový symbol, což má za následek kanálovou rychlost 1,375 megasymbolů za sekundu a datovou rychlost 11 Mbps.

Modulace umožňuje poměrně snadno organizovat společnou práci se širokopásmovými systémy pracujícími na standardní čipové rychlosti a využívající pouze QPSK. V tomto případě je záhlaví rámce vysíláno rychlostí 8krát nižší (v každém případě), což umožňuje pomalejšímu systému správně vnímat toto záhlaví. Pak dochází ke zvýšení rychlosti přenosu dat.
1. Vstup
2. Scrambler
3. Multiplexor 1:8
4. Výběr jedné z 8 Walshových funkcí
5. Výběr jedné z 8 Walshových funkcí
6. Výstup I-kanálu
7. Výstup Q-kanálu

Teoreticky má MBOK mírně nižší chybovost (BER) než BPSK pro stejný poměr Eb/N0 (kvůli vlastnostem kódování), díky čemuž je tato modulace energeticky nejúčinnější modulací. V BPSK je každý bit zpracováván samostatně, v MBOK je rozpoznán znak. Pokud je rozpoznán nesprávně, pak to neznamená, že všechny bity tohoto znaku jsou přijímány chybně. Pravděpodobnost přijetí chybného symbolu se tedy nerovná pravděpodobnosti přijetí chybného bitu.

MBOK spektrum modulovaných signálů je v souladu se standardem IEEE 802.11. V současné době Aironet Wireless Communications, Inc. nabízí bezdrátové mosty pro sítě Ethernet a Token Ring využívající technologii DSSS/MBOK a přenos informací vzduchem rychlostí až 4 Mbps.

Vícecestná imunita závisí na poměru Eb/N0 a fázovém zkreslení signálu. Numerické simulace přenosu širokopásmových signálů MBOK provedené inženýry Harris Semiconductor uvnitř budov potvrdily, že takové signály jsou vůči těmto rušivým faktorům poměrně odolné1. Viz: Andren C. 11 MBps Modulation Techniques // Harris Semiconductor Newsletter. 05/05/98.

Na Obr. Obrázek 3 ukazuje grafy pravděpodobnosti příjmu chybného datového rámce (PER) v závislosti na vzdálenosti při výkonu vyzářeného signálu 15 dB/MW (pro 5,5 Mbit/s - 20 dB/MW), získané jako výsledek numerické simulace, pro různé rychlosti přenosu dat.

Simulace ukazuje, že s nárůstem Es/N0, který je nezbytný pro spolehlivé rozpoznání symbolů, se PER výrazně zvyšuje za podmínek silného zpětného odrazu signálu. K překonání tohoto problému lze použít přizpůsobený příjem s více anténami. Na Obr. 4 ukazuje výsledky pro tento případ. Při optimálním přizpůsobeném příjmu se PER bude rovnat druhé mocnině PER neshodného příjmu. Při zvažování Obr. 3 a 4, je třeba pamatovat na to, že s PER=15% bude skutečná ztráta rychlosti informace 30% kvůli potřebě znovu vysílat neúspěšné pakety.

Předpokladem pro použití QPSK ve spojení s MBOK je koherentní zpracování signálu. V praxi je toho dosaženo přijetím preambule a záhlaví rámce pomocí BPSK pro nastavení fázové zpětnovazební smyčky. To vše, stejně jako použití sériových korelátorů pro koherentní zpracování signálu, však zvyšuje složitost demodulátoru.

CCSK modulace

Širokopásmové signály M-ary ortogonální modulace a cyklické kódové modulace (CCSK) se snáze demodulují než MBOK, protože se používá pouze jeden PN kód. K tomuto typu modulace dochází v důsledku časového posunu korelačního píku v rámci symbolu. Použitím Barkerova kódu o délce 11 a rychlosti 1 megasymbol za sekundu lze vrchol posunout do jedné z osmi pozic. Zbývající 3 pozice neumožňují jejich použití pro zvýšení rychlosti informace. Tímto způsobem lze přenášet tři informační bity na symbol. Přidáním BPSK lze přenést o jeden informační bit na symbol více, tedy celkem 4. Výsledkem je, že při použití QPSK získáme 8 informačních bitů na kanálový symbol.

Hlavním problémem pro PPM a CCSK je citlivost na více cest, když zpoždění mezi více cestami signálu překročí trvání PN kódu. Proto v interiérech s takovými odrazy je použití těchto typů modulací obtížné. CCSK se poměrně snadno demoduluje a vyžaduje jen trochu složitosti od tradičního obvodu modulátoru/demodulátoru. Schéma CCSK je podobné modulačnímu schématu MBOK ve spojení s QPSK (viz obr. 2), ale místo bloku pro výběr jedné z 8 Walshových funkcí je zde blok word shift.

DSSS/PPM modulace

Širokopásmové signály DSSS/PPM (Direct Sequence Pulse Phase Modulation) jsou dalším vývojem signálů s rozprostřeným spektrem s přímou sekvencí.

Myšlenka pulzně-fázové modulace pro konvenční širokopásmové signály spočívá v tom, že zvýšení informační rychlosti je dosaženo změnou časového intervalu mezi korelačními vrcholy po sobě jdoucích symbolů. Modulaci vynalezli Rajeev Krishnamoorthy a Israel Bar-David v Bell Labs v Nizozemsku.

Současné implementace modulace umožňují, aby bylo v intervalu symbolů (uvnitř intervalu PN sekvence) určeno osm časovacích poloh korelačních impulsů. Pokud je taková technologie aplikována nezávisle na I- a Q-kanálech v DQPSK, pak se získá 64 (8x8) různých informačních stavů. Kombinací pulzní fázové modulace s DQPSK modulací poskytující dva různé stavy v I-kanálu a dva různé stavy v Q-kanálu se získá 256 (64x2x2) stavů, což odpovídá 8 informačním bitům na symbol.

DSSS/QAM modulace

Širokopásmové signály s přímou sekvencí s kvadraturní amplitudovou modulací (DSSS/QAM) lze považovat za klasické širokopásmové modulační signály DQPSK, ve kterých se informace přenáší také změnou amplitudy. Aplikací dvouúrovňové amplitudové modulace a DQPSK jsou získány 4 různé stavy v I-kanálu a 4 různé stavy v Q-kanálu. Modulovaný signál může být také podroben pulzně-fázové modulaci, která zvýší rychlost informace.

Jedním z omezení DSSS/QAM je, že signály s touto modulací jsou poměrně citlivé na vícecestné šíření. Také díky současné aplikaci fázové i amplitudové modulace se poměr Eb/NO zvýší, aby se získala stejná hodnota BER jako u MBOK.

Ke snížení citlivosti na zkreslení lze použít ekvalizér. Jeho použití je ale nežádoucí ze dvou důvodů.

Nejprve je nutné zvýšit posloupnost symbolů, které upravují ekvalizér, což zase prodlužuje délku preambule. Za druhé, s přidáním ekvalizéru se zvýší náklady na systém jako celek.

Dodatečnou kvadraturní modulaci lze také použít v systémech s Frequency Hopping. WaveAccess například vydal modem značky Jaguar, který využívá technologii Frequency Hopping, modulaci QPSK ve spojení s 16QAM. Na rozdíl od v tomto případě obecně přijímané frekvenční modulace FSK to umožňuje poskytovat skutečnou rychlost přenosu dat 2,2 Mbps. Inženýři WaveAccess se domnívají, že použití technologie DSSS s vyššími rychlostmi (až 10 Mbps) je nevhodné kvůli nevýznamné přenosové vzdálenosti (ne více než 100 m).

OCDM modulace

V širokopásmových signálech získaných multiplexováním několika širokopásmových signálů s ortogonálním multiplexem s kódovým dělením (Orthogonal Code Division Multiplex - OCDM) se současně používá několik širokopásmových kanálů na stejné frekvenci.

Kanály jsou odděleny pomocí ortogonálních PN kódů. Sharp oznámil 10megabitový modem založený na této technologii. Ve skutečnosti je současně přenášeno 16 kanálů s 16čipovými ortogonálními kódy. BPSK je aplikován na každý kanál, poté jsou kanály sečteny analogovým způsobem.

Data Mux - vstupní datový multiplexer

BPSK - blok fázové modulace

Spread - Přímá sekvence Spreading Block

Součet - sčítačka výstupu

OFDM modulace

Širokopásmové signály získané multiplexováním několika širokopásmových signálů s ortogonálním frekvenčním dělením (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM) představují současný přenos signálů s fázovou modulací na různých nosných frekvencích. Modulace je popsána v MIL-STD 188C. Jednou z jeho výhod je vysoká odolnost vůči poklesům spektra v důsledku vícecestného blednutí. Úzkopásmové slábnutí může vyloučit jeden nebo více nosičů. Spolehlivé spojení je zajištěno distribucí energie symbolu na několika frekvencích.

To 2,5krát převyšuje spektrální účinnost podobného systému QPSK. Existují hotové mikroobvody, které implementují modulaci OFDM. Konkrétně Motorola uvádí na trh demodulátor MC92308 OFDM a „front-end“ čip MC92309 OFDM. Schéma typického modulátoru OFDM je znázorněno na Obr. 6.

Data mux - vstupní datový multiplexer

Kanál - frekvenční kanál

BPSK - blok fázové modulace

Součet - sčítačka frekvenčního kanálu

Závěr

Srovnávací tabulka ukazuje skóre pro každý typ modulace podle různých kritérií a konečné skóre. Nižší skóre odpovídá lepšímu skóre. Kvadraturní amplitudová modulace se bere pouze pro účely srovnání.

Při zvažování byly vyřazeny různé typy modulací, které mají pro odhady různých ukazatelů nepřijatelné hodnoty. Například širokopásmové signály s 16-polohovou fázovou modulací (PSK) - kvůli špatné odolnosti vůči rušení, velmi širokopásmové signály - kvůli omezení délky frekvenčního rozsahu a nutnosti mít alespoň tři kanály pro koexistenci sousedního rádia sítí.

Mezi uvažovanými typy širokopásmové modulace je nejzajímavější M-ary biortogonální modulace - MBOK.

Na závěr bych rád poznamenal modulaci, která nebyla zahrnuta do série experimentů prováděných inženýry Harris Semiconductor. Mluvíme o filtrované modulaci QPSK (Filtered Quadrature Phase Shift Keying - FQPSK). Tato modulace byla vyvinuta profesorem Kamilo Feherem z University of California a patentována společně s Didcom, Inc.

Pro získání FQPSK se využívá nelineární filtrace spektra signálu ve vysílači s následnou jeho obnovou v přijímači. Výsledkem je, že spektrum FQPSK zabírá přibližně polovinu plochy ve srovnání se spektrem QPSK, přičemž všechny ostatní parametry jsou stejné. Navíc PER (Packet Error Rate) FQPSK je lepší než GMSK o 10-2-10-4. GSMK je Gaussova frekvenční modulace používaná zejména v digitálním mobilním standardu GSM. Nová modulace byla dostatečně oceněna a používána ve svých produktech společnostmi jako EIP Microwave, Lockheed Martin, L-3 Communications a NASA.

Nelze jednoznačně říci, která modulace bude v širokopásmovém připojení 21. století použita. Každým rokem množství informací ve světě roste, a proto bude stále více informací přenášeno komunikačními kanály. Vzhledem k tomu, že frekvenční spektrum je jedinečný přírodní zdroj, budou požadavky na spektrum využívané přenosovou soustavou neustále narůstat. Proto je výběr nejúčinnější modulační metody při rozvoji širokopásmového přístupu i nadále jednou z nejdůležitějších otázek.

Kvadraturní modulace a její charakteristiky (QPSK, QAM)

Zvažte kvadraturní klíčování fázovým posunem (QPSK). Počáteční datový tok dk(t)=d0, d1, d2,… se skládá z bipolárních pulzů, tzn. dk nabývá hodnot +1 nebo -1 (obr. 3.5.a)), které představují binární jedničku a binární nulu. Tento pulzní proud je rozdělen na souběžný proud dl(t) a kvadraturní - dQ(t), jak je znázorněno na Obr. 3.5.b).

dI(t)=d0, d2, d4,… (sudé bity)

dQ(t)=d1, d3, d5,… (liché bity)

Pohodlnou ortogonální implementaci signálu QPSK lze získat pomocí amplitudové modulace soufázového a kvadraturního toku na sinusových a kosinových funkcích nosné.

Pomocí goniometrických identit lze s(t) reprezentovat v následujícím tvaru: s(t)=cos(2pf0t+u(t)). Modulátor QPSK znázorněný na Obr. 3.5.c), používá součet sinusových a kosinových členů. Pulzní proud dI(t) se používá k amplitudové modulaci (s amplitudou +1 nebo -1) kosinusové vlny.

To je ekvivalentní posunutí fáze kosinusové vlny o 0 nebo p; výsledkem je tedy signál BPSK. Podobně pulzní proud dQ(t) moduluje sinusoidu, která dává signál BPSK ortogonální k předchozímu. Když se tyto dvě ortogonální nosné složky sečtou, získá se signál QPSK. Hodnota u(t) bude odpovídat jedné ze čtyř možných kombinací dI(t) a dQ(t) ve výrazu pro s(t): u(t)=00, ±900 nebo 1800; výsledné signálové vektory jsou znázorněny v signálovém prostoru na Obr. 3.6. Protože cos(2pf0t) a sin(2pf0t) jsou ortogonální, lze dva signály BPSK detekovat samostatně. QPSK má oproti BPSK řadu výhod: při modulaci QPSK jeden impuls přenese dva bity, pak se datová rychlost zdvojnásobí nebo při stejné datové rychlosti jako ve schématu BPSK se použije poloviční šířka pásma; stejně jako zvýšená odolnost proti hluku, tk. pulsy jsou dvakrát delší, a proto výkonnější než pulsy BPSK.

Rýže. 3.5.

Rýže. 3.6.

Kvadraturní amplitudovou modulaci (KAM, QAM) lze považovat za logické rozšíření QPSK, protože signál QAM se také skládá ze dvou nezávislých amplitudově modulovaných nosných.

Při kvadraturní amplitudové modulaci se mění fáze i amplituda signálu, což umožňuje zvýšit počet kódovaných bitů a zároveň výrazně zvýšit odolnost proti šumu. Kvadraturní reprezentace signálů je pohodlný a poměrně univerzální prostředek k jejich popisu. Kvadraturní zobrazení spočívá ve vyjádření kmitání jako lineární kombinace dvou ortogonálních složek - sinusové a kosinové (souběžné a kvadraturní):

s(t)=A(t)cos(scht + c(t))=x(t)sinscht + y(t)cosscht, kde

x(t)=A(t)(-sinц(t)),y(t)=A(t)cosц(t)

Taková diskrétní modulace (klíčování) se provádí přes dva kanály, na nosných posunutých vůči sobě o 900, tzn. v kvadratuře (odtud název).

Vysvětleme si činnost kvadraturního obvodu na příkladu tvorby čtyřfázových FM signálů (FM-4) (obr. 3.7).

Rýže. 3.7.

Rýže. 3.8. 16

Počáteční sekvence binárních symbolů s dobou trvání T je posuvným registrem rozdělena na liché impulsy y, které jsou přiváděny do kvadraturního kanálu (cossht), a sudé - x, přicházející do soufázového kanálu (sinsht). Obě sekvence impulsů jsou přiváděny na vstupy příslušných manipulovaných tvarovačů impulsů, na jejichž výstupech se tvoří sekvence bipolárních impulsů x(t) a y(t) s amplitudou ±Um a délkou trvání 2T. Pulsy x(t) a y(t) přicházejí na vstupy kanálových násobičů, na jejichž výstupech se tvoří dvoufázové (0, p) kmity FM. Po sečtení tvoří signál FM-4.

Na Obr. 3.8. Je zobrazen 2D signálový prostor a sada hexadecimálních signálových vektorů modulovaných QAM znázorněných tečkami uspořádanými v obdélníkovém poli.

Z Obr. 3.8. je vidět, že vzdálenost mezi signálovými vektory v signálovém prostoru s QAM je větší než s QPSK, proto je QAM odolnější vůči šumu ve srovnání s QPSK,

Zvažte otevření smyčky řízení výkonu (méně přesné). Mobilní stanice po zapnutí vyhledává signál ze základnové stanice. Po synchronizaci mobilní stanice na tento signál je změřen její výkon a vypočítán výkon přenášeného signálu, který je nutný pro zajištění spojení se základnovou stanicí. Výpočty vycházejí ze skutečnosti, že součet úrovní předpokládaného výkonu vyzařovaného signálu a výkonu přijímaného signálu musí být konstantní a rovný 73 dB. Pokud je úroveň přijímaného signálu například 85 dB, pak by úroveň přenášeného výkonu měla být ± 12 dB. Tento proces se opakuje každých 20 ms, ale stále neposkytuje požadovanou přesnost řízení výkonu, protože dopředný a zpětný kanál pracují v různých frekvenčních pásmech (oddělení frekvence 45 MHz), a proto mají různé úrovně útlumu šíření a jsou různé. ovlivněné rušení.

Zvažte proces řízení výkonu v uzavřené smyčce. Mechanismus regulace výkonu zároveň umožňuje doladit výkon přenášeného signálu. Základnová stanice neustále vyhodnocuje pravděpodobnost chyby v každém přijatém signálu. Pokud překročí softwarově definovaný práh, pak základnová stanice vydá pokyn příslušné mobilní stanici, aby zvýšila výkon záření. Nastavení se provádí v krocích po 1 dB. Tento proces se opakuje každých 1,25 ms. Cílem tohoto procesu přizpůsobení je zajistit, aby každá mobilní stanice vysílala minimální výkon signálu, který je dostatečný k zajištění přijatelné kvality řeči. Vzhledem k tomu, že všechny mobilní stanice vysílají signály o výkonu nezbytném pro normální provoz a nic víc; jejich vzájemné ovlivňování se minimalizuje a roste účastnická kapacita systému.

Mobilní stanice musí zajišťovat řízení výstupního výkonu v širokém dynamickém rozsahu – až 85 dB.

6.2.12. Vytvoření signálu QPSK

CDMA IS-95 používá QPSK

(QPSK - Quadrature Phase-shift Keying) základní a posunuté QPSK v mobilu

stanic. V tomto případě jsou informace extrahovány analýzou změny fáze signálu, takže fázová stabilita systému je kritickým faktorem pro zajištění minimální pravděpodobnosti chyby ve zprávách. Použití posunutého QPSK umožňuje snížit požadavky na linearitu výkonového zesilovače mobilní stanice, protože amplituda výstupního signálu se u tohoto typu modulace mění mnohem méně. Než může být rušení potlačeno digitálním zpracováním signálu, musí projít vysokofrekvenční cestou přijímače a nesytit nízkošumový širokopásmový zesilovač (LNA) a směšovač. Tento

nutí konstruktéry systému hledat rovnováhu mezi dynamickými a šumovými charakteristikami přijímače.

Při klíčování kvadraturním fázovým posuvem odpovídají dva bity 4 fázovým hodnotám emitovaného signálu v závislosti na hodnotách těchto bitů (obr. 6.39), to znamená, že jedna fázová hodnota může okamžitě přenášet hodnotu 2 bitů.

Rýže. 6.39. Diagram fázových hodnot pro modulaci QPSK

Datový tok je rozdělen na sudé a liché bity (obrázek 6.40). Dále proces probíhá paralelně ve fázových a kvadraturních kanálech. Po převodu na kodér NRZ (non-return-to-zero - bez návratu na nulu) je získán bipolární signál (obr. 6.41). Signál je pak modulován dvěma ortogonálními funkcemi. Po sečtení signálů dvou kanálů dostaneme kvadraturně modulovaný (QPSK) signál.

Rýže. 6,40. Schéma generování signálu QPSK

Rýže. 6.41. Kód bez návratu na nulu

Modulovaný signál v časové oblasti je znázorněn na Obr. 6.42 a je krátkým segmentem náhodné bitové sekvence. Obrázek ukazuje fragmenty sinusové vlny a kosinusové vlny používané ve fázových a kvadraturních kanálech. Obrázek používá bitovou sekvenci: 1 1 0 0 0 1 1 0 , která je rozdělena na sekvenci sudých a lichých bitů. Součet signálu QPSK je uveden níže.

Rýže. 6.42. Signál časové domény QPSK

Na přijímací straně probíhá opačný proces (obr. 6.43). Každý kanál používá odpovídající filtr. Odpovídající kanálový detektor používá relativní prahovou hodnotu k rozhodnutí, zda je přijata 0 nebo 1. Analýza pokračuje přes rámce odpovídající době přenosu jednoho symbolu.

Mobilní stanice využívají offsetovou kvadraturní modulaci (OQPSK - Offset QPSK). V jednom z kanálů je bitová sekvence zpožděna o dobu odpovídající polovině trvání přenášeného symbolu. V tomto případě soufázové a kvadraturní složky nikdy nemění svůj fázový posun současně (obr. 6.44). Maximální fázový skok je 90 stupňů. Díky tomu jsou kolísání amplitudy signálu mnohem menší. Tento efekt

tam je signál mnohem menší. Tento efekt je jasně viditelný ve srovnání s modulací QPSK stejné bitové sekvence (obr. 6.42).

Rýže. 6.43. Demodulace signálu QPSK v přijímači

Rýže. 6.44. Signál časové domény OQPSK

Přenos zpráv ve standardu IS-95 se provádí pomocí rámců. Použité principy příjmu umožňují analyzovat chyby v každém informačním rámci. Pokud počet chyb překročí přijatelnou úroveň, což má za následek nepřijatelné zhoršení kvality řeči, je tento rámec vyřazen.

(vymazání rámu).

Četnost chyb nebo "rychlost vymazání bitů" jednoznačně souvisí s poměrem energie informačního symbolu k spektrální hustotě šumu Eo/No. Na Obr. Obrázek 6.45 ukazuje závislost pravděpodobnosti chyby v rámci (Prob. Frame Error) na hodnotě poměru Eo / No pro dopředný a zpětný kanál, s přihlédnutím k modulaci, kódování a prokládání.

S rostoucím počtem aktivních účastníků v buňce v důsledku vzájemného rušení klesá poměr Eo/No a zvyšuje se chybovost. V tomto ohledu různé firmy přijímají své vlastní přijatelné míry chyb. Například Motorola považuje chybovost 1 % za přijatelnou pro CDMA IS-95, což odpovídá Eo / No = 7 - 8 dB, s přihlédnutím k vyblednutí. Současně je propustnost systémů IS-95 v průměru 15krát vyšší než propustnost analogových systémů AMPS.

Qualcomm bere 3 % jako přijatelnou chybovost. To je jeden z důvodů, proč Qualcomm tvrdí, že CDMA IS-95 má 20 až 30krát větší kapacitu než analogové zesilovače.

Poměr Eo/No = 7 - 8 dB a přípustná chybovost 1 % vám umožňuje uspořádat 60 aktivních kanálů na třísektorovou buňku. Závislost počtu aktivních komunikačních kanálů (TSN) pro reverzní kanál na hodnotě poměru Eo / No pro 3sektorovou buňku je znázorněna na Obr. 6.46.

Obr.6.45. Závislost pravděpodobnosti chyby v rámci na úrovni signálu

• S kvadraturní modulací s posuvem QPSK (Offset QPSK) jednorázové (jednorázové) fázové pohyby signálního bodu jsou omezeny na 90 stupňů. Jeho současné pohyby podél I a Q kanálů, tzn. Přechody o 180 stupňů nejsou možné, což zabraňuje pohybu signálního bodu přes nulu

Jednou z nevýhod kanonické kvadraturní fázové modulace je, že současná změna symbolů v obou kvadraturních kanálech modulátoru v signálu QPSK způsobí skok nosné fáze o 180°. Při vytváření konvenčního signálu QPSK se v tomto okamžiku signální bod pohybuje přes nulu, to znamená, že dochází k pohybům signálního bodu o 180 stupňů. V době tohoto hnutí, snížení amplitudy generovaného RF signálu až na nulu.

Takové významné změny signálu jsou nežádoucí, protože vedou ke zvýšení šířky pásma signálu. Pro zesílení takového signálu, který má výraznou dynamiku, jsou zapotřebí vysoce lineární přenosové cesty a zejména výkonové zesilovače. Vymizení RF signálu v okamžiku, kdy signálový bod prochází nulou, také zhoršuje kvalitu fungování synchronizačních systémů rádiových zařízení.

Obrázek níže porovnává pohyb signálového bodu na vektorovém diagramu pro první dva symboly sekvence – od stavu 11 do 01 pro tradiční QPSK a pro posunutý QPSK.

Porovnání pohybů signálních bodů s QPSK (vlevo) a OQPSK (vpravo) pro dva symboly 11 01

Pro označení OQPSK se používá řada termínů: posunutý QPSK, offsetový QPSK, modulace QPSK s posunem, čtyřfázové PM s posunem. Tato modulace se používá například v systémech CDMA k organizaci komunikačního kanálu upstream ve standardních zařízeních ZigBee.

• Vznik OQPSK
  

Modulace OQPSK používá stejné kódování signálu jako QPSK. Rozdíl je v tom, že přechod z jednoho modulačního stavu do druhého (z jednoho bodu konstelace do druhého) se provádí ve dvou krocích. Nejprve se v hodinovém okamžiku na začátku symbolu změní složka I a po polovině symbolu složka Q (nebo naopak).
K tomu jsou kvadraturní složky informační sekvence I(t) a Q(t) posunuty v čase o dobu trvání jednoho informačního prvku T=Ts/2, tzn. polovinu trvání znaku, jak je znázorněno na obrázku.

Generování signálů QPSK a OQPSK pro sekvenci 110100101110010011

Při takovém posunu komponentních signálů je každá změna fáze generovaného signálu, která je zase produkována kvadraturními signály, určena pouze jedním prvkem původní informační sekvence, a nikoli dvěma současně (dibit), jako např. QPSK. V důsledku toho nedochází k žádným fázovým přechodům o 180°, protože každý prvek původní informační sekvence vstupující na vstup modulátoru soufázového nebo kvadraturního kanálu může způsobit změnu fáze pouze o 0, +90° nebo -90°. .

Ostré fázové pohyby signálového bodu během vytváření signálu OQPSK se vyskytují dvakrát častěji ve srovnání s QPSK, protože složkové signály se nemění současně, ale jsou neostré. Jinými slovy, velikost fázových přechodů je v OQPSK menší než v QPSK, ale jejich frekvence je dvakrát vyšší.

Frekvence fázových přechodů signálů QPSK a OQPSK pro opakující se bitovou sekvenci 1101

V tradičním obvodu kvadraturního modulátoru lze tvarování signálu QPSK získat aplikací zpoždění složek digitálního signálu o bitovou dobu T v jednom z řídicích kvadraturních kanálů.

Pokud je při generování OQPSK použit vhodný filtr, lze pohyb mezi různými body konstelace signálu provádět téměř celý v kruhu (obrázek). V důsledku toho zůstává amplituda generovaného signálu téměř konstantní.

Digitální fázová modulace je všestranná a široce používaná metoda pro bezdrátový přenos digitálních dat.

V předchozím článku jsme viděli, že můžeme použít diskrétní změny v amplitudě nebo frekvenci nosné jako způsob reprezentace jedniček a nul. Není divu, že můžeme také reprezentovat digitální data s fází; tato metoda se nazývá klíčování fázovým posunem (PSK).

Binární klíčování fázovým posuvem

Nejjednodušší typ PSK se nazývá binární klíčování fázovým posunem (BPSK), kde „binární“ označuje použití dvou fázových posunů (jeden pro logickou jedničku a jeden pro logickou nulu).

Intuitivně rozpoznáme, že systém bude spolehlivější, pokud bude separace mezi těmito dvěma fázemi velká - pro přijímač bude samozřejmě obtížné rozlišit mezi symbolem s fázovým posunem 90° a symbolem s fázovým posunem. 91°. K práci máme fázový rozsah 360°, takže maximální rozdíl mezi fázemi logické jedničky a logické nuly je 180°. Ale víme, že přepnutí sinusovky o 180° je stejné jako její převrácení; můžeme si tedy BPSK představit jako jednoduše invertující nosný signál v reakci na jeden logický stav a jeho ponechání v původním stavu v reakci na jiný logický stav.

Abychom udělali další krok, pamatujme si, že vynásobení sinusoidy zápornou jednotkou je stejné jako její převrácení. To má za následek možnost implementace BPSK pomocí následující základní hardwarové konfigurace:

Základní schéma pro získání signálu BPSK

Tento obvod však může snadno vést k přechodům s vysokým sklonem ve tvaru vlny nosné: pokud dojde k přechodu logického stavu, když je nosný signál na své maximální hodnotě, napětí nosného signálu musí rychle přejít na svou minimální hodnotu.

Vysoká strmost ve tvaru vlny BPSK, když se změní logický stav signálu v základním pásmu

Takové události s vysokým sklonem jsou nežádoucí, protože vytvářejí energii na vysokofrekvenčních komponentech, které mohou rušit jiné RF signály. Zesilovače mají navíc omezenou schopnost produkovat náhlé změny výstupního napětí.

Pokud vylepšíme výše uvedenou implementaci o dvě další funkce, můžeme zajistit plynulé přechody mezi znaky. Nejprve se musíme ujistit, že perioda digitálního bitu je rovna jednomu nebo více úplným cyklům nosného signálu. Za druhé, musíme synchronizovat digitální přechody s nosným signálem. S těmito vylepšeními bychom mohli navrhnout systém tak, aby došlo ke změně fáze o 180°, když je nosný signál na (nebo blízko) průchodu nulou.

QPSK

BPSK přenáší jeden bit na znak, na což jsme zvyklí. Vše, co jsme diskutovali o digitální modulaci, předpokládalo, že nosný signál se mění v závislosti na tom, zda je digitální napětí logické nízké nebo logické vysoké, a přijímač znovu vytváří digitální data interpretací každého znaku jako 0 nebo 1.

Než probereme klíčování s kvadraturním fázovým posunem (QPSK), musíme představit následující důležitý koncept: neexistuje žádný důvod, proč by jeden symbol mohl nést pouze jeden bit. Je pravda, že svět digitální elektroniky je postaven na obvodech, kde je napětí v jednom nebo druhém extrému, takže napětí je vždy jeden digitální bit. Ale rádiový signál není digitální; spíše používáme analogové signály k přenosu digitálních dat a je naprosto přijatelné vyvinout systém, ve kterém jsou analogové signály kódovány a interpretovány takovým způsobem, že jeden znak představuje dva (nebo více) bitů.

Výhodou QPSK je vyšší přenosová rychlost: pokud zachováme stejnou dobu trvání symbolu, můžeme zdvojnásobit přenosovou rychlost od vysílače k ​​přijímači. Nevýhodou je složitost systému. (Mohli byste si myslet, že QPSK je náchylnější k bitovým chybám než BPSK, protože mezi možnými hodnotami je menší separace. To je rozumný předpoklad, ale když se podíváte na jejich matematiku, ukáže se, že pravděpodobnosti chyb jsou ve skutečnosti velmi podobné.)

Možnosti

Modulace QPSK je samozřejmě účinná modulační technika. Ale dá se to zlepšit.

Fázové skoky

Standardní modulace QPSK zajišťuje, že k přechodům symbolů dochází s velkým sklonem; protože fázové skoky mohou být ±90°, nemůžeme použít přístup popsaný pro 180° fázové skoky generované modulací BPSK.

Tento problém lze zmírnit použitím jedné ze dvou možností QPSK. Offset QPSK (OQPSK), který zahrnuje přidání zpoždění k jednomu ze dvou digitálních datových toků používaných v procesu modulace, snižuje maximální fázový skok na 90°. Další možností je π/4-QPSK, která snižuje maximální fázový skok na 135°. OQPSK má tedy výhodu snížení fázových nespojitostí, ale vítězí π/4-QPSK, protože je kompatibilní s diferenciálním kódováním (diskutované níže).

Dalším způsobem, jak se vypořádat s mezerami mezi znaky, je implementace dodatečného zpracování signálu, které vytváří plynulejší přechody mezi znaky. Tento přístup je součástí modulačního schématu zvaného klíčování s minimálním posunem (MSK) a vylepšení MSK známého jako Gaussian MSK (GMSK).

Diferenciální kódování

Dalším problémem je, že demodulace signálů PSK je obtížnější než demodulace signálů FSK. Frekvence je „absolutní“ v tom smyslu, že změny frekvence lze vždy interpretovat analýzou změn signálu v průběhu času. Fáze je však relativní v tom smyslu, že nemá univerzální referenční bod - vysílač generuje fázové změny vzhledem k jednomu časovému bodu, zatímco přijímač může interpretovat fázové změny vzhledem k jinému časovému bodu.

Praktickým projevem je, že pokud existují rozdíly mezi fázemi (nebo frekvencemi) oscilátorů používaných pro modulaci a demodulaci, stává se PSK nespolehlivým. A musíme předpokládat, že budou existovat fázové rozdíly (pokud přijímač neobsahuje obvod obnovy nosné).

Diferenciální QPSK (DQPSK, diferenciální QPSK) je varianta, která je kompatibilní s nekoherentními přijímači (tj. přijímači, které nesynchronizují demodulační generátor s modulačním generátorem). Diferenciální QPSK kóduje data vytvořením určitého fázového posunu od předchozího symbolu, takže demodulační obvod analyzuje fázi symbolu pomocí referenčního bodu, který je společný pro přijímač i vysílač.