Глава 17. Методы модуляции и многостанционного доступа

17.1. Модуляция и демодуляция сигнала

Модулятор является последним элементом передающего тракта и, строго говоря, не выполняет никаких операций собственно цифровой обработки сигналов. Его задача состоит в переносе информации цифрового сигнала с выхода кодера канала на несущую частоту, т.е. в модуляции сверхвысокочастотной (СВЧ) несущей низкочастотным (НЧ) цифровым видеосигналом. Модулированный СВЧ сигнал с выхода модулятора через антенный коммутатор поступает на антенну и излучается в эфир, чтобы быть затем принятым антенной станции-получателя информации. Соответственно демодулятор - первый элемент приемного тракта, и его задача заключается в выделении из принятого модулированного радиосигнала информационного видеосигнала, который подвергается цифровой обработке в последующей части приемного тракта [4, 18].

Как известно, существуют три основных вида модуляции: это амплитудная модуляция - AM (английский термин Amplitude Modulation -AM), частотная модуляция - ЧМ (Frequency Modulation - FM) и фазовая модуляция - ФМ (Phase Modulation - РМ). Между тем в цифровых системах радиодоступа фигурируют такие названия, как квадратурная фазовая манипуляция (Quadrature Phase Shift Keying - QPSK), минимальная манипуляция (Minimum Shift Keying - MSK) и т.п. Ha самом деле это не что иное, как разновидности фазовой, или частотной модуляции, предназначенные для передачи дискретных (цифровых) сигналов, и английский термин shift keying, переводимый обычно как манипуляция, в буквальном переводе означает переключение сдвигом или перекпючение скачком, т.е. дискретное переключение.

В применении к цифровым системам радиодоступа в качестве обязательных требований для используемых методов модуляции обычно указывают высокую спектральную эффективность, низкий уровень помех по смежным частотным каналам, низкий коэффициент ошибок (Bit Error Rate - BER), экономичность (эффективность использования энергии источника питания, что особенно актуально для абонентской станции), простоту реализации.

Большое распространение в аппаратуре радиодоступа получили дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом

Генератор

несущей

частоты

cos (27t/ot) .

Фазовращатель

на 7t/2

sin (27t/ot)

Рис. 17.1. Структурная схема 7t/4 DQPSK модулятора

71/4 (я/4 Differential Quadrature Phase Shift Keying - я/4 DQPSK) и минимальная манипуляция (Minimum Shift Keying - MSK).

Модуляция я/4 DQPSK. Функциональная схема модулятора приведена на рис. 17.1. Вид сигналов в различных точках схемы показан на рис. 17.2. Формирование сигнала происходит в несколько этапов.

На первом этапе поступающие на вход модулятора биты цифрового сигнала объединяются попарно в так называемые дибиты. На рис. 17.2 границы дибитов отмечены пунктирными линиями. Каждому /-му дибиту в дешифраторе ставится в соответствие приращение фазового угла Дф,. Такая процедура снижает скорость цифрового потока в 2 раза, так как два информационных бита кодируются одним значением фазового угла. Зависимость между дибитом и приращением фазового угла приведена в табл. 17.1.

Затем в накапливающем сумматоре, состоящем из линии задержки на длительность дибита и сумматора, происходит суммирование изменений фазы, в результате чего формируется фаза сигнала ф,.

Таблица 17.1. Приращения фазового угла в модуляторе

27 47 бГ 87

Рис, 17,2, Форма сигнала в различных точках модулятора

На следующем этапе, в соответствии со структурной схемой, в функциональных преобразователях вычисляются квадратурные компоненты комплексной огибающей сигнала:

/S, = cos (ф,) - синфазная компонента;

Qsj = sin (ф,) - квадратурная компонента.

Сформированный сигнал в точках а и Ь структурной схемы имеет вид последовательности дельта-функций с ограниченным набором нормированных значений амплитуды: О, +l/v, ±1, Импульсный сигнал поступает на формирующие фильтры низкой частоты (ФНЧ), Эти фильтры предназначены для формирования спектра радиосигнала и определенной формы его комплексной огибающей. Данные фильтры являются важнейшими элементами модулятора и демодулятора. Их характеристики отвечают определенным требованиям, которые будут

рассмотрены ниже, здесь отметим лишь, что на их выходе квадратурные компоненты приобретают сглаженный вид, соответствующий импульсным характеристикам фильтров. Сглаженные квадратурные компоненты представим в следующем виде:

/5,(0 = Ac(Ocos(9,); Qs,it) = A,{t)sm{)i),

(17,1)

где Ac(t), As(t) - амплитуды компонент.

На рис. 17.2 с, d показана приблизительная форма квадратурных компонент без учета задержки сигнала в ФНЧ. Однако принципиальным является то, что квадратурные компоненты плавно меняются на интервале дибита.

Генератор и фазовращатель формируют квадратурные колебания несущей или промежуточной частоты fo. После попарного перемножения квадратурных компонент и суммирования, получим л/4 DQPSK сигнал. 1\/1атематически эти операции можно представить следующим образом:

S(f) = Ac(f)cos9,(f)cos(2nfoO + As(f)sin9,(f)sin(2KfoO =

= Л(0cos[(2яfo0-Ф;(f)]. где A{t) - огибающая сигнала; ф, (О = arctg

(17.2;

Acit)

- фаза

сигнала.

Сформированный сигнал, при необходимости, переносится на несущую частоту, усиливается и излучается в эфир.

Следует отметить еще одну важную особенность я/4 DQPSK модуляции. Из приведенных пояснений следует, что обработка каждого дибита связана с плавным изменением фазы сигнала. А как известно, скорость изменения фазы можно рассматривать как частотную модуляцию. При я/4 DQPSK модуляции возможны две скорости изменения фазы: большая - при обработке дибитов, требующих изменения фазы на ±Зя/4, и меньшая - при изменении фазы на ±я/4. Значения девиации можно найти из выражения

(17,3)

где Г- длительность дибита.

Подставив известные значения: 7= 1/32 кГц, Лф1 = Зя/4, Лфг = я/4, получим Д/i = 12 кГц, Д/г = 4 кГц. Отсюда следует, что при передаче цифрового сигнала с тактовой частотой 32 кГц излучаются частоты на ±12 кГц и +4 кГц выше и ниже несущей частоты. Таким образом, л/4 DQPSK модуляцию можно рассматривать как разновидность четырехуровневой частотной модуляции.

Рис. 17.3. Структурная схема л14 DQPSK демодуляртора

Из приведенного описания основных этапов формирования сигнала видно, что реализация модулятора может быть выполнена при широком использовании цифровых элементов. Например, учитывая периодичность тригонометрических функций и ограниченный набор значений фазовых углов, приведенная схема от входа до точек а и Ь может быть реализована с помощью известных схем дешифраторов, т.е. без математических вычислений.

Демодуляция я/4 DQPSK сигнала. Как отмечалось выше, прием я/4 DQPSK сигнала может осуществляться на демодуляторы различных типов. Наличие в сигнале четырехуровневой частотной модуляции позволяет принимать сигнал на обычный частотный детектор, однако при этом простота реализации детектора обменивается на ухудшение помехоустойчивости приема. Прием на когерентные демодуляторы, обладающие высокими характеристиками по помехоустойчивости, резко усложняет приемник

Для пояснения принципов демодуляции я/4 DQPSK сигнала рассмотрим квадратурный демодулятор с синхронизацией по частоте. Его структурная схема показана на рис. 17.3.

На вход демодулятора поступает сигнал (17.2). Цепь, состоящая из генератора опорной частоты с автоподстройкой (АПЧ) и фазовращателя, формирует квадратурные опорные колебания, синхронизированные с несущей частотой сигнала. В точках а и Ь сигнал разделяется на квадратурные компоненты

Se,{t) = Acit)COs[i?kit) + \V Sbit) = A,it)sinUi,(t)+xv

(17.4)

где ф/(0 - фаза сигнала при передаче /с-го дибита; \]) - случайная начальная фаза опорного колебания.

Далее квадратурные компоненты фильтруются ФНЧ, параметры которых идентичны параметрам формирующих фильтров в модуляторе. Благодаря специально подобранной АЧХ ФНЧ значения амплитуды сигнала в квадратурных каналах можно считать постоянными, поэтому при дальнейшем анализе примем Adt) = As{t) = 1.

В дифференциальном декодере осуществляется компенсация начальной фазы Ц1 и восстановление относительности приращений фазы на интервале принимаемых дибитов. Математически эти операции представляются следующим образом:

51(0 = соз[фЛ) + Ч/

+ sin = cos

ф:(f)-фk-1(f-T)]=C0SAфk(f),

S2(f) = s\n[k (f )-H\/]C0S фк (f )-i-vjy]sin

-COS

= sin

фк 1 (f-r

(17.5)

фЛ)-ф((-1(-Т)]=51пДфк(0.

Таким образом, в точках end формируются сигналы с относительными уровнями О, +1/72, ±1. Их соотношение в квадратурных каналах однозначно определяет принятый дибит. Необходимая перекодировка осуществляется в дешифраторе.

Приведенное описание процедуры демодуляции л/4 DQPSK показывает, что этот процесс более сложный, чем формирование сигнала. В отличие от модулятора, в демодуляторе сигнал представлен в непрерывном виде, и для его обработки необходимо использовать аналитические операции, которые могут быть реализованы в аналоговом виде или с помощью цифровых сигнальных процессоров.

Следует отметить, что при описании процесса демодуляции не рассматривались вопросы синхронизации несущей и опорной частот, а также тактовой синхронизации потока дибитов.

Фильтрация сигнала в модуляторе и демодуляторе. Как отмечалось ранее, фильтры играют важную роль в формировании и приеме я/4-DQPSK сигнала. Критерии выбора параметров этих фильтров отличаются от принятых в аналоговых системах. ФНЧ предназначены для формирования максимально узкого спектра в модуляторе и выделения сигнала на фоне шума в демодуляторе.

Известно, что при сужении полосы пропускания ФНЧ менее 1/Го (где То - длительность дибита) в выходном сигнале возникают меж-