Модуляция с эффективным использованием полосы частот.

Основной задачей спектрально эффективных модуляций является максимизация эффективности использования полосы частот. Кроме этого требования, например в спутниковых системах с нелинейными транспондерами (транспондер – нерегенеративный ретранслятор – просто усиливает сигнал без его демодуляции и повторной модуляции) требуется модуляция с постоянной огибающей. Это связано с тем, что при прохождении сигнала с большими флуктуациями амплитуды нелинейные транспондеры создают паразитные боковые полосы (причина – механизм, называемый преобразованием амплитудной модуляции в фазовую). Эти боковые полосы отбирают у информационного сигнала часть мощности, а также могут интерферировать с сигналами соседних каналов.

Двумя примерами модуляции с постоянной огибающей, подходящими для систем с нелинейными транспондерами ,являются квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом ( Offset QPSK – OQPSK) и манипуляция с минимальным сдвигом (minimum shift keying – MSK).

На рисунке 5.1 показано разбиение потока импульсов при модуляции QPSK. На рисунке 5.1, а представлен исходный поток данных , состоящий из биполярных импульсов, т.е. принимают значения +1 или -1, представляющие двоичную единицу или двоичный нуль. Этот поток разделяется на синфазный поток и квадратурный поток , как это показано на рисунке 5.1, б

= ( четные биты) = (нечетные биты) (5.1)

Скорости потоков и равны половине скорости передачи потока . Удобную ортогональную реализацию сигнала QPSK s(t) можно получить, используя амплитудную модуляцию синфазного и квадратурного потоков на синусной и косинусной функциях от несущей:

(5.2)

Уравнение (2) с помощью тригонометрических тождеств можно представить в виде:

(5.3)

Модулятор QPSK, показанный на рисунке 5.2 использует это.

Рисунок 5.1. Модуляция QPSK: а) исходный поток данных

б) разбиение потока данных на синфазный и квадратурный потоки

Рисунок 5.2. Модулятор QPSK

Величина или 180⁰ будет соответствовать одному из четырех возможных сочетаний и . Результирующие векторы сигналов показаны в сигнальном пространстве на рисунке 3.2.

В обычной модуляции QPSK сигналы синхронизированы так, что их переходы совпадают. Из-за этого за промежуток 2Т фаза несущей может измениться несколько раз. Изменение знака у обоих потоков приводит к сдвигу фазы на 180⁰.

В OQPSK, которую иногда называют QPSK с разнесением используется также разделение потока данных и ортогональная передача. Разница заключается в том, что потоки и синхронизированы со сдвигом Т ( рисунок 5.3).

Рисунок 5.3. Потоки данных при модуляции OQPSK

Если сигнал, модулированный QPSK, подвергается фильтрации для уменьшения побочных максимумов спектра, результирующий сигнал может не иметь постоянной огибающей и, фактически, случайный фазовый сдвиг на 180⁰ вызовет моментальное обращение огибающей в нуль ( рисунок 5.4). Если эти сигналы применяются в спутниковых каналах, где используются нелинейные усилители, постоянная огибающая будет восстанавливаться. Однако будут восстанавливаться и все нежелательные частотные боковые максимумы, которые могут интерферировать с сигналами соседних каналов и других систем связи.

При модуляции OQPSK потоки импульсов и не могут одновременно изменить состояние, несущая не может изменить фазу на 180⁰, поскольку за один раз переход может сделать только один из компонентов. Поэтому огибающая не обращается в нуль, как это происходит при модуляции QPSK ( рисунок 5.5).

Манипуляцию с минимальным сдвигом ( minimum shift keying – MSK) можно рассматривать как частный случай модуляции OQPSK. Как и в случае OQPSK, синфазный и квадратурный компонент MSK сдвинуты друг относительно друга на Т секунд. Однако в случае MSK производится синусоидальное взвешивание информационных символов членами и , что устраняет резкие переходы фазы, а, следовательно, сужает спектр модулированного сигнала. Сигнал MSK ( рисунок 5.6) можно записать в виде:

(5.4)

Рисунок 5.4 Сигнал в модуляции QPSK

Рисунок 5.5. Сигнал OQPSK

Нормированная спектральная плотность мощности (Р=1 Вт) для QPSK, OQPSK и MSK изображена на рисунке 5.7. Для сравнения здесь же приводится график для BPSK.

Рисунок 5.6. Манипуляция с минимальным сдвигом: а) взвешенный синфазный поток битов; б) произведение взвешенного синфазного потока битов и несущей; в) взвешенный квадратурный поток битов; г) произведение взвешенного квадратурного потока битов и несущей; д) сигнал MSK

Рисунок 5.7. Нормированная спектральная плотность мощности для BPSK, QPSK, OQPSK и MSK

BPSK требует большей полосы пропускания, т.к. эффективность использования полосы частот при BPSK вдвое меньше, чем при QPSK. Боковые максимумы графика MSK ниже, чем графиков QPSK или OQPSK. Это является следствием плавных фазовых переходов. Чем плавнее переход, тем быстрее спектральные хвосты стремятся к нулю. Модуляция MSK спектрально эффективнее, чем модуляция QPSK или OQPSK, однако спектр MSK имеет более широкий основной максимум, чем спектр QPSK или OQPSK. Следовательно, MSK нельзя назвать удачным выбором при использовании узкополосных линий связи. В то же время MSK следует использовать в схемах с несколькими несущими, поскольку ее относительно малые побочные максимумы спектра позволяют избежать значительных помех соседних каналов. То, что спектр QPSK имеет более узкий основной максимум, чем MSK, объясняется тем, что при данной скорости передачи битов скорость передачи символов QPSK вдвое меньше скорости передачи символов MSK.