Файл: 1 Классификация и физический механизм работы вч и свч генераторов.docx

Фазовая манипуляция

Фазовая манипуляция (ФТ, Phase Shift Keying- PSK), как и частотная является манипуляцией с «активной паузой», т.е. амплитуда колебаний остаётся неизменной независимо от того, какой символ передаётся в данный момент. Поэтому, как и частотная манипуляция, ФТ отличается высокой помехоустойчивостью. При ФТ в момент перехода от 0 к 1, или наоборот, фаза несущего колебания изменяется на 180⁰ . Этот процесс иллюстрируется рисунком 11.10.

 



Рисунок 11.10 Фазовая манипуляция

 

Спектр ФТ можно оценить подобно тому, как это было сделано для ЧТ, т.е. представить сигнал с фазовой манипуляцией в виде суммы двух сигналов с амплитудной манипуляцией, несущие которых сдвинуты по фазе на 180⁰. Поэтому в случае периодической последовательности 0 и 1 в спектре ФТ несущая отсутствует. Для реальных цифровых сигналов, спектр боковых полос при ФТ подобен спектру АТ, а несущая частота имеет переменную величину, зависящую от соотношения частот появления нулей и единиц. Описанная операция и спектры представлены на рисунке 11.11.



 

Рисунок 11.11 – Спектр фазовой манипуляции

 

Таким образом, фазовая манипуляция имеет очевидное преимущество перед ЧТ по полосе занимаемых частот и превосходит АТ в помехоустойчивости.

В качестве простейшего фазового манипулятора может быть использовано устройство аналогичное балансному модулятору, в котором коммутация диодного моста осуществляется «биполярным» цифровым сигналом[1], т.е. амплитуда биполярного цифрового сигнала должна значительно превышать амплитуду колебаний несущей частоты (uΩ>>uω). Один из возможных вариантов фазового манипулятора представлен на рисунке 11.12.



Рисунок 11.12 – Фазовый манипулятор

 

При ФТ целесообразно синхронизировать битовую частоту с частотой несущего колебания так

---

, чтобы изменение фазы происходило при нулевом значении напряжения несущей. В этом случае обеспечивается минимальный уровень побочного излучения на гармониках несущей частоты (см. рис.11.12).

В 1946 году В.А.Котельников в своей диссертации строго доказал, что ФТ является наилучшим способом передачи цифровой информации, т.к. при этом достигается предельная потенциальная помехоустойчивость, которая не может быть превзойдена ни какими другими способами передачи.

Тем не менее, внедрение ФТ в практику телекоммуникаций ещё долго оставалось проблематичным, вследствие явления «обратной работы», которое заключается в том, что случайное изменение фазы, вследствие воздействия помехи, превращает 1 в 0, а 0 в 1. Следующая помеха может вернуть нормальный режим приёма, и т.д. В результате достоверная передача информации становилась практически невозможной. Все попытки усовершенствовать ФТ приводили к серьёзному усложнению аппаратуры и не обеспечивали преимущества ФТ перед ЧТ.

В настоящее время вместо ФТ используют относительную фазовую манипуляцию (ОФТ, Differential Phase Shift Keying- DPSK ), предложенную Н.Т.Петровичем [20]. При ОФТ скачок фазы происходит только в случае появления 0 (или только в случае появления 1). Поэтому обратная работа уже не имеет значения, поскольку изменение фазы теперь всегда соответствует только 0 (или только 1). Таким образом, сигнал ОФТ несёт в себе информацию необходимую для его детектирования. Формирование сигнала ОФТ иллюстрируется рисунком 11.13.



Рисунок 11.13 – Формирование сигналов ФТ и ОФТ

 

На рисунках 11.13а,б представлено образование сигнала ФТ, а на рисунке 11.13в – сигнала ОФТ. Специального фазового манипулятора для ОФТ не требуется, достаточно перекодировать исходный цифровой сигнал в соответствии с рисунком 11.13г.

При оптимальном приёме сигнала ОФТ удаётся практически полностью реализовать предельную помехоустойчивость передачи цифровых сигналов. На рисунке 11.14 представлена сравнительная характеристика помехоустойчивости различных видов манипуляции. Здесь по горизонтальной оси отложено отношение сигнал/шум (N), а по вертикальной – вероятность ошибки в приёмнике Р(N) .

---

Рисунок 11.14 – Вероятность ошибки при различных видах

манипуляции для заданного отнощения сигнал/шум

 

По аналогии с ДЧТ, при фазовой манипуляции также возможна двухканальная работа. В этом случае, аналогично таблице 11.1, ситуация в каналах кодируется соответствующим фазовым сдвигом (см. табл. 11.2).

Таблица 11.2

Канал 1	Канал 2	Фаза (φ)
		00
		900
		1800
		2700

 

 

 

По этому алгоритму может осуществляться и трёх и четырёх-канальная ФТ, или ОФТ. При числе каналов N=3, вектор несущего колебания будет занимать 8 позиций (уровней); при N=4 – 16 позиций и т.д. В общем случае N – канальная ФТ потребует М=2^N позиций. Соответствующий вид фазовой манипуляции обозначают как ФТ- М или ОФТ-М (например, ОФТ-4, или ОФТ-8). Обозначение одноканальной фазовой манипуляции может иметь обозначение ОФТ- 2 .

В современных телекоммуникационных системах М – позиционная ОФТ используется для снижения частоты манипуляции при одноканальной работе. Рассмотрим эту возможность на примере ФТ -4 (предполагается, что для перехода на ОФТ перекодируется исходный цифровой сигнал). Структурная схема манипулятора в этом случае представлена на рисунке 11.15.

На этом рисунке приняты следующие обозначения: ЭКУ - электронный коммутатор – удлинитель; КФ – кодер фазы; ФМ – перемножитель (фазовый манипулятор); Σ – сумматор.



Рисунок 11.15 – Структурная схема манипулятора 4-ФТ

 

Принцип действия манипулятора иллюстрируется рисунком 11.16.

В электронном коммутаторе исходный цифровой сигнал bn разделяется на два потока чётных b(2n) и нечётных b(2n-1) битов, и каждый бит удлинняется во времени в два раза. В блоке кодера фазы формируются ортогональные сигналы I и Q, которые определяют координаты вектора несущей согласно таблице 11.2

---

Рисунок 11.16 – Формирование сигнала 4-ФТ(QPSK)

Далее используется схема аналогичная фазо-разностному методу формирования однополосного сигнала.

S(t) = Q·cosωt - I·sinωt = S·cos(ωt + φ)

где

;

На практике число позиций М ≤ 8, т.к. при больших значениях «М» ФТ и ОФТ существенно проигрывают более совершенным методам квадратурной амплитудно-фазовой манипуляции (КАМ).

К числу недостатков ФТ-4 (ОФТ-4, Differential Quadrature Phase Shift Keying -DQPSK) следует отнести наличие скачка фазы на 180⁰ при переходе от ситуации 0/0 к 1/1 или от 1/1 к 0/0. Такие скачки фазы, при прохождении сигнала через узкополосные тракты, вызывают паразитную амплитудную модуляцию, что приводит к снижению помехоустойчивости.

Устранить такие скачки фазы удаётся при 4-х позиционной относительной фазовой манипуляции с дополнительным фазовым сдвигом π/4 (π/4DQPSK). Структурная схема манипулятора в этом случае не отличается от рис. 11.15, однако кодер фазы в этом случае работает иначе. Результат его работы представлен на рисунке 11.17 и соответствует алгоритму представленному в таблице 11.3

 

Таблица 11.3

b(2n-1)	b(2n)	Δφ
		π/4
		3π/4
		-3π/4
		-π/4

 

 

В отличие от ФТ – 4 при манипуляции π/4DQPSK отсчёт фазы Δφ ведётся не от фиксированной позиции 0/0, а от предшествующей позиции, как показано на векторной диаграмме. Эта диаграмма фактически состоит из двух диаграмм ОФТ – 4 сдвинутых по фазе на 45⁰ (отсюда название «со сдвигом π/4»).



Рисунок 11.17 – Формирование сигнала π/4DQPSK

Минимальный фазовый сдвиг при π/4DQPSK в 2 раза меньше, чем в случае 4-ФТ. Однако это не сказывается на помехоустойчивости, т.к. каждый следующий скачёк фазы происходит с переходом на другую, сдвинутую на

---

45⁰, диаграмму векторов. При оптимальном приёме это обстоятельство учитывается автоматически и не вызывает снижения помехоустойчивости. Вместе с тем, изменение фазы на 180⁰ в этом случае полностью исключается. На выходе манипулятора π/4DQPSK сигнал принимает вид

S(t) = Q·cosωt - I·sinωt = S·cos(ωt + φк-1+Δφ)

Здесь φк-1 - значение фазы предшествующее приращению Δφ.

Ещё один метод, получивший название квадратурной относительной фазовой манипуляции со смещением (4-ФТс), также позволяет исключить скачки фазы от 0 на 180⁰ (или от 180⁰ на 0⁰). По международной терминологии этот вид манипуляции называется Offset Quadrature Phase Shift Key (OQPSK). Отличие OQPSK от ФТ-4 состоит в том, что ортогональные сигналы Q и I не кодируются в соответствии с сочетанием чётных и нечётных битов, а полностью им соответствуют в биполярной форме (см . рис.11.18).



Рисунок 11.18 – Квадратурная фазовая манипуляция со смещением

 

Таким образом, фазовая манипуляция на рисунке 11.15 осуществляется только нечётными (Q), или только чётными (I ) битами в биполярной форме. Поскольку в каждом тракте после ЭКУ битовая частота снижается в два раза, а сигналы в них взаимно независимы (ортогональны), полоса частот, занимаемая выходным сигналом, после сумматора останется такой же, как при ФТ-4. Звезда векторов при такой манипуляции не принимает значений 0 и 180⁰, поэтому глубоких провалов в сигнале OQPSK не бывает. Эта особенность поясняется рисунком 11.19, где представлены переходы фазы с приращением в 180⁰ при QPSK и OQPSK.



Рисунок 11.19 – Скачки фазы при QPSK и OQPSK c приращением 180⁰

 

Квадратурная амплитудная манипуляция является дальнейшим развитием многопозиционной манипуляции. Сокращённое обозначение КАМ-М, или QAM-M (Quadrature Amplitude Modullation), где М - число позиций «звезды» векторов, определяющей этот вид манипуляции.

Рассмотрим принцип формирования квадратурной амплитудной манипуляции на примере

---