Фазовая и относительная фазовая манипуляция

Лекция 19. Фазовая и относительная фазовая манипуляция

Цифровая фазовая модуляция основана на том, что информационные уровни сигнала передаются посылками с различной фазой. Для систем передачи бинарной информации единичной и нулевой посылкам соответствуют противоположные фазовые состояния несущей частоты, как показано на рис. 19.1.

Рис.19.1. Формирование фазоманипулированного сигнала

В 1946 году выдающийся советский ученый В.А. Котельников оценил качество передачи цифровой информации с помощью вероятностных методов и ввел понятие вероятности правильного приема. Максимум этой вероятности он назвал потенциальной помехоустойчивостью, а демодулятор (приемник, работающий по какому-либо правилу принятия наиболее вероятного решения) он назвал оптимальным приемником. В развитой им теории потенциальной помехоустойчивости было доказано, что для каналов без шумов и помех фазовая манипуляция обеспечивает потенциальную помехоустойчивость.

На рис. 19.2 для наглядности приведена зависимость вероятности ошибки на выходе радиоканала от соотношения сигнал/помеха в канале для различных методов импульсной модуляции.

Система ФМ, как и другие системы с противоположными сигналами для каналов без помех, обеспечивает потенциальную помехоустойчивость для двоичной системы. Цифровая фазовая модуляция (ФМ или PSK - Phase Shift Keying) как один из помехоустойчивых видов модуляции стала привлекательной для широкого практического применения в телекоммуникационных системах.

Однако в чистом виде в цифровых системах её используют редко [13-15] из-за возможности массовых ошибок по причине так называемой “обратной работы”, когда при приёме ошибочного бита последующие за ним будут приниматься решающим устройством приемника инверсно. То есть когда посылки 0 принимаются за 1 и наоборот.

Для нормальной работы фазового детектора нужен опорный сигнал. Для  этого требуется организовывать высококачественный канал синхронизации с пилот-сигналом, относительно которого считывается фаза принимаемых посылок.  При АМ легко организовать синхронизацию путем ФАПЧ на частоту принимаемой несущей.

Рис.19.2. Эффективность различных методов манипуляции

Но при ФМ, если количество единиц равно количеству нулей в сообщении, в спектре вообще нет  частоты несущей и для ее получения приходится использовать достаточно  сложные нелинейные устройства снятия манипуляции. Например, схемы, предложенные Пистолькорсом, Сифоровым, Костасом [6] для нужд радиотелеграфии. Однако эффективно эти схемы проявили себя только в каналах без помех и с минимумом шума.

Наличие в схемах Пистолькорса, Сифорова и Костаса нелинейных преобразований – умножителей или делителей частоты, а также возможные случайные задержки на 180⁰ опорного сигнала при его формировании не сняли проблему “обратной работы”, что и стало причиной слабого использования цифровой фазовой модуляции в радиоканалах.

Очень эффективный способ устранения недостатков  обратной работы предложен Н.Т. Петровичем в 1957 году [14], развившим идею практического использования относительной фазовой модуляции (ОФМ или  DPSK - Differential Phase Shift Keying). При ОФМ, называемой также относительной фазовой телеграфией (ОФТ), частота и амплитуда сигнала остаются неизменными, а от изменения значения информационного элемента меняется только фаза сигнала относительно фазы сигнала предыдущей посылки.

На приёмной стороне линии связи фазовый детектор считывает информацию не относительно начальной фазы всего сигнала, а сравнивает фазы двух поступающих по очереди посылок K_i  и K_i+1, где i =1, 2, 3, 4, … , и на основании этих измерений принимает решение о переданной информации.

Фактически ОФМ это ФМ со специальной перекодировкой сигналов. При ОФМ информация содержится не в абсолютном значении фазы сигнала, а в разности фаз двух соседних элементов сообщения. Для осуществления ОФМ необходимо передачу начинать с холостых посылок, не несущих информацию, но необходимых для сравнения фазы последующих элементов.