Geniş bant veri iletim sistemlerinde ümit verici modülasyon yöntemleri. Radyo iletişimi Her bir qpsk sinyalinin içerdiği bilgi sembolleri

Günümüzde iletişim uzmanları, Spread Spectrum adlı gizemli ifadeye artık şaşırmıyor. Geniş bant (yani, bu kelimelerin arkasına gizlenirler) veri aktarım sistemleri, veri aktarım yöntemi ve hızı, modülasyon türü, iletim aralığı, hizmet yetenekleri vb. kullanılan modülasyona dayalı sistemlerdir.

Anahtar noktaları

Geniş bant veri iletim sistemleri (WBDS), protokoller açısından tek IEEE 802.11 standardına, radyo frekansı kısmında ise FCC'nin (ABD Federal İletişim Komisyonu) tek kurallarına tabidir. Ancak aynı zamanda veri aktarım hızı, modülasyon türü, iletim mesafesi, servis yetenekleri vb.

Tüm bu özellikler, geniş bant erişimini (potansiyel bir alıcı tarafından) ve öğe tabanını (bir geliştirici, iletişim sistemleri üreticisi tarafından) seçerken önemlidir. Bu incelemede, geniş bant erişimini teknik literatürde en az kapsanan özelliğe, yani modülasyonuna göre sınıflandırmak için bir girişimde bulunulmuştur.

2,4 GHz bandında geniş bant sinyalleri iletirken bilgi hızını artırmak için faz (BPSK) ve dördün faz modülasyonu (QPSK) ile birlikte uygulanan çeşitli ek modülasyon türleri kullanılarak, 11 Mbps'ye kadar bilgi hızları elde edilebilir. FCC tarafından bu aralıkta çalışmaya getirilen sınırlamaları dikkate alın. Geniş bant sinyallerinin bir frekans bandı için lisans alınmadan iletilmesi beklendiğinden, karşılıklı girişimi azaltmak için sinyallerin özellikleri sınırlandırılmıştır.

Bu modülasyon türleri, M-ary ortogonal modülasyonun (MOK), darbe faz modülasyonunun (PPM), dördün genlik modülasyonunun (QAM) çeşitli biçimleridir. Geniş bant sinyalleri ayrıca, frekans (FDMA) ve/veya zamanla (TDMA) ayrılmış birkaç paralel kanalda eş zamanlı çalışma sırasında alınan sinyaller olarak da sınıflandırılabilir. Belirli koşullara bağlı olarak, bir veya daha fazla modülasyon türü seçilir.

Modülasyon tipinin seçilmesi

Herhangi bir iletişim sisteminin temel görevi, mesajın kaynağından tüketiciye en ekonomik şekilde bilgi aktarmaktır. Bu nedenle, girişim ve bozulmanın etkisini en aza indiren, böylece maksimum bilgi hızına ve minimum hata oranına ulaşan bir modülasyon türü seçilir. İncelenmekte olan modülasyon türleri birkaç kritere göre seçilmiştir: çok yollu yayılmaya karşı direnç; parazit yapmak; mevcut kanal sayısı; güç amplifikatörlerinin doğrusallığı için gereklilikler; erişilebilir iletim aralığı ve uygulama karmaşıklığı.

DSSS modülasyonu

İncelemede sunulan modülasyon türlerinin çoğu, klasik geniş bant sinyalleri olan geniş bant doğrudan sıralı sinyallere (DSSS) dayanmaktadır. DSSS'li sistemlerde, sinyal spektrumunun birkaç kat genişletilmesi, sinyalin spektral güç yoğunluğunun aynı miktarda azaltılmasını sağlar. Yayma tipik olarak nispeten dar bantlı bir veri sinyalinin geniş bantlı bir yayma sinyali ile çarpılmasıyla gerçekleştirilir. Yayılan bir sinyal veya yayılan kod, genellikle gürültü benzeri bir kod veya PN (sahte gürültü) kodu olarak adlandırılır. Spektrumun açıklanan genişlemesinin ilkesi, Şek. 1.

Bit periyodu - bilgi bitinin periyodu
Çip periyodu - çipin periyodu
veri sinyali
PN kodu - gürültü benzeri kod
Kodlanmış sinyal - geniş bant sinyali
DSSS/MOK modülasyonu

M-ary ortogonal modülasyonlu (veya kısaca MOK modülasyonlu) geniş bantlı doğrudan sıralı sinyaller uzun zamandır bilinmektedir, ancak bunların analog bileşenler üzerinde uygulanması oldukça zordur. Dijital mikro devreleri kullanarak, bugün bu modülasyonun benzersiz özelliklerini kullanmak mümkündür.

MOK'un bir çeşidi, M-ary Bi-Ortogonal Modülasyondur (MBOK). Aynı çip tekrarlama oranı ve spektrum şekli korunurken aynı anda birkaç ortogonal PN kodu kullanılarak bilgi hızında bir artış elde edilir. MBOK modülasyonu, spektrumun enerjisini verimli bir şekilde kullanır, yani oldukça yüksek bir iletim hızı / sinyal enerjisi oranına sahiptir. Parazite ve çoklu yola karşı bağışıktır.

Şekil l'de gösterilenden MBOK modülasyon şemasının QPSK ile bağlantılı olarak Şekil 2'sinde, PN kodunun veri kontrol baytına göre M-ortogonal vektörlerinden seçildiği görülebilir. I- ve Q-kanalları ortogonal olduğundan, aynı anda MBOK'tan geçebilirler. Biortogonal modülasyonda ters vektörler de kullanılır, bu da bilgi hızını artırmayı mümkün kılar. 2'nin katları vektör boyutuna sahip gerçek ortogonal Walsh vektörleri seti, en geniş dağıtımı elde etti, kanal sembolü başına 8 bit iletti, bu da saniyede 1.375 mega sembollük bir kanal hızı ve 11 Mbps'lik bir veri hızıyla sonuçlandı.

Modülasyon, standart chip hızında çalışan ve sadece QPSK kullanan genişbant sistemler ile ortak çalışma organize etmeyi oldukça kolaylaştırır. Bu durumda, çerçeve başlığı 8 kat daha düşük bir hızda iletilir (her durumda), bu da daha yavaş bir sistemin bu başlığı doğru algılamasını sağlar. Ardından veri hızında bir artış olur.
1. Giriş
2. Karıştırıcı
3. Çoklayıcı 1:8
4. 8 Walsh işlevinden birinin seçimi
5. 8 Walsh işlevinden birinin seçimi
6. I-kanal çıkışı
7. Q-kanalı çıkışı

Teorik olarak MBOK, aynı Eb/N0 oranı için (kodlama özelliklerinden dolayı) BPSK'dan biraz daha düşük bir hata oranına (BER) sahiptir ve bu modülasyonu enerji açısından en verimli modülasyon haline getirir. BPSK'de her bit bağımsız olarak işlenir; MBOK'ta bir karakter tanınır. Yanlış tanınırsa, bu, bu karakterin tüm bitlerinin hatalı olarak alındığı anlamına gelmez. Bu nedenle, hatalı bir sembol alma olasılığı, hatalı bir bit alma olasılığına eşit değildir.

Modüle edilmiş sinyallerin MBOK spektrumu, IEEE 802.11 standardına uygundur. Şu anda, Aironet Kablosuz İletişim A.Ş. Ethernet ve Token Ring ağları için DSSS/MBOK teknolojisini kullanan ve havadan 4 Mbps'ye kadar hızlarda bilgi ileten kablosuz köprüler sunar.

Çok yollu bağışıklık, Eb/N0 oranına ve sinyal fazı bozulmasına bağlıdır. Binaların içinde Harris Semiconductor mühendisleri tarafından geniş bant MBOK sinyallerinin iletiminin sayısal simülasyonları, bu tür sinyallerin bu girişim faktörlerine karşı oldukça dayanıklı olduğunu doğrulamıştır1. Bakınız: Andren C. 11 MBps Modülasyon Teknikleri // Harris Semiconductor Newsletter. 05/05/98.

Şek. Şekil 3, sayısal simülasyon sonucunda elde edilen, 15 dB/MW (5,5 Mbit/s - 20 dB/MW için) yayılan sinyal gücünde hatalı bir veri çerçevesi (PER) alma olasılığının mesafeye karşı grafiklerini göstermektedir. çeşitli bilgi veri hızları.

Simülasyon, güvenilir sembol tanıma için gerekli olan Es/N0'daki artışla birlikte, güçlü sinyal yeniden yansıması koşulları altında PER'nin önemli ölçüde arttığını göstermektedir. Bunun üstesinden gelmek için çok antenli eşleştirilmiş alım kullanılabilir. Şek. 4 bu durum için sonuçları göstermektedir. Optimum uyumlu alım ile PER, eşleşmeyen alımın PER'sinin karesine eşit olacaktır. Şekil dikkate alındığında 3 ve 4'te, PER=%15 ile başarısız paketlerin yeniden iletilmesi ihtiyacı nedeniyle bilgi oranındaki gerçek kaybın %30 olacağı unutulmamalıdır.

QPSK'nin MBOK ile birlikte kullanılması için bir ön koşul tutarlı sinyal işlemedir. Pratikte bu, faz geri besleme döngüsünü ayarlamak için BPSK kullanılarak giriş ve çerçeve başlığının alınmasıyla elde edilir. Bununla birlikte, tutarlı sinyal işleme için seri bağıntılayıcıların kullanılmasının yanı sıra tüm bunlar, demodülatörün karmaşıklığını artırır.

CCSK modülasyonu

Geniş bant doğrudan sıralı M-ary dikey modülasyonu ve döngüsel kod modülasyonu (CCSK) sinyallerinin demodüle edilmesi, yalnızca bir PN kodu kullanıldığından MBOK'tan daha kolaydır. Bu tür bir modülasyon, bir sembol içindeki korelasyon zirvesinin zamansal kayması nedeniyle oluşur. 11 uzunluğunda bir Barker kodu ve saniyede 1 megasembol oranı uygulanarak tepe noktası sekiz konumdan birine kaydırılabilir. Kalan 3 pozisyon, bilgi hızını artırmak için kullanılmalarına izin vermez. Bu şekilde, sembol başına üç bilgi biti iletilebilir. BPSK ekleyerek, sembol başına bir bilgi biti daha iletilebilir, yani toplam 4 bilgi biti iletilebilir. Sonuç olarak, QPSK kullanarak, kanal sembolü başına 8 bilgi biti elde ederiz.

PPM ve CCSK için temel sorun, sinyal çoklu yolları arasındaki gecikme PN kod süresini aştığında çoklu yola duyarlılıktır. Bu nedenle, bu tür yansımaların olduğu iç mekanlarda, bu tür modülasyonların kullanılması zordur. CCSK'nin demodüle edilmesi oldukça kolaydır ve geleneksel modülatör/demodülatör devresinden yalnızca biraz karmaşıklık gerektirir. CCSK şeması, QPSK ile birlikte MBOK modülasyon şemasına benzer (bkz. Şekil 2), ancak 8 Walsh fonksiyonundan birini seçmek için bir blok yerine, bir kelime kaydırma bloğu vardır.

DSSS/PPM modülasyonu

Doğrudan Dizi Darbe Faz Modülasyonu (DSSS/PPM) geniş bant sinyalleri, doğrudan dizi yayılı spektrum sinyallerinin geliştirilmiş halidir.

Geleneksel geniş bant sinyalleri için darbe fazı modülasyonu fikri, bilgi hızındaki artışın, ardışık sembollerin korelasyon tepe noktaları arasındaki zaman aralığını değiştirerek elde edilmesidir. Modülasyon, Hollanda'daki Bell Laboratuarlarında Rajeev Krishnamoorthy ve Israel Bar-David tarafından icat edildi.

Mevcut modülasyon uygulamaları, korelasyon darbelerinin sekiz zamanlama pozisyonunun bir sembol aralığında (bir PN dizi aralığı içinde) belirlenmesine izin verir. Bu teknoloji DQPSK'de I ve Q kanallarında bağımsız olarak uygulanırsa 64 (8x8) farklı bilgi durumu elde edilir. I-kanalında iki farklı durum ve Q-kanalında iki farklı durum sağlayan DQPSK modülasyonu ile darbe faz modülasyonunu birleştirerek, sembol başına 8 bilgi bitine eşdeğer 256 (64x2x2) durum elde edilir.

DSSS/QAM modülasyonu

Dördün genlik modülasyonuna (DSSS/QAM) sahip doğrudan sıralı geniş bant sinyalleri, bilginin bir genlik değişikliği yoluyla da iletildiği klasik geniş bant DQPSK modülasyon sinyalleri olarak düşünülebilir. İki seviyeli genlik modülasyonu ve DQPSK uygulanarak I-kanalında 4 farklı durum, Q-kanalında 4 farklı durum elde edilir. Modüle edilmiş sinyal, bilgi oranını artıracak olan darbe-faz modülasyonuna da tabi tutulabilir.

DSSS/QAM'in sınırlamalarından biri, bu modülasyona sahip sinyallerin çok yollu yayılıma oldukça duyarlı olmasıdır. Ayrıca, hem faz hem de genlik modülasyonunun eşzamanlı uygulanması nedeniyle, MBOK ile aynı BER değerini elde etmek için Eb/N0 oranı artırılır.

Bozulmaya duyarlılığı azaltmak için bir ekolayzır kullanılabilir. Ancak kullanımı iki nedenden dolayı istenmeyen bir durumdur.

İlk olarak, ekolayzırı ayarlayan sembol dizisini artırmak gerekir, bu da girişin uzunluğunu artırır. İkincisi, bir ekolayzır eklenmesiyle sistemin bir bütün olarak maliyeti artacaktır.

Frekans Atlamalı sistemlerde ek karesel modülasyon da kullanılabilir. Örneğin WaveAccess, 16QAM ile bağlantılı olarak Frekans Atlama teknolojisi, QPSK modülasyonu kullanan Jaguar markalı bir modem piyasaya sürdü. Bu durumda genel olarak kabul edilen frekans FSK modülasyonunun aksine, bu, 2,2 Mbps'lik gerçek bir veri aktarım hızı sağlamayı mümkün kılar. WaveAccess mühendisleri, düşük iletim mesafesi (en fazla 100 m) nedeniyle DSSS teknolojisinin daha yüksek hızlarda (10 Mbps'ye kadar) kullanılmasının uygun olmadığına inanıyor.

OKDM modülasyonu

Birkaç geniş bant sinyalinin ortogonal kod bölmeli multipleks (Orthogonal Code Division Multiplex - OCDM) ile çoğullanmasıyla elde edilen geniş bant sinyallerde, aynı frekansta birkaç geniş bant kanalı aynı anda kullanılır.

Kanallar ortogonal PN kodları kullanılarak ayrılır. Sharp, bu teknolojiye dayalı 10 megabitlik bir modem duyurdu. Aslında, 16 çipli ortogonal kodlara sahip 16 kanal aynı anda iletilir. Her kanala BPSK uygulanır, ardından kanallar analog şekilde toplanır.

Data Mux - giriş verisi çoklayıcı

BPSK - faz modülasyon bloğu

Yayılma - Doğrudan Sıralı Yayılma Bloğu

Toplam - çıktı toplayıcı

OFDM modülasyonu

Birkaç geniş bant sinyalinin ortogonal frekans bölmeli çoğullama (Orthogonal Frequency Division Multiplex - OFDM) ile çoğullanmasıyla elde edilen geniş bant sinyalleri, farklı taşıyıcı frekanslarda faz modülasyonlu sinyallerin eş zamanlı iletimini temsil eder. Modülasyon, MIL-STD 188C'de açıklanmıştır. Avantajlarından biri, çok yollu sönümleme nedeniyle spektrum düşüşlerine karşı yüksek direncidir. Dar bant sönümleme, bir veya daha fazla taşıyıcıyı hariç tutabilir. Sembol enerjisinin birkaç frekansa dağıtılmasıyla güvenilir bir bağlantı sağlanır.

Bu, benzer bir QPSK sisteminin spektral verimliliğini 2,5 kat aşar. OFDM modülasyonunu uygulayan hazır mikro devreler var. Özellikle Motorola, MC92308 OFDM demodülatörünü ve MC92309 OFDM "ön uç" çipini piyasaya sürüyor. Tipik bir OFDM modülatörünün şeması şekil 2'de gösterilmektedir. 6.

Veri çoklayıcı - giriş verisi çoklayıcı

Kanal - frekans kanalı

BPSK - faz modülasyon bloğu

Toplam - frekans kanalı toplayıcı

Çözüm

Karşılaştırma tablosu, çeşitli kriterlere göre her modülasyon türü için puanları ve nihai puanı gösterir. Daha düşük bir puan, daha iyi bir puana karşılık gelir. Dördün genlik modülasyonu yalnızca karşılaştırma amacıyla alınır.

Dikkate alındığında, çeşitli göstergelerin tahminleri için kabul edilemez değerlere sahip olan çeşitli modülasyon türleri atılmıştır. Örneğin, 16 konumlu faz modülasyonuna (PSK) sahip geniş bant sinyaller - parazite karşı zayıf direnç nedeniyle, çok geniş bant sinyaller - frekans aralığının uzunluğundaki kısıtlamalar ve bitişik radyonun bir arada bulunması için en az üç kanala sahip olma ihtiyacı nedeniyle ağlar.

Dikkate alınan geniş bant modülasyon türleri arasında en ilginç olanı M-ary bi-ortogonal modülasyon - MBOK'tur.

Sonuç olarak, Harris Semiconductor mühendisleri tarafından yürütülen bir dizi deneyde yer almayan modülasyonu belirtmek isterim. Filtrelenmiş QPSK modülasyonundan bahsediyoruz (Filtered Quadrature Phase Shift Keying - FQPSK). Bu modülasyon, California Üniversitesi'nden Profesör Kamilo Feher tarafından geliştirildi ve Didcom, Inc. ile ortaklaşa patentlendi.

FQPSK'yi elde etmek için, vericideki sinyal spektrumunun doğrusal olmayan filtrelemesi ve ardından alıcıdaki restorasyonu kullanılır. Sonuç olarak, FQPSK spektrumu, QPSK spektrumuna kıyasla alanın yaklaşık yarısını kaplar, diğer tüm parametreler eşittir. Ayrıca, FQPSK'nin PER (Paket Hata Oranı), 10-2-10-4 ile GMSK'den daha iyidir. GSMK, özellikle GSM dijital hücresel standardında kullanılan bir Gauss frekans modülasyonudur. Yeni modülasyon EIP Microwave, Lockheed Martin, L-3 Communications ve NASA gibi şirketler tarafından yeterince takdir edildi ve ürünlerinde kullanıldı.

21. yüzyıl genişbantında hangi modülasyonun kullanılacağını kesin olarak söylemek mümkün değil. Her yıl dünyadaki bilgi miktarı artıyor, bu nedenle iletişim kanalları aracılığıyla giderek daha fazla bilgi iletilecek. Frekans spektrumu eşsiz bir doğal kaynak olduğundan, iletim sistemi tarafından kullanılan spektrum için gereksinimler sürekli olarak artacaktır. Bu nedenle genişbant erişimin geliştirilmesinde en verimli modülasyon yönteminin seçimi en önemli konulardan biri olmaya devam etmektedir.

Dörtlü modülasyon ve özellikleri (QPSK, QAM)

Dörtlü faz kaydırmalı anahtarlamayı (QPSK) düşünün. İlk veri akışı dk(t)=d0, d1, d2,… iki kutuplu darbelerden oluşur, yani. dk, ikili bir ve ikili sıfırı temsil eden +1 veya -1 (Şekil 3.5.a) değerlerini alır. Bu puls akışı, Şekil 1'de gösterildiği gibi eş fazlı akış dI(t) ve kareleme - dQ(t) olarak bölünmüştür. 3.5.b).

dI(t)=d0, d2, d4,… (çift bitler)

dQ(t)=d1, d3, d5,… (tek bitler)

QPSK sinyalinin uygun bir ortogonal uygulaması, taşıyıcının sinüs ve kosinüs fonksiyonları üzerindeki faz içi ve dördün akışlarının genlik modülasyonu kullanılarak elde edilebilir.

Trigonometrik özdeşlikler kullanılarak, s(t) aşağıdaki biçimde temsil edilebilir: s(t)=cos(2pf0t+u(t))). Şekil l'de gösterilen QPSK modülatörü. 3.5.c), sinüzoidal ve kosinüs terimlerinin toplamını kullanır. Darbe akışı dI(t), kosinüs dalgasını genlik modüle etmek (+1 veya -1 genlik ile) için kullanılır.

Bu, kosinüs dalgasının fazını 0 veya p kaydırmaya eşdeğerdir; bu nedenle, sonuç bir BPSK sinyalidir. Benzer şekilde, darbe akışı dQ(t), öncekine ortogonal bir BPSK sinyali veren bir sinüzoidi modüle eder. Bu iki ortogonal taşıyıcı bileşen toplandığında, bir QPSK sinyali elde edilir. u(t)'nin değeri, s(t) için ifadedeki dört olası dI(t) ve dQ(t) kombinasyonundan birine karşılık gelecektir: u(t)=00, ±900 veya 1800; elde edilen sinyal vektörleri, şekil l'deki sinyal alanında gösterilmiştir. 3.6. cos(2pf0t) ve sin(2pf0t) ortogonal olduğundan, iki BPSK sinyali ayrı ayrı algılanabilir. QPSK'nin BPSK'ya göre bir dizi avantajı vardır: QPSK modülasyonu ile bir darbe iki bit iletir, ardından veri hızı iki katına çıkar veya BPSK şemasındakiyle aynı veri hızında, bant genişliğinin yarısı kullanılır; ayrıca artan gürültü bağışıklığı, tk. darbeler iki kat daha uzundur ve bu nedenle BPSK darbelerinden daha güçlüdür.

Pirinç. 3.5.

Pirinç. 3.6.

Dördün genlik modülasyonu (KAM, QAM), QPSK'nin mantıksal bir uzantısı olarak düşünülebilir, çünkü QAM sinyali aynı zamanda iki bağımsız genlik modülasyonlu taşıyıcıdan oluşur.

Dördün genlik modülasyonu ile, sinyalin hem fazı hem de genliği değişir, bu da kodlanmış bit sayısını artırmayı mümkün kılar ve aynı zamanda gürültü bağışıklığını önemli ölçüde artırır. Sinyallerin karesel temsili, onları tanımlamanın uygun ve oldukça evrensel bir yoludur. Kareleme temsili, salınımı iki ortogonal bileşenin - sinüzoidal ve kosinüs (faz içi ve kareleme) doğrusal bir kombinasyonu olarak ifade etmekten oluşur:

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

x(t)=A(t)(-sinц(t))),y(t)=A(t)cosц(t)

Bu tür ayrık modülasyon (anahtarlama), birbirine göre 900 kaydırılan taşıyıcılar üzerinde iki kanal üzerinden gerçekleştirilir, yani. karelemede (dolayısıyla adı).

Dört fazlı FM sinyallerinin (FM-4) oluşumu örneğini kullanarak kareleme devresinin çalışmasını açıklayalım (Şekil 3.7).

Pirinç. 3.7.

Pirinç. 3.8. 16

T süresine sahip ikili sembollerin ilk dizisi, kaydırma yazmacı tarafından kareleme kanalına (cossht) beslenen tek darbelere y ve hatta faz içi kanala (sinsht) gelen - x'e bölünür. Her iki atım dizisi, çıkışlarında ±Um genlik ve 2T süresi ile x(t) ve y(t) çift kutuplu atım dizilerinin oluşturulduğu karşılık gelen manipüle edilmiş darbe şekillendiricilerin girişlerine beslenir. x(t) ve y(t) darbeleri, çıkışlarında iki fazlı (0, p) FM salınımların oluştuğu kanal çarpanlarının girişlerine gelir. Toplandıktan sonra FM-4 sinyalini oluştururlar.

Şek. 3.8. 2B sinyal alanı ve dikdörtgen bir dizide düzenlenmiş noktalarla gösterilen bir dizi onaltılık QAM modülasyonlu sinyal vektörü gösterilmektedir.

Şek. 3.8. QAM ile sinyal uzayındaki sinyal vektörleri arasındaki mesafenin QPSK'den daha büyük olduğu görülebilir, bu nedenle QAM, QPSK'ye kıyasla gürültüye karşı daha bağışıktır,

Açılış güç kontrol döngüsünü düşünün (daha az hassas). Mobil istasyon açıldıktan sonra baz istasyonundan bir sinyal arar. Mobil istasyon bu sinyal üzerinde senkronize edildikten sonra gücü ölçülür ve baz istasyonu ile bağlantıyı sağlamak için gerekli olan iletilen sinyalin gücü hesaplanır. Hesaplamalar, yayılan sinyalin varsayılan gücü ile alınan sinyalin gücünün seviyelerinin toplamının sabit ve 73 dB'ye eşit olması gerektiği gerçeğine dayanmaktadır. Alınan sinyal seviyesi örneğin 85 dB ise, iletilen güç seviyesi ± 12 dB olmalıdır. Bu işlem her 20 ms'de bir tekrarlanır, ancak ileri ve geri kanallar farklı frekans bantlarında çalıştığından (45 MHz frekans ayrımı) ve bu nedenle farklı yayılma zayıflama seviyelerine sahip olduklarından ve farklı olduklarından, yine de istenen güç kontrol doğruluğunu sağlamaz. etkilenen girişim.

Kapalı bir döngüde güç kontrolü sürecini düşünün. Aynı zamanda güç kontrol mekanizması, iletilen sinyalin gücüne ince ayar yapmanızı sağlar. Baz istasyonu, alınan her sinyaldeki hata olasılığını sürekli olarak değerlendirir. Yazılım tanımlı bir eşiği aşarsa, baz istasyonu karşılık gelen mobil istasyona radyasyon gücünü artırması talimatını verir. Ayarlama 1 dB'lik adımlarla gerçekleştirilir. Bu işlem her 1,25 ms'de bir tekrarlanır. Bu ayarlama işleminin amacı, her mobil istasyonun kabul edilebilir konuşma kalitesi sağlamak için yeterli olan minimum sinyal gücünü yaymasını sağlamaktır. Tüm mobil istasyonların normal çalışma için gerekli gücün sinyallerini yayması ve artık olmaması nedeniyle; karşılıklı etkileri en aza indirilir ve sistemin abone kapasitesi artar.

Mobil istasyonlar, 85 dB'ye kadar geniş bir dinamik aralıkta çıkış gücü kontrolü sağlamalıdır.

6.2.12. QPSK sinyalinin oluşumu

CDMA IS-95, QPSK kullanır

(QPSK - Quadrature Phase-shift Keying) bir cep telefonunda temel ve kaydırılmış QPSK

istasyonlar. Bu durumda, sinyalin fazındaki değişiklik analiz edilerek bilgi çıkarılır, bu nedenle sistemin faz kararlılığı, mesajlarda minimum hata olasılığını sağlamada kritik bir faktördür. Kaydırılmış QPSK'nın kullanılması, mobil istasyonun güç amplifikatörünün doğrusallığı için gereklilikleri azaltmayı mümkün kılar, çünkü bu tür bir modülasyonla çıkış sinyalinin genliği çok daha az değişir. Parazit girişimi dijital sinyal işleme ile bastırılmadan önce, alıcının yüksek frekanslı yolundan geçmeli ve düşük gürültülü geniş bant amplifikatörü (LNA) ve mikseri doyurmamalıdır. Bu

sistem tasarımcılarını alıcının dinamik ve gürültü özellikleri arasında bir denge aramaya zorlar.

Dörtlü faz kaydırmalı anahtarlama ile, iki bit, bu bitlerin değerlerine bağlı olarak yayılan sinyalin 4 faz değerine karşılık gelir (Şekil 6.39), yani bir faz değeri, 2 bitlik değeri hemen iletebilir.

Pirinç. 6.39. QPSK modülasyonu için faz değeri diyagramı

Veri akışı çift ve tek bitlere bölünmüştür (Şekil 6.40). Ayrıca süreç eş fazlı ve dördün kanallarında paralel olarak ilerler. NRZ (sıfıra dönüşsüz - sıfıra dönmeden) kodlayıcıya dönüştürüldükten sonra, iki kutuplu bir sinyal elde edilir (Şekil 6.41). Sinyal daha sonra iki ortogonal fonksiyonla modüle edilir. İki kanalın sinyallerini topladıktan sonra kareleme modülasyonlu (QPSK) bir sinyal elde ederiz.

Pirinç. 6.40. QPSK sinyal oluşturma şeması

Pirinç. 6.41. Sıfıra dönüşü olmayan kod

Zaman alanındaki modüle edilmiş sinyal, şekil 2'de gösterilmiştir. 6.42 ve rastgele bir bit dizisinin kısa bir bölümüdür. Şekil, faz içi ve dördün kanallarında kullanılan bir sinüs dalgasının ve bir kosinüs dalgasının parçalarını göstermektedir. Şekil, çift ve tek bit dizisine bölünmüş 1 1 0 0 0 1 1 0 bit dizisini kullanır. Toplam QPSK sinyali aşağıda gösterilmiştir.

Pirinç. 6.42. QPSK zaman alanı sinyali

Alıcı tarafta, ters işlem gerçekleşir (Şekil 6.43). Her kanal eşleşen bir filtre kullanır. Karşılık gelen kanal detektörü, 0 mı yoksa 1 mi alındığına karar vermek için ilgili eşik değerini kullanır.Analiz, bir sembolün iletim süresine karşılık gelen çerçeveler üzerinden ilerler.

Mobil istasyonlar ofset dördün modülasyonu (OQPSK - Ofset QPSK) kullanır. Kanallardan birinde bit dizisi, iletilen sembolün süresinin yarısına karşılık gelen bir süre geciktirilir. Bu durumda, faz içi ve dördün bileşenleri faz kaymalarını asla aynı anda değiştirmezler (Şekil 6.44). Maksimum faz atlama 90 derecedir. Bu, sinyal genliğindeki dalgalanmaları çok daha küçük hale getirir. Bu etki

Orada sinyal çok daha küçüktür. Bu etki, aynı bit dizisinin QPSK modülasyonu ile karşılaştırıldığında açıkça görülebilir (Şekil 6.42).

Pirinç. 6.43. Alıcıdaki QPSK sinyalinin demodülasyonu

Pirinç. 6.44. OQPSK zaman alanı sinyali

IS-95 standardında mesaj iletimi çerçeveler ile gerçekleştirilir. Kullanılan alım ilkeleri, her bilgi çerçevesindeki hataları analiz etmeyi mümkün kılar. Hata sayısı kabul edilebilir bir düzeyi aşarsa ve konuşma kalitesinde kabul edilemez bir bozulmaya neden olursa, bu çerçeve atılır.

(çerçeve silme).

Hata oranı veya "bit silme oranı", bilgi sembolü enerjisinin gürültü spektral yoğunluğu Eo/No'ya oranıyla benzersiz bir şekilde ilişkilidir. Şek. Şekil 6.45, modülasyon, kodlama ve serpiştirmeyi hesaba katarak, bir çerçevedeki hata olasılığının (Prob. Çerçeve Hatası), ileri ve geri kanallar için Eo / No oranının değerine bağımlılığını gösterir.

Karşılıklı girişim nedeniyle bir hücredeki aktif abone sayısı arttıkça Eo/No oranı düşer ve hata oranı artar. Bu bağlamda, farklı firmalar kendi kabul edilebilir hata oranlarını benimserler. Örneğin Motorola, solmayı dikkate alarak Eo / No = 7 - 8 dB'ye karşılık gelen CDMA IS-95 için %1'lik bir hata oranını kabul edilebilir olarak kabul eder. Aynı zamanda, IS-95 sistemlerinin verimi, analog AMPS sistemlerinin veriminden ortalama 15 kat daha fazladır.

Qualcomm, kabul edilebilir hata oranı olarak %3'ü alır. Qualcomm'un CDMA IS-95'in analog AMPS'den 20 ila 30 kat daha fazla kapasiteye sahip olduğunu iddia etmesinin nedenlerinden biri de budur.

Eo/No = 7 - 8 dB oranı ve izin verilen %1 hata oranı, üç sektörlü hücre başına 60 aktif kanal düzenlemenizi sağlar. Ters kanal için aktif iletişim kanallarının (TSN) sayısının, 3 sektörlü bir hücre için Eo / No oranının değerine bağımlılığı, Şek. 6.46.

Şekil 6.45. Bir çerçevedeki hata olasılığının sinyal seviyesine bağlılığı

• QPSK kaydırmalı dördün modülasyonlu (Ofset QPSK) sinyal noktasının tek seferlik (tek seferlik) faz hareketleri 90 derece ile sınırlıdır. I ve Q kanalları boyunca eşzamanlı hareketleri, yani. 180 derecelik geçişler mümkün değildir, bu da sinyal noktasının sıfırdan hareket etmesini engeller

Kanonik kareleme faz modülasyonunun dezavantajlarından biri, modülatörün her iki kareleme kanalındaki semboller aynı anda değiştirildiğinde, QPSK sinyalinin 180°'lik bir taşıyıcı faz sıçramasına sahip olmasıdır. Geleneksel bir QPSK sinyali oluştururken, bu anda sinyal noktası sıfıra doğru hareket eder, yani 180 derecelik sinyal noktası hareketleri vardır. Bu hareket sırasında, üretilen RF sinyalinin genliğini azaltmak sıfıra kadar.

Bu tür önemli sinyal değişiklikleri, sinyal bant genişliğinde bir artışa yol açtıkları için istenmez. Önemli dinamiklere sahip olan böyle bir sinyali yükseltmek için, oldukça doğrusal iletim yolları ve özellikle güç amplifikatörleri gerekir. Sinyal noktası sıfırdan geçtiği anda RF sinyalinin kaybolması, radyo ekipmanının senkronizasyon sistemlerinin işleyişinin kalitesini de kötüleştirir.

Aşağıdaki şekil, dizinin ilk iki sembolü için vektör diyagramı üzerindeki sinyal noktasının hareketini karşılaştırır - geleneksel QPSK ve kaydırılmış QPSK için durum 11'den 01'e.

İki sembol için QPSK (sol) ve OQPSK (sağ) ile sinyal noktası hareketlerinin karşılaştırılması 11 01

OQPSK'yi belirtmek için bir dizi terim kullanılır: kaydırılmış QPSK, ofset QPSK, kaydırmalı QPSK modülasyonu, kaydırmalı dört fazlı PM. Bu modülasyon, örneğin CDMA sistemlerinde, ZigBee standart cihazlarında yukarı akışta bir iletişim kanalı düzenlemek için kullanılır.

• OQPSK'nin oluşumu
  

OQPSK modülasyonu, QPSK ile aynı sinyal kodlamasını kullanır. Aradaki fark, bir modülasyon durumundan diğerine (takımyıldızdaki bir noktadan diğerine) geçişin iki adımda gerçekleştirilmesidir. İlk olarak, sembolün başındaki saat anında I bileşeni değişir ve sembolün yarısından sonra Q bileşeni değişir (veya tersi).
Bunu yapmak için, bilgi dizisi I(t) ve Q(t)'nin dördünleştirme bileşenleri, bir bilgi öğesinin T=Ts/2 süresi kadar zamanda kaydırılır, yani; şekilde gösterildiği gibi karakterin süresinin yarısı kadardır.

110100101110010011 dizisi için QPSK ve OQPSK sinyallerinin oluşturulması

Bileşen sinyallerinin böyle bir kaymasıyla, sırayla kareleme sinyalleri tarafından üretilen üretilen sinyalin fazındaki her değişiklik, olduğu gibi aynı anda iki (dibit) tarafından değil, orijinal bilgi dizisinin yalnızca bir elemanı tarafından belirlenir. QPSK. Sonuç olarak, 180°'lik faz geçişleri yoktur, çünkü orijinal bilgi dizisinin faz içi veya dördün kanal modülatörünün girişine giren her elemanı yalnızca 0, +90° veya -90°'lik bir faz değişikliğine neden olabilir. .

OQPSK sinyalinin oluşumu sırasında sinyal noktasının keskin faz hareketleri, bileşen sinyalleri aynı anda değişmediği, ancak keskin olmadığı için QPSK'ye kıyasla iki kat daha sık meydana gelir. Başka bir deyişle, faz geçişlerinin büyüklüğü OQPSK'de QPSK'ye göre daha küçüktür, ancak frekansları iki kat daha yüksektir.

Tekrar eden bir bit dizisi 1101 için QPSK ve OQPSK sinyallerinin faz geçişlerinin frekansı

Geleneksel bir kareleme modülatör şemasında, QPSK sinyal şekillendirme, kontrol kareleme kanallarından birinde bir bit süresi T ile dijital sinyal bileşenlerine bir gecikme uygulanarak elde edilebilir.

OQPSK üretiminde uygun bir filtre kullanılırsa, sinyal kümesinin farklı noktaları arasındaki hareket neredeyse tamamen bir daire içinde gerçekleştirilebilir (şekil). Sonuç olarak, üretilen sinyalin genliği neredeyse sabit kalır.

Dijital faz modülasyonu, dijital verileri kablosuz olarak iletmek için çok yönlü ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.

Bir önceki makalede, birleri ve sıfırları temsil etmenin bir yolu olarak bir taşıyıcının genliği veya frekansındaki ayrık değişiklikleri kullanabileceğimizi gördük. Şaşırtıcı olmayan bir şekilde, dijital verileri bir faz ile de temsil edebiliriz; bu yönteme faz kaydırmalı anahtarlama (PSK) adı verilir.

İkili faz kaydırmalı anahtarlama

En basit PSK türü, ikili faz kaydırmalı anahtarlama (BPSK) olarak adlandırılır; burada "ikili", iki faz kaymasının (biri mantık bir ve diğeri mantık sıfır için) kullanımına atıfta bulunur.

Bu iki faz arasındaki ayrım büyükse sistemin daha güvenilir olacağını sezgisel olarak anlayabiliriz - elbette, alıcının 90° faz kayması olan bir sembol ile faz kayması olan bir sembolü ayırt etmesi zor olacaktır. 91°. Çalışacak 360°'lik bir faz aralığımız var, bu nedenle bir lojik bir ile lojik sıfırın fazları arasındaki maksimum fark 180°'dir. Ancak sinüs dalgasını 180° değiştirmenin onu tersine çevirmekle aynı şey olduğunu biliyoruz; bu nedenle, BPSK'yi basitçe bir mantıksal duruma yanıt olarak taşıyıcı sinyali tersine çevirmek ve onu başka bir mantıksal duruma yanıt olarak orijinal durumunda bırakmak olarak düşünebiliriz.

Bir sonraki adıma geçmek için, bir sinüsoidi negatif bir birim ile çarpmanın onu tersine çevirmekle aynı şey olduğunu hatırlıyoruz. Bu, aşağıdaki temel donanım yapılandırmasını kullanarak BPSK uygulama olasılığıyla sonuçlanır:

BPSK sinyali elde etmek için temel şema

Bununla birlikte, bu devre, taşıyıcı dalga biçiminde kolayca yüksek eğimli geçişlere yol açabilir: taşıyıcı sinyal maksimum değerindeyken bir mantık durumu geçişi meydana gelirse, taşıyıcı sinyal voltajı hızla minimum değerine gitmelidir.

Temel bant sinyalinin mantık durumu değiştiğinde BPSK dalga biçimindeki yüksek eğim

Bu tür yüksek eğimli olaylar, diğer RF sinyallerini etkileyebilecek yüksek frekanslı bileşenlerde enerji oluşturdukları için istenmez. Ek olarak, amplifikatörlerin çıkış voltajında ​​ani değişiklikler üretme konusunda sınırlı bir yeteneği vardır.

Yukarıdaki uygulamayı iki ek özellik ile geliştirirsek, karakterler arasında yumuşak geçişler sağlayabiliriz. İlk olarak, bir dijital bitin periyodunun, taşıyıcı sinyalin bir veya daha fazla tam döngüsüne eşit olduğundan emin olmamız gerekir. İkincisi, dijital geçişleri taşıyıcı sinyalle senkronize etmemiz gerekiyor. Bu iyileştirmelerle, sistemi, taşıyıcı sinyal sıfır geçişte (veya buna yakın) olduğunda 180°'lik bir faz değişimi meydana gelecek şekilde tasarlayabiliriz.

QPSK

BPSK, alıştığımız karakter başına bir bit iletir. Dijital modülasyon hakkında tartıştığımız her şey, taşıyıcı sinyalin dijital voltajın lojik düşük veya lojik yüksek olmasına bağlı olarak değiştiğini ve alıcının her karakteri 0 veya 1 olarak yorumlayarak dijital verileri yeniden oluşturduğunu varsaymıştır.

Dörtlü faz kaydırmalı anahtarlamayı (QPSK) tartışmadan önce, aşağıdaki önemli kavramı tanıtmamız gerekir: bir sembolün yalnızca bir bit taşıması için hiçbir neden yoktur. Dijital elektronik dünyasının, voltajın her zaman bir dijital bit olması için voltajın bir uçta veya diğerinde olduğu devreler etrafında inşa edildiği doğrudur. Ancak radyo sinyali dijital değildir; bunun yerine, dijital verileri iletmek için analog sinyaller kullanıyoruz ve analog sinyallerin bir karakterin iki (veya daha fazla) biti temsil edecek şekilde kodlandığı ve yorumlandığı bir sistem geliştirmek tamamen kabul edilebilir.

QPSK'nin avantajı daha yüksek veri hızıdır: aynı sembol süresini korursak, vericiden alıcıya veri hızını ikiye katlayabiliriz. Dezavantajı, sistemin karmaşıklığıdır. (Olası değerler arasında daha az ayrım olduğu için QPSK'nin bit hatalarına BPSK'dan daha duyarlı olduğunu düşünebilirsiniz. Bu makul bir varsayımdır, ancak matematiklerine bakarsanız, hata olasılıklarının aslında çok benzer olduğu ortaya çıkar.)

Seçenekler

QPSK modülasyonu elbette verimli bir modülasyon tekniğidir. Ama geliştirilebilir.

Faz atlamaları

Standart QPSK modülasyonu, sembol geçişlerinin yüksek eğimle gerçekleşmesini sağlar; faz atlamaları ±90° olabileceğinden, BPSK modülasyonu tarafından üretilen 180° faz atlamaları için açıklanan yaklaşımı kullanamayız.

Bu sorun, iki QPSK seçeneğinden biri kullanılarak hafifletilebilir. Modülasyon işleminde kullanılan iki dijital veri akışından birine bir gecikme eklenmesini içeren Ofset QPSK (OQPSK), maksimum faz sıçramasını 90°'ye düşürür. Diğer bir seçenek ise maksimum faz atlamasını 135°'ye düşüren π/4-QPSK'dir. Bu nedenle, OQPSK faz süreksizliklerini azaltma avantajına sahiptir, ancak diferansiyel kodlama ile uyumlu olduğu için π/4-QPSK kazanır (aşağıda tartışılmıştır).

Karakterler arasındaki boşluklarla başa çıkmanın bir başka yolu da, karakterler arasında daha yumuşak geçişler oluşturan ek sinyal işleme uygulamaktır. Bu yaklaşım, minimum kaydırmalı anahtarlama (MSK) adı verilen bir modülasyon şemasına ve Gaussian MSK (GMSK) olarak bilinen MSK geliştirmesine dahil edilmiştir.

Diferansiyel kodlama

Diğer bir zorluk ise PSK sinyallerinin demodülasyonunun FSK sinyallerinden daha zor olmasıdır. Frekans, frekanstaki değişikliklerin her zaman sinyal değişikliklerinin zaman içinde analiz edilmesiyle yorumlanabilmesi anlamında "mutlaktır". Bununla birlikte, faz, evrensel bir referans noktasına sahip olmadığı anlamında görecelidir - verici, zamanın bir noktasına göre faz değişiklikleri üretirken, alıcı, faz değişikliklerini zamanın başka bir noktasına göre yorumlayabilir.

Bunun pratik tezahürü, modülasyon ve demodülasyon için kullanılan osilatörlerin fazları (veya frekansları) arasında farklılıklar varsa, PSK'nın güvenilmez hale gelmesidir. Ve faz farklılıkları olacağını varsaymalıyız (alıcı bir taşıyıcı kurtarma devresi içermediği sürece).

Diferansiyel QPSK (DQPSK, diferansiyel QPSK), uyumlu olmayan alıcılarla (yani, demodülasyon üretecini modülasyon üreteciyle senkronize etmeyen alıcılar) uyumlu bir varyanttır. Diferansiyel QPSK, önceki sembolden belirli bir faz ofseti oluşturarak verileri kodlar, böylece demodülasyon devresi hem alıcı hem de verici için ortak olan bir referans noktası kullanarak sembolün fazını analiz eder.