Материал: 637_Nosov_V.I._Seti_radiodostupa_CH.2_
Из (1.10) и (3.4) следует, что максимальная спектральная эффективность BPSK достигается при = 0 и составляет γ = 1.
G( f )
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
|
|
f |
|
f |
|
|
|
|
|
f |
|
|
f |
f |
||
0 |
0 |
|
|
0 |
0 |
|
|
|
0 |
|
|
|
|
|
|
f |
|
|
|
|
F |
F |
|
|
F |
F |
|
T |
T |
|
|
T |
T |
|
|
2 / |
|
|
2 / |
|
|
Рис. 3.3 Спектральная плотность мощности сигнала BPSK
Мы рассмотрели модулятор BPSK, все характеристики его элементов и преобразований сигналов. Теперь рассмотрим работу когерентного демодулятора двухпозиционной фазовой модуляции рис. 3.4.
|
|
|
|
ФД |
|
Цифровой |
|
|
|
|
|
сигнал |
|
2-ОФМ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Диф. |
|
|
|
|
|
ФНЧ |
РУ |
|
|
|
|
|
декодер |
||
|
|
|
|
|
|
|
2 |
ПФ |
2 |
|
UОП |
FT |
FT |
|
|
|
|
|
ВТЧ |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
УФОС |
|
|
|
|
|
Рис. 3.4 Структурная схема когерентного демодулятора 2-ОФМ |
|
||||
С выхода приемника модулированный сигнал 2-ОФМ поступает на один из входов перемножителя фазового детектора ФД демодулятора. На второй вход этого перемножителя поступает опорный UОП сигнал, фазированный под
принимаемый модулированный сигнал.
Фазирование опорного сигнала под принимаемый сигнал производится в устройстве формирования опорного сигнала УФОС. Первым блоком УФОС
является устройство возведения в квадрат 2 , в котором устраняется фазовая
51
модуляция входного сигнала. Сигнал с модуляцией BPSK можно представить в виде
s(t) m(t)sin) ( 0t i (t) n(t), |
(3.5) |
где m(t) с равной вероятностью принимает значения 1 в зависимости от значения фазы (t) , n(t) – шум на входе демодулятора. Для отслеживания и
синхронизации фазы несущей опорным сигналом фазовую модуляцию входного сигнала необходимо устранить. Это можно сделать путем возведения сигнала в квадрат
s2 (t) m2 (t)sin2 t (t) n2 |
(t) 2n(t)m(t)sin t (t) |
|
0 |
0 |
|
|
|
(3.6) |
1 2 1 2cos 2 t 2 (t) n2 (t) 2n(t)m(t)sin t (t) . |
||
0 |
0 |
|
Поскольку входной сигнал имеет всего два состояния фазы 0 |
и 180 , то |
|
удвоение фазы сигнала дает на выходе удвоителя частоты фазы |
0 2 0 и |
|
180 2 360 0 , т.е. фазовая модуляция |
в выходном сигнале |
устройства |
возведения в квадрат отсутствует. |
|
|
После устройства возведения в квадрат сигнал с удвоенной частотой 2 f0
проходит через узкополосный фильтр, который отфильтровывает шумы, присутствовавшие во входном сигнале и помехи, появившиеся в умножителе частоты (3.6). Делитель частоты на два 2 восстанавливает исходное значение частоты f0 . Опорный сигнал с частотой f0 проходит через фазовращатель ,
который компенсирует разность фаз входного и опорного сигналов, накопившуюся при обработке сигналов в устройстве формирования опорного сигнала.
Сигнал 2-ОФМ в соответствии с выражениями (1.51) без учета действия шумов даст на выходе перемножителя фазового детектора ФД сигнал
s (t) U |
|
|
|
|
(t) |
|
2E |
|
cos( t 0 |
) cos( t) |
|||||||||
ОП |
|
|
|||||||||||||||||
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
0 |
0 |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
2E |
|
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||||
T |
2 |
cos0 |
|
cos 2 0t . |
|
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
s (t) U |
|
|
|
(t) |
|
2E |
|
cos( t ) cos( t) |
|||||||||||
ОП |
|
|
|||||||||||||||||
2 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
T |
0 |
0 |
||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
2E |
|
1 |
cos cos 2 t . |
||||||||||||||
|
T |
|
|
|
2 |
||||||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
|
|||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
(3.7)
(3.8)
52
Фильтр нижних частот ФНЧ фазового детектора отфильтровывает высокочастотный сигнал с частотой 2 0 и на его выходе будет низкочастотный
сигнал
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
u |
1 |
|
2E |
, |
u |
1 |
|
2E |
. |
(3.9) |
|
|
|
|
|||||||
1 |
2 |
|
T |
2 |
2 |
|
T |
|
||
|
|
|
|
|
||||||
Сигналы u1 и u2 , искаженные шумами, помехами и нестабильностью
фазы принимаемого сигнала, поступают на решающее устройство РУ регенератора. Выделитель тактовой частоты ВТЧ регенератора обеспечивает тактовую синхронизацию и момент принятия решения в РУ в середине тактового интервала принимаемого сигнала.
В дифференциальном декодере производится относительное (дифференциальное) декодирование регенерированного сигнала, после чего восстанавливается исходный цифровой сигнал.
Устройство формирования опорного сигнала может содержать петлю ФАПЧ с генератором управляемым напряжением (ГУН) рис. 3.5.
2-ОФМ |
2 |
|
ПФ |
ФНЧ |
ГУН
Uоп
2
Рис. 3.5 Устройство формирования опорного сигнала с генератором управляемым напряжением
Существенным недостатком устройств формирования опорных сигналов рис. 3.4, 3.5 является наличие в них устройств возведения в квадрат 2 ,
которые при наличии во входном сигнале шума в значительной мере ухудшают точность восстановления фазы опорного сигнала.
Другой разновидностью устройства формирования опорного сигнала является синфазно-квадратурная схема (Costas loop) представленная на рис. 3.6.
53
|
Демодулированный поток |
ФНЧ |
битов |
|
|
ФД синфазный |
|
2-ОФМ |
Uоп |
|
|
|
ГУН |
ФНЧ |
|
|
|
90
ФНЧ |
ФД квадратурный |
Рис. 3.6 Синфазно-квадратурная схема формирования опорного сигнала
Синфазно-квадратурная схема формирования опорного сигнала рис. 3.6 позволяет избежать применения устройства возведения в квадрат, реализация которого на несущих частотах может оказаться затруднительной. Вместо этого в контур устройства формирования опорного сигнала рис. 3.6 вводится умножитель и относительно простые фильтры нижних частот ФНЧ. Основной проблемой реализации синфазно-квадратурной схемы является то, что в синфазном и квадратурном фазовых детекторах фильтры нижних частот должны быть идеально согласованы.
Таким образом, решение о том, какое устройство формирования опорного сигнала использовать – с устройством возведения в квадрат рис. 3.4, 3.5 или синфазно-квадратурный рис. 3.6,– эквивалентно выбору между сложностью реализации устройства возведения в квадрат и сложностью реализации идеально согласованных фильтров.
Теперь остановимся на необходимости использования относительного (дифференциального) кодирования и декодирования сигнала основной полосы (цифрового сигнала) при использовании фазовой модуляции.
Особенностью всех детекторов сигналов, использующих фазовую модуляцию, является то, что из-за действия шумов и помех в канале связи опорный сигнал с равной вероятностью фазируется под одно из М состояний фазы входного М-ОФМ сигнала. В результате перехода фазирования опорного сигнала с одного из состояний в (М-1) состояние и наоборот происходит случайным образом скачок фазы опорного сигнала в одно из М состояний фаз принимаемого сигнала.
Для рассматриваемого случая двухпозиционной фазовой модуляции М = 2 и фаза опорного сигнала может принимать случайным образом два значения
54
UОП (t) cos( 0t) |
и UОП (t) cos( 0t ). |
(3.10) |
Определим, каким образом скачок фазы опорного сигнала на 180
градусов влияет на качество приема цифрового сигнала. На рис. 3.7 приведены временные диаграммы работы модулятора и демодулятора 2-ОФМ. Для удобства временные диаграммы модулированного сигнала представлены не отрезками гармонического сигнала с соответствующими фазами, а только значениями фаз этих сигналов.
Входные данные |
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
|
Цифровой сигнал |
t |
|
на входе |
||
Т |
||
модулятора |
||
|
2-ОФМ сигнал на выходе модулятора
Цифровой сигнал на выходе регенератора демодулятора при
UОП (t) cos( 0t)
Выходные данные
Цифровой сигнал на выходе
регенератора
демодулятора при
UОП (t) cos(0t )
0 |
180 |
180 |
0 |
180 |
0 |
0 |
t
t
1 |
0 |
0 |
1 |
0 |
1 |
1 |
t
Выходные данные |
0 |
1 |
1 |
0 |
1 |
0 |
0 |
Рис. 3.7 Временные диаграммы работы модулятора и демодулятора 2-ОФМ
Из рис. 3.7 следует, что при фазе опорного сигнала 0 выходные данные 1001011, а при скачке фазы опорного сигнала на 180 выходные данные получаются инверсными 0110100 (так называемая «обратная работа»). При этом вероятность ошибки достигает максимального значения pош 0,5 и
система с фазовой модуляцией становится не работоспособной.
Для того, чтобы устранить влияние скачков фазы опорного сигнала на вероятность ошибки в системах с фазовой модуляцией было предложено использовать относительное (дифференциальное) кодирование цифрового сигнала перед подачей его на фазовый модулятор. Если обозначить входной цифровой сигнал через m(k) , а выходную кодовую последовательность через
55