Рассмотрим открытий цикл регулирования мощности (менее точный). Подвижная станция после включения ищет сигнал базовой станции. После синхронизации подвижной станции по этому сигналу производится замер его мощности и вычисляется мощность передаваемого сигнала, необходимая для обеспечения соединения с базовой станцией. Вычисления основываются на том, что сумма уровней предполагаемой мощности излучаемого сигнала и мощности принятого сигнала должна быть постоянна и равна 73 дБ. Если уровень принятого сигнала, например, равен 85 дБ, то уровень излученной мощности должен быть равен ± 12 дБ. Этот процесс повторяется каждые 20 мс, но он все же не обеспечивает желаемой точности регулировки мощности, так как прямой и обратный каналы работают в разных частотных диапазонах (разнос частот 45 МГц) и, следовательно, имеют различные уровни затухания при распространении и по-разному подвержены воздействию помех.

Рассмотрим процесс регулирования мощности при замкнутом цикле. Механизм регулирования мощности при этом позволяет точно отрегулировать мощность передаваемого сигнала. Базовая станция постоянно оценивает вероятность ошибки в каждом принимаемом сигнале. Если она превышает программно заданный порог, то базовая станция дает команду соответствующей подвижной станции увеличить мощность излучения. Регулировка осуществляется с шагом 1 дБ. Этот процесс повторяется каждые 1,25 мс. Цель такого процесса регулирования заключается в том, чтобы каждая подвижная станция излучала сигнал минимальной мощности, которая достаточна для обеспечения приемлемого качества речи. За счет того, что все подвижные станции излучают сигналы необходимой для нормальной работы мощности, и не более; их взаимное влияние минимизируется, и абонентская емкость системы подрастает.

Подвижные станции должны обеспечивать регулирование выходной мощности в широком динамическом диапазоне – до 85 дБ.

6.2.12. Формирование QPSK сигнала

В системе CDMA IS-95 применяются квадратурная фазовая манипуляция

(QPSK – Quadrature Phase-shift Keying) базовой и смещенная QPSK в подвиж-

ных станциях. При этом информация извлекается путем анализа изменения фазы сигнала, поэтому фазовая стабильность системы - критичный фактор при обеспечении минимальной вероятности появления ошибки в сообщениях. Применение смещенной QPSK позволяет снизить требования к линейности усилителя мощности подвижной станции, так как амплитуда выходного сигнала при этом виде модуляции изменяется значительно меньше. До того, как интерференционные помехи будут подавлены методами цифровой обработки сигналов, они должны пройти через высокочастотный тракт приемника и не вызвать насыщения малошумящего широкополосного усилителя (МШУ) и смесителя. Это

заставляет разработчиков системы искать баланс между динамическими и шумовыми характеристиками приемника.

При квадратурной фазовой манипуляции двум битам соответствует 4 значения фазы излучаемого сигнала в зависимости от значений этих битов (рис. 6.39), то есть одним значением фазы можно передать сразу значение 2 битов.

Рис. 6.39. Диаграмма значений фазы при QPSK модуляции

Поток данных делится на четные и нечетные биты (рис. 6.40). Далее процесс идет параллельно в синфазном и квадратурном каналах. После преобразования в NRZ (non-return-to-zero – без возврата к нулю) кодере получается двухполярный сигнал (рис. 6.41). Затем сигнал модулируется с помощью двух ортогональных функций. После суммирования сигналов двух каналов получим квадратурно модулированный (QPSK) сигнал.

Рис. 6.40. Схема формирования QPSK сигнала

Рис. 6.41. Код без возврата к нулю

Модулированный сигнал во временной области показан на рис. 6.42 и представляет собой короткий отрезок случайной битовой последовательности. На рисунке видны фрагменты синусоиды и косинусоиды, используемые в синфазном и квадратурном каналах. На рисунке использована битовая последовательность: 1 1 0 0 0 1 1 0 , которая делится на последовательность четных и нечетных битов. Ниже показан суммарный QPSK сигнал.

Рис. 6.42. QPSK сигнал во временной области

На приемной стороне происходит обратный процесс (рис. 6.43). В каждом канале используется согласованный фильтр. Детектор соответствующего канала использует относительную величину порога для принятия решения: принят 0 или 1. Анализ идет по кадрам, соответствующим времени передачи одного символа.

В мобильный станциях используется смещенная квадратурная модуляция (OQPSK – Offset QPSK). В одном из каналов битовую последовательность задерживают на время, соответствующее половине длительности передаваемого символа. В этом случае составляющий синфазного и квадратурного каналов никогда не изменяют свой фазовый сдвиг одновременно (рис. 6.44). Максимальный скачок фазы составляет 90 градусов. Это делает флюктуации амплитуды сигнала значительно меньшими. Данный эффект

туды сигнала значительно меньшими. Данный эффект хорошо виден при сравнении с QPSK модуляцией той же битовой последовательностью (рис. 6.42).

Рис. 6.43. Демодуляций QPSK сигнала в приемнике

Рис. 6.44. ОQPSK сигнал во временной области

Передача сообщений в стандарте IS-95 осуществляется кадрами. Используемые принципы приема позволяют анализировать ошибки в каждом информационном кадре. Если количество ошибок превышает допустимый уровень, приводящий к недопустимому ухудшению качества речи, этот кадр стирается

(frame erasure).

С частотой ошибок или " частотой стирания битов " однозначно связано отношение энергии информационного символа к спектральной плотности шума Eo/No. На рис. 6.45 приведены зависимости вероятности ошибки в кадре (Prob. Frame Error) от величины отношения Eo/No для прямого и обратного каналов с учетом модуляции, кодирования и перемежения.

При увеличении количества активных абонентов в соте из-за взаимных помех отношение Eo/No снижается, а частота ошибок увеличивается. В этой связи разные фирмы принимают свои допустимые значения частоты ошибок. Например, фирма Motorola считает допустимой для CDMA IS-95 частоту ошибок в 1%, что соответствует с учетом замираний отношению Eo/No =7 – 8 дБ. При этом пропускная способность систем IS-95 в среднем в 15 раз превышает пропускную способность аналоговых систем AMPS.

Фирма Qualcomm за допустимую величину частоты ошибок принимает значение 3%. Это является одной из причин, по которым Qualcomm заявляет, что емкость CDMA IS-95 в 20 - 30 раз превышает емкость аналоговых AMPS.

Отношение Eo/No = 7 – 8 дБ и допустимая частота ошибок в 1% позволяет организовать 60 активных каналов на трехсекторную соту. Зависимость количества активных каналов связи (ТСН) для обратного канала от величины отношения Eo/No для 3-х секторной соты показана на рис. 6.46.

Рис.6.45. Зависимость вероятности ошибки в кадре от уровня сигнала

Как следует из названия, quadrature phase shift keying (QPSK) – квадратурная фазовая манипуляция является модификацией двоичной фазовой манипуляции - binary phase shift keying (BPSK). Вспомните, что метод BPSK на самом деле представляет собой DSBSC модуляцию с цифровым сообщением в качестве модулирующего сигнала. Важно отметить, что при BPSK модуляции информация передается последовательно бит за битом. QPSK также является разновидностью DSBSC модуляции, однако здесь передаются по два бита в течение каждого интервала времени, не используя другую несущую частоту.

В связи с тем, что при QPSK биты передаются парами, может возникнуть иллюзия, что скорость передачи в два раза выше, чем при BPSK. На самом деле, преобразование последовательности одиночных бит в последовательность сдвоенных бит обязательно снижает скорость передачи в два раза, что не позволяет получить выигрыш в скорости.

Тогда зачем этот метод модуляции нужен? Снижение в два раза скорости передачи сигналов методом QPSK позволяет занимать в два раз меньший участок радиочастотного спектра, чем BPSK сигнал. Это дает возможность увеличить количество абонентов в канале связи.

На рисунке 1 приведена блок-схема реализации математической модели QPSK модулятора.

На входе модулятора четные биты (с номерами 0, 2, 4 и т.д.) выделяются с помощью “расщепителя бит” из потока данных и перемножаются с несущей, формируя BPSK сигнал, обозначенный как PSKI. В то же время, нечетные биты (с номерами 1, 3, 5 и т.д.) также выделяются из потока данных и перемножаются с той же несущей, сдвинутой на 90°, формируя второй BPSK сигнал, обозначенный PSK Q . В этом и заключается принцип работы QPSK модулятора.

Перед передачей QPSK сигнала два BPSK сигнала просто складываются и, поскольку они имеют одну и ту же несущую частоту, эти сигналы занимают один и тот же участок спектра. Однако, для того чтобы разделить сигналы, несущие которых сдвинуты на 90º, требуется приемник с фазовым дискриминатором.

На рисунке 2 приведена блок-схема реализации математической модели QPSK демодулятора.

В приведенной схеме демодуляцию двух BPSK сигналов независимо и одновременно осуществляют два детектора на основе умножителей. На выходах детекторов появляются пары битов исходных данных, которые с помощью компаратора очищаются от искажений, и собираются в исходную последовательность с помощью 2-разрядного параллельно-последовательного преобразователя.

Чтобы понять, каким образом каждый детектор выделяет только один BPSK сигнал, а не оба вместе, вспомните, что детектирование DSBSC сигналов обладает “чувствительностью” к фазовому сдвигу. Таким образом, прием сообщения будет оптимальным, только в том случае, если несущие колебания передатчика и приемника будут точно совпадать по фазе. Важно отметить, что при фазовом рассогласовании 90º прием сообщения становится невозможным, т.к. амплитуда восстановленного сигнала становится равной нулю. Другими словами, сообщение полностью подавляется.

QPSK демодулятор данное обстоятельство превращает в преимущество. Обратите внимание, что детекторы произведения на рисунке 2 используют одну несущую, но для одного из детекторов несущая сдвинута на 90°. В этом случае один детектор восстанавливает данные из одного BPSK сигнала, одновременно подавляя другой BPSK сигнал, а второй детектор восстанавливает второй BPSK сигнал, подавляя первый BPSK сигнал.

ЛикБез > Радиосвязь

Четырехпозиционная фазовая модуляция (QPSK)

Из теории связи известно, что наивысшей помехоустойчивостью обладает двоичная фазовая модуляция BPSK. Однако в ряде случаев за счет уменьшения помехоустойчивости канала связи можно увеличить его пропускную способность. Более того, при применении помехоустойчивого кодирования можно более точно планировать зону, охватываемую системой мобильной связи.

В четырехпозиционной фазовой модуляции используются четыре значения фазы несущего колебания. В этом случае фаза y(t) сигнала, описываемого выражением (25) должна принимать четыре значения: 0°, 90°, 180° и 270°. Однако чаще используются другие значения фаз: 45°, 135°, 225° и 315°. Такой вид представления квадратурной фазовой модуляции приведен на рисунке 1.

На этом же рисунке представлены значения бит, передаваемых каждым состоянием фазы несущего колебания. Каждое состояние осуществляет передачу сразу двух бит полезной информации. При этом содержимое бит выбрано таким образом, чтобы переход к соседнему состоянию фазы несущего колебания за счет ошибки приема приводил не более чем к одиночной битовой ошибке.

Обычно для формирования сигнала QPSK модуляции используется квадратурный модулятор. Для реализации квадратурного модулятора потребуется два умножителя и сумматор. На входы умножителей можно подавать входные битовые потоки непосредственно в коде NRZ. Структурная схема такого модулятора приведена на рисунке 2.

Так как при этом виде модуляции в течение одного символьного интервала передается сразу два бита входного битового потока, то символьная скорость этого вида модуляции составляет 2 бита на символ. Это означает, что при реализации модулятора следует разделять входной поток на две составляющих - синфазную составляющую I и квадратурную составляющую Q. Синхронизацию последующих блоков следует вести с символьной скоростью.

При такой реализации спектр сигнала на выходе модулятора получается ничем не ограниченный и его примерный вид приведен на рисунке 3.

Рисунок 3. Спектр сигнала четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK, модулированного сигналом NRZ

Естественно, этот сигнал можно ограничить по спектру при помощи полосового фильтра, включенного на выходе модулятора, однако так никогда не делают. Намного эффективнее работает фильтр Найквиста. Структурная схема квадратурного модулятора сигнала QPSK, построенная с использованием фильтра Найквиста приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема модулятора QPSK с использованием фильтра Найквиста

Фильтр Найквиста можно реализовать только с использованием цифровой техники, поэтому в схеме, приведенной на рисунке 17, перед квадратурным модулятором предусмотрен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Особенностью работы фильтра Найквиста является то, что в промежутках между отсчетными точками сигнал на его входе должен отсутствовать, поэтому на его входе стоит формирователь импульсов, выдающий сигнал на свой выход только в момент отсчетных точек. Все остальное время на его выходе присутствует нулевой сигнал.

Пример формы передаваемого цифрового сигнала на выходе фильтра Найквиста приведен на рисунке 5.

Рисунок 5. Пример временной диаграммы сигнала Q при четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK

Так как для сужения спектра радиосигнала в передающем устройстве используется фильтр Найквиста, то межсимвольные искажения в сигнале отсутствуют только в сигнальных точках. Это отчетливо видно по глазковой диаграмме сигнала Q, приведенной на рисунке 6.

Кроме сужения спектра сигнала, применение фильтра Найквиста приводит к изменению амплитуды формируемого сигнала. В промежутках между отсчетными точками сигнала амплитуда может, как возрастать по отношению к номинальному значению, так и уменьшаться почти до нулевого значения.

Для того чтобы отследить изменения, как амплитуды сигнала QPSK, так и его фазы лучше воспользоваться векторной диаграммой. Векторная диаграмма того же самого сигнала, что приведен на рисунках 5 и 6, показана на рисунке 7.

Рисунок 7 векторная диаграмма QPSK сигнала c a = 0.6

Изменение амплитуды сигнала QPSK видно и на осциллограмме сигнала QPSK на выходе модулятора. Наиболее характерный участок временной диаграммы сигнала, приведенного на рисунках 6 и 7, показан на рисунке 8. На этом рисунке отчетливо видны как провалы амплитуды несущей модулированного сигнала, так и увеличение ее значения относительно номинального уровня.

Рисунок 8. временная диаграмма QPSK сигнала c a = 0.6

Сигналы на рисунках 5 ... 8 приведены для случая использования фильтра Найквиста с коэффициентом скругления a = 0.6. При использовании фильтра Найквиста с меньшим значением этого коэффициента влияние боковых лепестков импульсной характеристики фильтра Найквиста будет сказываться сильнее и явно прослеживающиеся на рисунках 6 и 7 четыре пути прохождения сигналов сольются в одну непрерывную зону. Кроме того, возрастут выбросы амплитуды сигнала относительно номинального значения.

Рисунок 9 – спектрограмма QPSK сигнала c a = 0.6

Присутствие амплитудной модуляции сигнала приводит к тому, что в системах связи, использующих этот вид модуляции, приходится использовать высоколинейный усилитель мощности. К сожалению, такие усилители мощности обладают низким кпд.

Частотная модуляция с минимальным разносом частот MSK позволяет уменьшить ширину полосы частот, занимаемых цифровым радиосигналом в эфире. Однако даже этот вид модуляции не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам мобильной связи. Обычно сигнал MSK в радиопередатчике дофильтровывают обычным фильтром. Именно поэтому появился еще один вид модуляции с еще более узким спектром радиочастот в эфире.

• При квадратурной модуляции со сдвигом QPSK (Offset QPSK ) разовые (одномоментные) фазовые перемещения сигнальной точки ограничены 90 градусами. Одновременные ее перемещения по I и Q каналам, т.е. переход на 180 градусов невозможны, что исключает перемещение сигнальной точки через нуль

Одним из недостатков канонической квадратурной фазовой модуляции является то, что при одновременной смене символов в обоих квадратурных каналах модулятора в сигнале QPSK происходит скачок фазы несущей на 180°. При формировании сигнала обычной QPSK в этот момент происходят перемещения сигнальной точки через нуль, то есть имеются перемещения сигнальной точки на 180 градусов. В момент такого перемещения происходит уменьшение амплитуды формируемого РЧ сигнала до нуля.

Подобные значительные изменения сигнала нежелательны, поскольку приводят к увеличению полосы частот сигнала. Для усиления такого сигнала, имеющего значительную динамику, требуются высоколинейные тракты передачи и, в частности, усилители мощности. Исчезновение РЧ сигнала в момент перехода сигнальной точки через нуль ухудшает и качество функционирования систем синхронизации радиооборудования.

На рисунке ниже сравнивается перемещение сигнальной точки на векторной диаграмме для первых двух символов последовательности — от состояния 11 к 01 для традиционной QPSK и для QPSK со сдвигом.

Сравнение перемещений сигнальной точки с QPSK (слева) и OQPSK (справа) для двух символов 11 01

Для обозначения OQPSK используют ряд терминов: cдвиговая QPSK, офсетная QPSK, QPSK модуляция со смещением, четырехфазная ФМ со сдвигом. Эта модуляция используется, например, в системах CDMA для организации канала связи вверх, в устройствах стандарта ZigBee.

• Формирование OQPSK
  

В модуляции ОQPSK используется то же самое сигнальное кодирование, что и в QPSK. Отличие заключается в том, что перемещение от одного модуляционного состояния к другому (от одной точки в созвездии до другой) выполняется за два шага. Вначале, в тактовый момент в начале символа изменяется компонента I и после половины символа — компонента Q (или наоборот).
Для этого квадратурные компоненты информационной последовательности I(t) и Q(t) смещаются во времени на длительность одного информационного элемента Т=Ts/2, т.е. на половину длительности символа, как показано на рисунке.

Формирование сигналов QPSK и OQPSK для последовательности 110100101110010011

При таком смещении компонентных сигналов каждое изменение фазы формируемого сигнала, по очереди производимое квадратурными сигналами, определяется лишь одним элементом исходной информационной последовательности, а не одновременно двумя (дибитом), как при QPSK. В результате переходы фазы на 180° отсутствуют, так как каждый элемент исходной информационной последовательности, поступающий на вход модулятора синфазного или квадратурного канала, может вызвать изменение фазы лишь на 0, +90° или -90°.

Резкие фазовые перемещения сигнальной точки при формировании сигнала OQPSK происходят вдвое чаще по сравнению с QPSK, так как компонентные сигналы не изменяются одновременно, но они нерезкие. Другими словами, величина фазовых переходов является в OQPSK меньшей по сравнению с QPSK, но частота их вдвое больше.

Частота фазовых переходов сигналов QPSK и OQPSK для повторяющейся битовой последовательности 1101

В традиционной схеме квадратурного модулятора формирование сигнала QPSK можно получить, применив в одном из управляющих квадратурных каналов задержку компонентов цифрового сигнала на длительность бита Т.

Если при формировании OQPSK используется соответствующий фильтр, перемещение между различными точками сигнального созвездия может быть выполнено почти полностью по окружности (рисунок). В результате амплитуда формируемого сигнала остается почти постоянной.

Фазоманипулированный сигнал имеет вид:

где и – постоянные параметры, – несущая частота.

Информация передается посредством фазы . Так как при когерентной демодуляции в приемнике имеется несущая , то путем сравнения сигнала (3.21) с несущей вычисляется текущий сдвиг фазы . Изменение фазы взаимнооднозначно связано с информационным сигналом .

Двоичная фазовая манипуляции (BPSK – Binary Phase Shift Keying)

Множеству значений информационного сигнала ставится в однозначное соответствие множество изменений фазы . При изменении значения информационного сигнала фаза радиосигнала изменяется на 180º. Таким образом, сигнал BPSK можно записать в виде

Следовательно, . Таким образом, для осуществления BPSK достаточно умножить сигнал несущей на информационный сигнал, который имеет множество значений . На выходе модулятора сигналы

, .

Рис. 3.38. Временная форма и сигнальное созвездие сигнала BPSK:

а – цифровое сообщение; б – модулирующий сигнал; в – модулированное ВЧ-колебание; г – сигнальное созвездие

Временная форма сигнала и его созвездие показаны на рис.3.38.

Подвидом семейства BPSK является дифференциальная (относительная) BPSK (DBPSK). Необходимость относительной модуляции обусловлена тем, что большинство схем восстановления несущей частоты приводят к фазовой неоднозначности восстановленной несущей. В результате восстановления может образоваться постоянный фазовый сдвиг, кратный 180º. Сравнение принимаемого сигнала с восстановленной несущей приведет в этом случае к инвертированию (изменению значений всех битов на противоположные). Этого можно избежать, если кодировать не абсолютный сдвиг фазы, а его изменение относительно значения на предыдущем битовом интервале. Например, если на текущем битовом интервале значение бита изменилось по сравнению с предыдущим, то изменяется и значение фазы модулированного сигнала на 180º, если осталось прежним, то фаза также не изменяется.

Спектральная плотность мощности сигнала BPSK совпадает с плотностью сигнала OOK за исключением отсутствия в спектре сигнала несущей частоты:

, (3,22)

Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK – Quadrature Phase Shift Keying)

Квадратурная фазовая манипуляция является четырехуровневой фазовой манипуляцией ( =4), при которой фаза высокочастотного колебания может принимать 4 различных значения с шагом, кратным π / 2 .

Соотношение между сдвигом фазы модулированного колебания из множества и множеством символов (дибитов) цифрового сообщения устанавливается в каждом конкретном случае стандартом на радиоканал и отображается сигнальным созвездием рис.3.39. Стрелками показаны возможные переходы из одного фазового состояния в другое.

Из рисунка видно, что соответствие между значениями символов и фазой сигнала установлено таким образом, что в соседних точках сигнального созвездия значения соответствующих символов отличаются лишь в одном бите. При передаче в условиях шума наиболее вероятной ошибкой будет определение фазы соседней точки созвездия. При указанном кодировании, несмотря на то, что произошла ошибка в определении значения символа, это будет соответствовать ошибке в одном (а не двух) бите информации. Таким образом, достигается снижение вероятности ошибки на бит. Указанный способ кодирования называется кодом Грея.

Каждому значению фазы модулированного сигнала соответствует 2 бита информации, и поэтому изменение модулирующего сигнала при QPSK-модуляции происходит в 2 раза реже, чем при BPSK-модуляции при одинаковой скорости передачи информации. Известно, что спектральная плотность мощности многоуровневого сигнала совпадает со спектральной плотностью мощности бинарного сигнала при замене символьного интервала на символьный . Для четырехуровневой модуляции =4 и, следовательно, .

Спектральная плотность мощности QPSK-сигнала при модулирующем сигнале с импульсами прямоугольной формы на основании (3.22) определяется выражением:

.

Из данной формулы видно, что расстояние между первыми нулями спектральной плотности мощности сигнала QPSK равно , что в 2 раза меньше, чем для сигнала BPSK. Другими словами, спектральная эффективность квадратурной модуляции QPSK в 2 раза выше, чем бинарной модуляции ВPSK.

Сигнал QPSK можно записать в виде

где .

Сигнал QPSK можно представить в виде синфазной и квадратурной составляющих

где - синфазная составляющая - го символа,