Материал: 637_Nosov_V.I._Seti_radiodostupa_CH.2_
основных параметров сигналов с многопозиционной квадратурной амплитудной модуляцией.
Для рассмотренных видов модуляции даны основные выражения и построены кривые зависимости вероятности ошибки от отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума.
Достаточно большой интерес с точки зрения повышения помехоустойчивости приема сигналов в сетях радиодоступа представляет совместное использование кодирования и модуляции. Рассмотрены вопросы определения параметров систем цифровой связи для каналов с ограниченной полосой и ограниченной мощностью при использовании кодирования, выбора кода и определения эффективности кодирования.
Особый интерес для каналов с ограниченной полосой представляет система кодирования и модуляции без расширения полосы частот, занимаемой модулированным и кодированным сигналом. Такой вид модуляции и кодирования получил название решетчатого кодирования. изложены основные принципы решетчатого кодирования для различных видов модуляции.
6
1.МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ
Свыхода кодера канала, рассмотренного в первой части учебного пособия, цифровой сигнал поступает на модулятор. В модуляторе импульсы цифрового сигнала преобразуются в требуемую форму и изменяют (модулируют) один из параметров гармонического сигнала (синусоиды), который называется несущей (carrier) и имеет более высокую частоту, чем модулирующий сигнал. Далее модулированный сигнал преобразуется в антенне
вэлектромагнитное поле и излучается в пространство. Использование модуляции высокочастотной несущей цифровым сигналом позволяет в значительной мере уменьшить геометрические размеры антенн, которые соизмеримы с длиной волны.
Итак, рассматриваемый вид модуляции предусматривает преобразование информационного (цифрового) сигнала в гармонический (синусоидальный) сигнал, в котором может изменяться амплитуда, частота, фаза или их комбинации
s(t) A(t)cos[ 0t (t)] |
(1.1) |
где A(t) – амплитуда, 0 – частота и (t) – фаза несущей частоты.
Всоответствии с (1.1) существует три основных метода модуляции:
амплитудная;
частотная;
фазовая.
Каждый из перечисленных методов модуляции имеет большое число различных вариантов, существуют и комбинации перечисленных методов модуляции, например, амплитудно-фазовая модуляция. Все рассматриваемые методы модуляции можно представить на выходе модулятора в виде высокочастотной несущей, модулированной по одному из параметров (амплитуде, частоте или фазе) цифровым сигналом с выхода кодера канала.
Для получения желаемых характеристик модулированного сигнала (малой ширины занимаемого спектра частот, заданного распределения спектральных составляющих в заданной полосе частот и т.п.), цифровому сигналу (импульсам) перед подачей его на модулятор с помощью специальных преобразований или фильтров придается определенная форма, они иногда перекодируются, преобразуются в многопозиционные сигналы и т.п.
В приемнике в результате детектирования, фильтрации и регенерации из принятого модулированного высокочастотного сигнала стремятся восстановить исходную информацию, т.е. цифровой сигнал.
Если для детектирования сигналов приемник использует информацию о фазе несущей, процесс называется когерентным детектированием; если подобная информация не используется, процесс именуется некогерентным детектированием.
7
Вообще, в цифровой связи термины демодуляция и детектирование часто используются как синонимы, хотя демодуляция делает акцент на восстановлении сигнала, а детектирование – на принятии решения относительно символьного значения принятого сигнала. При идеальном когерентном детектировании приемник содержит прототипы каждого из возможных значений принятого сигнала. Эти сигналы-прототипы дублируют алфавит переданных сигналов по всем параметрам, даже по фазе несущей частоты, т.е. приемник автоматически подстраивается под фазу входного сигнала. В процессе демодуляции приемник перемножает и интегрирует входной сигнал с каждым прототипом (определяет корреляцию).
Некогерентная демодуляция относится к системам, использующим демодуляторы, спроектированные для работы без знания абсолютной величины фазы входного сигнала; следовательно, определение фазы в этом случае не требуется. Таким образом, преимуществом некогерентных систем перед когерентными системами является простота, а недостатком – большая вероятность ошибки (Рb).
При использовании когерентного детектирования требуется гармонический опорный сигнал, синхронизированный по частоте и фазе с принимаемым модулированным сигналом. Такой опорный сигнал можно получить либо с помощью специально передаваемого вспомогательного сигнала, либо в результате соответствующей обработки принимаемого модулированного сигнала.
Для некогерентного детектирования синхронизация опорного сигнала под фазу принимаемого модулированного сигнала не требуется.
На выходе детектора устанавливается регенератор, имеющий в своем составе решающее устройство (РУ) и выделитель тактовой частоты (ВТЧ) из принимаемого сигнала.
1.1 Фильтрация модулирующего сигнала в модуляторе и демодуляторе
Чаще всего модулирующий цифровой сигнал формируется в коде NRZ, характеристики которого подробно описаны в первой части учебного пособия [23]. Временная диаграмма и нормированная спектральная плотность мощности G(F) цифрового сигнала в коде NRZ представлена на рис. 1.1, где тактовая частота следования модулирующих символов длительностью Т равна
F |
1 |
(1.2) |
T T
Обычно в модуляторе и демодуляторе устанавливаются фильтры нижних частот (ФНЧ), которые предназначены для формирования максимально узкого спектра в модуляторе и выделения сигнала на фоне шума в демодуляторе.
Известно, что при сужении полосы пропускания ФНЧ менее FT = 1/T (где T длительность модулирующего символа) в сигнале на выходе ФНЧ возникают межсимвольные искажения, которые вызываются наложением друг на друга
8
откликов фильтра на соседние символы.
u(t)
t
T
G(F) |
а) |
|
|
1 |
|
0.5
00 |
|
|
|
F, |
FT |
2·FT |
3·FT |
4·FT |
б)
Рис. 1.1 Временная диаграмма а и нормированная спектральная плотность мощности б цифрового сигнала
Таким образом, комплексная огибающая выходного сигнала фильтра на интервале действия k-го символа будет зависеть от вида последовательности из i предыдущих и последующих символов. Значение i зависит от соотношения полосы фильтра и скорости передачи.
Для минимизации межсимвольных искажений используются ФНЧ со специальными импульсными характеристиками, которые обеспечивают контролируемый уровень межсимвольных искажений. К таким фильтрам относятся фильтры Найквиста, импульсная характеристика которых рис. 1.3 пересекает нулевой уровень с периодом равным длительности символа, а амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рис. 1.2 имеет нечетную симметрию относительно частоты среза по уровню 0,5, при этом частота среза ФНЧ fср = FT/2 = l/2T.
Таким образом, при использовании фильтра Найквиста независимо от формы входной последовательности в моменты времени кратные длительности символов, сигнал отклика фильтра будет определяться только одним текущим символом. Варианты формы АЧХ фильтров Найквиста показаны на рис. 1.2. Представленные варианты АЧХ характеризуются дополнительным параметром α, который определяет крутизну АЧХ в переходной области и скорость затухания боковых всплесков импульсной характеристики фильтра. Параметр α получил название roll off factor или коэффициент скругления. Широко распространена
9
форма АЧХ фильтра Найквиста в виде приподнятого квадрата косинуса (1.3)
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
0 |
1 |
|
|
||||||
1, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
T |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
1 |
|
|
|
|
1 |
|
|
||||
K cos2 |
|
|
|
|
|
|
|
, при |
|
|
|
|
|
|
|
|
, |
|||
4 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||||||||
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(1.3) |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
1 |
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
при |
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
0, |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
||
K(w)
K1(w)
K2(w)
1 
0.8
0.6
0.4
0.2
0 |
0.2 |
0.4 |
0.6 |
0.8 |
1 |
w
2
Рис. 1.2 Амплитудно-частотная характеристика ФНЧ типа «приподнятый квадрат косинуса» для: = 0 K(w); = 1 K1(w); = 0,5 K2(w).
Форма отклика такого фильтра (1.3) на единичный импульс называется импульсной характеристикой h(t) (1.4)
h t |
sin t / T cos( t / T ) |
|
|
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
t T |
|
2 |
t |
2 |
/ T |
2 |
|
(1.4) |
|||
|
|||||||||||
|
1 |
4 |
|
|
|
|
|||||
Форма отклика системы передачи на единичный импульс приведена на рисунке 1.3.
10