روش‌های امیدوارکننده مدولاسیون در سیستم‌های انتقال داده باند پهن ارتباطات رادیویی هر سیگنال qpsk دارای چند علامت اطلاعاتی است

امروزه متخصصان ارتباطات دیگر از عبارت مرموز Spread Spectrum شگفت زده نمی شوند. پهنای باند (یعنی پشت این کلمات پنهان شده اند) سیستم های انتقال داده از نظر روش و سرعت انتقال داده ها، نوع مدولاسیون، محدوده انتقال، قابلیت های سرویس و ... با یکدیگر تفاوت دارند که در این مقاله سعی شده است پهنای باند طبقه بندی شود. سیستم های مبتنی بر مدولاسیون استفاده شده در آنها.

مقررات اساسی

سیستم های انتقال داده پهن باند (WBDS) از نظر پروتکل ها تابع استاندارد واحد IEEE 802.11 و در بخش فرکانس رادیویی تابع قوانین واحد FCC (کمیسیون ارتباطات فدرال ایالات متحده) هستند. اما در عین حال از نظر نحوه و سرعت انتقال داده، نوع مدولاسیون، فاصله انتقال، قابلیت های سرویس و ... با یکدیگر تفاوت دارند.

همه این ویژگی ها هنگام انتخاب دسترسی پهن باند (توسط یک خریدار بالقوه)، و پایه عنصر (توسط یک توسعه دهنده، سازنده سیستم های ارتباطی) مهم هستند. در بررسی حاضر، تلاش شده است تا دسترسی پهنای باند بر اساس کمترین ویژگی پوشش داده شده در ادبیات فنی، یعنی مدولاسیون آنها طبقه بندی شود.

با استفاده از انواع مختلفی از مدولاسیون‌های اضافی، اعمال شده همراه با فاز (BPSK) و مدولاسیون فاز مربعی (QPSK) برای افزایش نرخ اطلاعات هنگام ارسال سیگنال‌های باند پهن در باند 2.4 گیگاهرتز، می‌توان به نرخ اطلاعات تا 11 مگابیت در ثانیه دست یافت. محدودیت های اعمال شده توسط FCC برای عملیات در این محدوده را در نظر بگیرید. از آنجایی که انتظار می‌رود سیگنال‌های باند پهن بدون دریافت مجوز برای باند فرکانسی ارسال شوند، ویژگی‌های سیگنال‌ها برای کاهش تداخل متقابل محدود می‌شوند.

این انواع مدولاسیون اشکال مختلفی از مدولاسیون متعامد M-ary (MOK)، مدولاسیون فاز پالس (PPM)، مدولاسیون دامنه مربعی (QAM) هستند. سیگنال‌های باند پهن را می‌توان به‌عنوان سیگنال‌های دریافتی در طول عملیات همزمان در چندین کانال موازی که بر اساس فرکانس (FDMA) و/یا زمان (TDMA) از هم جدا شده‌اند طبقه‌بندی کرد. بسته به شرایط خاص، یک یا نوع دیگری از مدولاسیون انتخاب می شود.

انتخاب نوع مدولاسیون

وظیفه اصلی هر سیستم ارتباطی انتقال اطلاعات از منبع پیام به مصرف کننده به صرفه ترین روش است. بنابراین، نوعی مدولاسیون انتخاب می شود که اثر تداخل و اعوجاج را به حداقل می رساند و در نتیجه به حداکثر نرخ اطلاعات و حداقل میزان خطا دست می یابد. انواع مدولاسیون تحت بررسی با توجه به چندین معیار انتخاب شدند: مقاومت در برابر انتشار چند مسیره. دخالت؛ تعداد کانال های موجود؛ الزامات خطی بودن تقویت کننده های قدرت؛ محدوده انتقال قابل دستیابی و پیچیدگی پیاده سازی

مدولاسیون DSSS

بیشتر انواع مدولاسیون ارائه شده در بررسی بر اساس سیگنال‌های توالی مستقیم باند پهن (DSSS) - سیگنال‌های باند پهن کلاسیک است. در سیستم‌های دارای DSSS، گسترش طیف سیگنال به میزان چند برابر امکان کاهش چگالی توان طیفی سیگنال را به همان میزان فراهم می‌کند. پخش معمولاً با ضرب یک سیگنال داده نسبتاً باند باریک با یک سیگنال پخش باند پهن انجام می شود. سیگنال پخش کننده یا کد پخش کننده اغلب به عنوان کدهای نویز مانند یا کد PN (شبه نویز) شناخته می شود. اصل گسترش توصیف شده طیف در شکل 1 نشان داده شده است. 1.

دوره بیت - دوره بیت اطلاعات
دوره تراشه - دوره تراشه
سیگنال داده
کد PN - کد نویز مانند
سیگنال کد شده - سیگنال پهن باند
مدولاسیون DSSS/MOK

سیگنال‌های توالی مستقیم باند پهن با مدولاسیون متعامد M-ary (یا به اختصار مدولاسیون MOK) برای مدت طولانی شناخته شده‌اند، اما پیاده‌سازی آنها بر روی اجزای آنالوگ بسیار دشوار است. با استفاده از ریزمدارهای دیجیتال، امروزه می توان از خواص منحصر به فرد این مدولاسیون استفاده کرد.

یک گونه از MOK مدولاسیون دو متعامد M-ary (MBOK) است. افزایش نرخ اطلاعات با استفاده از چندین کد PN متعامد به طور همزمان و در عین حال حفظ نرخ تکرار تراشه و شکل طیف یکسان به دست می آید. مدولاسیون MBOK از انرژی طیف به طور موثر استفاده می کند، یعنی نسبت نسبتاً بالایی از نرخ انتقال به انرژی سیگنال دارد. از تداخل و چند مسیری مصون است.

از آنچه در شکل نشان داده شده است. 2 از طرح مدولاسیون MBOK در ارتباط با QPSK، می توان مشاهده کرد که کد PN از بردارهای متعامد M با توجه به بایت کنترل داده انتخاب شده است. از آنجایی که کانال های I و Q متعامد هستند، می توانند به طور همزمان تحت MBOK قرار گیرند. در مدولاسیون دو طرفه از بردارهای معکوس نیز استفاده می شود که امکان افزایش نرخ اطلاعات را فراهم می کند. مجموعه بردارهای والش واقعاً متعامد با ابعاد برداری مضرب 2، وسیع‌ترین توزیع را به دست آورده‌اند. 8 بیت در هر نماد کانال را ارسال می‌کند که در نتیجه نرخ کانال 1.375 مگا نماد در ثانیه و سرعت داده 11 مگابیت در ثانیه ایجاد می‌شود.

مدولاسیون سازماندهی کار مشترک با سیستم های باند پهن که با نرخ تراشه استاندارد و تنها با استفاده از QPSK کار می کنند را بسیار آسان می کند. در این حالت، هدر فریم با نرخ 8 برابر کمتر (در هر مورد) منتقل می شود که به سیستم کندتر اجازه می دهد تا این هدر را به درستی درک کند. سپس نرخ داده افزایش می یابد.
1. ورودی
2. Scrambler
3. Multiplexer 1:8
4. انتخاب یکی از 8 عملکرد والش
5. انتخاب یکی از 8 عملکرد والش
6. خروجی I-channel
7. خروجی کانال Q

از نظر تئوری، MBOK نسبت به BPSK برای همان نسبت Eb/N0 (به دلیل ویژگی‌های کدگذاری) دارای نرخ خطای کمی پایین‌تر (BER) است که این مدولاسیون را به کارآمدترین مدولاسیون انرژی تبدیل می‌کند. در BPSK، هر بیت به طور مستقل پردازش می شود، در MBOK، یک کاراکتر شناسایی می شود. اگر اشتباه تشخیص داده شود، این بدان معنا نیست که تمام بیت های این کاراکتر به اشتباه دریافت می شوند. بنابراین، احتمال دریافت نماد اشتباه با احتمال دریافت یک بیت اشتباه برابر نیست.

طیف MBOK سیگنال های مدوله شده مطابق با استاندارد IEEE 802.11 است. در حال حاضر، Aironet Wireless Communications, Inc. پل های بی سیم را برای شبکه های اترنت و Token Ring با استفاده از فناوری DSSS/MBOK و انتقال اطلاعات از طریق هوا با سرعت حداکثر 4 مگابیت بر ثانیه ارائه می دهد.

ایمنی چند مسیری به نسبت Eb/N0 و اعوجاج فاز سیگنال بستگی دارد. شبیه‌سازی‌های عددی انتقال سیگنال‌های MBOK باند پهن توسط مهندسان نیمه‌رسانای هریس در داخل ساختمان‌ها تأیید کرده‌اند که چنین سیگنال‌هایی در برابر این عوامل تداخلی کاملاً قوی هستند. رجوع کنید به: Andren C. تکنیک های مدولاسیون 11 مگابایت در ثانیه // خبرنامه هریس نیمه هادی. 98/05/05.

روی انجیر شکل 3 نمودارهایی از احتمال دریافت یک قاب داده اشتباه (PER) را در مقابل فاصله با قدرت سیگنال تابشی 15 دسی بل/مگاوات (برای 5.5 مگابیت بر ثانیه - 20 دسی بل بر مگاوات) نشان می دهد که در نتیجه شبیه سازی عددی به دست آمده است. نرخ داده های اطلاعاتی مختلف

شبیه سازی نشان می دهد که با افزایش Es/N0، که برای تشخیص نماد قابل اعتماد ضروری است، PER تحت شرایط بازتاب مجدد سیگنال قوی به طور قابل توجهی افزایش می یابد. برای غلبه بر این مشکل، می توان از دریافت منطبق با چند آنتن استفاده کرد. روی انجیر 4 نتایج را برای این مورد نشان می دهد. با دریافت منطبق بهینه، PER برابر با مربع PER دریافت غیر همسان خواهد بود. هنگام در نظر گرفتن شکل 3 و 4، باید به خاطر داشت که با PER=15٪، از دست دادن واقعی در نرخ اطلاعات به دلیل نیاز به ارسال مجدد بسته های شکست خورده، 30٪ خواهد بود.

یک پیش نیاز برای استفاده از QPSK در ارتباط با MBOK، پردازش سیگنال منسجم است. در عمل، این امر با دریافت مقدمه و هدر فریم با استفاده از BPSK برای تنظیم حلقه بازخورد فاز حاصل می شود. با این حال، همه اینها و همچنین استفاده از همبسته های سریال برای پردازش سیگنال منسجم، پیچیدگی دمدولاتور را افزایش می دهد.

مدولاسیون CCSK

مدولاسیون متعامد توالی مستقیم پهنای باند M-ary و مدولاسیون کد چرخه ای (CCSK) آسان تر از MBOK هستند زیرا فقط یک کد PN استفاده می شود. این نوع مدولاسیون به دلیل جابجایی زمانی اوج همبستگی در یک نماد رخ می دهد. با اعمال یک کد بارکر به طول 11 و نرخ 1 مگا نماد در ثانیه، اوج را می توان به یکی از هشت موقعیت تغییر داد. 3 موقعیت باقیمانده اجازه نمی دهد از آنها برای افزایش سرعت اطلاعات استفاده شود. به این ترتیب، سه بیت اطلاعات در هر نماد قابل انتقال است. با افزودن BPSK به ازای هر نماد می توان یک بیت اطلاعات دیگر انتقال داد، یعنی در مجموع 4 بیت. در نتیجه با استفاده از QPSK، 8 بیت اطلاعات در هر نماد کانال به دست می آید.

مشکل اصلی برای PPM و CCSK حساسیت به چند مسیره زمانی است که تاخیر بین چند مسیر سیگنال از مدت زمان کد PN بیشتر شود. بنابراین، در داخل خانه با چنین بازتابی، استفاده از این نوع مدولاسیون ها دشوار است. CCSK نسبتاً آسان است و فقط به کمی پیچیدگی از مدار مدولاتور/دمودولاتور سنتی نیاز دارد. طرح CCSK شبیه طرح مدولاسیون MBOK در ارتباط با QPSK است (شکل 2 را ببینید)، اما به جای بلوکی برای انتخاب یکی از 8 تابع والش، یک بلوک تغییر کلمه وجود دارد.

مدولاسیون DSSS/PPM

سیگنال‌های باند پهن مدولاسیون فاز پالس توالی مستقیم (DSSS/PPM) توسعه بیشتر سیگنال‌های طیف گسترده توالی مستقیم هستند.

ایده مدولاسیون فاز پالس برای سیگنال های باند پهن معمولی این است که افزایش نرخ اطلاعات با تغییر فاصله زمانی بین پیک های همبستگی نمادهای متوالی به دست می آید. مدولاسیون توسط Rajeev Krishnamoorthy و Israel Bar-David در آزمایشگاه Bell در هلند اختراع شد.

پیاده سازی مدولاسیون فعلی اجازه می دهد تا هشت موقعیت زمان بندی پالس های همبستگی در یک بازه نماد (در یک فاصله توالی PN) تعیین شود. اگر چنین فناوری به طور مستقل بر روی کانال های I و Q در DQPSK اعمال شود، 64 (8x8) حالت های اطلاعاتی مختلف به دست می آید. با ترکیب مدولاسیون فاز پالس با مدولاسیون DQPSK که دو حالت مختلف در کانال I و دو حالت مختلف در کانال Q ایجاد می کند، 256 حالت (64x2x2) به دست می آید که معادل 8 بیت اطلاعات در هر نماد است.

مدولاسیون DSSS/QAM

سیگنال‌های باند پهن توالی مستقیم با مدولاسیون دامنه مربعی (DSSS/QAM) را می‌توان به عنوان سیگنال‌های مدولاسیون باند پهن DQPSK کلاسیک در نظر گرفت، که در آن اطلاعات نیز از طریق تغییر در دامنه منتقل می‌شوند. با اعمال مدولاسیون دامنه دوسطحی و DQPSK، 4 حالت مختلف در کانال I و 4 حالت مختلف در کانال Q به دست می آید. سیگنال مدوله شده همچنین می تواند تحت مدولاسیون فاز پالس قرار گیرد که باعث افزایش نرخ اطلاعات می شود.

یکی از محدودیت های DSSS/QAM این است که سیگنال های دارای این مدولاسیون نسبت به انتشار چند مسیره کاملاً حساس هستند. همچنین، به دلیل اعمال همزمان مدولاسیون فاز و دامنه، نسبت Eb/N0 برای به دست آوردن همان مقدار BER مانند MBOK افزایش می‌یابد.

برای کاهش حساسیت به اعوجاج می توان از اکولایزر استفاده کرد. اما استفاده از آن به دو دلیل نامطلوب است.

ابتدا باید دنباله نمادهایی را که اکولایزر را تنظیم می کند افزایش داد که به نوبه خود طول مقدمه را افزایش می دهد. ثانیاً با اضافه شدن یک اکولایزر هزینه کل سیستم افزایش می یابد.

مدولاسیون مربعی اضافی نیز می تواند در سیستم هایی با فرکانس پرش استفاده شود. به عنوان مثال، WaveAccess یک مودم با مارک جگوار منتشر کرده است که از فناوری Frequency Hopping، مدولاسیون QPSK در ارتباط با 16QAM استفاده می کند. برخلاف مدولاسیون فرکانس FSK که به طور کلی در این مورد پذیرفته شده است، این امکان ارائه نرخ انتقال داده واقعی 2.2 مگابیت بر ثانیه را فراهم می کند. مهندسان WaveAccess معتقدند که استفاده از فناوری DSSS با سرعت های بالاتر (تا 10 مگابیت در ثانیه) به دلیل فاصله ناچیز انتقال (بیش از 100 متر) نامناسب است.

مدولاسیون OCDM

در سیگنال های باند پهن که از چندگانه سازی چندین سیگنال پهن باند با مالتی پلکس تقسیم کد متعامد (Orthogonal Code Division Multiplex - OCDM) به دست می آیند، از چندین کانال پهن باند به طور همزمان در یک فرکانس استفاده می شود.

کانال ها با استفاده از کدهای PN متعامد جدا می شوند. شارپ یک مودم 10 مگابیتی را بر اساس این فناوری معرفی کرده است. در واقع 16 کانال با کدهای متعامد 16 تراشه ای به طور همزمان مخابره می شوند. BPSK برای هر کانال اعمال می شود، سپس کانال ها به صورت آنالوگ جمع می شوند.

Data Mux - مالتی پلکسر داده ورودی

BPSK - بلوک مدولاسیون فاز

گسترش - بلوک پخش مستقیم توالی

جمع - جمع کننده خروجی

مدولاسیون OFDM

سیگنال های باند پهن به دست آمده از چندگانه سازی چندین سیگنال باند پهن با مالتی پلکسی تقسیم فرکانس متعامد (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM)، نشان دهنده انتقال همزمان سیگنال ها با مدولاسیون فاز بر روی فرکانس های حامل مختلف است. مدولاسیون در MIL-STD 188C توضیح داده شده است. یکی از مزایای آن مقاومت بالای آن در برابر افت طیف به دلیل محو شدن چند مسیره است. محو شدن باند باریک ممکن است یک یا چند حامل را حذف کند. یک اتصال قابل اعتماد با توزیع انرژی نماد در چندین فرکانس تضمین می شود.

این از بازده طیفی یک سیستم QPSK مشابه 2.5 برابر بیشتر است. میکرو مدارهای آماده ای وجود دارند که مدولاسیون OFDM را پیاده سازی می کنند. به طور خاص، موتورولا دمدولاتور MC92308 OFDM و تراشه جلویی MC92309 OFDM را منتشر می کند. یک شماتیک از یک مدولاتور معمولی OFDM در شکل نشان داده شده است. 6.

داده mux - مالتی پلکسر داده ورودی

کانال - کانال فرکانس

BPSK - بلوک مدولاسیون فاز

مجموع - جمع کننده کانال فرکانس

نتیجه

جدول مقایسه امتیازات هر نوع مدولاسیون را با توجه به معیارهای مختلف و امتیاز نهایی نشان می دهد. نمره کمتر با نمره بهتر مطابقت دارد. مدولاسیون دامنه مربعی فقط برای مقاصد مقایسه گرفته شده است.

هنگام بررسی، انواع مختلفی از مدولاسیون ها کنار گذاشته شدند که مقادیر غیر قابل قبولی برای برآورد شاخص های مختلف دارند. به عنوان مثال، سیگنال های باند پهن با مدولاسیون فاز 16 موقعیت (PSK) - به دلیل مقاومت ضعیف در برابر تداخل، سیگنال های باند بسیار گسترده - به دلیل محدودیت در طول محدوده فرکانس و نیاز به حداقل سه کانال برای همزیستی رادیو مجاور. شبکه های.

در میان انواع مدولاسیون پهنای باند در نظر گرفته شده، جالب ترین مدولاسیون دو متعامد M-ary - MBOK است.

در پایان، مایلم به مدولاسیونی اشاره کنم که در یک سری آزمایشات انجام شده توسط مهندسان نیمه هادی هریس گنجانده نشده است. ما در مورد مدولاسیون QPSK فیلتر شده (Filtered Quadrature Phase Shift Keying - FQPSK) صحبت می کنیم. این مدولاسیون توسط پروفسور Kamilo Feher از دانشگاه کالیفرنیا توسعه یافته و به طور مشترک با Didcom, Inc.

برای به دست آوردن FQPSK از فیلتر غیر خطی طیف سیگنال در فرستنده و به دنبال آن بازیابی آن در گیرنده استفاده می شود. در نتیجه، طیف FQPSK تقریباً نیمی از مساحت را در مقایسه با طیف QPSK اشغال می کند، همه پارامترهای دیگر برابر هستند. علاوه بر این، PER (نرخ خطای بسته) FQPSK از GMSK با 10-2-10-4 بهتر است. GSMK یک مدولاسیون فرکانس گاوسی است که به ویژه در استاندارد سلولی دیجیتال GSM استفاده می شود. مدولاسیون جدید توسط شرکت هایی مانند EIP Microwave، Lockheed Martin، L-3 Communications و NASA به اندازه کافی مورد استقبال قرار گرفته و در محصولات آنها استفاده شده است.

نمی توان به صراحت گفت که کدام مدولاسیون در پهنای باند قرن بیست و یکم استفاده خواهد شد. هر سال بر حجم اطلاعات در جهان افزوده می شود، بنابراین اطلاعات بیشتر و بیشتری از طریق کانال های ارتباطی منتقل می شود. از آنجایی که طیف فرکانس یک منبع طبیعی منحصر به فرد است، نیاز به طیف مورد استفاده توسط سیستم انتقال به طور مداوم افزایش می یابد. بنابراین، انتخاب کارآمدترین روش مدولاسیون در توسعه دسترسی پهن باند همچنان یکی از مهمترین مسائل است.

مدولاسیون چهارتایی و ویژگی های آن (QPSK، QAM)

کلید شیفت فاز مربعی (QPSK) را در نظر بگیرید. جریان داده اولیه dk(t)=d0, d1, d2,… از پالس های دوقطبی تشکیل شده است. dk مقادیر +1 یا -1 (شکل 3.5.a) را در نظر بگیرید که نشان دهنده یک باینری و یک باینری صفر است. این جریان پالس همانطور که در شکل نشان داده شده است به دو دسته جریان درون فازی dI(t) و ربع - dQ(t) تقسیم می شود. 3.5.b).

dI(t)=d0، d2، d4،… (بیت های زوج)

dQ(t)=d1, d3, d5,… (بیت های فرد)

یک پیاده‌سازی متعامد مناسب از سیگنال QPSK را می‌توان با استفاده از مدولاسیون دامنه جریان‌های درون فازی و مربعی روی توابع سینوسی و کسینوس حامل به دست آورد.

با استفاده از هویت های مثلثاتی، s(t) را می توان به شکل زیر نشان داد: s(t)=cos(2pf0t+u(t)). مدولاتور QPSK نشان داده شده در شکل. 3.5.c)، از مجموع عبارت های سینوسی و کسینوس استفاده می کند. جریان پالس dI(t) برای تعدیل دامنه (با دامنه +1 یا -1) موج کسینوس استفاده می شود.

این معادل تغییر فاز موج کسینوس با 0 یا p است. بنابراین، نتیجه یک سیگنال BPSK است. به طور مشابه، جریان پالس dQ(t) یک سینوسی را تعدیل می کند، که سیگنال BPSK متعامد به سیگنال قبلی می دهد. وقتی این دو جزء حامل متعامد جمع شوند، یک سیگنال QPSK به دست می آید. مقدار u(t) با یکی از چهار ترکیب ممکن dI(t) و dQ(t) در عبارت s(t) مطابقت دارد: u(t)=00، ±900 یا 1800. بردارهای سیگنال حاصل در فضای سیگنال در شکل نشان داده شده است. 3.6. از آنجایی که cos(2pf0t) و sin(2pf0t) متعامد هستند، دو سیگنال BPSK را می توان به طور جداگانه تشخیص داد. QPSK چندین مزیت نسبت به BPSK دارد: با مدولاسیون QPSK، یک پالس دو بیت را ارسال می کند، سپس سرعت داده دو برابر می شود، یا با همان نرخ داده در طرح BPSK، نیمی از پهنای باند استفاده می شود. و همچنین افزایش ایمنی نویز، tk. پالس ها دو برابر طولانی تر و در نتیجه قوی تر از پالس های BPSK هستند.

برنج. 3.5.

برنج. 3.6.

مدولاسیون دامنه مربعی (KAM، QAM) را می توان یک توسعه منطقی QPSK در نظر گرفت، زیرا سیگنال QAM همچنین از دو حامل مدوله شده دامنه مستقل تشکیل شده است.

با مدولاسیون دامنه مربعی، هم فاز و هم دامنه سیگنال تغییر می کند، که باعث می شود تعداد بیت های کدگذاری شده افزایش یابد و در عین حال ایمنی نویز را به میزان قابل توجهی افزایش دهد. نمایش مربعی سیگنال ها وسیله ای مناسب و نسبتاً جهانی برای توصیف آنها است. نمایش مربعی شامل بیان نوسان به عنوان یک ترکیب خطی از دو جزء متعامد - سینوسی و کسینوس (در فاز و مربع):

s(t)=A(t)cos(scht + c(t))=x(t)sinscht + y(t)cosscht، جایی که

x(t)=A(t)(-sinц(t))، y(t)=A(t)cosц(t)

چنین مدولاسیون گسسته (کلیدگذاری) در دو کانال انجام می شود، در حامل هایی که 900 نسبت به یکدیگر جابجا شده اند، یعنی. به صورت مربع (از این رو نام).

اجازه دهید عملکرد مدار مربعات را با استفاده از مثال تشکیل سیگنال های FM چهار فاز (FM-4) توضیح دهیم (شکل 3.7).

برنج. 3.7.

برنج. 3.8. 16

دنباله اولیه نمادهای باینری با مدت زمان T توسط رجیستر شیفت به پالس های فرد y تقسیم می شود که به کانال مربعی (cossht) و زوج - x وارد کانال درون فازی (سینشت) می شوند. هر دو دنباله پالس ها به ورودی های شکل دهنده های پالس دستکاری شده مربوطه تغذیه می شوند، که در خروجی های آنها دنباله هایی از پالس های دوقطبی x(t) و y(t) با دامنه ±Um و مدت زمان 2T تشکیل می شوند. پالس های x(t) و y(t) به ورودی های ضرب کننده های کانال می رسند که در خروجی های آن نوسانات FM دو فازی (0، p) تشکیل می شود. پس از جمع، سیگنال FM-4 را تشکیل می دهند.

روی انجیر 3.8. فضای سیگنال دوبعدی و مجموعه‌ای از بردارهای سیگنال مدوله‌شده با QAM هگزا دسیمال که توسط نقاطی که در یک آرایه مستطیلی مرتب شده‌اند نشان داده شده‌اند.

از انجیر 3.8. مشاهده می شود که فاصله بین بردارهای سیگنال در فضای سیگنال با QAM بیشتر از QPSK است، بنابراین QAM در مقایسه با QPSK در برابر نویز ایمن تر است.

حلقه کنترل قدرت بازشو (دقیق کمتر) را در نظر بگیرید. ایستگاه سیار پس از روشن شدن، سیگنالی را از ایستگاه پایه جستجو می کند. پس از همگام سازی ایستگاه سیار بر روی این سیگنال، توان آن اندازه گیری شده و توان سیگنال ارسالی محاسبه می شود که برای اطمینان از اتصال با ایستگاه پایه ضروری است. محاسبات بر این اساس است که مجموع سطوح توان فرضی سیگنال تابشی و توان سیگنال دریافتی باید ثابت و برابر با 73 دسی بل باشد. اگر سطح سیگنال دریافتی مثلاً 85 دسی بل باشد، سطح توان ارسالی باید 12 ± دسی بل باشد. این فرآیند هر 20 میلی‌ثانیه تکرار می‌شود، اما همچنان دقت کنترل توان مورد نظر را ارائه نمی‌کند، زیرا کانال‌های رو به جلو و معکوس در باندهای فرکانسی متفاوتی (تفکیک فرکانس 45 مگاهرتز) عمل می‌کنند و بنابراین، سطوح تضعیف انتشار متفاوتی دارند و متفاوت هستند. تداخل را تحت تأثیر قرار داد.

فرآیند کنترل توان را در یک حلقه بسته در نظر بگیرید. مکانیسم کنترل قدرت در همان زمان به شما امکان می دهد تا قدرت سیگنال ارسالی را تنظیم کنید. ایستگاه پایه دائماً احتمال خطا در هر سیگنال دریافتی را ارزیابی می کند. اگر از آستانه ای که توسط نرم افزار تعریف شده تجاوز کند، ایستگاه پایه به ایستگاه سیار مربوطه دستور می دهد تا توان تشعشع را افزایش دهد. تنظیم در مراحل 1 دسی بل انجام می شود. این فرآیند هر 1.25 میلی ثانیه تکرار می شود. هدف از این فرآیند تنظیم این است که اطمینان حاصل شود که هر ایستگاه سیار حداقل قدرت سیگنالی را منتشر می کند که برای ارائه کیفیت گفتار قابل قبول کافی است. با توجه به این واقعیت که تمام ایستگاه های سیار سیگنال های قدرت لازم برای عملکرد عادی را منتشر می کنند و نه بیشتر. نفوذ متقابل آنها به حداقل می رسد و ظرفیت مشترک سیستم افزایش می یابد.

ایستگاه های سیار باید کنترل توان خروجی را در محدوده دینامیکی گسترده - تا 85 دسی بل - ارائه دهند.

6.2.12. تشکیل سیگنال QPSK

CDMA IS-95 از QPSK استفاده می کند

(QPSK - Quadrature Phase-shift Keying) QPSK پایه و جابجا شده در موبایل

ایستگاه ها در این حالت، اطلاعات با تجزیه و تحلیل تغییر فاز سیگنال استخراج می شود، بنابراین پایداری فاز سیستم عاملی حیاتی برای اطمینان از حداقل احتمال خطا در پیام ها است. استفاده از QPSK جابجا شده امکان کاهش الزامات خطی بودن تقویت کننده توان ایستگاه متحرک را فراهم می کند، زیرا دامنه سیگنال خروجی با این نوع مدولاسیون بسیار کمتر تغییر می کند. قبل از اینکه بتوان تداخل تداخل را با پردازش سیگنال دیجیتال مهار کرد، باید از مسیر فرکانس بالای گیرنده عبور کند و تقویت کننده پهنای باند کم نویز (LNA) و میکسر را اشباع نکند. این

طراحان سیستم را مجبور می کند تا تعادلی بین ویژگی های دینامیکی و نویز گیرنده جستجو کنند.

با کلید زدن تغییر فاز چهارگانه، بسته به مقادیر این بیت ها، دو بیت با 4 مقدار فاز سیگنال منتشر شده مطابقت دارد (شکل 6.39)، یعنی یک مقدار فاز می تواند بلافاصله مقدار 2 بیت را منتقل کند.

برنج. 6.39. نمودار مقدار فاز برای مدولاسیون QPSK

جریان داده به بیت های زوج و فرد تقسیم می شود (شکل 6.40). علاوه بر این، فرآیند به صورت موازی در کانال‌های درون فازی و مربعی پیش می‌رود. پس از تبدیل به رمزگذار NRZ (بدون بازگشت به صفر - بدون بازگشت به صفر)، یک سیگنال دوقطبی به دست می آید (شکل 6.41). سپس سیگنال با دو تابع متعامد مدوله می شود. پس از جمع کردن سیگنال های دو کانال، سیگنال مدوله شده چهارگانه (QPSK) به دست می آید.

برنج. 6.40. طرح تولید سیگنال QPSK

برنج. 6.41. کد بدون بازگشت به صفر

سیگنال مدوله شده در حوزه زمان در شکل نشان داده شده است. 6.42 و بخش کوتاهی از یک دنباله بیت تصادفی است. شکل قطعاتی از یک موج سینوسی و یک موج کسینوس را نشان می‌دهد که در کانال‌های درون فاز و مربع استفاده می‌شوند. شکل از دنباله بیت استفاده می کند: 1 1 0 0 0 1 1 0 که به دنباله ای از بیت های زوج و فرد تقسیم می شود. سیگنال QPSK خلاصه شده در زیر نشان داده شده است.

برنج. 6.42. سیگنال دامنه زمانی QPSK

در سمت دریافت کننده، روند معکوس رخ می دهد (شکل 6.43). هر کانال از یک فیلتر منطبق استفاده می کند. آشکارساز کانال مربوطه از مقدار آستانه نسبی برای تصمیم گیری در مورد دریافت 0 یا 1 استفاده می کند.

ایستگاه های سیار از مدولاسیون درجه بندی افست (OQPSK - Offset QPSK) استفاده می کنند. در یکی از کانال‌ها، توالی بیت‌ها با یک زمان مربوط به نیمی از مدت نماد ارسالی به تأخیر می‌افتد. در این حالت، اجزای درون فاز و چهارچوب هرگز تغییر فاز خود را به طور همزمان تغییر نمی دهند (شکل 6.44). حداکثر پرش فاز 90 درجه است. این باعث می شود نوسانات در دامنه سیگنال بسیار کمتر شود. این اثر

سیگنال وجود دارد بسیار کوچکتر است. این اثر در مقایسه با مدولاسیون QPSK از همان دنباله بیت به وضوح قابل مشاهده است (شکل 6.42).

برنج. 6.43. دمدولاسیون سیگنال QPSK در گیرنده

برنج. 6.44. سیگنال دامنه زمانی OQPSK

انتقال پیام در استاندارد IS-95 توسط فریم ها انجام می شود. اصول دریافت مورد استفاده، تجزیه و تحلیل خطاها را در هر چارچوب اطلاعاتی ممکن می سازد. اگر تعداد خطاها از حد قابل قبول فراتر رود که منجر به کاهش غیرقابل قبول کیفیت گفتار شود، این قاب کنار گذاشته می شود.

(پاک کردن قاب).

نرخ خطا یا "نرخ پاک کردن بیت" به طور منحصر به فردی با نسبت انرژی نماد اطلاعاتی به چگالی طیفی نویز Eo/No مرتبط است. روی انجیر شکل 6.45 وابستگی احتمال خطا در یک فریم (Prob. Frame Error) را به مقدار نسبت Eo / No برای کانال های رو به جلو و معکوس، با در نظر گرفتن مدولاسیون، کدگذاری و interleaving نشان می دهد.

با افزایش تعداد مشترکین فعال در یک سلول به دلیل تداخل متقابل، نسبت Eo/No کاهش می یابد و میزان خطا افزایش می یابد. در این راستا، شرکت های مختلف نرخ خطای قابل قبول خود را اتخاذ می کنند. به عنوان مثال، موتورولا نرخ خطای 1٪ را برای CDMA IS-95 قابل قبول در نظر می گیرد که با در نظر گرفتن محو شدن با Eo / No = 7 - 8 dB مطابقت دارد. در عین حال، توان عملیاتی سیستم های IS-95 به طور متوسط ​​15 برابر بیشتر از توان عملیاتی سیستم های AMPS آنالوگ است.

کوالکام 3 درصد را به عنوان میزان خطای قابل قبول در نظر می گیرد. این یکی از دلایلی است که Qualcomm ادعا می کند CDMA IS-95 20 تا 30 برابر ظرفیت AMPS آنالوگ دارد.

نسبت Eo/No = 7 - 8 dB و میزان خطای مجاز 1٪ به شما امکان می دهد 60 کانال فعال را در هر سلول سه بخش سازماندهی کنید. وابستگی تعداد کانال های ارتباطی فعال (TSN) برای کانال معکوس به مقدار نسبت Eo / No برای یک سلول 3 بخش در شکل نشان داده شده است. 6.46.

شکل 6.45. وابستگی احتمال خطا در یک فریم به سطح سیگنال

• با مدولاسیون مربعی با شیفت QPSK (افست QPSK) حرکات فاز یک بار (یک بار) نقطه سیگنال به 90 درجه محدود می شود. حرکات همزمان آن در امتداد کانال های I و Q، یعنی. انتقال 180 درجه امکان پذیر نیست، که از حرکت نقطه سیگنال به سمت صفر جلوگیری می کند

یکی از معایب مدولاسیون فاز مربعی متعارف این است که تغییر همزمان نمادها در هر دو کانال مربعات مدولاتور در سیگنال QPSK باعث پرش فاز حامل 180 درجه می شود. هنگام تشکیل یک سیگنال QPSK معمولی، در این لحظه، نقطه سیگنال از طریق صفر حرکت می کند، یعنی حرکات نقطه سیگنال 180 درجه وجود دارد. در زمان این جنبش، کاهش دامنه سیگنال RF تولید شدهبه صفر برسد.

چنین تغییرات قابل توجهی سیگنال نامطلوب است، زیرا منجر به افزایش پهنای باند سیگنال می شود. برای تقویت چنین سیگنالی که دینامیک قابل توجهی دارد، مسیرهای انتقال بسیار خطی و به ویژه تقویت کننده های توان مورد نیاز است. ناپدید شدن سیگنال RF در لحظه ای که نقطه سیگنال از صفر عبور می کند نیز کیفیت عملکرد سیستم های هماهنگ سازی تجهیزات رادیویی را بدتر می کند.

شکل زیر حرکت نقطه سیگنال در نمودار برداری را برای دو نماد اول دنباله مقایسه می کند - از حالت 11 تا 01 برای QPSK سنتی و برای QPSK جابجا شده.

مقایسه حرکات نقطه سیگنال با QPSK (چپ) و OQPSK (راست) برای دو نماد 11 01

تعدادی از اصطلاحات برای تعیین OQPSK استفاده می شود: QPSK تغییر یافته، QPSK افست، مدولاسیون QPSK با تغییر، PM چهار فاز با تغییر. این مدولاسیون، به عنوان مثال، در سیستم های CDMA برای سازماندهی یک کانال ارتباطی بالادست، در دستگاه های استاندارد ZigBee استفاده می شود.

• تشکیل OQPSK
  

مدولاسیون OQPSK از کدگذاری سیگنال مشابه QPSK استفاده می کند. تفاوت این است که حرکت از یک حالت مدولاسیون به حالت دیگر (از یک نقطه در صورت فلکی به نقطه دیگر) در دو مرحله انجام می شود. ابتدا در لحظه ساعت در ابتدای نماد، جزء I و بعد از نصف نماد، جزء Q (یا برعکس) تغییر می کند.
برای انجام این کار، مولفه‌های مربعی توالی اطلاعات I(t) و Q(t) در زمان با مدت زمان یک عنصر اطلاعاتی T=Ts/2 جابه‌جا می‌شوند، یعنی. همانطور که در شکل نشان داده شده است، نصف طول کاراکتر.

تولید سیگنال های QPSK و OQPSK برای دنباله 110100101110010011

با چنین تغییری از سیگنال های مؤلفه، هر تغییر در فاز سیگنال تولید شده، که به نوبه خود توسط سیگنال های ربع تولید می شود، تنها توسط یک عنصر از توالی اطلاعات اصلی تعیین می شود، و نه با دو به طور همزمان (dibit)، همانطور که در QPSK. در نتیجه، هیچ انتقال فازی تا 180 درجه وجود ندارد، زیرا هر عنصر از توالی اطلاعات اصلی که وارد ورودی مدولاتور کانال درون فازی یا مربعی می‌شود می‌تواند باعث تغییر فاز تنها 0، 90+ یا 90- درجه شود. .

حرکات فاز تیز نقطه سیگنال در طول تشکیل سیگنال OQPSK در مقایسه با QPSK دو برابر بیشتر رخ می دهد، زیرا سیگنال های مؤلفه به طور همزمان تغییر نمی کنند، اما واضح نیستند. به عبارت دیگر، بزرگی انتقال فاز در OQPSK کمتر از QPSK است، اما فرکانس آنها دو برابر بیشتر است.

فرکانس انتقال فاز سیگنال های QPSK و OQPSK برای یک دنباله بیت تکراری 1101

در یک مدار مدولاتور مربعی سنتی، شکل‌دهی سیگنال QPSK را می‌توان با اعمال تأخیر در اجزای سیگنال دیجیتال با مدت زمان بیت T در یکی از کانال‌های مربعی کنترل به دست آورد.

اگر از فیلتر مناسب در تولید OQPSK استفاده شود، حرکت بین نقاط مختلف صورت فلکی سیگنال را می توان تقریباً به طور کامل در یک دایره (شکل) انجام داد. در نتیجه، دامنه سیگنال تولید شده تقریبا ثابت می ماند.

مدولاسیون فاز دیجیتال یک روش همه کاره و پرکاربرد برای انتقال بی سیم داده های دیجیتال است.

در مقاله قبلی دیدیم که می توانیم از تغییرات گسسته در دامنه یا فرکانس حامل به عنوان راهی برای نمایش یک ها و صفرها استفاده کنیم. جای تعجب نیست که ما همچنین می توانیم داده های دیجیتال را با یک فاز نمایش دهیم. این روش را کلید زدن تغییر فاز (PSK) می نامند.

کلید زنی تغییر فاز باینری

ساده‌ترین نوع PSK، کلید شیفت فاز باینری (BPSK) نامیده می‌شود، که در آن «دودویی» به استفاده از دو تغییر فاز (یکی برای منطق یک و دیگری برای منطق صفر) اشاره دارد.

ما به طور شهودی می توانیم تشخیص دهیم که اگر فاصله بین این دو فاز زیاد باشد، سیستم قابل اعتمادتر خواهد بود - البته، تشخیص نماد با تغییر فاز 90 درجه و نماد با تغییر فاز برای گیرنده دشوار خواهد بود. از 91 درجه ما یک محدوده فاز 360 درجه برای کار داریم، بنابراین حداکثر اختلاف بین فازهای یک منطقی و منطقی صفر 180 درجه است. اما می دانیم که تغییر موج سینوسی 180 درجه همان معکوس کردن آن است. بنابراین، می‌توانیم BPSK را به سادگی معکوس کردن سیگنال حامل در پاسخ به یک حالت منطقی و رها کردن آن در حالت اولیه در پاسخ به حالت منطقی دیگر در نظر بگیریم.

برای برداشتن گام بعدی، به یاد می آوریم که ضرب یک سینوسی در یک واحد منفی، همان معکوس کردن آن است. این منجر به امکان پیاده سازی BPSK با استفاده از پیکربندی سخت افزار اصلی زیر می شود:

طرح اساسی برای به دست آوردن سیگنال BPSK

با این حال، این مدار می تواند به راحتی منجر به انتقال شیب بالا در شکل موج حامل شود: اگر یک انتقال حالت منطقی زمانی رخ دهد که سیگنال حامل در حداکثر مقدار خود باشد، ولتاژ سیگنال حامل باید به سرعت به مقدار حداقل خود برسد.

شیب زیاد در شکل موج BPSK زمانی که حالت منطقی سیگنال باند پایه تغییر می کند

چنین رویدادهای شیب زیاد نامطلوب هستند زیرا آنها انرژی را در اجزای فرکانس بالا ایجاد می کنند که می تواند با سایر سیگنال های RF تداخل ایجاد کند. علاوه بر این، تقویت کننده ها توانایی محدودی برای ایجاد تغییرات ناگهانی در ولتاژ خروجی دارند.

اگر پیاده سازی فوق را با دو ویژگی اضافی تقویت کنیم، می توانیم انتقال صاف بین کاراکترها را فراهم کنیم. ابتدا باید مطمئن شویم که دوره یک بیت دیجیتال برابر با یک یا چند سیکل کامل سیگنال حامل است. دوم، ما باید انتقال دیجیتال را با سیگنال حامل همگام کنیم. با این پیشرفت‌ها، می‌توانیم سیستم را طوری طراحی کنیم که زمانی که سیگنال حامل در نقطه عبور صفر (یا نزدیک به آن) است، تغییر فاز 180 درجه رخ دهد.

QPSK

BPSK به ازای هر کاراکتر یک بیت را ارسال می کند، چیزی که ما به آن عادت کرده ایم. همه چیزهایی که در مورد مدولاسیون دیجیتال بحث کردیم، فرض را بر این گذاشتند که سیگنال حامل بسته به اینکه ولتاژ دیجیتال منطقی کم یا منطقی بالا باشد، تغییر می کند و گیرنده با تفسیر هر کاراکتر به صورت 0 یا 1، داده های دیجیتال را دوباره ایجاد می کند.

قبل از بحث در مورد کلید زنی تغییر فاز مربعی (QPSK)، باید مفهوم مهم زیر را معرفی کنیم: دلیلی وجود ندارد که یک نماد فقط یک بیت را حمل کند. درست است که دنیای الکترونیک دیجیتال حول مدارهایی ساخته شده است که در آن ولتاژ در یک حد و اندازه است، به طوری که ولتاژ همیشه یک بیت دیجیتال است. اما سیگنال رادیویی دیجیتال نیست. در عوض، ما از سیگنال‌های آنالوگ برای انتقال داده‌های دیجیتال استفاده می‌کنیم، و کاملاً قابل قبول است که سیستمی ایجاد کنیم که در آن سیگنال‌های آنالوگ به گونه‌ای کدگذاری و تفسیر شوند که یک نماد نشان دهنده دو (یا چند) بیت باشد.

مزیت QPSK سرعت داده بالاتر است: اگر مدت زمان نماد یکسانی را حفظ کنیم، می‌توانیم نرخ داده را از فرستنده به گیرنده دو برابر کنیم. نقطه ضعف آن پیچیدگی سیستم است. (شاید فکر کنید که QPSK نسبت به BPSK مستعد خطاهای بیتی است زیرا تفکیک کمتری بین مقادیر ممکن وجود دارد. این یک فرض منطقی است، اما اگر به ریاضیات آنها نگاه کنید، معلوم می شود که احتمالات خطا در واقع بسیار مشابه هستند.)

گزینه ها

مدولاسیون QPSK البته یک تکنیک مدولاسیون کارآمد است. اما می توان آن را بهبود بخشید.

پرش های فاز

مدولاسیون استاندارد QPSK تضمین می کند که انتقال نماد با شیب زیاد اتفاق می افتد. از آنجایی که جهش فاز می تواند 90± درجه باشد، ما نمی توانیم از روش توصیف شده برای پرش های فاز 180 درجه ای که توسط مدولاسیون BPSK ایجاد می شود استفاده کنیم.

این مشکل را می توان با استفاده از یکی از دو گزینه QPSK کاهش داد. Offset QPSK (OQPSK)، که شامل اضافه کردن تاخیر به یکی از دو جریان داده دیجیتالی مورد استفاده در فرآیند مدولاسیون است، حداکثر پرش فاز را به 90 درجه کاهش می دهد. گزینه دیگر π/4-QPSK است که حداکثر پرش فاز را به 135 درجه کاهش می دهد. بنابراین، OQPSK از مزیت کاهش ناپیوستگی فاز برخوردار است، اما π/4-QPSK برنده است زیرا با کدگذاری دیفرانسیل سازگار است (در زیر بحث شده است).

راه دیگر برای مقابله با شکاف بین کاراکترها، اجرای پردازش سیگنال اضافی است که انتقال نرم‌تری بین کاراکترها ایجاد می‌کند. این رویکرد در یک طرح مدولاسیون به نام کلید زدن حداقل تغییر (MSK) و ارتقاء MSK به نام Gaussian MSK (GMSK) گنجانده شده است.

کدگذاری دیفرانسیل

مشکل دیگر این است که دمودولاسیون سیگنال های PSK دشوارتر از سیگنال های FSK است. فرکانس "مطلق" است به این معنا که تغییرات در فرکانس را همیشه می توان با تجزیه و تحلیل تغییرات سیگنال در طول زمان تفسیر کرد. با این حال، فاز به این معنا نسبی است که یک نقطه مرجع جهانی ندارد - فرستنده تغییرات فاز را با توجه به یک نقطه از زمان ایجاد می کند، در حالی که گیرنده می تواند تغییرات فاز را با توجه به نقطه دیگری در زمان تفسیر کند.

تجلی عملی آن این است که اگر بین فازها (یا فرکانس‌های) نوسان‌گرهای مورد استفاده برای مدولاسیون و دمدولاسیون تفاوت وجود داشته باشد، PSK غیرقابل اعتماد می‌شود. و باید فرض کنیم که اختلاف فاز وجود خواهد داشت (مگر اینکه گیرنده دارای مدار بازیابی حامل باشد).

QPSK دیفرانسیل (DQPSK، QPSK دیفرانسیل) گونه ای است که با گیرنده های غیر منسجم (یعنی گیرنده هایی که ژنراتور دمدولاسیون را با ژنراتور مدولاسیون همگام نمی کنند) سازگار است. QPSK دیفرانسیل با ایجاد یک تغییر فاز مشخص از نماد قبلی، داده ها را رمزگذاری می کند، به طوری که مدار دمودولاسیون فاز نماد را با استفاده از یک نقطه مرجع که برای گیرنده و فرستنده مشترک است، تجزیه و تحلیل می کند.