637_Nosov_V.I._Seti_radiodostupa_CH.2_

Министерство информационных технологий и связи РФ Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики

В.И. Носов

СЕТИ РАДИОДОСТУПА часть 2

Учебное пособие

Новосибирск 2006 г.

1

621.396.43

Дтн, профессор Носов В.И. СЕТИ РАДИОДОСТУПА. Часть 2: Учебное пособие/СибГУТИ. – г. Новосибирск, 2006 г. – 256 стр.

Данное учебное пособие является вторым в цикле пособий по сетям радиодоступа.

Вучебном пособии излагаются:

–методы модуляции в сетях радиодоступа, параметры и обработка (фильтрация) модулирующего сигнала в модуляторе и демодуляторе; амплитудная модуляция, параметры модулированного сигнала;

–частотная модуляция, демодуляторы ЧМ сигналов, модуляция минимальным сдвигом, тактовая и цикловая синхронизация;

–многопозиционная фазовая модуляция, модуляторы и когерентные демодуляторы, восстановление фазы опорного сигнала;

–многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция, модуляторы и демодуляторы, основные характеристики сигналов с М-КАМ;

–определение вероятности ошибки при многопозиционной фазовой и квадратурной амплитудной модуляции;

–кодированная модуляция – совместное использование кодирования и модуляции, решетчатое кодирование.

Кафедра систем радиосвязи

Рецензенты: профессор М.А. Быховский, профессор В.П. Кубанов.

Для специальностей: направление 210400 – телекоммуникации

Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ в качестве учебного пособия

© Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, 2006 г.

2

2.1Расстояние между тонами для ортогональной передачи частотномодулированных сигналов ………………………………………………. 22

2.2Частотная модуляция минимальным сдвигом ……………………… 30

2.3Синхронизация цифрового сигнала …………………………………. 37 2.3.1 Тактовая синхронизация …………………………………………… 37 2.3.2 Кадровая синхронизация …………………………………………... 44

Контрольные вопросы …………………………………………………… 50 3 ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ …………………………………………….. 51

3.2.1Четырехпозиционная фазовая модуляция ………………………... 64

3.2.2Четырехпозиционная относительная фазовая модуляция со сдвигом ……………………………………………………………………. 70

3.2.3Модуляция π4DQPSK ……………………………………………. 72

3.2.4 Демодуляция сигналов четырехпозиционной фазовой модуляции 81

3.2.4.1Демодулятор сигналов 4-ОФМ и 4-ОФМС …………………….. 81

3.2.4.2Демодулятор сигналов π4 DQPSK …………………………… 86

3.2.5Восьмипозиционная фазовая модуляция …………………………. 88 3.2.5.1 Модулятор восьмипозиционной фазовой модуляции …………. 88 3.2.5.2 Демодулятор 8-ОФМ …………………………………………….. 99

3.2.6Восстановление несущей частоты (опорного сигнала) при М-

4.2Шестнадцатипозиционная КАМ …………………………………….. 114

4.3Тридцатидвухпозиционная КАМ …………………………………… 123

4.4Шестидесятичетырехпозиционная КАМ ………………………….. 134

4.5Основные параметры сигналов М-КАМ ……………………………. 148

5.1Вероятность ошибки при М-ФМ ……………………………………. 158

5.2Вероятность ошибки при М-КАМ …………………………………... 162

5.2.1 Схемы BPSK и QPSK имеют одинаковые вероятности ошибки … 171

3

6 КОДИРОВАННАЯ МОДУЛЯЦИЯ …………………………………… 175

6.1Минимальная ширина полосы пропускания по Найквисту ……... 177

6.2Пропускная способность канала ……………………………………….. 178

6.3Определение параметров систем цифровой связи ………………….. 184 6.3.1 Системы с ограниченной полосой пропускания ………………….. 186 6.3.2 Система с ограниченной полосой пропускания без кодирования .. 187 6.3.3 Система с ограниченной мощностью и полосой пропускания с кодированием ……………………………………………………………… 191 6.3.4 Расчет эффективности кодирования ………………………………. 197 6.3.5 Выбор кода …………………………………………………………... 198

6.4Вероятность ошибки для модулированных и кодированных

сигналов 201

………………………………………………………………………….

6.5 Пример реализации совместного кодирования и модуляции ……... 207 Контрольные вопросы 219 7 РЕШЕТЧАТОЕ КОДИРОВАНИЕ …………………………………….. 220

7.1Истоки решетчатого кодирования …………………………………….. 221

7.2Кодирование ТСМ ……………………………………………………... 223 7.2.1 Разбиение Унгербоека ……………………………………………. 223

7.3.1Ошибочное событие и просвет ……………………………………. 227

7.3.2Эффективность кодирования ……………………………………… 229

7.3.3Эффективность кодирования для схемы 8-PSK при

……………………………………

7.4 Другие решетчатые коды …………………………………………… 232

7.4.1Параллельные пути ………………………………………………… 232

7.4.2Решетка с восемью состояниями …………………………………. 232

7.4.3Решетчатое кодирование для схемы QAM ………………………... 233 7.5 Пример решетчатого кодирования …………………………………. 234 7.6 Построение решетчатого (TCM) кодера ……………………………... 241

4

ВВЕДЕНИЕ

Учебное пособие «Сети радиодоступа. Часть 2.» предназначено для студентов вузов, обучающихся по специальностям 210405 «Радиосвязь, радиовещание и телевидение», 210404 «Многоканальные телекоммуникационные системы» и слушателей курсов переподготовки специалистов.

Данное учебное пособие является вторым в серии учебных пособий, посвященных изложению принципов построения и описанию работы отдельных узлов и элементов сетей радиодоступа. Во второй части учебного пособия излагаются методы модуляции, используемые в аппаратуре сетей радиодоступа.

Основное внимание в учебном пособии уделяется наиболее распространенным методам модуляции – частотной, фазовой, амплитуднофазовой (квадратурной амплитудной) и их разновидностей.

При описании частотной модуляции особое внимание уделено модуляции с непрерывной фазой, в частности модуляции с минимальным сдвигом. При этом рассматривается расстановка частот при использовании некогерентного и когерентного детектирования частотно-модулированных сигналов. Излагаются также вопросы обеспечения тактовой (символьной) и кадровой (цикловой) синхронизации при приеме цифровых сигналов.

Подробно рассматривается наиболее часто используемая в сетях радиодоступа многопозиционная фазовая модуляция. При изложении вопросов построения модуляторов и демодуляторов двухпозиционной фазовой модуляции подробно описаны их структурные схемы и особенности обработки в них сигналов. Уделено внимание устранению неопределенности фазы опорного сигнала в демодуляторе с использованием метода дифференциального (относительного) кодирования цифровых сигналов на входе модулятора и выходе демодулятора. Так же изложены вопросы построения модемов для четырехпозиционной фазовой модуляции и ее разновидностей – со сдвигом в одном из квадратурных каналов и с фазовым сдвигом 4 . Нашли отражение в этом разделе и вопросы построения схем

модуляторов и демодуляторов при восьмипозиционной фазовой модуляции. Особое внимание уделено изложению вопросов восстановления опорного сигнала в когерентном демодуляторе при многопозиционной фазовой модуляции.

В последние годы достаточно часто в аппаратуре сетей радиодоступа стала использоваться спектрально-эффективная многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция. Вначале рассмотрены общие принципы построения модуляторов и демодуляторов для таких методов модуляции. Рассмотрены вопросы размещения потоков символов модулирующих сигналов на фазово-амплитудной плоскости модулятора. Уделено внимание формированию созвездий сигнальных точек при различной позиционности модуляции. Даны так же определения и расчетные формулы для определения

5

основных параметров сигналов с многопозиционной квадратурной амплитудной модуляцией.

Для рассмотренных видов модуляции даны основные выражения и построены кривые зависимости вероятности ошибки от отношения энергии бита к спектральной плотности мощности шума.

Достаточно большой интерес с точки зрения повышения помехоустойчивости приема сигналов в сетях радиодоступа представляет совместное использование кодирования и модуляции. Рассмотрены вопросы определения параметров систем цифровой связи для каналов с ограниченной полосой и ограниченной мощностью при использовании кодирования, выбора кода и определения эффективности кодирования.

Особый интерес для каналов с ограниченной полосой представляет система кодирования и модуляции без расширения полосы частот, занимаемой модулированным и кодированным сигналом. Такой вид модуляции и кодирования получил название решетчатого кодирования. изложены основные принципы решетчатого кодирования для различных видов модуляции.

6

1.МЕТОДЫ МОДУЛЯЦИИ

Свыхода кодера канала, рассмотренного в первой части учебного пособия, цифровой сигнал поступает на модулятор. В модуляторе импульсы цифрового сигнала преобразуются в требуемую форму и изменяют (модулируют) один из параметров гармонического сигнала (синусоиды), который называется несущей (carrier) и имеет более высокую частоту, чем модулирующий сигнал. Далее модулированный сигнал преобразуется в антенне

вэлектромагнитное поле и излучается в пространство. Использование модуляции высокочастотной несущей цифровым сигналом позволяет в значительной мере уменьшить геометрические размеры антенн, которые соизмеримы с длиной волны.

Итак, рассматриваемый вид модуляции предусматривает преобразование информационного (цифрового) сигнала в гармонический (синусоидальный) сигнал, в котором может изменяться амплитуда, частота, фаза или их комбинации

где A(t) – амплитуда, 0 – частота и (t) – фаза несущей частоты.

Всоответствии с (1.1) существует три основных метода модуляции:

амплитудная;

частотная;

фазовая.

Каждый из перечисленных методов модуляции имеет большое число различных вариантов, существуют и комбинации перечисленных методов модуляции, например, амплитудно-фазовая модуляция. Все рассматриваемые методы модуляции можно представить на выходе модулятора в виде высокочастотной несущей, модулированной по одному из параметров (амплитуде, частоте или фазе) цифровым сигналом с выхода кодера канала.

Для получения желаемых характеристик модулированного сигнала (малой ширины занимаемого спектра частот, заданного распределения спектральных составляющих в заданной полосе частот и т.п.), цифровому сигналу (импульсам) перед подачей его на модулятор с помощью специальных преобразований или фильтров придается определенная форма, они иногда перекодируются, преобразуются в многопозиционные сигналы и т.п.

В приемнике в результате детектирования, фильтрации и регенерации из принятого модулированного высокочастотного сигнала стремятся восстановить исходную информацию, т.е. цифровой сигнал.

Если для детектирования сигналов приемник использует информацию о фазе несущей, процесс называется когерентным детектированием; если подобная информация не используется, процесс именуется некогерентным детектированием.

7

Вообще, в цифровой связи термины демодуляция и детектирование часто используются как синонимы, хотя демодуляция делает акцент на восстановлении сигнала, а детектирование – на принятии решения относительно символьного значения принятого сигнала. При идеальном когерентном детектировании приемник содержит прототипы каждого из возможных значений принятого сигнала. Эти сигналы-прототипы дублируют алфавит переданных сигналов по всем параметрам, даже по фазе несущей частоты, т.е. приемник автоматически подстраивается под фазу входного сигнала. В процессе демодуляции приемник перемножает и интегрирует входной сигнал с каждым прототипом (определяет корреляцию).

Некогерентная демодуляция относится к системам, использующим демодуляторы, спроектированные для работы без знания абсолютной величины фазы входного сигнала; следовательно, определение фазы в этом случае не требуется. Таким образом, преимуществом некогерентных систем перед когерентными системами является простота, а недостатком – большая вероятность ошибки (Рb).

При использовании когерентного детектирования требуется гармонический опорный сигнал, синхронизированный по частоте и фазе с принимаемым модулированным сигналом. Такой опорный сигнал можно получить либо с помощью специально передаваемого вспомогательного сигнала, либо в результате соответствующей обработки принимаемого модулированного сигнала.

Для некогерентного детектирования синхронизация опорного сигнала под фазу принимаемого модулированного сигнала не требуется.

На выходе детектора устанавливается регенератор, имеющий в своем составе решающее устройство (РУ) и выделитель тактовой частоты (ВТЧ) из принимаемого сигнала.

1.1 Фильтрация модулирующего сигнала в модуляторе и демодуляторе

Чаще всего модулирующий цифровой сигнал формируется в коде NRZ, характеристики которого подробно описаны в первой части учебного пособия [23]. Временная диаграмма и нормированная спектральная плотность мощности G(F) цифрового сигнала в коде NRZ представлена на рис. 1.1, где тактовая частота следования модулирующих символов длительностью Т равна

T T

Обычно в модуляторе и демодуляторе устанавливаются фильтры нижних частот (ФНЧ), которые предназначены для формирования максимально узкого спектра в модуляторе и выделения сигнала на фоне шума в демодуляторе.

Известно, что при сужении полосы пропускания ФНЧ менее FT = 1/T (где T длительность модулирующего символа) в сигнале на выходе ФНЧ возникают межсимвольные искажения, которые вызываются наложением друг на друга

8

откликов фильтра на соседние символы.

u(t)

t

T

0.5

б)

Рис. 1.1 Временная диаграмма а и нормированная спектральная плотность мощности б цифрового сигнала

Таким образом, комплексная огибающая выходного сигнала фильтра на интервале действия k-го символа будет зависеть от вида последовательности из i предыдущих и последующих символов. Значение i зависит от соотношения полосы фильтра и скорости передачи.

Для минимизации межсимвольных искажений используются ФНЧ со специальными импульсными характеристиками, которые обеспечивают контролируемый уровень межсимвольных искажений. К таким фильтрам относятся фильтры Найквиста, импульсная характеристика которых рис. 1.3 пересекает нулевой уровень с периодом равным длительности символа, а амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) рис. 1.2 имеет нечетную симметрию относительно частоты среза по уровню 0,5, при этом частота среза ФНЧ fср = FT/2 = l/2T.

Таким образом, при использовании фильтра Найквиста независимо от формы входной последовательности в моменты времени кратные длительности символов, сигнал отклика фильтра будет определяться только одним текущим символом. Варианты формы АЧХ фильтров Найквиста показаны на рис. 1.2. Представленные варианты АЧХ характеризуются дополнительным параметром α, который определяет крутизну АЧХ в переходной области и скорость затухания боковых всплесков импульсной характеристики фильтра. Параметр α получил название roll off factor или коэффициент скругления. Широко распространена

9