Принцип работы цифровых систем связи

Звуковая информация (голос) преобразуется в цифровой формат (рис. 1) модулируется высокочастотным сигналом (рис. 2) и передается в эфир по традиционным физическим законам.

Если исходная информация поступает уже в цифровом виде (терминал данных, компьютер, сеть цифровой связи, Интернет и т.п.), то никакого преобразования не требуется. Для предотвращения потерь информации при передаче по эфиру используются разнообразные алгоритмы коррекции ошибок.

Процесс оцифровки и кодирования голоса осуществляется специальным устройством – вокодером. Именно от него зависит алгоритм кодирования. Разные системы цифровой связи основываются на разных вокодерах. Именно вокодером обеспечивается совместимость (или не совместимость) различных систем цифровой связи. Например, в системах APCO 25 используется вокодер IMBE, а в EDACS – вокодер Aegis (APCO Р25, EDACS - цифровые

системы профессиональной радиосвязи).

Процесс аналогово-цифрового преобразования в общем случае включает и процедуру квантования (дискретизации непрерывной величины по времени, уровню или по обоим параметрам одновременно) и кодирования.

При кодировании выделенные в процессе квантования мгновенные значения исходной величины измеряются, и результаты фиксируются в виде цифрового (в данном случае двоичного) кода. При попадании в приемник, цифровой сигнал декодируется и, с помощью процедуры цифро-аналогового преобразования, восстанавливается исходный аналоговый сигнал.

Рисунок 1 - Иллюстрация аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования

Чаще всего используются три метода модуляции[1] цифрового сигнала (рис.2). Цифровой сигнал, представляющий поток двоичных символов 0 и 1 накладывается на несущую – аналоговый высокочастотный сигнал постоянной амплитуды и частоты.

При амплитудной манипуляции (ASK amplitude-shift keying), модулируемая волна изменяет амплитуду сигнала (например, с высокого уровня на низкий) в соответствии с двоичной информацией.

При частотной манипуляции (FSK frequency-shift keying), поток битов представлен изменениями между двумя частотами.

При фазовой манипуляции (PSK phase-shift keying), амплитуда и частота остается постоянной, а поток битов представлен изменениями фазы модулированного сигнала.

Рисунок 2 – Простейшие виды модуляции

Фундаментальным отличием аналоговых систем связи от цифровых является только метод подготовки и кодирования исходной информации. Высокочастотная же часть радиостанций, отвечающая за прием и передачу радиоволн, остается практически идентичной во всех видах радиосвязи. Причем ситуация не меняется уже свыше 100 лет, со времен демонстрации первой системы связи в 1895 году. При всех достижениях технологии, фундаментальным физическим законам альтернативы пока нет.

Если в аналоговых системах исходная информация практически без изменений передается в эфир (естественно в виде высокочастотной электромагнитной энергии), то в цифровых системах по эфиру передается только двоичный код.

TETRA – одна из основных цифровых транкинговых систем связи, поэтому представляет интерес рассмотреть процессы модуляции и демодуляции сигнала в данной системе более подробно. Устройство, осуществляющее модуляцию и демодуляцию, принято называть модемом. Модем отвечает за преобразование сигнала, фильтрацию и тот тип модуляции, который используется в системе.

9.2 Модуляция π/4-DQPSK

Для передачи сигнала по радиоканалу стандарт TETRA предлагает использовать относительную (дифференциальную) квадратурную фазовую модуляцию со сдвигом символов π/4 (международное обозначение - π/4-DQPSK). Иногда авторы в публикациях указывают PI/4, наверное, с целью упрощения набора на компьютере.Этот тип модуляцииприменяется также в системах связи DAMPS, IS-54, PDC, PHS.
Модуляция π/4-DQPSK позволяет формировать компактный спектр радиосигнала с малым уровнем внеполосных излучений при высокой скорости передачи информации и приемлемой помехоустойчивости. Кроме того, прием данного сигнала может осуществляться на разнообразные типы демодуляторов от простейшего частотного дискриминатора до когерентных демодуляторов, что немаловажно при построении радиоприемных устройств различного класса. Эти особенности с учетом высокой стоимости радиочастотного спектра в современных условиях создают веские предпосылки для широкого применения данного вида модуляции.

Рассмотрим процессы модуляции и демодуляции сигнала в системе TETRA более подробно. Для этого вспомним понятия фазовой манипуляции.

Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:

где определяет огибающую сигнала; является модулирующим сигналом. может принимать дискретных значений. — частота несущей; t — время. Если , то фазовая манипуляция называется двоичной фазовой манипуляцией (BPSK, B-Binary — 1 бит на 1 смену фазы), если — квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK, Q-Quadro — 2 бита на 1 смену фазы), (8-PSK — 3 бита на 1 смену фазы) и т. д. Таким образом, количество бит , передаваемых одним перескоком фазы, является степенью, в которую возводится двойка при определении числа фаз, требующихся для передачи -порядкового двоичного числа.

Фазоманипулированный сигнал можно рассматривать как линейную комбинацию двух ортонормированных сигналов и ^[1]:

где

Таким образом, сигнал можно считать двухмерным вектором . Если значения отложить по горизонтальной оси, а значения — по вертикальной, то точки с координатами и будут образовывать пространственные диаграммы, показанные на рисунках (фазовые созвездия).

а) двоичная фазовая манипуляция (BPSK)

б) квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)

в) Восьмеричная фазовая манипуляция (8-PSK)

Рисунок 3 – Примеры фазовых созвездий

При реализации сигнала π/4 DQPSK сигнальное созвездие формируется, по сути дела, при использовании двух созвездий QPSK, наложенных со сдвигом 45°. В результате в сигнале присутствуют восемь точек сигнального созвездия, причем символы выбираются поочередно то из одного созвездия QPSK, то из другого.

Рисунок 4 - Фазовое созвездие для квадратурной π/4-QPSK

Здесь изображены два отдельных созвездия использующие кодирование Грея, которые повёрнуты на 45°(π/4) относительно друг друга (сравни с рис. 3,б). Обычно, чётные и нечётные биты используются для определения точек соответствующего созвездия. Результат - уменьшение максимального скачка фазы с 180° до 135°.

Рисунок 5 - Векторная диаграмма для модуляции π/4 QPSK

Это приводит к тому, что в каждом передаваемом символе фаза несущей будет меняться, а это упрощает процессы синхронизации. Данные, как во всех дифференциальных методах кодируются в направлении перемещения сигнальной точки (сдвиге фазы), а не в абсолютном расположении сигнальной точки на векторной диаграмме, что позволяет использовать некогерентные виды приема.

По умолчанию, если это не оговаривается особо, для π/4 DQPSK приняты следующие правила кодирования (Default Modulation Mapping):

Сигнальное кодирование (Mapping) для модуляции π/4 DQPSK /
Комбинация битов (дибит) Перемещение сигнальной точки по отношению к предыдущей (Phase Difference, Phase Change)

00 / + π / 4 (45°)
01 / +3π / 4 (135°)
10 / − π / 4 (-45°; 225°)
11 / −3π/ 4 (-135°; 315°)

Как показывают рисунки ниже, такой алгоритм перемещения сигнальной точки применяется для любой точки сигнального созвездия.

Рисунок 6 - Алгоритм перемещения сигнальной точки при использовании Греевского кодирования для модуляции π/4 QPSK

Достоинством модуляции π/4 DQPSK, обусловившим ее широкое применение в системах связи, является то, что траектория сигнальной точки не проходит через начало координат. Кроме того, сигнал π /4 DQPSK с фильтрацией вида корня поднятого косинуса RRC (Root Raised Cosine), имеет лучшую спектральную эффективность, чем сигнал GMSK.

9.3 Модулятор π/4 DQPSK

Функциональная схема модулятора приведена на рис. 7. Вид сигналов в различных точках схемы показан на рис. 8. Формирование сигнала происходит в несколько этапов.

На первом этапе поступающие на вход модулятора биты цифрового сигнала объединяются попарно в т. н. дибиты. На рис. 8 границы дибитов отмечены пунктирными линиями. Каждому i-му дибиту в дешифраторе ставится в соответствие приращение фазового угла Δφ_i .

Рисунок 7 - π/4-DQPSK модулятор

Такая процедура снижает скорость цифрового потока в два раза, так как два информационных бита кодируются одним значением фазового угла. Зависимость между дибитом и приращением фазового угла приведена в таблице 1.

Рисунок 8 - Форма сигналов в отдельных точках модулятора

Затем в накапливающем сумматоре, состоящем из линии задержки на длительность дибита и сумматора, происходит суммирование изменений фазы, в результате чего формируется фаза сигнала φ_i. На рис. 9 показана комплексная плоскость с отображением возможных позиций фазы. Из рисунка видно, что возможны 8 положений вектора с фазовыми углами кратными, π/4.

Таблица 1

Рисунок 9 - Отображение возможных положений фазы сигнала на комплексной плоскости при π/4-DQPSK модуляции

На следующем этапе в соответствии со структурной схемой в функциональных преобразователях вычисляются квадратурные компоненты комплексной огибающей сигнала.

I_Si =cos(φ_i) - синфазная компонента;
Q_Si =sin(φ_i) - квадратурная компонента.

Сформированный сигнал в точках а и b структурной схемы рис.7 имеет вид последовательности дельта-функций с ограниченным набором нормированных значений амплитуды: 0, ± ,±1.

Импульсный сигнал поступает на формирующие фильтры низкой частоты (ФНЧ). Эти фильтры предназначены для формирования спектра радиосигнала и определенной формы его комплексной огибающей. Данные фильтры являются важнейшими элементами модулятора и демодулятора. Их характеристики отвечают определенным требованиям, которые будут рассмотрены ниже, здесь отметим лишь, что на их выходе квадратурные компоненты приобретают сглаженный вид, соответствующий импульсным характеристикам фильтров.

Сглаженные квадратурные компоненты представим в следующем виде:

I_Si (t)=А_С(t)cos(φ_i); Q_Si (t)=A_S(t)sin(φ_i),

где А_C(t), А_S(t), - амплитуды компонент.

На рис. 8 с, d показана приблизительная форма квадратурных компонент без учета задержки сигнала в ФНЧ. Однако принципиальным является то, что квадратурные компоненты плавно меняются на интервале дибита.

Генератор и фазовращатель формируют квадратурные колебания несущей или промежуточной частоты f₀. После попарного перемножения квадратурных компонент и суммирования получим π/4-DQPSK сигнал.

Математически эти операции можно представить следующим образом:

, (1)

где - огибающая сигнала,

tg - фаза сигнала.

Сформированный сигнал при необходимости переносится на несущую частоту, усиливается и излучается в эфир. Следует отметить еще одну важную особенность π/4-DQPSK модуляции. Из приведенных пояснений следует, что обработка каждого дибита связана с плавным изменением фазы сигнала. А, как известно, скорость изменения фазы можно рассматривать как частотную модуляцию. При π/4-DQPSK модуляции возможны две скорости изменения фазы: большая - при обработке дибитов, требующих изменения фазы на ±3π/4, и меньшая при изменении фазы на ±π/4. Значения девиации можно найти из выражения

, (2)

где Т - длительность дибита.

Подставив известные значения: Т =1/18 кГц, Δφ₁=3 π/4, Δφ₂= π/4, получим Δf₁ =6,75 кГц, Δf₂ =2,25 кГц. Отсюда следует, что при передаче рассмотренного ранее поля коррекции частоты последовательно излучается частота на 6,75 кГц ниже несущей, затем на 2,25 кГц выше и снова на 6,75 кГц ниже, что позволяет при необходимости проводить синхронизацию несущей частоты на приемной стороне.

Таким образом, π/4-DQPSK модуляцию можно рассматривать как разновидность четырехуровневой частотной модуляции.

Из приведенного описания основных этапов формирования сигнала видно, что реализация модулятора может быть выполнена при широком использовании цифровых элементов. Например, учитывая периодичность тригонометрических функций и ограниченный набор значений фазовых углов, приведенная схема от входа до точек а и b может быть реализована с помощью известных схем дешифраторов, т. е. без математических вычислений.

9.4 Демодуляция π/4-DQPSK сигнала

Как отмечается в литературе [1,2], прием π/4-DQPSK сигнала может осуществляться на демодуляторы различных типов. Наличие в сигнале четырехуровневой частотной модуляции позволяет принимать сигнал на обычный частотный детектор, однако при этом простота реализации детектора обменивается на ухудшение помехоустойчивости приема. Прием на когерентные демодуляторы, обладающие высокими характеристиками по помехоустойчивости, резко усложняет приемник.

Для пояснения принципов демодуляции π/4-DQPSK сигнала рассмотрим квадратурный демодулятор с синхронизацией по частоте. Его структурная схема показана на рис. 10.

Рисунок 10 - Структурная схема π/4-DQPSK додулятора

На вход демодулятора поступает сигнал, соответствующий формуле (1). Цепь, состоящая из генератора опорной частоты с автоподстройкой (АПЧ) и фазовращателя, формирует квадратурные опорные колебания, синхронизированные с несущей частотой сигнала. В точках а и b сигнал разделяется на квадратурные компоненты

; , (3)

где _k (t) - фаза сигнала при передаче k-ого дибита, Ψ - случайная начальная фаза опорного колебания.

Далее квадратурные компоненты фильтруются ФНЧ, параметры которых идентичны параметрам формирующих фильтров в модуляторе. Благодаря специально подобранной АЧХ ФНЧ значения амплитуды сигнала в квадратурных каналах можно считать постоянными, поэтому при дальнейшем анализе примем А_C(t)= A_S(t) =1.

В дифференциальном декодере осуществляется компенсация начальной фазы Ψ и восстановление относительности приращений фазы на интервале принимаемых дибитов.

Математически эти операции представляются следующим образом:

Таким образом, в точках c и d формируются сигналы с относительными уровнями

Их соотношение в квадратурных каналах однозначно определяет принятый дибит. Необходимая перекодировка осуществляется в дешифраторе.

Приведенное описание процедуры демодуляции π/4-DQPSK показывает, что этот процесс более сложный, чем формирование сигнала. В отличие от модулятора в демодуляторе сигнал представлен в непрерывном виде, и для его обработки необходимо использовать аналитические операции, которые могут быть реализованы в аналоговом виде или с помощью цифровых сигнальных процессоров.

Следует отметить, что при описании процесса демодуляции не рассматривались вопросы синхронизации несущей и опорной частот, а также тактовой синхронизации потока дибитов. Эти процедуры необходимы для работы устройства, однако выходят за границы данного материала.

Поиск по сайту: