Муравьев В.В., Липкович Э.Б. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.

Генератор

несущей

1VD

ЦС

1

f

н

R

А

1

2

3



+



Рисунок6.15–Структурнаясхемадвухпозиционногофазовогоманипулятора

При отрицательной амплитуде ЦС VD1 открыт, его сопротивление мало и

сигнал несущей, отразившись от диода, поступает по циркулятору в выходное

третье плечо.Фазасигнала считается базовой. Когда диодзакрыт, сигнал дважды

проходит отрезок МПЛ длиной 4

 и получает набег по фазе на ° = 180



( 244

l l l

= + ). Таким образом, в моменты изменения режима диода цифровым

сигналомизменяетсяфазарадиопосылокна

.

Приведеннаясхема2ФМмодуляторапроставпостроенииипозволяетреа

лизоватьмодуляциюнатребуемойвыходнойчастотепередачи.Однакоустройство

имеетограниченныйдиапазонрабочихчастот,впределахкоторогосохраняютсяпа

раметры.

Вбольшинстверешенийтребуемаямодуляцияосуществляетсянапромежу

точнойчастоте.Затемспомощьюпреобразователячастотымодулированныйсигнал

переноситсянавыходнуючастотупередачи(рис.6.16).

ОПГ

ff ±

МГцf

ОП

70 =

Г

f

вых

u (t)

Рисунок6.16–Структурнаясхемафазовогоманипулятораспреобразованием

частоты.

Распространенным вариантом получения 2ФМ на промежуточной частоте

является использованиебалансныхили кольцевыхпреобразователейчастоты(рис.

6.17).Навходпреобразователяпоступаетгармоническийсигналнесущейначастоте

70МГц.Всредниеточкитрансформаторовподаетсяцифровойсигнал,которыйвза

висимостиотполярностиегоамплитудыоткрываетсоответствующиепарыдиодов.

При положительнойамплитуде открыты диоды VD1 и VD4, при отрицательной–

VD2иVD3.врезультатепереключениядиодовизменяетсянаправлениепротекания

токанесущегосигнала70МГцввыходнойобмоткетрансформатораТ2.Этоизме

нениеэквивалентноизменениюфазмодулированногосигналана

°180

вых

u (t)

1VD

2VD

3VD

4VD

Рисунок6.17–Структурнаясхемафазовогоманипуляторанаосноведиодного

моста

Фазовая модуляция среди рассмотренных видов является наиболее распро

страненнымрешением,посколькуобладаетрядомпреимуществвчастиэнергетиче

ской и спектральнойэффективностей.Однакоей присущипроблемы, связанные с

демодуляциейсигналов.

6.4.2Демодуляциядвухпозиционны хАМн,ЧМниФМнсигналов

Демодуляция АМсигналов осуществляетсяамплитудным детектором и ре

шающимустройствомспороговымуровнемв

0

5,0 U .

Демодуляция ЧМ сигналов может осуществляться по огибающей или по

мгновенной частоте. В первом варианте разделение несущих с частотами

1

f и

2

f

производится с помощьюдвух полосовыхфильтров, настроенных на эти частоты.

Затемследуетамплитудноедетектированиевкаждойветви.Навыходеиспользуется

общее решающее устройство. Прием по мгновенной частоте осуществляется час

тотнымдетектором,вследзакоторымрасполагаютсяФНЧирешающееустройство.

Вэтойсхеменеобходимо,чтобы“нуль”частотногодетекторабылстабиленисоот

ветствовалсреднейчастотеЧМсигнала.

Прифазовойдемодуляциитребуетсяточныйэталончастотыифазы.Егопо

лучаютиз2ФМсигналапутемудвоениячастоты,фильтрациииделенияэтойчас

тотына2.Приудвоениичастотыустраняетсяисходнаямодуляцияпофазе,равная0

°180

,аспомощьюделенияна2восстанавливаетсязначениечастоты

1

f (рис.6.18).

Данное решение предложено Пистолькорсом, однако оно обладает недостатком,

именуемым“обратнойработой”.Сутьэтогоявлениявтом,чтоприделениичастоты

фаза опорного напряжения может принять одно из двух значений сдвинутых на

°180

.Врезультатенеоднозначностисообщениеможетдемодулироваться,негативно

поотношениюктребуемому.

ФМн

u (t)

1

f

мод

Рисунок6.18–СтруктурнаясхемаПистолькорса

БолеесовершенноерешениесиспользованиеГУНсФАПЧпредложеноСи

форовым (рис. 6.19). В этом решении делитель частоты исключен. Генератор на

строеннаопорнуючастотунесущейиимеетфазовуюавтоподстройкунапряжением

ошибки

ош

U ,поступающимсвыходасхемысравнения.

Умнль

частоты

на2

ПФ

См ФНЧ

Реш.

устрво

Схема

сравн.

Умнль

частоты

на2

ФМн

u (t)

ЦС

вхОП

ff

=

вх

f

ГУН

ош

U

1

f

1

¢

Рисунок6.19–СтруктурнаясхемаСифорова

6.5МногопозиционныеметодымодуляциивЦРРСП

6.5.1Общиеположенияпоалгоритмампостроениямодуляторов

Многопозиционные методы модуляции позволяют повысить пропускную

способностьсистемыв пределахвыделеннойполосычастот.Ониявляютсяполос

носберегающимими.Сутьвыигрышапоскоростипередаваемыхданныхилипоис

пользуемойполосечастотсостоитвтом,чторадиосимволсодержитвсебе2,3,4или

более битисходной информации.Различительнымпризнаком значенийпередавае

мых бит в символе являются амплитуда, частота и фаза или их комбинации. При

М=4впределахрадиосимволарасполагается2битаисходнойцифровойпоследова

тельности.

Рассмотрим обобщенную структурную схему (рис. 6.20) четырехпозицион

ногомодулятора,обеспечивающегополучениеАМ,ЧМиФМколебанийнавыходе.

0

Т

0

2Т

0

2Т

вых

u (t)

2

0

ВВ

=

Рисунок6.20–Обобщеннаяструктурнаясхемачетырехпозиционногомодулятора

ВходнойЦСсоскоростьюследованиябит

00

1 ТВ = делитсявдемультиплек

соре(DMUX)надвасубпотокасуменьшеннойвдваразаскоростьюпередачивка

ждомизних.Вформирующемустройствесимволов(ФУС)биты,взятыеизкаждой

ветви,объединяютсявпарыипредставляютсяспомощьюАЦПввидеопределен

ныхуровней(табл.6.2).Вмодуляторе(Мод)каждомуиз уровнейставятсявсоот

ветствиезначенияамплитуд,частотилифаз.

На выходе модуляторов (4АМ, 4ЧМ или 4ФМ) в радиопосылках (радио

символах)длительностью

0

2Т содержится2битаисходнойинформации.Символь

наяскоростьпередачи

00

212 ТВВ

= = .

Таблица6.2–Таблицасоответствий

Битына1и2

входахФУ

Уровень

Напряжение

(дляАМн)

Частота

(для

ЧМн)

Фаза

(для

ФМн)

00 3

1

U

1

°0

10 1

2

U

2

°90

11 +1

3

U

3

°180

01 +3

4

U

4

°270

При восьмипозиционной ФМ исходный цифровой поток разбивается на 3

субпотока.Наоснованииобъединения3битформируют8различныхуровней.Каж

дому из уровней ставится в соответствие (табл.6.3) определенное значение фазы,

отличающеесяотсоседнегона

°45

.Символьнаяскоростьрадиопосылокнавыходе

8ФМсоставляет: 38log

020

BBВ

= = .Этотрезультатозначает,чтодляфиксирован

нойполосычастотинформационнаяскоростьданныхможетбытьувеличенавтрое

илидлязаданнойскоростипередачи данныхполоса частот,занимаемая сигналом,

можетбытьуменьшенавтрое.

Таблица6.3–Таблицасоответствиядлямодулятора8ФМ.

Субпотоки

1 2 3

Уровень Фаза

0 0 0 7

°0

0 1 0 +7

°45

0 0 1 5

°90

0 1 1 +5

°135

1 0 0 1

°180

1 1 0 +1

°225

1 0 1 3

°270

1 1 1 +3

°315

Нарисунке6.21приведенавекторнаядиаграмма,поясняющаясутьалгорит

маработымодулятора8ФМ.

°45

евклидово

расстояние

8ФМ

точки

векторного

созвездия

Рисунок6.21–Векторнаядиаграмма8ФМ

Изрисунка6.21видно,чтосростомМсокращаетсяшагмеждузначениями

фаз.одновременноуменьшаетсяевклидоворасстояние(расстояниемеждуточками

векторногосозвездия)и,какследствие,уменьшаетсядостоверностьприема.

6.5.2ЧетырехпозиционныйфазовыймодуляторнаСВЧ

Схемаданногоустройствапредполагаетнепосредственноеполучение4ФМ

навыходнойчастотерадиопередающегоблока.Всоставустройствавходитгенера

торнесущейначастотепередачи,дватрехплечихциркулятораЦ1иЦ2,двабыстро

действующих диода (VD2,VD2), два короткозамкнутых отрезка микрополосковых

линий длиной 4

 , 8

 и преобразователь кода (ПК). Последний переводит код в

биполярныйиразделяетисходныйЦСнадвасубпотока.

Генератор

несущей

Усил

1VD 2VD

Ф НЧ

н

R

ПК

СЦ

¢

СЦ

¢ ¢

ЦС

 8



с

Мбит

048,2

с

Мбит

024,1

с

Мбит

024,1

1Ц 2Ц

Рисунок6.22–Структурнаясхемачетырехпозиционногофазовогомодулятора

Топология схемы модулятора СВЧ проектируетсятак, чтобы расстоянияот

диода VD1 до Ц1 и от VD2до Ц2 были

( )

K2,1,0 =nn

 , а расстояние между ними

( )

K2,1 =mm

 .Считается,чтоприположительныхамплитудахЦСдиодыоткрытыи

навыходеЦ2фазаколебанийнесущейравнанулю.Приизменениирежимовдиодов

поддействием СЦ

¢

и СЦ

¢ ¢

фазынесущейнавыходеустройствапринимаютзначения

всоответствиисалгоритмом,указаннымвтаблице6.4.

Таблица6.4–Значенияфазнавыходемодулятора

СЦ

¢

СЦ

¢ ¢

вых

1 1

°0

1 0

°90

0 1

°180

0 0

°270

6.5.3Квадратурнаяфазоваямодуляциявцифровы хсистемах(QPSK)

QPSKобладаеттойжеспектральнойиэнергетическойэффективностью,что

и4ФМ,однакореализуетсянаиболеепросто.

Модулятор включаетдвафильтра Найквиста,двабалансныхсмесителя,ге

нератор несущей частоты70МГц и фазовращательна

°90

. От генератора несущей

сигналынасмесителипоступаютвквадратуре.

Входящийвсоставструктурнойсхемы(рис.6.23)DMUXраспараллеливает

исходныйцифровойпотокнадвасубпотока.Преобразователькода(ПК)переводит

цифровые субпотоки с уменьшенной в два раза скоростью в биполярный код.

ФильтрыНайквиставыполняютфункциюпредварительнойселекцииспектра.АЧХ

фильтраНайквиста(рис.6.24)имееткососимметричныйсклон.ЧастотаНайквиста

Н

F находитсянауровне3дБотносительномаксимальногокоэффициентапередачи

и ее значение составляет 4

0

В . Склон АЧХ фильтра характеризуется параметром

в н н н

ск

н н

f F F f

F F

- -

a = = . Обычно 35,015,0 K =

СК

 иименуется коэффициентом скруг

ления.Сучетом

СК

 коэффициентрасширенияВЧтракта

p ВЧ С СК

b F В 1 = D = + a , (6.27)

Врезультатевзаимодействиявбалансныхсмесителях(См1иСм2)цифровых

сигналовигармоническихнесущихнаихвыходахобразуютсяспектрысдвумябо

ковымиполосамичастотиподавленнойнесущей.ПосколькунаСм2поступаетгар

моническийсигнал,сдвинутыйфазовращателем(ФВ)на

°90

,товсумматорекомпо

нентыспектровскладываютсяортогонально.

å

ФМ

u (t)

2

0

В

B

=

I

Q

МГцf

H

70 =

( )

00

cos

j w

+t

( )

00

sin

j w

+t

2/

01

BB =

2/

01

BB =

0

2Т

0

Т

ЦС

0

B

2/

1

BF

=

2/

1

BF

=

Рисунок6.23–СтруктурнаясхемамодулятораQPSK

( )

fK

f

0

в

f

н

F

дБ3 -

н

f

Рисунок6.24–ГрафикАЧХФНЧНайквиста

Если принять, что в Iканале при “0” фаза ° =0

 и при “1” ° =180

 , а в Q

каналекуказаннымзначениямдобавляетсяфазовыйсдвиг

°90

,торезультирующие

значенияфазиамплитудможноотобразитьвекторнойдиаграммой(рис.6.25).Каж

дыйвыходнойрадиосимволимеетпостояннуюамплитудуисодержитдвабитаин

формации,одинизкоторыхвзятизI,адругойизQветвей.Четыревозможныхсо

четаниябит врадиосимволесоответствует четырем значениямначальныхфаз (45,

135,225и315°).

I

Q

00

0111

° = 0

° = 90

° =180

° = 270



P

U



2

1

UUUU

= + =

2

21

=

P

Рисунок6.25–ВекторнаядиаграммаQPSK сигнала.

6.5.4ДемодуляторQPSK

Основной задачей когерентного QPSK демодулятора является восстановле

ниесточностьюдофазынесущегоколебаниясчастотой

0

f .Длявосстановленияне

сущейчастотыиспользуетсясхемаСифорова,содержащаяумножительчастотына4

иГУНсФАПЧ.Восстановлениенесущей(ВН)осуществляетсяизмодулированного

)(tu

ФМ

входного сигнала. За счет умножения частоты на 4 удается исключить ФМ

модуляцию.

Другимважным устройствомдемодулятора(рис.6.26)являетсявыделитель

тактовойчастоты(ВТЧ),которыйуправляетработойрешающегоустройства(РУ).С

помощьюРУвыноситсязаключениеознакепринятыхсимволов.ПослеРУследует

регенератор,вкоторомвосстанавливаетсяформаимпульсовсдлительностью

0

2T.

Cм1

ВН

См2

ФНЧ

РУ

ВТЧ

РУ

Рг

Рг

ПК

MUX

)(tu

ФМ

2/

0

B

2/

0

B

0

B

Рисунок6.26–СтруктурнаясхемадемодулятораQPSK.

Установленныйвкаждойветвипреобразователькода(ПК)переводитдвупо

лярныйкодводнополярный.Вмультиплексоре(MUX)осуществляетсяпоочередное

считывание значений бит с верхней и нижней ветвей. Выходная скорость потока

данныхсоставляет

0

B .

6.6КомбинированныеметодымодуляциивЦРРСП

6.6.1Квадратурноамплитуднаямодуляциятипа16КАМ

ВЦРСПдляувеличенияспектральнойэффективностиполучилиприменение

модуляторы МКАМ с

16 ³M

. Модуляция высокого порядка эффективна с точки

зренияиспользованияспектра,нотребуетреализациивысокогоОНШдляобеспече

ниязаданной величины

ош

P . При16КАМ кратностьмодуляции 416log

= =m ив

одном символе передается 4 бита информации. Символьная скорость, характери

зующаяэффективностьиспользованияполосы

c вч p

B F b = D ,вчетыреразаменьше,

чемпридвухпозиционнойфазовоймодуляции.

Структурная схема и векторнаядиаграмма(ВД)для16КАМпредставлены

нарисунках 6.27и6.28соответственно.

Вкаждойветвимодулятора16КАМспомощьюЦАПвФУформируетсяче

тырехуровневый сигнал ( 3;1 ± ± ) с длительностью

0

4T. После объединения ортого

нальных сигналов I и Qканалов на выходе сумматора действует амплитудно

фазомодулированныйсигналсчисломразличныхфаз,равным12ичисломразлич

ныхамплитуд,равным3.

å

ФМ

u (t)

4

0

В

B

=

I

Q

МГцf

H

70 =

2/

0

B

2/

0

B

0

2Т

0

Т

ЦС

0

B

0

4Т

0

4Т

3;1 ± ±

Рисунок6.27–Структурнаясхемамодулятора16КАМ

I

Q

+1

+3

+1 +3

1

точки

векторного

созвездия

Рисунок6.28–Векторнаядиаграмма16КАМсигнала

Среднее значениеэнергии, содержащейсяв КАМ сигнале(средняя энергия

посылки)определяетсяпоформуле:

( )

2

КАМ

c

2 М 1

d

E

3 2

× -

= × (6.28)

гдеdевклидоворасстояние,характеризующееминимальноерасстояниеме

ждуточкамисозвездия.

ДляM=16,d=2 10 =

КАМ

c

E .

Максимальноезначениеэнергии,содержащеесявКАМсигнале,определяет

сяпоформуле:

( )

2

КАМ

м

d

E 2 М 1

= × - × (6.29)

ПриМ=16 18 =

КАМ

м

E .

Наосновании(6.28)и(6.29)рассчитаемзначения

мc

ЕE , и

см

ЕE дляМ=4;16;

64ирезультатысведемвтаблицу 6.5

Таблица6.5–Значенияэнергийврадиопосылках

М 4 16 64

с

E

2 10 42

м

E

2 18 98

с

м

E

1 1,8 2,33

Изанализаданныхтаблицыследует,чтосростомМрастетнетолькоэнер

гия, затрачиваемаянапередачурадиопосылок, но иразличие между

м

Е и

c

E , т.е.

пикфактор.

Проведем сравнение энергетическихпоказателейМКАМ иМФМ.Для М

КАМсреднеезначениеэнергиипосылкиопределяетсяформулой(6.28).ДляМФМ

аналогичное выражение можно получить на основании векторной диаграммы, на

пример,16ФМ(рис.6.29).

Очевидно,что



= D ;

c

E

d

22

sin =



,откуда

2

c

2

d

E

4 sin

æ ö

ç ÷

è ø

, (6.30)

16ФМ

d

c

E

1

2

3

4

5

6

7

8

9

10

11

12

13

14

15

16

Рисунок6.29–Векторнаядиаграммасигнала16ФМ

Наосновании(6.28)и(6.30)отношениесоставит:

( )

( )

ФМ

2

c

КАМ 2

2

c

E d 3 4 3

E

2 M 1 sin

4 sin 2 M 1 d

2

× ×

= =

æ ö

× -

ç ÷

× × - ×

ç ÷

è ø

è ø

, (6.31)

Проводярасчетпо6.31дляразныхМможноубедиться,чтосростомМмо

дуляция МФМ проигрывает МКАМ, по энергетической эффективности. При 16

ФМ мощность передатчикадолжнабыть увеличена на 4,14 дБ, чтобыреализовать

приемс16КАМ.

Таблица6.6–РезультатысравненияМКАМиМФМ

М 4 8 16 32 64

КАМ

c

ФМ

c

E

,дБ

0 1,6 4,14 7,01 9,95

ПроигрышМФМпоэнергетикеМКАМсростомМобъясняетсяболеебы

стрым уменьшением евклидового расстояния между точками созвездия у МФМ,

чемуМКАМ.