3. Фазовая модуляция

Рассмотрим более подробно фазовую модуляцию, так как она довольно часто используется в современных системах передачи информации, например, в модемах, обеспечивающих скорость передачи данных до 2400 бод (4-PSK).

В случае фазовой модуляции фаза несущего сигнала должна изменяться в соответствии с передаваемым сообщением f(t).

где Δφ – предельное изменение фазы от модуляции передаваемым сообщением. Сигнал при фазовой модуляции можно записать, как

Ф азомодулированный сигнал обладает повышенной помехоустойчивостью, что объясняется тем, что такой параметр как фаза переносчика менее других параметров сигнала подвержена губительному воздействию помех. Например, для обеспечения уровня ошибок не более 10^-4 (1 ошибка на 10000 переданных сигналов) при амплитудной модуляции требуется, чтобы эффективное напряжение сигнала U_АМэф. было на порядок выше эффективного значения помехи U_п.эф.: параметр q=U_АМэф./U_п.эф.>10, при частотной модуляции q≥6, а при фазовой q≈2.

При передаче цифровых сообщений говорят о фазовой манипуляции – PSK (Phase Shift Keying). Фазоманипулированный (ФМ) сигнал представляет собой отрезок гармонического колебания с изменяющейся на 180° фазой:

первый сигнал, соответствующий «1»: S₁(t)=A₀·cos ω₀t;

второй сигнал, соответствующий «0»: S₂(t)=A₀·cos(ω₀t+), 0≤t≤Tc.

Демодулятор при приеме таких сигналов решает задачу о том, в какой области находится принятый сигнал (верхней или нижней) (рис.2.8а).

а) б)

Рис.2.8. Фазовая диаграмма сигнала: а) 2ФМ, б) 4ФМ (4-PSK)

Причем, когда область принятия решений состоит только из двух частей, вероятность ошибки наименьшая. Для одновременной передачи более одного двоичного сигнала чаще всего используют многократную фазовую манипуляцию 4ФМ, 8ФМ, 16ФМ, 32ФМ и т.д. Помехоустойчивость при этом снижается, однако если 2ФМ переносит один двоичный сигнал, то 4ФМ (квадратичная фазовая манипуляция 4-PSK)– два таких сигнала (рис.2.8б), 8ФМ – сразу четыре.

Этот же подход можно использовать для кодирования не одного, а нескольких битов одновременно. В частности в модемах, обеспечивающих скорость передачи данных до 1200 бит/с (но только 600 бод), с фазовой манипуляцией 4-PSK, данные передаются по два бита, причем используются следующие сдвиги фаз: для комбинации битов 00 – 0°, для 01 – 90°, для 10 – 180°, для 11 – 270° (протокол V.22). Для скорости 4800 бит/с (но 1600 бод) используют 8ФМ модуляцию и кодируют различными фазами 8 комбинаций из 3 битов (протокол V.27).

Практическая реализация демодуляторов ФМ сигналов встречает определенные трудности, связанные с созданием опорного (несущего) напряжения с неизменной начальной фазой. Поэтому часто применяют систему относительной фазовой модуляции (ОФМ) - DPSK, в которой полезная информация содержится не в абсолютном значении фазы сигнала (отсчитываемой от некоторого эталона), а в разности начальных фаз двух соседних сигналов. Так для двоичных сигналов для передачи символа «0» начальная фаза передаваемого колебания сохраняется неизменной по отношению к начальной фазе колебания на интервале длительности предшествующего символа. Для передачи «1» начальная фаза колебания поворачивается на 180°.

Аналогично организуется и многократная относительная фазовая модуляция. При этом передача начинается с посылки одного не несущего информации элемента, который служит опорным сигналом для сравнения фазы последующего колебания. Такой тип модуляции (4-DPSK) применяется модемах в соответствии с протоколом V.32 для скорости передачи 4800 бит/с.

Современные модемы для обеспечения высокой помехоустойчивой связи при высоких скоростях передачи информации используются более скоростные методы модуляции, например, для скоростей 12000 bps в протоколах V.32bis и V.33 предусмотрена модуляция типа 64-ТСМ, а для 14400 – 128-ТСМ. При этом используют комбинированную квадратурно-амплитудную и фазовую модуляции.