Двухканальная частотная манипуляция

При передаче двух сообщений методом ЧТ в соседних каналах, передатчик излучает одновременно две частоты из четырёх, принадлежащих разным каналам. В результате биения этих частот, возникает амплитудная модуляция выходного колебания. Таким образом, как и при амплитудной модуляции, такая двухканальная манипуляция приведёт к существенному снижению помехоустойчивости приёма, т.е. будет утрачено основное достоинство частотной манипуляции.

Двухканальная частотная манипуляция (ДЧТ), применяемая на практике, существенно отличается от приведенного примера. Чтобы амплитудная модуляция не возникала, каждой ситуации в соседних каналах приписывают определённое значение частоты передатчика (см. Табл.11.1).

 

Таблица 11.1

Канал 1	Канал 2	Частота
		f1
		f2
		f3
		f4

 

 

В результате в любой момент времени передатчик излучает только одну частоту из четырёх и амплитуда колебаний остаётся постоянной. Тем самым, обеспечивается высокая помехоустойчивость при ДЧТ. Частота f1 самая низкая, а f4 самая высокая. Интервал между соседними частотами определяет сдвиг частот 2Δf.

При ДЧТ битовые последовательности в каналах должны быть синхронизированы, т.е. переходы от 0 к 1 и наоборот, должны происходить в одни и те же моменты времени. В противном случае частота переключений резко возрастает (см. рисунок 11.8), соответственно увеличивается полоса занимаемых частот и возрастает вероятность пропадания узких импульсов из-за конечной длительности фронтов.

Рисунок 11.8 – ДЧТ при синхронной и асинхронной

передаче информации в каналах

Один из возможных вариантов реализации ДЧТ в упрощенном виде представлен на рисунке 11.9.

Рисунок 11.9 – Структурная схема ДЧТ

На вход первого смесителя от высокостабильного возбудителя поступают частота несущей f и частоты определяющие величину сдвига Δf и 3Δf. На электронный коммутатор (ЭК) поступают частоты f1 ÷ f4, которые в зависимости от состояния каналов, переключаются в соответствии с табл.11.1. Разрыв фазы в моменты коммутации устраняется системой автоподстройки частоты подобно схеме ЧТ.

 

 

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