Фазовая и относительная фазовая манипуляция, страница 3

Количество сигнальных точек более восьми в созвездии для многопозиционной ФМ применяют только в каналах без помех, имеющих большое соотношение сигнал/(шум+помеха), так как при росте числа позиций ухудшается качество приёма и растет вероятность ошибки. По этой же причине многопозиционную ОФМ в высокоскоростных каналах передачи информации не используют.

Квадратурная фазовая модуляция

Четырехуровневая фазовая модуляция нашла исключительно широкое применение [11, 12, 18-22] в связи с развитием сотовых сетей связи, а из-за особенностей построения модуляторов её стали называть квадратурной фазовой модуляцией (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying).

Квадратурное представление сигнала заключается в его описании линейной комбинацией двух ортогональных составляющих – синусоидальной и косинусоидальной:

.            (4)

Представим, что . 

Тогда

  

Подставляя эти результаты в выражение (4), получим:

Если обозначить проекции сигнальных точек на оси координат как

то получим следующее выражение:

При QPSK проекции векторов сигнальных точек на оси координат принимают значения +1 и –1, что соответствует углам поворота вектора сигнала  как показано в табл. 19.1.

При формировании сигнала QPSK исходная информационная последовательность двоичных символов длительностью  при помощи регистра сдвига разделяется на чётные биты, которые подаются в синфазный канал,  и нечетные биты, поступающие в квадратурный канал. Структурная схема модулятора QPSK приведена на рис. 19.6, а эпюры, поясняющие её работу, на рис. 19.7.

Таблица 19.1.

bi	1	-1	-1	1
bk	1	1	-1	-1

Рис. 19.6. Структурная схема модулятора QPSK

Обе последовательности импульсов синфазного и квадратурного каналов, имеющие уже длительности посылок , преобразуются в биполярную форму i и q соответственно и поступают на входы перемножителей, в которых домножаются на квадратурные составляющие сигнала .

На выходах перемножителей, представляющих собой модуляторы BPSK, формируются фазоманипулированные колебания с двумя состояниями. После суммирования эти колебания образуют сигнал QPSK. Таким образом, кодер модулятора преобразует совокупность двух последовательностей двоичных элементов длительностью  в сигнал QPSK.

Рис. 19.7. Эпюры работы модулятора QPSK

QPSK может давать заметное улучшение связи, но иногда её применение не даёт положительного эффекта. При тестировании белым шумом QPSK оказывается [11] даже хуже по качественным показателям, чем BPSK. Однако при наличии в канале замираний и помех QPSK  позволяет уменьшить количество ошибок в несколько раз.

Один из недостатков QPSK связан с тем, что при одновременной смене символов в обоих каналах модулятора (с +1, -1  на  -1, +1  или с +1, +1  на  -1, -1, как показано в табл. 19.1) в сигнале QPSK происходит скачок фазы на 180⁰ . Такие скачки фазы, имеющие место и при BPSK, вызывают паразитную амплитудную модуляцию огибающей сигнала, и при прохождении сигнала через узкополосный фильтр возможны провалы огибающей до нуля. Это приводит к увеличению энергии боковых полос и зашумлению канала связи.

Офсетная квадратурная фазовая модуляция

Чтобы избежать недостатков QPSK, связанных со скачками фазы на 180⁰, часто применяют квадратурную фазовую модуляцию со сдвигом [12], называемую офсетной QPSK (OQPSK). Формирование сигнала при OQPSK происходит так же, как и в модуляторе QPSK, за исключением того, что кодирующие биты в Q-канале задерживают на длительность одного элемента Т.

Изменение фазы при таком смещении кодирующих потоков определяется только одним элементом последовательности, а не двумя, и выигрыш в повышении скорости передачи информации не реализуется. Однако скачки фазы на 180⁰ при этом отсутствуют, поскольку каждый элемент последовательности, поступающей на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы только на 0, 90⁰ и 270⁰.

Принцип OQPSK поясняют эпюры работы модулятора, изображенные на рис. 19.8.

Рис. 19.8. Формирование сигналов OQPSK