2-4. Основные принципы модуляции и демодуляции в ЦРРС
2-4. Основные принципы модуляции и демодуляции в ЦРРС |
В процессе изучения материалов данной главы необходимо проделать комплекс виртуальных лабораторных работ. |
Модуляция в современных системах цифровой связи - важнейшая операция, которая во многом определяет эффективность функционирования оборудования. Разработано множество различных видов модуляции от самых простых до очень сложных [8]. Чтобы разобраться с вопросами модуляции вспомним самые простые положения. Модуляция - управление сигналом параметрами несущего колебания. В качестве несущего колебания в современных системах связи используется синусоидальные колебания генератора промежуточной частоты модулятора, которые в разном оборудовании могут быть от 70 до 1000 МГц. В соответствии с тем, что синусоидальное колебание характеризуется тремя параметрами - амплитудой, частотой и фазой, управляя ими можно получить, соответственно, амплитудную, частотную и фазовую модуляции, как показано на рис. 2-4-1.
Рис. 2-4-1
При амплитудной модуляции или манипуляции (АМ) генератор несущего колебания вырабатывает сигнал во время прохождения единичных символов (рис. 2-4-1 осц. 2) передаваемого сообщения (рис. 2-4-1 осц. 1). Во время прохождения нулевого символа генератор несущего колебания отключается. Векторная диаграмма, соответствующая этому виду модуляции показана в правой части рис. 2-4-1 осц.2. Чем больше расстояние Δ, тем выше помехоустойчивость двоичной модуляции.
На рис. 2-4-1 осц.3 показан другой вид модуляции - частотная модуляция (ЧМ). Здесь при передаче нулевых и единичных символов генератор несущего колебания вырабатывает разные частоты.
И еще один вид элементарной модуляции (ФМ - фазовая модуляция) представлен на рис. 2-4-1 осц.4, при которой единичные и нулевые символы передаются колебаниями несущего генератора с разными фазами, отличающимися на 180 градусов.
В современных системах цифровой связи амплитудная модуляция в чистом виде не применяется из-за низкой помехоустойчивости. Простое сравнение векторных диаграмм при амплитудной и фазовой модуляциях показывает, что расстояние Δ в два раза больше для ФМ при одинаковой амплитуде несущего колебания.
Частотная модуляция и ее модификации находят ограниченное применение (используется в некоторых типах цифрового оборудования, к примеру, в аппаратуре Mini-Link C). Однако показатели подобной аппаратуры получаются несколько ниже, чем при использовании структур, сформированных на основе фазовой модуляции. Поэтому, большинство производителей аппаратуры предпочитают применять различные разновидности фазовой (или фазочастотной) модуляции, которых к настоящему времени разработано очень много. С их некоторыми представителями нам необходимо познакомиться достаточно подробно при выполнении виртуальных лабораторных работ.
Из комплекса требований, которые предъявляются к модуляторам можно выделить три основных:
Обеспечить стабильную центральную частоту модулятора возможно стандартными способами, которые включают в себя термокомпенсацию генератора промежуточной частоты, кварцевую стабилизацию, фазовую автоподстройку частоты (ФАПЧ) и пр. Все эти функции обеспечивают, как правило, синтезаторы частоты.
Сложнее обстоит дело с обеспечением стабильности фазовых сдвигов, которые в некоторых типах модуляторов составляют всего несколько градусов. В традиционных схемах применяется термостабилизация параметров, но, в последние годы, в результате разработки высокоскоростных цифровых сигнальных процессоров появляется возможность формировать модулированные сигналы программным методом, в которых фазовые сдвиги задаются при помощи алгоритма.
Теперь рассмотрим вопрос о спектральной эффективности модуляции. Все модуляции, показанные на рис. 2-4-1 относятся к так называемым двухпозиционным видам. Означает это то, что при двоичных сигналах на входе, выходной сигнал может иметь два состояния, соответствующие передаче единиц и нулей. Следовательно, скорость изменения состояний выходного сигнала равна скорости следования входных символов. Теоретическая полоса частот канала связи, предназначенного для передачи такого модулированного сигнала должна соответствовать полосе Найквиста, как рассматривалось в разделе 2.2. Практическая же полоса должна быть на 20 - 30 процентов больше. Поэтому, в максимально допустимой полосе частот, которая может быть отведена на ствол радиорелейной системы связи, составляющей примерно 40 МГц (согласно регламентированным частотным планам) можно передать цифровой поток со скоростью на более 34 Мбит/с при двухпозиционной модуляции. Для того, чтобы обойти это обстоятельство, применяются так называемые многопозиционные виды модуляции. В этом случае состояние выходного сигнала модулятора меняется при поступлении на его вход 2, 4, 6 и более символов.
К примеру, рассмотрим работу подобного модулятора по парам символов. Из двух двоичных символов можно составить четыре различные комбинации - 00, 01, 10, 11. В случае использования фазовой модуляции каждой из четырех комбинаций символов будет соответствовать четыре положения вектора выходного сигнала - 45, 135, 225 и 315 градусов и состояние выходного сигнала будет меняться при прохождении двух символов входного. Следовательно, если на входе такого модулятора битовая скорость работы B, то на выходе его скорость становиться B/2 и такой модулятор имеет в два раза большую спектральную эффективность по сравнению с двухпозиционным.. Название модулятора - четырехпозиционный фазовый модулятор (4ФМ) или квадратурный фазовый модулятор (QPSK).
Если четырем цифровым комбинациям входного сигнала соответствует четыре частоты выходного сигнала (f1, f2, f3 и f4), то такой модулятор называется четырехпозиционный частотный модулятор (4ЧМ или 4FSK).
Используя подобный подход можно строить модуляторы на 16, 64 или 256 позиций. Соответственно, шестнадцатипозиционный модулятор имеет 16 состояний выходного сигнала в зависимости от комбинаций из четырех символов на входе и имеет в четыре раза большую спектральную эффективность по сравнению с двухпозиционной модуляцией, 64-х позиционный модулятор - в шесть раз эффективнее, а 256- позиционный - в 8 раз. Существуют и так называемые кросс-модуляторы на 32 или 128 позиций.
Фазовые диаграммы многопозиционных видов модуляции часто принято изображать в виде "созвездий"- точек , показывающих возможные положение вектора выходного модулированного сигнала. На рис. 2-4-2 представлены созвездия некоторых видов модуляции.
Рис. 2-4-2
Основные параметры многопозиционных видов модуляции (рис. 2-4-3) показывают, что при увеличении числа состояний спектральная эффективность увеличивается.
Рис. 2-4-3
Основные параметры некоторых видов модуляции приведены в следующей таблице.
Увеличение спектральной эффективности в многоуровневой модуляции неизбежно снижает помехоустойчивость в следствии сближения точек в созвездиях и уменьшения фазовых сдвигов. Для повышения помехоустойчивости применяется дополнительное кодирование при модуляции. Общий принцип формирования кодированной модуляции представлен на примере модуляции 16QAM (рис. 2-4-4).
Рис. 2-4-4
Разобьем множество из 16 точек созвездия на два подмножества по 8 точек. Одному подмножеству присвоим символ 1, а другому - 0. Затем каждое подмножество точек, разобьем еще на два подмножества, присвоив каждому соответствующие символы 0 и 1. Проделываем такую операцию до тех пор, пока в подмножествах останется по одной точке. Теперь каждая точка закодирована четырехразрядным числом в соответствии с присвоенными подмножествам символами, причем младший разряд (на рисунке выделен красным цветом) соответствует первому разделению на подмножества. Разряды кодированного числа неравноценны по значимости. Наиболее важным представляется младший разряд, определяющий полуплоскость (выделенную желтым или серым цветом на рис. 2-4-4) в которой располагаются подмножества. Поэтому младший разряд, а иногда и следующий, подвергаются помехоустойчивому кодированию. Для кодирования применяются сверточные, блоковые и решетчатые коды. Сверочные коды используются в виде модуляции, обозначенной аббревиатурой MLCM. К примеру из модуляции 64QAM формируется модуляция 64MLCM. Подобные виды модуляции часто применяет японская фирма NEC. При использовании боковых или решетчатых кодов применяется искусственное увеличение количества точек созвездия. Так из модуляции 16QAM получается модуляция 32BCM (блоковая кодированная модуляция), из модуляции 64QAM - 128 TCM (решетчатая кодированная модуляция или треллис-модуляция). Выигрыш в отношении сигнал-шум при применении кодированной модуляции составляет примерно 3-3.5 дБ для разных условий (таблица).
Взаимосвязь пропускной способности и помехоустойчивости многоуровневой модуляции иллюстрирует рис. 2-4-5 (желтым цветом обозначена прибавка помехоустойчивости при применении кодирования).
Рис. 2-4-5
В последние годы начинает применяться режим адаптивной модуляции. В этом случае вид модуляции и, соответственно, пропускная способность выбирается в оборудовании автоматически в зависимости от условий распространения радиосигнала на трассах системы связи. При хорошем прохождении сигнала выбирается режим модуляции высокого порядка, а при ухудшении условий - система переходит на виды модуляции с большей помехоустойчивостью. Для работы в таких режимах цифровые потоки разделяются по приоритетам на более и менее важные. Потоки с наивысшим приоритетом передаются по каналам связи практически при любых погодных условиях с высоким качеством. Сигналы с пониженным приоритетом передаются по каналу с менее высоким качеством. Другими словами, при применении режима адаптивной модуляции, в одной системе связи формируется несколько структур с разными качественными показателями (рис. 2-4-6)..
Рис. 2-4-6
Технически подобная задача решается следующим образом. На рис. 2-4-7 представлена обобщенная схема многоуровнего модулятора. Основной элемент - векторный модулятор, представляющий собой два фазовых модулятора, работающих в квадратуре с несущими частотами, сдвинутыми по фазе на 90 градусов. Вид модуляции определяется сигналами, поступающими по синфазному (I) и квадратурному (Q) каналам. Если по каналам подаются четырехуровневые сигналы, то получается модуляция 16QAM, шестиуровневые сигналы - 64QAM и т.д. В современном оборудовании сигналы I и Q могут быть сформированы по программе при помощи цифровых сигнальных процессоров. Набор программ и определит набор возможных видов модуляции, получающихся с одного устройства.
Рис. 2-4-7
Важное значение для минимизации ширины спектра модулированного сигнала оказывают предмодуляционные фильтры, которые должны стоять в каналах I и Q. Как рассматривалось в главе 2-2, идеальная форма единичного символа должна быть приближена к форме приподнятого косинуса. Но получить такие импульсы можно только при наличие идеального фильтра низких частот, который пропускает все составляющие до частоты среза и не пропускает ничего выше частоты среза. Однако, такой фильтр невозможен. В действительности. фильтр будет иметь скат характеристики с большей или меньшей крутизной (рис. 2-4-8). При этом у отфильтрованного импульса будет последействие в виде затухающего колебательного процесса, который накладывается на следующий символ, приводя к межсимвольным искажениям и, соответственно, к увеличению коэффициента ошибок. Для минимизации межсимвольного влияния применяется кососимметричная фильтрация, где частота среза располагается точно посередине ската характеристики фильтра. В этом случае в момент начала появления следующего символа отклик от предыдущего будет равно 0. Форма символа определяется наклоном характеристики ската фильтра и в параметрах оборудования указывается как коэффициент скругления (roll-off). Обычно величина коэффициента скругления в современной радиорелейной аппаратуре находится в пределах 0.3 - 0.45.
Рис. 2-4-8
В ряде типов аппаратуры фильтр представляет собой пассивную многозвенную структуру, с использованием резисторов, конденсаторов и индуктивностей. В таком оборудовании через несколько лет эксплуатации часто увеличивается ширина излучаемого спектра и возрастает коэффициент ошибок. Причиной может являться старение элементов фильтра, приводящее к искажению характеристики, изменению коэффициента скругления и появлению межсимвольных искажений. Эти проблемы отсутствуют, если применять цифровую предмодуляционную фильтрацию. В действительности это формирование требуемой формы символов программными методами. В основе лежит постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) в котором записана информация о требуемых n точках фронта символов (рис. 2-4-10). Считывая информацию из ПЗУ, можно сформировать передний и задний фронты символов. Для этого в схеме предусмотрен логический анализатор ситуаций, который определяет состояние цифрового потока и управляет системой считывания данных ПЗУ. Рассмотрим, к примеру, логическую ситуацию № 2 - 010. В этой ситуации необходимо сформировать единичный символ. Анализатор ситуаций запускает счетчик на прямой счет с частотой n*fт. Счетчик последовательно перебирает адреса ПЗУ, которое выдает данные на цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП), на выходе которого будет сформирован передний фронт символа. Затем счетчик запускается на обратный счет и с ПЗУ снимаются данные о заднем фронте символа. Для других ситуаций применяются соответствующие алгоритмы работы.
Рис. 2-4-10
Применение цифровой фильтрации, помимо помимо стабильности характеристик оборудования во времени значительно улучшают качественные показатели. Если сравнить огибающие спектров модулированных сигналов при разных типах предмодуляционных фильтров (рис. 2-4-11), то при практически неразличимых отличиях в полосе пропускания коэффициенты ошибок для цифровых фильтров лучше в 5 - 8 раз.
Рис. 2-4-11
Помимо многопозиционных видов модуляции, которые стали классическими для современного оборудования радиорелейных систем все чаще начинает применяться модуляция OFDM (ортогональная модуляция с частотным разделением). . Концепция данного метода модуляции, в основном, базируется на известном с середины 1950-х гг. методе модуляции со многими поднесущими (Multicarrier modulation — МСМ), однако учитывает новейшие достижения последних десятилетий в области цифровых методов передачи информации, высокоскоростной элементной базы и высокоэффективных методов модуляции, обеспечивающих стабильные качественные характеристики систем связи при наличии помех, доплеровских смещений частот, замираний сигналов и т. д. Интерес к этому виду модуляции, в основном, был связан с разработкой систем цифрового эфирного телевидения. В этих системах требуется организовывать цифровые каналы с очень высокими качественными показателями при работе в сложных и непредсказуемых условиях. В мире разработаны две альтернативные системы для решения подобных задач - американская система 8VSB и европейская система COFDM. Каждая система имеет свои положительные и отрицательные стороны, на большинство стран в мире приняло систему COFDM (кодированную ортогональную модуляцию с частотным разделением) потому, что эта система лучше работает в условиях наличия отраженных сигналов и при приеме информации в движении. Общие принципы модуляции OFDM были рассмотрены в процессе выполнения лабораторных работ.
