Амплитудная и частотная манипуляции, ЧММС

Лекция 18. Амплитудная и частотная манипуляции, ЧММС

Цифровая модуляция - это преобразование импульсов в сигналы, совместимые с каналами передачи информации. На выходе цифровых модуляторов присутствуют не видеоимпульсы, а радиоимпульсы с синусоидальным, а для сверхширокополосных систем и с шумоподобным заполнением.

Заполнение радиоимпульсов может иметь различные характеристики по амплитуде, частоте, фазе. Соответственно и цифровая модуляция представляется как процесс варьирования амплитудой, частотой, фазой или их комбинациями у какого-либо несущего радиочастотного сигнала по законам сообщения, представленного предварительно в форме импульсных сигналов путем предварительной модуляции  (дискретизации аналогового сообщения, квантования и кодирования в удобную форму импульсов). Поэтому цифровые виды модуляции стали называть манипуляцией (Shift Keying - SK).

Простейший вид цифровой модуляции - это амплитудная манипуляция (ASK), сигнал которой описывается выражением

где Т – длительность импульса информационного сообщения, амплитуда  которого может принимать i различных дискретных значений, а фаза несущей    - произвольная константа.

ASK активно использовалась в радиотелеграфии, наиболее проста в аппаратурной реализации, но по помехоустойчивости значительно уступает другим видам манипуляции. Этот вид манипуляции был первым видом цифровой манипуляции, применённым для радиотелеграфии. В настоящее время практическое использование ASK в радиосвязи резко сокращено, однако при построении комбинированных схем цифровой модуляции многопозиционная амплитудная манипуляция находит самое широкое использование. На рис. 18.1 представлены два различных вида амплитудно-манипулированных сигналов.

Частотно-манипулированный сигнал описывается выражением вида  

где частота  может принимать множество i дискретных значений, а фаза   является произвольной константой.

Частотная манипуляция (Frequency Shift Keying - FSK) обладает более высокой по сравнению с ASK помехоустойчивостью (в работе [1] показано, что при когерентном приёме для обеспечения одной и той же вероятности ошибки требуемое соотношение сигнал/помеха при FSK на 3 дБ ниже, чем при ASK), но и сложнее в реализации. На практике используют многочастотную (Multiple Frequency) манипуляцию  (MFSK) с числом используемых частот, являющимся ненулевой степенью двойки (n = 2, 4, 8, …). Эти частоты должны быть взаимно ортогональными, т. е. сигналы этих частот должны удовлетворять условию взаимной ортогональности

Рис. 18.1. Сигналы амплитудной манипуляции: а - импульсный сигнал сообщения; б - ASK с пассивной паузой; с - ASK с активной паузой

Применение многопозиционной частотной манипуляции позволяет повысить скорость передачи информации, так как одним символом при MFSK можно передавать сразу несколько бит информационного сообщения. На рис. 18.2 показано, как четырехкратная FSK вдвое увеличивает скорость передачи информации за счёт дополнительного кодирования каждого частотного символа двумя битами (дибитом) исходного сообщения.

Рис. 18.2. Удвоение скорости передачи информации при FSK-4

Частотная манипуляция с минимальным сдвигом

В многочастотной манипуляции переход от одной частоты к другой сопровождается скачками фазы, что значительно расширяет спектр сигнала (и при фиксированной энергии сигналов FSK ухудшается соотношение сигнал/шум на входе приёмника). Двухчастотная манипуляция позволяет [11-12] построить частотный манипулятор без разрыва фазы (Continuous Phase Frequency Shift Keying – CPFSK) и реализовать частотную манипуляцию с минимальным сдвигом (ЧММС или Minimum Shift Keying - MSK).

Сигнал ЧММС можно записать в виде

               (2)

где а_i - коэффициент, показывающий, единица или ноль биполярных данных сообщения передается в манипулятор со скоростью R=1/T.

Частота сигнала ЧММС при передаче единицы   а при передаче нуля  т. е. разнесение частот вдвое меньше, чем при некогерентном приёме частотно-манипулированного сигнала, отсюда и наименование "с минимальным сдвигом".

Минимальное разнесение тонов при ЧММС определим как

что вдвое меньше скорости передачи информационных битов.

Пользуясь известными соотношениями

сигнал (2) можно представить в виде суммы квадратурных составляющих следующим образом

            (3)

где       – чётные информационные биты;

  – нечётные информационные биты.

Как следует из выражения (3), квадратурные компоненты требуют взвешивания: для косинусоидальной компоненты по закону , для синусоидальной –.

На рис. 18.3 показаны эпюры, поясняющие принципы формирования сигналов ЧММС. Знаки передаваемых бит   домножаясь на знаки напряжений  , соответственно,  формируют положительные или отрицательные синусоидальные полуволны с периодом 2T, которые являются огибающей для квадратурных сигналов, заполненной несущей частотой. Суммарное напряжение сигналов квадратурных составляющих формирует сигнал ЧММС на выходе модулятора.

Рис.18.3. Формирование сигналов ЧММС