Чотирипозиційна фазова модуляція (qpsk)

З теорії зв'язку відомо, що найвищою помехоустойчивостью володіє двоичная фазова модуляція BPSK. Однак в ряді випадків за рахунок зменшення завадостійкості каналу зв'язку можна збільшити його пропускну здатність. Більш того, при застосуванні завадостійкого кодування можна більш точно планувати зону, що охоплюються системою мобільного зв'язку.

У чотирьохпозиційної фазової модуляції використовуються чотири значення фази несучого коливання. В цьому випадку фаза y (t) сигналу, що описується виразом (25) повинна приймати чотири значення: 0 °, 90 °, 180 ° і 270 °. Однак частіше використовуються інші значення фаз: 45 °, 135 °, 225 ° і 315 °. Такий вид уявлення квадратурной фазової модуляції наведено на малюнку 1.

Малюнок 1. Полярна діаграма сигналу чотирьохпозиційної фазової модуляції QPSK

На цьому ж малюнку представлені значення біт, переданих кожним станом фази несучого коливання. Кожне стан здійснює передачу відразу двох біт корисної інформації. При цьому вміст біт вибрано таким чином, щоб перехід до сусіднього станом фази несучого коливання за рахунок помилки прийому приводив не більше ніж до одиночної бітової помилку.

Зазвичай для формування сигналу QPSK модуляції використовується квадратура модулятор. Для реалізації квадратурного модулятора буде потрібно два помножувача і суматор сигналів. На входи умножителей можна подавати вхідні бітові потоки безпосередньо в коді NRZ. Структурна схема такого модулятора наведена на малюнку 2.

Малюнок 2. Структурна схема модулятора QPSK - NRZ

Так як при цьому виді модуляції протягом одного символьного інтервалу передається відразу два біта вхідного бітового потоку, то символьна швидкість цього виду модуляції становить 2 біта на символ. Це означає, що при реалізації модулятора слід розділяти вхідний потік на дві складових - синфазну складову I і квадратурну складову Q. Синхронізацію наступних блоків слід вести з символьної швидкістю.

При такій реалізації спектр сигналу на виході модулятора виходить нічим не обмежений і його приблизний вигляд наведений на малюнку 3.

Малюнок 3. Спектр сигналу чотирьохпозиційної фазової модуляції QPSK, модульованого сигналом NRZ

Природно, цей сигнал можна обмежити по спектру за допомогою смугового фільтра, включеного на виході модулятора, проте так ніколи не роблять. Набагато ефективніше працює фільтр Найквіста. Структурна схема квадратурного модулятора сигналу QPSK, побудована з використанням фільтра Найквіста приведена на малюнку 4.

Малюнок 4. Структурна схема модулятора QPSK з використанням фільтра Найквіста

Фільтр Найквиста можна реалізувати тільки з використанням цифрової техніки, тому в схемі, наведеній на рисунку 17, перед квадратурних модулятором передбачений цифро-аналоговий перетворювач (ЦАП). Особливістю роботи фільтра Найквіста є те, що в проміжках між відліковими точками сигнал на його вході повинен бути відсутнім, тому на його вході стоїть формувач імпульсів, що видає сигнал на свій вихід тільки в момент відлікових точок. Весь інший час на його виході присутній нульовий сигнал.

Приклад форми переданого цифрового сигналу на виході фільтра Найквіста наведено на малюнку 5.

Малюнок 5. Приклад тимчасової діаграми сигналу Q при чотирьохпозиційної фазової модуляції QPSK

Так як для звуження спектра радіосигналу в передавальному пристрої використовується фільтр Найквіста, то міжсимвольні спотворення в сигналі відсутні тільки в сигнальних точках. Це чітко видно по Глазкової діаграмі сигналу Q, наведеної на малюнку 6.

Малюнок 6. глазковая діаграма сигналу на вході Q модулятора

Крім звуження спектра сигналу, застосування фільтра Найквіста призводить до зміни амплітуди формованого сигналу. У проміжках між відліковими точками сигналу амплітуда може, як зростати по відношенню до номінального значення, так і зменшуватися майже до нульового значення.

Для того щоб відстежити зміни, як амплітуди сигналу QPSK, так і його фази краще скористатися векторною діаграмою. Векторна діаграма того ж самого сигналу, що наведено на малюнках 5 і 6, показана на малюнку 7.

Малюнок 7 векторна діаграма QPSK сигналу c # 945; = 0.6

Зміна амплітуди сигналу QPSK видно і на осциллограмме сигналу QPSK на виході модулятора. Найбільш характерний ділянку тимчасової діаграми сигналу, наведеного на малюнках 6 і 7, показаний на малюнку 8. На цьому малюнку чітко видно як провали амплітуди несучої модульованого сигналу, так і збільшення її значення щодо номінального рівня.

Малюнок 8. тимчасова діаграма QPSK сигналу c # 945; = 0.6

Сигнали на малюнках 5. 8 наведені для випадку використання фільтра Найквіста з коефіцієнтом скруглення a = 0.6. При використанні фільтра Найквіста з меншим значенням цього коефіцієнта вплив бічних пелюсток імпульсної характеристики фільтра Найквіста буде позначатися сильніше і явно простежуються на малюнках 6 і 7 чотири шляхи проходження сигналів зіллються в одну безперервну зону. Крім того, зростуть викиди амплітуди сигналу щодо номінального значення.

Малюнок 9 - спектрограмма QPSK сигналу c # 945; = 0.6

Присутність амплітудної модуляції сигналу призводить до того, що в системах зв'язку, що використовують цей вид модуляції, доводиться використовувати високолінійний підсилювач потужності. На жаль, такі підсилювачі потужності мають низький ККД.

Частотна модуляція з мінімальним розносом частот MSK дозволяє зменшити ширину смуги частот, займаних цифровим радіосигналом в ефірі. Однак навіть цей вид модуляції не задовольняє всім вимогам, що пред'являються до сучасних радіосистемам мобільного зв'язку. Зазвичай сигнал MSK в радіопередавачі дофільтровивают звичайним фільтром. Саме тому з'явився ще один вид модуляції з ще більш вузьким спектром радіочастот в ефірі.

1. "Проектування радіоприймальних пристроїв" під ред. А.П. Сіверса - М. "Вища школа" 1976 стор. 6
2. Палшков В.В. "Радіоприймальні пристрої" - М. "Радио и связь« 1984 стр. 32

Разом зі статтею "Чотирипозиційна фазова модуляція (QPSK)" Новомосковскют: