Дифференциальная (относительная) фазовая модуляция

Доклад по дисциплине СЦЗВ на Тему:

Дифференциальная (Относительная) фазовая модуляция Относительная фазовая модуляция.

Относительная фазовая (или фазоразностная) модуляция (ОФМ или ФРМ) является практическим методом реализации приема сигналов с фазовой модуляцией. Перекодировка модулирующего сигнала данных из абсолютного в относительный код позволяет учитывать при декодировании не абсолютные значения фазы сигнала, а ее относительные сдвиги, что устраняет неопределенность решения о значении символа.

Благодаря своей простоте и эффективности ОФМ получила широкое распространение в цифровых системах передачи. Этому способствовали такие ее свойства, как в 4 раза более высокая скорость, по сравнению с ЧМ при равной помехоустойчивости в канале с АБГШ, а при равной скорости передачи информации вдвое большая помехоустойчивость, чем у ЧМ и в четверо большая, чем у АМ.

Относительная фазовая модуляция является двоичной или двухпозиционной модуляцией, в которой используются два значения фазового сдвига, отличающиеся на 180 градусов. Модуляция 2-ОФМ тождественная балансной 2-АМ и имеет тоже самое сигнальное созвездие, с которым совпадает и диаграмма состояний. В современных цифровых системах передачи применяют сигналы многопозиционной М-ОФМ, т. е. модуляции с повышенной кратностью К (М=2 в степени К) по отношению к ОФМ, кратность которой принята за единицу. Обычно используют наборы символов 4-, 8-, 16 — ОФМ созвездия которых показаны на рис 3.4б. Но 8- и 16-ОФМ проигрывают 2-ОФМ и 4-ОФМ по энергетической эффективности, требуя значительно более высокой мощности передатчика для достижения тех же характеристик.

В цифровом телевидении для передачи по спутниковым трактам и в наземном вещании при тяжелых условиях приёма используется двукратная или четырехфазовая модуляция 4-ОФМ, обеспечивающая наилучший компромисс по соотношению мощность-полоса. Другое название этого вида модуляции, связанное с методом получения модулированного колебания , — квадратурная относительная фазовая модуляция (КОФМ). В англоязычной литературе КОФМ называется QPSK (Quadrature или Quaternary Phase Shift Keying).

Модуляция QPSK предоставляет необходимый компромисс между скоростью передачи и помехоустойчивостью и применяется как самостоятельно, так и в комбинациях с другими методами Диаграммы состояний модуляции QPSK и офсетной дифференциальной QPSK (SD-QPSK) показаны ниже

При реализации дифференциального кодирования в сочетании со сдвигом несущей на ?4, сигнальное созвездие формируется двумя четырехточечными созвездиями QPSK, наложенными со сдвигом 45 градусов. В результате в сигнале присутствуют 8 фазовых сдвигов, причем фазы символов выбираются поочередно, то из созвездия QPSK, то из другого. Последовательные символы имеют относительно фазовые сдвиги, соответствующие одному из четырех углов ±?/4 и ± 3?/4.

п/4-квадратурная относительная фазовая модуляция.

При квадратурной QPSK и QPSK со смещением максимальное изменение мгновенной фазы радиосигнала равно 180° и 90° соответственно. В настоящее время достаточно широко используется л/4-квадратурная относительная фазовая модуляция, при которой максимальный скачок фазы равен 135°, а все возможные значения мгновенной фазы радиосигнала кратны значению л/4. Ни одна траектория фазовых переходов для этого способа модуляции не проходит через начало координат. В результате огибающая радиосигнала имеет меньшие провалы по сравнению с квадратурной фазовой модуляцией. Последовательность информационных битов {аj, j = 1,2…} разбивается на две под последовательности: нечетных и четных битов, из которых биты выбираются парами. Каждая новая пара таких битов определяет приращение фазы несущего колебания на величину, в соответствии с таблицей ниже:

На рис. 3.14,а изображено созвездие возможных сигнальных точек для интервала с номером i, если; аналогичное созвездие для случая, когда, представлено на рис. 3.14,6. Общее созвездие сигнальных точек для данного способа модуляции изображено на рис. 3.14,6 и получается путем наложения рис. 3.14,а и рис. 3.14,6 друг на друга. На рис. 3.14,в не указаны стрелками направления переходов, поскольку для каждого перехода возможны направления в обе стороны.

Передача и прием сигналов с ОФМ Система передачи данных с ФМ сигналами, как и другие системы с противоположными сигналами обеспечивает максимальную для двоичной системы потенциальную помехоустойчивость. Однако реализация демодулятора для когерентного приема ФМ сигналов связана с определенными трудностями и, прежде всего, с получением когерентного колебания с частотой, совпадающей с несущей частотой сигнала. В качестве такого напряжения можно использовать:

1) напряжение высокостабильного генератора;

2) пилот-сигнал, передаваемый по специальному каналу от передатчика;

3) напряжение, выделяемое из рабочего сигнала.

В практических схемах опорный сигнал S1(t) (рис.3) формируется из принимаемого колебания, поскольку при выборе даже высокостабильного генератора его частота будет отличаться от несущей частоты, что приведет к накапливанию расхождения фаз. В худшем случае сдвиг фаз становится равным числу p, и все элементы принимаются «наоборот» или возникает явление «обратной работы». Недостатком передачи пилот-сигнала является расширение полосы частот, занимаемой каналом, и система ФМ в значительной степени теряет свои преимущества. Наиболее простой метод получения опорного колебания (ОК) из принимаемого колебания был предложен А. А. Пистолькорсом. Структурная схема устройства формирования опорного колебания показана на рис. 4.

На вход устройства подается фазоманипулированный сигнал с выхода линейного фильтра приемного устройства. С помощью устройства вычисления модуля сигнала Uвх (t) и узкополосного фильтра, настроенного на частоту 2¦0, выделяется немодулированное по фазе колебание удвоенной частоты. Это колебание подается на делитель частоты на два, и затем с помощью узкополосного фильтра производится выделение опорного колебания частоты ¦0, синфазного с одним из сигналов S1(t) или S2(t). В рассмотренном устройстве формирования опорного колебания воздействие различного рода помехприведет к случайным перескокам его фазы, т. е. к явлению «обратной работы».

Это явление свойственно для любых схем формирования опорного колебания из принимаемого ФМ-сигнала, вследствие чего практическое использование системы с ФМ сигналами невозможно. Явление обратной работы принципиально исключено в модемах с относительной фазовой модуляцией, предложенной Н. Т. Петровичем. В этих системах информация содержится не в абсолютном значении фазы сигнала, а в разности фаз двух соседних сигналов (символу «1» соответствует положительное модулирующее напряжение, а символу «0» — отрицательное или нулевое напряжение).

Символ «1» преобразуется в сигнал с начальной фазой, отличающейся на p от начальной фазы предшествующего сигнала, а символ «0» передается с той же начальной фазой, что и предшествующий сигнал (рис. 5)

модуляция кодирование фазоразностный Практически в качестве фазового модулятора при ОФМ используются такие же устройства, как и при абсолютной ФМ. Тогда сигнал с ОФМ можно рассматривать как сигнал с ФМ, полученный после специальной перекодировки символов сообщения {Аi}. Правило перекодировки можно записать в следующем виде:

Хi = AI A Xi — 1,

где Аiсимвол исходной последовательности {Аi},

Xiсимвол перекодированной последовательности {Xi),

A — логическая операция «исключающее или» или «схема неравнозначности» .

При практической реализации модемов с ОФМ используют два метода приема сигналов:

— когерентный или метод сравнения полярностей,

— некогерентный или метод сравнения фаз. 3) Заключение.

Фазовая модуляция в чистом виде не нашла практического применения из-за так называемой «обратной работы», когда при ошибке в приеме одного бита последующие за ним будут приняты инверсно. Практически применяется относительная фазовая модуляция (ОФМ), при которой информация представляется не абсолютным значением фазы, а разностью фаз несущей на двух соседних интервалах. Применяются не только двухуровневая, но и многоуровневая. Сигнал всех типов ФМ может быть получен с помощью балансной схемы (КАМ-модулятора), причем обеспечение ОФМ достигается соответствующим изменением битового потока в кодере.

Радио:

Несмотря на кажущуюся простоту метода фазовой модуляции ему присущи некоторые недостатки, связанные с трудностями технической реализации.

Один из недостатков связан с тем, что в случае квадратурной фазовой модуляции при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с +1, -1 на -1, +1 или с +1, +1 на -1, -1) в сигнале QPSK происходит скачок фазы на 180°. Такие скачки фазы, имеющие место и при обыкновенной двухфазной модуляции, вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала. В результате этого при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возникают провалы огибающей до нуля. Такие изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению энергии боковых полос и помех в канале связи.

Для того чтобы избежать этого нежелательного явления, прибегают к так называемой квадратурной фазовой модуляции со сдвигом (Offset QPSK, OQPSK). При таком типе модуляции формирование сигнала в квадратурной схеме происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты в Q-канале имеют временную задержку на длительность одного элемента Т. Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется лишь одним элементом последовательности, а не двумя. В результате скачки фазы на 180° отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы на 0, 90 или 270° (-90°).

Другим, более серьезным недостатком фазовой модуляции является то обстоятельство, что при декодировании сигнала приемник должен определять абсолютное значение фазы сигнала, так как в фазовой модуляции информация кодируется именно абсолютным значением фазы сигнала. Для этого необходимо, чтобы приемник имел информацию об «эталонном» синфазном сигнале передатчика. Тогда путем сравнения принимаемого сигнала с эталонным можно определять абсолютный сдвиг фазы. Следовательно, необходимо каким-то способом синхронизировать сигнал передатчика с эталонным сигналом приемника (по этой причине фазовая модуляция получила название синхронной). Реализация синхронной передачи достаточно сложна, поэтому более широкое распространение получила разновидность фазовой модуляции, называемая относительной фазовой модуляцией (Differential Phase Shift Keying, DPSK). При относительной фазовой модуляции (также называемой относительной фазовой манипуляцией) кодирование информации происходит за счет сдвига фазы по отношению к предыдущему состоянию сигнала. Фактически приемник должен улавливать не абсолютное значение фазы принимаемого сигнала, а лишь изменение этой фазы. То есть информация кодируется изменением фазы. Естественно, такая модуляция уже не является синхронной и проще реализуется.

1) Макеева, Шинаков — Система связи с подвижными объектами

2) Зубарев Ю. Б. Кривошеев М.И. Красносельский И. М. Цифровое телевизионное вещание. Основы, Методы, Системы.

3) Сайт: http://systemseti.com/CCPO/37.html