Виды модуляции в цифровых системах передачи

ВВЕДЕНИЕ

На сегодняшний день не один человек современного общества не обходиться без устройств и систем телекоммуникаций. Они развивались со временем и на данном этапе развития достигли весьма сложного схемотехнического решения. Таким образом разработать такие устройства вручную непростая и весьма затруднительная задача, требующая от инженера знаний и практических навыков в данной области.

С каждым днем количество пользователей растет, а с ним и растет объем передаваемой информации по имеющимся системам, и то не должно доставлять неудобств. Решение данной задачи возможно за счет использования различных видов модуляции, методов кодирования и обработки сигналов. Это приводит к необходимости предъявления ряда жестких требований к современным системам телекоммуникаций: обеспечение высокого соотношении сигнал/шум, высокая производительность, максимально эффективное использование выделенной полосы частот, обеспечение синхронизации, компактность и удобство в эксплуатации и т.д.

Целью данного курсового проекта является разработка функциональных узлов цифровой системы передачи.

Для достижения поставленной цели в данном курсовом проекте необходимо решение следующих задач:

-анализ характеристик системы для заданного вида модуляции (определение ширины спектра выходного сигнала, требований к линейным, нелинейным искажениям, погрешности разности фаз квадратурных составляющих);

- разработка структурной схемы приемопередающего устройства;

- обоснование выбора типа микросхем для построения системы связи;

- обоснование требований к основным узлам приемопередающего устройства;

- разработка отдельных узлов приемопередающего устройства (синтезатора частот, модулятора, выходного каскада или др.);

- расчет основных энергетических характеристик.

Кратко изложим содержание разделов курсового проекта. Сравнительный анализ достоинств недостатков, характеристик и параметров различных видов модуляции, а также выбор необходимого вида модуляции для разработки требуемого приёмопередатчика. Разработка и краткий анализ основных компонентов (узлов) приёмопередатчика. Разработка и расчёт соответствующих параметров элементов функциональной схемы. Выбор и расчёт параметров цифрового синтезатора микросхем. Выбор микросхем, разработка функциональной схемы.

В соответствии с ТЗ в данном курсовом проекте необходимо разработать цифровую систему передач (ЦСП) на базе оборудования РРЛ с учетом следующих данных: передача информации должна осуществляться на расстояние 31 км. Скорость цифрового потока двоичных символов на входе ЦСП – С=161 Мбит/с. Передача информции должна вестись на частот 16 ГГц с промежуточной частотой 100 МГц. Диапазон перестройки рабочих частот ЦСП составляет ±2% от средней частоты спектра СВЧ сигнала с шагом сетки частот 2МГц. Ослабление внеполосных излучений РПдУ и сигнала зеркального канала РПрУ не менее 40 дБ. Вероятность ошибки приема двоичного символа сообщения не должна превышать 16×10^-7.

Одним из наиболее важных вопросов при построении систем передачи является вопрос выбора типа используемой модуляции. В данном курсовом проекте будет рассмотрена цифровая система передачи с видом модуляции — 64-КАМ (Квадратурно-амплитудная модуляция или английский эквивалент — Quadrature Amplitude Modulation –QAM).

ВИДЫ МОДУЛЯЦИИ В ЦИФРОВЫХ СИСТЕМАХ ПЕРЕДАЧИ

1.1. Обзор основных видов модуляции

При цифровой передаче сигналов исходные данные , могут быть как аналоговыми, так и цифровыми, кодируются цифровым сигналом . Конкретная форма этого сигнала зависит от метода кодировки и выбирается для оптимального использования передающей среды.

Основуаналоговой передачи сигналов составляет непрерывный сигнал с постоянной частотой, называемый несущим сигналом. Частота несущего сигнала выбирается совместимой с используемой передающей средой. Передавать данные с помощью несущего сигнала позволяет модуляция — процесс кодирования исходных данных несущим сигналом с частотой .

Все методы модуляции включают операции с одним (или более) из трех фундаментальных параметров частотного представления сигнала, которыми являются амплитуда, частота и фаза.

В общем виде модулированный сигнал записывается как:

(1.1)

где y(t) – мгновенная фаза,

Ac – амплитуда сигнала,

w_c –частота.

На основании формулы 1.1 видно, что существуют три основные технологии кодирования или модуляции, выполняющие преобразование цифровых данных в аналоговый сигнал: амплитудная модуляция (amplitude-shift keying — ASK), частотная модуляция (frequency-shift keying — FSK) и фазовая модуляция (phase-shift keying — PSK) [1].

Отметим, что во всех перечисленных случаях результирующий сигнал центрирован на несущей частоте. Рассмотрим все виды модуляций цифровых данных аналоговыми сигналами подробнее:

Амплитудная модуляция подразумевает, что для передачи "0" и "1" применяются разные уровни несущего сигнала по напряжению. Это наиболее простой из всех видов манипуляции.

Одна из амплитуд, как правило, выбирается равной нулю т.е. одно двоичное число представляется наличием несущей частоты при постоянной амплитуде, а другое — ее отсутствием. Результирующий сигнал равен

(1.2)

где — несущий сигнал.

Метод амплитудной модуляции чувствителен к внезапным скачкам напряжения и неэффективен. Аналоговая модуляции я редко используется на практике, т.к. она наименее устойчива к воздействию внешних помех из всех. Обычно аналоговая манипуляция применяется в сочетании с другими видами манипуляции и не используется сама по себе.

Амплитудная модуляция обладает рядом недостатков, такими как: АМ применяется только на НЧ и СЧ, две трети полной мощности сигнала, выделяемой на нагрузке, приходится на несущую частоту.

Из всего сказанного выше о амплитудной манипуляции можно сделать вывод, что синтезированный передатчик по схеме с ней не является оптимальным решением.

Рассмотрим частотную модуляцию.Наиболее распространенной формой частотной модуляции является бинарная, в которой два двоичных числа представляются сигналами двух различных частот, расположенных около несущей. Результирующий сигнал равен

(1.3)

где f₁ и f₂ — частоты, смещенные от несущей частоты на величины, равные по модулю, но противоположные по знаку.

Более эффективной, но и более подверженной ошибкам, является схема многочастотной модуляции, в которой используются более двух частот. В этом случае каждая сигнальная посылка представляет более одного бита. Переданный сигнал многочастотной модуляции (для одного периода передачи сигнальной посылки) можно определить следующим образом:

(1.4)

где ;

f_c — несущая частота;

f_d — разностная частота;

М — число различных сигнальных посылок = 2^L;

L — число битов на одну сигнальную посылку.

При фазовой модуляциидля представления данных выполняется смещение несущего сигнала [9]. Простейшая схема, в которой для представления двух двоичных цифр используются две фазы, называется бинарной фазовой модуляцией. Получающийся сигнал имеет следующий вид (для одного периода передачи бита):

(1.5)

Поскольку сдвиг фазы на 180° (p) эквивалентен умножению синусоиды на –1, может использоваться правая часть выражения (1.5). Это позволяет использовать удобную формулировку. Если имеется поток битов и d(t) определяется как дискретная функция, значение которой равно +1 при передаче 1 и -1 при передаче 0, то переданный сигнал можно определить следующим образом:

(1.6)

Видом четырехуровневой фазовая модуляции является квадратурная фазовая модуляция(QPSK). Результирующий сигнал представлен формулой

(1.7)

Разновидностью схемы QPSK, именуемая QPSK со сдвигом, или ортогональная QPSK (OQPSK). Отличие заключается в том, что в квадратурный поток вводится задержка, равная времени передачи одного бита, что дает следующий сигнал, представленный формулой (1.6):

(1.8)

Квадратурная амплитудная модуляция (КАМ) является популярным методом аналоговой передачи сигналов, используемым в некоторых беспроводных стандартах. Данная схема модуляции совмещает в себе амплитудную и фазовую модуляции. В методе КАМ использованы преимущества одновременной передачи двух различных сигналов на одной несущей частоте, но при этом задействованы две копии несущей частоты, сдвинутые относительно друг друга на 90°. При квадратурной амплитудной модуляции обе несущие являются амплитудно-модулированными. Итак, два независимых сигнала одновременно передаются через одну среду. В приемнике эти сигналы демодулируются, а результаты объединяются с целью восстановления исходного двоичного сигнала. В общих чертах модуляционная схема КАМ показана на рисунке 1.5. Со скоростью R бит/с на вход поступает поток двоичных цифр. Этот поток разбивается на два потока (биты попеременно распределяются по двум отдельным потокам), передаваемых со скоростью R/2бит/с каждый. Обратимся к рисунку: верхний поток модулируется на несущей частоте f_c с использованием схемы амплитудной манипуляции, для чего двоичный поток умножается на несущую. Таким образом, двоичный нуль представляется отсутствием несущей волны, а двоичная единица — наличием несущей волны постоянной амплитуды. Для модулирования нижнего потока та же несущая волна смещается на 90°, после чего вновь используется схема амплитудной манипуляции. Затем два модулированных сигнала складываются и передаются вместе [1].

Суммарный переданный сигнал можно записать следующим образом:

(1.9)

Рисунок 1.1 - Схема модулятора четырехпозиционной фазовой модуляции.

Рассмотрим различные виды КАМ. При использовании двухуровневой амплитудной манипуляции КАМ-4 каждый из двух потоков может находиться в одном из двух состояний, а объединенный поток — в одном из 2х2=4 состояний. При использовании четырехуровневой манипуляции КАМ -16(т.е. четырех различных уровней амплитуды) объединенный поток будет находиться в одном из 4х4 = 16 состояний. Чем больше число состояний, тем выше скорость передачи данных, возможная при определенной ширине полосы. Разумеется, как указывалось ранее, чем больше число состояний, тем выше потенциальная частота возникновения ошибок вследствие помех или поглощения. Зависимость вероятности ошибок от отношения сигнал/шум для различных форматов КАМ показана на рисунке 1.1

Расчет величины полосы частот, которую могут занимать передаваемые сигналы с модуляцией каждого вида на средней частоте спектра.

Ширина полосы частот определяет пропускную способность канала связи. Рассчитаем и сравним ширину полосы пропускания обеспечиваемую различными видами манипуляций: [3]

-ширина полосы пропускания для амплитудной и фазовой модуляций:

-ширина полосы пропускания для частотной модуляции:

-ширина полосы пропускания для многопозиционной фазовой модуляции:

-ширина полосы пропускания для многочастотной модуляции:

-ширина полосы пропускания для КАМ16 (Q=4):

-ширина полосы пропускания для КАМ64 (Q=6):

-ширина полосы пропускания для КАМ256 (Q=8):

где 1.25 – коэффициент увеличения полосы пропускания реального тракта по сравнению с шириной полосы частот по Найквисту.

1.2. Обоснование и выбор вида модуляции в проектируемой ЦСП.

Обоснование и выбор вида модуляции в проектируемом ЦСП производиться по критериям минимума энергетических затрат и занимаемой полосы частот.

Эффективность использования спектра (ЭИС) системы передачи определяется как отношение скорости передачи битов входного сигнала к ширине занимаемой полосы частот:

где М — количество передаваемой информации,

U — величина используемого спектра

B — ширина полосы частот,

S — площадь зоны охвата, T — время работы).

В нашем случае формула упростится:

Исходя из полученных данных в разделе 1.1, рассчитаем для каждой модуляции эффективность использования полосы пропускания:

Полученные данные занесем в таблицу 1.

Таблица 1 – Сравнение эффективности различных видов манипуляции.

Вид манипуляции Ширина полосы пропускания, МГц Эффективность использования, бит/(с∙Гц)

ASK

PSK

FSK 1241,0 0,1

MPSK(M=2) 80,5 2,0

MFSK 322,0 0,5

QAM16 100,6 1,6

QAM64 67,1 2,4

QAM256 50,3 3,2

Выбор вида модуляции направлен на достижение следующих основных целей:

- минимизации вероятности ошибки на бит;

- минимизацию требуемого энергетического потенциала;

- максимизацию спектральной эффективности;

- минимизацию сложности аппаратуры формирования и обработки сигналов.

Правильный выбор вида модуляции одна из важнейших задач при проектировании систем связи. Более сложные модуляции весьма эффективны с точки зрения использования спектра, но они требуют высокого отношения несущая-шум для работы при данной вероятности ошибок (рис. 1.2).

Рисунок.1.2 - Коэффициент ошибок в зависимости от отношения сигнал— шум с числом уровней КАМ в качестве параметра

Когда целью является высокая эффективность использования спектра, пользуются схеми модуляции КАМ с различным количеством позиций в совокупности. Эти типы модуляции обеспечивают максимальную гибкость в применении: путем изменения только числа битов/символов, приходящихся на один символ (или другими словами, числа позиций совокупности), можно добиться соответствия данному частотному плану При выборе мощности передатчика необходимо учитывать, что при КАМ среднее значение мощности всегда меньше максимальной мощности усилителя. Отношение пикового и среднего значений мощностей сигналов для различных форматов КАМ приведены в таблице 1.3 в [4].

При сравнении ширины полосы пропускания и спектральных эффективностей приведенных выше способов модуляции лучше использовать КАМ модуляцию с большим индексом, например КАМ256, но следует учесть, что чем больше индекс КАМ тем больше увеличивается влияние различных искажений и ошибок при модуляции и демодуляции, которые приводят к уменьшению отношения сигнал/шум.

Построим систему с использованием формата модуляции КАМ64.

На радиооборудование обычно влияет ряд недостатков. Некоторые из них относятся непосредственно к процессу модуляции. Другие обычно, возникают вне самого модема в других формирующих систему радиоблоках. Ухудшения качества при модуляции и демодуляции: ошибки модуляции, ошибки демодуляции

К ошибкам модуляции относят:

- квадратурные фазовые ошибки между синусоидальным и косинусоидальным сигналами несущей;

- ошибки амплитуды между синфазным и квадратурным модулирующими сигналами;

- относительная погрешность амплитуды в случае многоуровневых сигналов из-за различных уровней сигнала;

- различные электрические задержки между синфазным и квадратурным модулирующими сигналами.

К ошибкам демодуляции относят:

- квадратурные фазовые ошибки между синусоидальным и косинусоидальным восстанавливаемыми сигналами несущей,

- конечная точность решающих схем,

- фазовая ошибка восстанавливаемой несущей,

- фазовая ошибка восстанавливаемых тактовых импульсов.

Под недостатками несущей частоты и устройств тактовой синхронизации подразумеваются, как правило, и статические и динамические (фазовое дрожание) ошибки. Чтобы учесть влияния фазового дрожания, необходимо знать его статистическое распределение.

Таблица показывающая ухудшение отношения S/N из-за статических фазе ошибок несущей для различных форматов модуляции приведена в [4] на странице 11

Влияние линейных искажений. Рассмотрим искажения, являющиеся результатом несовершенной передаточной функции канала, которая может быть порождена несовершенной схемой и/или настройкой любого из фильтров приемопередатчика. Эти искажения могут также быть вызваны температурными изменениями и эффектами старения. Указанные недостатки проявляются в различных формах. Однако благодаря свойству линейности они могут быть смоделированы как комбинация (каскад) некоторых основных линейных искажений.

Что касается линейных искажений, можно идентифицировать линейные наклонные и параболические (амплитуда и групповая задержка) искажения. Они могут быть традиционно определены в полосе (полосе пропускания) Найквиста (±1/27) путем оценки изменения усиления при полном размахе в дБ или групповой задержки, приведенной к длительности символа. В таблице 1.3 представлено ухудшение отношения S/N (Ре = КИ) из-за линейного наклонного искажения амплитуды.

Таблицы ухудшение отношения S/N из-за линейных искажений приведены в [4] на страницах 12-13.

Рассмотрим влияние нелинейных искажений. Помимо линейных искажений, все форматы модуляции КАМ высокого уровня чувствительны к нелинейным искажениям. Их основным источником являются СВЧ усилители мощности.

Номинальная мощность на выходе преобразователя ПЧ/ РЧ составляет порядка нескольких милливатт, и, следовательно, требуется усиление для получения необходимого выходного уровня. Точка передаточной функции выбирается вблизи участка насыщения, когда устройство начинает терять линейность. Начиная с этой точки, быстро возрастающее искажение амплитуды ухудшение BER для сигнала, содержащего значительную величину амплитудной модуляции, подобно формату модуляции КАМ. Наличие нелинейных искажений приводит к тому, что увеличение мощности выходного сигнала передатчика, приводит не к уменьшению вероятности ошибки при приеме цифрового сигнала, а к ее увеличению

Чтобы гарантировать линейность комплексной амплитудной характеристики усилителя даже в присутствии пиков амплитуды модулированного сигнала, необходимо, чтобы максимальное значение мощности усилителя было больше пикового значения мощности сигнала при КАМ. Однако это приводит к увеличению стоимости усилителя и не всегда приемлемо в диапазоне СВЧ, где мощность твердотельных усилителей ограничена. Поэтому для компенсации нелинейных искажений, возникающих в усилителе, в сигнал передатчика вводят нелинейный корректор. Комплексная амплитудная характеристика корректора выбирается таким образом, чтобы значение произведения коэффициента передачи корректора на коэффициент передачи нелинейного усилителя было постоянно во всем диапазоне изменения амплитуд входного сигнала. Графики амплитудных и нелинейных характеристик усилителя и таблицы потери мощности для различных схем модуляции приведены в [4] на страницах 13-18.

В ЦРРС малой пропускной способности доминирующим фактором является тепловой шум, поэтому адекватный уровень выходной мощности может повысить качество системы. Наоборот, в ЦРРС высокого уровня искажения становятся основным источником ухудшений, и повышение выходной мощности может оказаться неэффективным. Для снижения выходной мощности при нормальных условиях распространения могут использоваться методы адаптивной регулировки мощности передатчика.

При расчете отношения сигнал/шум необходимо учитывать неидеальность параметров приемопередающей аппаратуры системы связи, это приводит к необходимости увеличения полученного значения отношения сигнал/шум.

Отношение сигнал/шум при вероятности ошибки рош=16*10-7 для КАМ-64 составляет 26,2 дБ. Поскольку отношение S/N ухудшается из-за статической фазовой ошибки, то нам необходимо это учесть следующим образом[2]:

Как уже говорилось выше о влиянии линейных искажений, которые изменяют отношение сигнал/шум, то нам необходимо и это учесть. В системе передачи присутствуют линейные наклонные искажения амплитуды и групповой задержки, то при полном размахе в 1дБ по амплитуде[2]:

а при полном размахе на 10 % длительности символа по групповой задержке[2]:

Также у нас в системе передачи присутствуют параболические искажения амплитуды и групповой задержки, то при полном размахе в 1дБл по амплитуде[2]:

а при полном размахе на 20 % длительности символа по групповой задержке[2]:

В результате получим общее значение ОСШ в канале связи равное 31,2 дБ, оно должно учитываться при расчете энергетических характеристик системы и выборе усилителей.