Квадратурная амплитудная модуляция

ВВЕДЕНИЕ

Основной задачей устройства преобразования сигналов (УПС) является передача цифровых сигналов данных по каналу связи с заданной скоростью и вероятностью ошибки. Эта Для решения данной задачи используются различные методы передачи и модуляции. Выбор конкретного метода определяется рядом факторов, таких, как тип канала связи, характер помех и скорость передачи. При этом необходимо учитывать, чтобы техническая реализация УПС была наиболее простой и экономичной. Для этого необходимо разработать структурную схему системы; рассчитать основные параметры аппаратуры (полосы пропускания, эффективное значение помехи, вероятность ошибок, уровни канала связи на выходе и на входе) и разработать функциональную схему УПС.

Целью данной курсовой работы является разработка схемных решений устройств, реализующих заданные параметры.

В процессе выполнения данной курсовой работы необходимо:

- провести сравнительную характеристику возможных вариантов построения систем передачи информации, удовлетворяющих заданным требованиям;

- выбрать вариант СПИ, обеспечивающий передачу заданного объёма информации за сеанс связи при эффективном использовании каналов связи;

- разработать структурную схему системы передачи информации;

- разработать функциональную схему приёмного и передающего устройства и построить временные диаграммы их работы, а так же спектральные характеристики сигналов в различных сечениях устройства.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ИНФОРМАЦИИ

Для передачи информации на расстояние необходимо передать содержащее эту информацию сообщение. В случае электросвязи все виды информации с помощью соответствующих электронных приборов преобразуются в электрические сигналы, отображающие сообщение.

Источник информации – материальный носитель, необходимый для передачи сообщения.

Сигнал – это материально-энергетическая форма представления информации. Другими словами, сигнал – это переносчик информации, один или несколько параметров которого, изменяясь, отображают сообщение. Такой параметр является информационным параметром сигнала.

Различают непрерывные и дискретные сигналы.

Непрерывным (аналоговым) сигналом называют такой сигнал, у которого в заданном интервале времени можно отсчитать бесконечно большое число значений.

Дискретный сигнал в том же интервале времени имеет конечное число значений. Примером дискретного сигнала является импульсный, т.е. такой, длительность которого соизмерима с длительностью установления переходного процесса в системе, на вход которой он действует.

Описание сигналов электросвязи некоторым образом необходимо для их адекватной обработки в процессе передачи. Описанием сигнала может служить некоторая функция времени. Однако такое полное определение сигнала не всегда требуется.

Для преобразования первичных сигналов электросвязи во вторичные и обратно применяется модуляция сигнала.

Модуля́ ция — процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного модулируемого колебания по закону изменения амплитуды информационного низкочастотного сообщения (сигнала)

Манипуляцией в теории передачи дискретных сообщений называется

процесс преобразования последовательности кодовых символов в последовательность элементов сигнала (частный случай модуляции).

Канал связи— система технических средств и среда распространения сигналов для передачи сообщений (не только данных) от источника к получателю (и наоборот)

Динамическим диапазоном канала называют отношение допустимой максимальной мощности сигнала и его минимальной мощности. Последнюю принимают равной мощности собственных шумов канала.

Для повышения качества связи, расширения числа услуг связи, аналоговые системы передачи переводятся на цифровые. Цифровизация сети позволяет расширить число услуг связи на основе интеграции сетей.

В зависимости от скорости передачи информации сети передачи данных разделяются на:

низкоскоростные (НС) – до 200 бит/с;

среднескоростные (СС) – 600 – 1200 бит/с;

высокоскоростные (ВС) – 2, 4 – 96, 0 Кбит/с.

Виды модуляции

Чтобы осуществить эффективную передачу сигналов в какой-либо среде, необходимо перенести спектр этих сигналов из низкочастотной области в область достаточно высоких частот. Данная процедура получила в радиотехнике название модуляции.

Сущность модуляции заключается в следующем. Формируется некоторое колебание (чаще всего гармоническое), называемое несущим колебанием или просто несущей, и какой-либо из параметров этого колебания изменяется во времени пропорционально исходному сигналу. Исходный сигнал называют модулирующим, а результирующее колебание с изменяющимися во времени параметрами — модулированным сигналом. Обратный процесс — выделение модулирующего сигнала из модулированного колебания — называется демодуляцией.

Классификация видов модуляции:

1) по виду информационного сигнала (модулирующий сигнал);

- непрерывная модуляция (аналоговый сигнал);

- дискретная модуляция (дискретный сигнал);

2) по виду переносчика (или несущей частоты)

- гармоническая (синусоидальный сигнал);

- импульсная (прямоугольный периодический импульс).

3) по виду параметров несущей частоты, которые претерпевают изменения под действием информационного сигнала.

- амплитудная модуляция;

- частотная модуляция;

- фазовая модуляция;

- широтная модуляция;

- широтно-импульсная модуляция (рисунок 1.1).

Рисунок.1.1 – Виды модуляции

Гармонический сигнал общего вида:

S (t) = A cos(ω ₀t+ φ ₀).

У данного сигнала есть три параметра: амплитуда А, частота ω ₀ и начальная фаза φ ₀. Каждый из них можно связать с модулирующим сигналом, получив, таким образом, три основных вида модуляции: амплитудную, частотную и фазовую. Частотная и фазовая модуляция очень тесно взаимосвязаны, поскольку обе они влияют на аргумент функции cos. Поэтому эти два вида модуляции имеют общее название — угловая

модуляция.

В настоящее время все большая часть информации, передаваемой по разнообразным каналам связи, существует в цифровом виде. Это означает, что передаче подлежит не непрерывный (аналоговый) модулирующий сигнал, а последовательность целых чисел п₀, п_1, п₂,..., которые могут принимать значения из некоторого фиксированного конечного множества. Эти числа, называемые символами, поступают от источника информации с периодом Т, а частота, соответствующая этому периоду, называется символьной скоростью: f_T = 1/Т.

Часто используемым на практике вариантом является двоичнаяпоследовательность символов, когда каждое из чисел n_i может принимать одно из двух значений — 0 или 1.

Последовательность передаваемых символов является, очевидно, дискретным сигналом. Поскольку символы принимают значения из конечного множества, этот сигнал фактически является и квантованным, то есть его можно назвать цифровымсигналом.

Типичный подход при осуществлении передачи дискретной последовательности символов состоит в следующем. Каждому из возможных значений символа сопоставляется некоторый набор параметров несущего колебания. Эти параметры поддерживаются постоянными в течение интервала Т, то есть до прихода следующего символа. Фактически это означает преобразование последовательности чисел {n_k} в ступенчатый сигнал S_n(t) с использованием кусочно-постоянной интерполяции:

s_n(t)=f(n_k), kT< t< (k+1)T.

Здесь f — некоторая функция преобразования. Полученный сигнал S_n(t) далее используется в качестве модулирующего сигнала обычным способом.

Такой способ модуляции, когда параметры несущего колебания меняются скачкообразно, называется манипуляцией . В зависимости от того, какие именно параметры изменяются, различают амплитудную (АМ), фазовую (ФМ), частотную (ЧМ). Кроме того, при передаче цифровой

информации может использоваться несущее колебание, отличное по форме

от гармонического. Так, при использовании в качестве несущего колебания последовательности прямоугольных импульсов возможны амплитудно-импульсная (АИМ), широтно-импульсная (ШИМ) и время-импульсная (ВИМ) модуляция. АИМ – амплитудно–импульсная модуляция заключается в том, что амплитуда импульсной несущей изменяется по закону изменения мгновенных значений первичного сигнала.

ЧИМ – частотно–импульсная модуляция. По закону изменения мгновенных значений первичного сигнала изменяется частота следования импульсов несущей.

ВИМ – время–импульсная модуляция, при которой информационным параметром является временной интервал между синхронизирующим импульсом и информационным.

ШИМ – широтно–импульсная модуляция. Заключается в том, что по закону изменения мгновенных значений модулирующего сигнала меняется длительность импульсов несущей.

ФИМ – фазо–импульсная модуляция, отличается от ВИМ методом синхронизации. Сдвиг фазы импульса несущей изменяется не относительно синхронизирующего импульса, а относительно некоторой условной фазы.

ИКМ – импульсно – кодовая модуляция. Ее нельзя рассматривать как отдельный вид модуляции, так как значение модулирующего напряжения представляется в виде кодовых слов.

СИМ – счетно–импульсная модуляция. Является частным случаем ИКМ, при котором информационным параметром является число импульсов в кодовой группе.

При амплитудной манипуляции единичный символ передается ВЧ заполнением, а нулевой отсутствием сигнала. Амплитудно – манипулированный сигнал описывается выражением:

где амплитудный член может принимать М дискретных значений, а фазовый член φ –это произвольная константа. Изображенный на рисунке 1.2 (в) АМ – сигнал может соответствовать радиопередаче с использованием двух сигналов, амплитуды которых равны 0 и .

Амплитудная манипуляция наиболее простая, но вместе с тем наименее помехозащищенная и в настоящее время практически не используется.

При частотной дискретной модуляции (ЧМ, FSK–Frequency Shift Keying) значениям 0 и 1 информационного бита соответствуют свои частоты физического сигнала при неизменной его амплитуде. Общее аналитическое выражение для частотно-манипулированного сигнала имеет следующий вид:

Здесь частота ω _i может принимать М дискретных значений, а фаза φ является произвольной постоянной. Схематическое изображение ЧМ - сигнала приведено на рисунке 1.2 б, где можно наблюдать типичное изменение частоты в моменты переходов между символами.

Частотная модуляция весьма помехоустойчива, поскольку искажению при помехах подвергается в основном амплитуда сигнала, а не частота. При этом достоверность демодуляции, а значит и помехоустойчивость тем выше, чем больше периодов сигнала попадает в бодовый интервал. Но увеличение бодового интервала по понятным причинам снижает скорость передачи информации. С другой стороны, необходимая для этого вида модуляции ширина спектра сигнала может быть значительно уже всей полосы канала. Отсюда вытекает область применения ЧМ – низкоскоростные, но высоконадежные стандарты, позволяющие осуществлять связь на каналах с большими искажениями амплитудно-частотной характеристики, или даже с усеченной полосой пропускания.

При фазовой манипуляции 1 и 0 отличаются фазой высокочастотного колебания. Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:

Здесь фазовая составляющая φ _i(t) может принимать М дискретных значений, обычно определяемых следующим образом:

где Е – это энергия символа;

Т – время передачи символа.

На рисунке 1.2 а приведен пример двоичной (М=2) фазовой манипуляции, где явно видны характерные резкие изменения фазы при переходе между символами.

На практике фазовая манипуляция используется при небольшом числе возможных значений начальной фазы — как правило, 2, 4 или 8. Кроме того, при приеме сигнала сложно измерить абсолютное значение начальной фазы; значительно проще определить относительный фазовый сдвиг между двумя соседними символами. Поэтому обычно используется фазоразностная или относительная фазовая манипуляция.

При фазоразностной модуляции (ДОФМ, ТОФМ, DPSK – Differential Phase Shift Keying) изменяемым в зависимости от значения информационного элемента параметром является фаза сигнала при неизменных амплитуде и частоте. При этом каждому информационному элементу ставится в соответствие не абсолютное значение фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения.

Согласно рекомендаций МККТТ при скорости 2400 бит/с поток данных, подлежащих передаче, разделяется на пары последовательных битов (дибитов), которые кодируются в изменение фазы по отношению к фазе предыдущего элемента сигнала. Один элемент сигнала несет 2 бита информации. Если информационный элемент есть дибит, то в зависимости от его значения (00, 01, 10 или 11) фаза сигнала может измениться на 90, 180, 270 градусов или не измениться вовсе. При тройной относительно-фазовой модуляции или восьмикратной фазоразностной модуляции поток данных, подлежащих передаче, разделяется на тройки последовательных битов (трибитов), которые кодируются в изменение фазы по отношению к фазе предыдущего элемента сигнала. Один элемент сигнала несет 3 бита информации.Фазовая модуляция наиболее информативна, однако увеличение числа кодируемых бит выше трех (8 позиций поворота фазы) приводит к резкому снижению помехоустойчивости. Поэтому на высоких скоростях применяются комбинированные амплитудно-фазовые методы модуляции.

Амплитудно-фазовая манипуляция. Амплитудно-фазовая манипуляция (amplitude phase keying — АРК) — это комбинация схем ASK и PSK. АРК-модулированный сигнал изображен на рис. 1.2 г и выражается как

с индексированием амплитудного так и фазового членов. На рис.1. 2 г можно видеть характерные одновременные (в моменты перехода между символами) изменения фазы и амплитуды АРК-модулированного сигнала. В приведенном примере М=8, что соответствует 8 сигналам (восьмеричной передаче). Возможный набор из восьми векторов сигналов изображен на графике в координатах " фаза-амплитуда". Четыре показанных вектора имеют одну амплитуду, еще четыре — другую. Векторы ориентированы так, что угол между двумя ближайшими векторами составляет 45°.

Рисунок 1.2 – Виды цифровых модуляций

Если в двухмерном пространстве сигналов между М сигналами набора угол прямой, схема называется квадратурной амплитудной модуляцией (quadrature amplitude modulation — QAM).

Импульсная модуляция

Характерной особенностью импульсных видов модуляции является то, что их спектр намного шире спектра сообщения. Его ширина независимо от вида модуляции определяется длительностью одиночного импульса переносчика и простирается от постоянной составляющей до частоты =1/τ и.

Доля мощности, заключенная в составляющих с частотами выше , настолько мала, что эти составляющие можно не учитывать.

Несмотря на относительную широкополосность, спектр сигналов с

импульсной модуляцией расположен в низкочастотной области. Такие сигналы без дальнейших преобразований можно использовать в проводных линиях, однако для непосредственного применения в радиотехнических системах передачи информации они не пригодны. Поэтому для радиопередачи производится повторная модуляция: полученными в результате ИМ видеоимпульсами модулируется гармоническое колебание высокой частоты. В результате на выходе радиопередающего устройства имеется последовательность модулированных радиоимпульсов.

Время-импульсная модуляция

При время-импульсной модуляции (ВИМ) изменяется положение импульсов относительно тактовых точек t_ok немодулированной последовательности. Длительность импульсов и их амплитуда сохраняются неизменными. В соответствии с этим

, U=Uн=const; τ и = const.

Максимальный временной сдвиг импульса относительно тактовой точки называется девиацией импульса. Изменение положения импульса при ВИМ относительно тактовой точки можно рассматривать как изменение «фазы» импульса.

На рисунке 1.7 представлены сигналы при различных видах импульсной модуляции

Рисунок 1.7 – Сигналы при различных видах импульсной модуляции.

Импульсно-кодовая модуляция

Процесс преобразования сигналов АИМ путем кодирования каждой квантованной выборки цифровым кодом) называется импульсно-кодовой модуляцией (ИКМ) или согласно английской абривиатуре (PSM).

Если между соседними отсчетами передаваемого сигнала имеется

значительная корреляция (высокая степень совпадения), которая слабо

убывает по мере увеличения интервала между отсчетами, то возникает возможность применять методы разностного квантования сигнала. Идея состоит в использовании метода кодирования с предсказанием или дифференциальной импульсно-кодовой модуляции (ДИКМ). В этом случае по каналу связи передается разность между действительным значением текущего отсчета сигнала и значением этого же отсчета, предсказанным по предыдущим отсчетам.

В цифровых системах передачи обычно используется гармоническое несущее колебание, один из параметров которого — амплитуда, фаза или частота — манипулируется по закону дискретной последовательности, отображающей кодовую комбинацию.

В зависимости от того, какой параметр выбран в качестве информационного, различают амплитудную манипуляцию (АМ), фазовую манипуляцию (ФМ) и частотную манипуляцию (ЧМ).

На рис. 1.8 приведены формы сигнала при двоичном коде для различных видов дискретной модуляции.

Рисунок 1.8 – Формы сигналов при двоичном коде для различных видов дискретной манипуляции.

При АМ символу 1 соответствует передача несущего колебания в течение времени T (посылка), символу 0 – отсутствие колебания (пауза). При

ЧМ передача несущего колебания с частотой f1 соответствует символу 1, а передача колебания с частотой f0 соответствует 0. При двоичной ФМ меняется фаза несущей на π при каждом переходе от 1 к 0 и от 0 к 1.

На практике применяют систему относительной фазовой модуляции (ОФМ). В отличие от ФМ при ОФМ фазу сигналов отсчитывают не от некоторого эталона, а от фазы предыдущего элемента сигнала. Например, символ 0 передается отрезком синусоиды с начальной фазой предшествующего элемента сигнала, а символ 1 — таким же отрезком с начальной фазой, отличающейся от начальной фазы предшествующего элемента сигнала на π. При ОФМ передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего элемента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения курсового проекта были изучены различные виды модуляции.

В результате выполнения данного курсового проекта было спроектировано устройство преобразования сигналов, основной задачей которого является передача сигналов данных по каналу связи с требуемой скоростью и вероятностью ошибки. Была проведена сравнительная характеристика возможных вариантов построения систем передачи информации для заданных параметров. При выборе наиболее оптимального варианта вида модуляции учитывались такие критерии: помехоустойчивость, требуемая полоса частот, относительная сложность аппаратуры.

Были разработаны структурная и функциональная схемы приемного и передающего устройства, временные диаграммы его работы.

Для его проектирования были рассчитаны параметры системы связи. При данной скорости модуляции была выбрана ДОФМ, обеспечивающая заданную помехоустойчивость на определенной частоте.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

1. Белов С.П. Методические рекомендации по выполнению курсовых проектов (работ) по дисциплине " Теория электрической связи" для студентов специальности 210406 " Сети связи и системы коммутации" /С.П. Белов, Е.И. Прохоренко. – Белгород:, 2005.

2. Гаранин М.В., Журавлев В.И., Кунегин С.В. Системы и сети передачи информации. – М.: " Радио и связь", 2001. – Душин В.К. Теоретические основы информационных процессов и систем: Учебник.- Издательско-торговая корпорация < Дашков и К>, 2004

3. Емельянов Г.А., Шварцман В.О. Передача дискретной информации. – Издательство М., “Радио и связь”, 1982.

4. Марков В.В. Радиорелейная связь. – М., Связь, 1979