Diketahui dari teori komunikasi bahwa modulasi fasa biner BPSK mempunyai kekebalan terhadap kebisingan yang paling tinggi. Namun, dalam beberapa kasus, dengan mengurangi kekebalan kebisingan pada saluran komunikasi, throughputnya dapat ditingkatkan. Selain itu, dengan menerapkan pengkodean tahan kebisingan, area yang dicakup oleh sistem komunikasi seluler dapat direncanakan dengan lebih akurat.

Modulasi fase empat posisi menggunakan empat nilai fase pembawa. Dalam hal ini, fase y(t) dari sinyal yang dijelaskan oleh ekspresi (25) harus mengambil empat nilai: 0°, 90°, 180° dan 270°. Namun, nilai fase lain yang lebih umum digunakan: 45°, 135°, 225° dan 315°. Jenis representasi modulasi fase kuadratur ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar 1. Diagram kutub sinyal modulasi fase empat posisi QPSK.

Gambar yang sama menunjukkan nilai bit yang disampaikan oleh setiap keadaan fase pembawa. Setiap negara bagian mengirimkan dua bit informasi berguna sekaligus. Dalam hal ini, isi bit dipilih sedemikian rupa sehingga transisi ke keadaan fase pembawa yang berdekatan karena kesalahan penerimaan menyebabkan tidak lebih dari satu kesalahan bit.

Biasanya, modulator kuadratur digunakan untuk menghasilkan sinyal modulasi QPSK. Untuk mengimplementasikan modulator kuadratur, Anda memerlukan dua pengali dan . Input pengganda dapat diberikan dengan aliran bit input langsung dalam kode NRZ. modulator seperti itu ditunjukkan pada Gambar 2.

Gambar 2. Diagram blok modulator QPSK – NRZ

Karena dalam hal ini dua bit aliran bit masukan ditransmisikan sekaligus selama satu interval simbol, kecepatan simbol dari jenis modulasi ini adalah 2 bit per simbol. Ini berarti bahwa ketika mengimplementasikan modulator, aliran input harus dibagi menjadi dua komponen - komponen sefasa I dan komponen kuadratur Q. Blok berikutnya harus disinkronkan pada kecepatan simbol.

Dengan implementasi ini, spektrum sinyal pada keluaran modulator menjadi tidak terbatas dan bentuk perkiraannya ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Spektrum sinyal QPSK yang dimodulasi oleh sinyal NRZ.

Secara alami, spektrum sinyal ini dapat dibatasi menggunakan filter bandpass yang disertakan pada output modulator, tetapi hal ini tidak pernah dilakukan. Filter Nyquist jauh lebih efisien. Diagram blok modulator kuadratur sinyal QPSK, yang dibuat menggunakan filter Nyquist, ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Diagram blok modulator QPSK menggunakan filter Nyquist

Filter Nyquist hanya dapat diimplementasikan dengan menggunakan teknologi digital, sehingga pada rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 4, disediakan konverter digital-ke-analog (DAC) di depan modulator kuadratur. Keunikan pengoperasian filter Nyquist adalah pada interval antar titik acuan tidak boleh ada sinyal pada masukannya, oleh karena itu pada masukannya terdapat pembentuk pulsa yang mengeluarkan sinyal ke keluarannya hanya pada waktu titik acuan. Selebihnya, ada sinyal nol pada outputnya.

Contoh bentuk sinyal digital yang ditransmisikan pada keluaran filter Nyquist ditunjukkan pada Gambar 5. Sinyal pada grafik tampak kontinu karena frekuensi sampling yang cukup tinggi.

Gambar 5. Contoh diagram pewaktuan sinyal Q untuk modulasi fase QPSK empat posisi

Karena filter Nyquist digunakan pada perangkat transmisi untuk mempersempit spektrum sinyal radio, tidak ada distorsi antarsimbol pada sinyal hanya pada titik sinyal. Hal ini terlihat jelas dari diagram mata sinyal Q yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Gambar 6. Diagram mata sinyal pada input modulator Q

Selain mempersempit spektrum sinyal, penggunaan filter Nyquist menyebabkan perubahan amplitudo sinyal yang dihasilkan. Dalam interval antara titik referensi sinyal, amplitudo dapat meningkat sehubungan dengan nilai nominal atau menurun hingga hampir nol.

Untuk melacak perubahan amplitudo sinyal QPSK dan fasenya, lebih baik menggunakan diagram vektor. Diagram fasor dari sinyal yang sama ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6 ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7 diagram vektor sinyal QPSK dengan α = 0,6

Perubahan amplitudo sinyal QPSK juga terlihat pada osilogram sinyal QPSK pada keluaran modulator. Bagian paling khas dari diagram pengaturan waktu sinyal yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7 ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar ini menunjukkan penurunan amplitudo pembawa sinyal termodulasi dan peningkatan nilainya relatif terhadap level nominal.

Gambar 8. Timing diagram sinyal QPSK dengan α = 0,6

Sinyal pada Gambar 5...8 ditunjukkan untuk kasus penggunaan filter Nyquist dengan faktor pembulatan a = 0,6. Saat menggunakan filter Nyquist dengan nilai koefisien yang lebih rendah, pengaruh lobus samping dari respons impuls filter Nyquist akan memiliki efek yang lebih kuat dan empat jalur sinyal yang terlihat jelas pada Gambar 6 dan 7 akan bergabung menjadi satu zona kontinu. . Selain itu, lonjakan amplitudo sinyal akan meningkat relatif terhadap nilai nominalnya.

Gambar 9 – spektogram sinyal QPSK dengan α = 0,6

Kehadiran modulasi amplitudo sinyal mengarah pada fakta bahwa dalam sistem komunikasi yang menggunakan jenis modulasi ini, perlu menggunakan penguat daya yang sangat linier. Sayangnya, power amplifier tersebut memiliki efisiensi yang rendah.

Modulasi frekuensi dengan jarak frekuensi minimal memungkinkan pengurangan bandwidth frekuensi yang ditempati oleh sinyal radio digital di udara. Namun, jenis modulasi ini pun tidak memenuhi semua persyaratan untuk sistem radio bergerak modern. Biasanya sinyal MSK pada pemancar radio disaring dengan filter konvensional. Itulah sebabnya jenis modulasi lain muncul dengan spektrum frekuensi radio yang lebih sempit di udara.

Literatur:

1. "Desain perangkat penerima radio" ed. AP Sivers - M.: "Sekolah Tinggi" 1976 hal
2. Palshkov V.V. "Perangkat Penerima Radio" - M.: "Radio dan Komunikasi" 1984 hal

Bersamaan dengan artikel "Modulasi fase empat posisi (QPSK)" baca:

http://situs/UGFSvSPS/modul/DQPSK/

http://situs/UGFSvSPS/modul/BPSK/

http://situs/UGFSvSPS/modul/GMSK/

http://situs/UGFSvSPS/modul/FFSK/

Modulasi fase digital adalah metode serbaguna dan banyak digunakan untuk transmisi data digital secara nirkabel.

Pada artikel sebelumnya, kita melihat bahwa kita dapat menggunakan perubahan diskrit pada amplitudo atau frekuensi pembawa sebagai cara untuk merepresentasikan satu dan nol. Tidak mengherankan jika kita juga dapat merepresentasikan data digital menggunakan fase; Metode ini disebut dengan Phase Shift Keying (PSK).

Penguncian pergeseran fasa biner

Jenis PSK yang paling sederhana disebut penguncian pergeseran fasa biner (BPSK), di mana "biner" mengacu pada penggunaan dua pergeseran fasa (satu untuk logika satu dan satu untuk logika nol).

Kita dapat secara intuitif mengenali bahwa sistem akan lebih dapat diandalkan jika pemisahan antara dua fase ini besar - tentu saja, penerima akan kesulitan membedakan simbol dengan offset fase 90° dari simbol dengan offset fase 91°. Kami memiliki rentang fase 360° untuk dikerjakan, sehingga perbedaan maksimum antara fase logika satu dan logika nol adalah 180°. Tapi kita tahu bahwa mengubah gelombang sinus 180° sama dengan membalikkannya; Dengan demikian, kita dapat menganggap BPSK hanya membalikkan sinyal pembawa sebagai respons terhadap satu keadaan logis dan membiarkannya dalam keadaan semula sebagai respons terhadap keadaan logis lainnya.

Untuk mengambil langkah selanjutnya, kita ingat bahwa mengalikan gelombang sinus dengan gelombang negatif sama dengan membalikkannya. Hal ini memungkinkan penerapan BPSK menggunakan konfigurasi perangkat keras dasar berikut:

Skema dasar penerimaan sinyal BPSK

Namun, rangkaian ini dapat dengan mudah menghasilkan transisi kemiringan tinggi dalam bentuk gelombang pembawa: jika transisi antara keadaan logika terjadi saat sinyal pembawa berada pada nilai maksimumnya, tegangan sinyal pembawa harus segera bertransisi ke nilai minimumnya.

Kemiringan tinggi dalam bentuk gelombang BPSK ketika keadaan logis sinyal pita dasar berubah

Peristiwa kemiringan tinggi seperti itu tidak diinginkan karena menimbulkan energi pada komponen frekuensi tinggi yang dapat mengganggu sinyal RF lainnya. Selain itu, amplifier memiliki kemampuan terbatas untuk menghasilkan perubahan tegangan keluaran secara tiba-tiba.

Jika kami menyempurnakan implementasi di atas dengan dua fungsi tambahan, kami dapat memberikan transisi yang mulus antar karakter. Pertama, kita perlu memastikan bahwa periode bit digital sama dengan satu atau lebih periode penuh sinyal pembawa. Kedua, kita perlu menyinkronkan transisi digital dengan sinyal pembawa. Dengan perbaikan ini, kita dapat merancang sistem sehingga terjadi perubahan fasa 180° ketika sinyal pembawa berada pada (atau mendekati) titik persilangan nol.

QPSK

BPSK mengirimkan satu bit per simbol, hal yang biasa kami lakukan. Semua yang telah kita diskusikan tentang modulasi digital mengasumsikan bahwa sinyal pembawa berubah tergantung pada apakah tegangan digital berlogika rendah atau tinggi, dan penerima membuat ulang data digital dengan menafsirkan setiap simbol sebagai 0 atau 1.

Sebelum membahas kunci pergeseran fasa kuadratur (QPSK), kita perlu memperkenalkan konsep penting berikut: tidak ada alasan mengapa satu simbol hanya dapat membawa satu bit. Memang benar bahwa dunia elektronik digital dibangun di sekitar sirkuit yang voltasenya berada pada level ekstrem tertentu, sehingga voltase selalu mewakili satu bit digital. Namun sinyal radionya bukan digital; sebaliknya, kita menggunakan sinyal analog untuk mengirimkan data digital, dan sangat dapat diterima untuk merancang sistem di mana sinyal analog dikodekan dan diinterpretasikan sehingga satu karakter mewakili dua (atau lebih) bit.

Keuntungan QPSK adalah kecepatan data yang lebih tinggi: jika kita mempertahankan durasi simbol yang sama, kita dapat menggandakan kecepatan data dari pemancar ke penerima. Kerugiannya adalah kompleksitas sistem. (Anda mungkin berpikir bahwa QPSK lebih rentan terhadap kesalahan bit dibandingkan BPSK karena jarak antar nilai yang mungkin lebih kecil. Ini adalah asumsi yang masuk akal, namun jika Anda melihat perhitungannya, ternyata probabilitas kesalahannya sebenarnya sangat mirip.)

Pilihan

Modulasi QPSK tentu saja merupakan metode modulasi yang efektif. Tapi itu bisa diperbaiki.

Lompatan fase

Modulasi QPSK standar memastikan transisi antar simbol terjadi dengan kemiringan yang tinggi; Karena lompatan fasa dapat mencapai ±90°, kita tidak dapat menggunakan pendekatan yang dijelaskan untuk lompatan fasa 180° yang dihasilkan oleh modulasi BPSK.

Masalah ini dapat diatasi dengan menggunakan salah satu dari dua varian QPSK. Offset QPSK, yang melibatkan penambahan penundaan ke salah satu dari dua aliran data digital yang digunakan dalam proses modulasi, mengurangi lompatan fase maksimum hingga 90°. Opsi lainnya adalah π/4-QPSK, yang mengurangi lompatan fase maksimum hingga 135°. Dengan demikian, OQPSK memiliki keuntungan dalam mengurangi diskontinuitas fase, namun π/4-QPSK menang karena kompatibel dengan pengkodean diferensial (dibahas di bawah).

Cara lain untuk mengatasi masalah kesenjangan antar karakter adalah dengan menerapkan pemrosesan sinyal tambahan yang menciptakan transisi antar karakter yang lebih mulus. Pendekatan ini termasuk dalam skema modulasi yang disebut modulasi frekuensi minimum shift keying (MSK), serta penyempurnaan dari MSK yang dikenal dengan Gaussian MSK.

Pengkodean diferensial

Komplikasi lainnya adalah demodulasi sinyal PSK lebih sulit dibandingkan sinyal FSK. Frekuensi bersifat “mutlak” dalam arti bahwa perubahan frekuensi selalu dapat diinterpretasikan dengan menganalisis perubahan sinyal sepanjang waktu. Namun, fase bersifat relatif dalam artian tidak mempunyai titik referensi universal - pemancar menghasilkan perubahan fase relatif terhadap satu titik waktu, dan penerima dapat menafsirkan perubahan fase relatif terhadap titik waktu lain.

Manifestasi praktisnya adalah jika terdapat perbedaan antara fase (atau frekuensi) osilator yang digunakan untuk modulasi dan demodulasi, PSK menjadi tidak dapat diandalkan. Dan kita harus berasumsi bahwa akan ada perbedaan fasa (kecuali penerima menyertakan rangkaian pemulihan pembawa).

QPSK Diferensial (DQPSK, QPSK diferensial) adalah opsi yang kompatibel dengan penerima non-koheren (yaitu penerima yang tidak menyinkronkan generator demodulasi dengan generator modulasi). QPSK diferensial mengkodekan data dengan membuat pergeseran fasa tertentu relatif terhadap simbol sebelumnya sehingga rangkaian demodulasi menganalisis fasa simbol menggunakan titik referensi yang umum bagi penerima dan pemancar.

LickSec > Komunikasi radio

Penguncian pergeseran fasa empat posisi (QPSK)

Diketahui dari teori komunikasi bahwa modulasi fasa biner BPSK mempunyai kekebalan terhadap kebisingan yang paling tinggi. Namun, dalam beberapa kasus, dengan mengurangi kekebalan kebisingan pada saluran komunikasi, throughputnya dapat ditingkatkan. Selain itu, dengan menerapkan pengkodean tahan kebisingan, area yang dicakup oleh sistem komunikasi seluler dapat direncanakan dengan lebih akurat.

Modulasi fase empat posisi menggunakan empat nilai fase pembawa. Dalam hal ini, fase y(t) dari sinyal yang dijelaskan oleh ekspresi (25) harus mengambil empat nilai: 0°, 90°, 180° dan 270°. Namun, nilai fase lain yang lebih umum digunakan: 45°, 135°, 225° dan 315°. Jenis representasi modulasi fase kuadratur ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar yang sama menunjukkan nilai bit yang disampaikan oleh setiap keadaan fase pembawa. Setiap negara bagian mengirimkan dua bit informasi berguna sekaligus. Dalam hal ini, isi bit dipilih sedemikian rupa sehingga transisi ke keadaan fase pembawa yang berdekatan karena kesalahan penerimaan menyebabkan tidak lebih dari satu kesalahan bit.

Biasanya, modulator kuadratur digunakan untuk menghasilkan sinyal modulasi QPSK. Untuk mengimplementasikan modulator kuadratur, Anda memerlukan dua pengali dan sebuah penambah. Input pengganda dapat diberikan dengan aliran bit input langsung dalam kode NRZ. Diagram blok modulator tersebut ditunjukkan pada Gambar 2.

Karena dengan jenis modulasi ini, dua bit aliran bit masukan ditransmisikan sekaligus selama satu interval simbol, kecepatan simbol dari jenis modulasi ini adalah 2 bit per simbol. Ini berarti bahwa ketika mengimplementasikan modulator, aliran input harus dibagi menjadi dua komponen - komponen sefasa I dan komponen kuadratur Q. Blok berikutnya harus disinkronkan pada kecepatan simbol.

Dengan implementasi ini, spektrum sinyal pada keluaran modulator menjadi tidak terbatas dan bentuk perkiraannya ditunjukkan pada Gambar 3.

Gambar 3. Spektrum sinyal QPSK yang dimodulasi oleh sinyal NRZ.

Secara alami, spektrum sinyal ini dapat dibatasi menggunakan filter bandpass yang disertakan pada output modulator, tetapi hal ini tidak pernah dilakukan. Filter Nyquist jauh lebih efisien. Diagram blok modulator kuadratur sinyal QPSK, yang dibuat menggunakan filter Nyquist, ditunjukkan pada Gambar 4.

Gambar 4. Diagram blok modulator QPSK menggunakan filter Nyquist

Filter Nyquist hanya dapat diimplementasikan dengan menggunakan teknologi digital, sehingga pada rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 17, disediakan konverter digital-ke-analog (DAC) di depan modulator kuadratur. Keunikan pengoperasian filter Nyquist adalah pada interval antar titik acuan tidak boleh ada sinyal pada masukannya, oleh karena itu pada masukannya terdapat pembentuk pulsa yang mengeluarkan sinyal ke keluarannya hanya pada waktu titik acuan. Selebihnya, ada sinyal nol pada outputnya.

Contoh bentuk sinyal digital yang ditransmisikan pada keluaran filter Nyquist ditunjukkan pada Gambar 5.

Gambar 5. Contoh diagram pewaktuan sinyal Q untuk modulasi fase QPSK empat posisi

Karena filter Nyquist digunakan pada perangkat transmisi untuk mempersempit spektrum sinyal radio, tidak ada distorsi antarsimbol pada sinyal hanya pada titik sinyal. Hal ini terlihat jelas dari diagram mata sinyal Q yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Selain mempersempit spektrum sinyal, penggunaan filter Nyquist menyebabkan perubahan amplitudo sinyal yang dihasilkan. Dalam interval antara titik referensi sinyal, amplitudo dapat meningkat sehubungan dengan nilai nominal atau menurun hingga hampir nol.

Untuk melacak perubahan amplitudo sinyal QPSK dan fasenya, lebih baik menggunakan diagram vektor. Diagram fasor dari sinyal yang sama ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6 ditunjukkan pada Gambar 7.

Gambar 7 diagram vektor sinyal QPSK dengan a = 0,6

Perubahan amplitudo sinyal QPSK juga terlihat pada osilogram sinyal QPSK pada keluaran modulator. Bagian paling khas dari diagram pengaturan waktu sinyal yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7 ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar ini menunjukkan penurunan amplitudo pembawa sinyal termodulasi dan peningkatan nilainya relatif terhadap level nominal.

Gambar 8. Diagram waktu sinyal QPSK dengan a = 0,6

Sinyal pada Gambar 5...8 ditunjukkan untuk kasus penggunaan filter Nyquist dengan faktor pembulatan a = 0,6. Saat menggunakan filter Nyquist dengan nilai koefisien yang lebih rendah, pengaruh lobus samping dari respons impuls filter Nyquist akan memiliki efek yang lebih kuat dan empat jalur sinyal yang terlihat jelas pada Gambar 6 dan 7 akan bergabung menjadi satu zona kontinu. . Selain itu, lonjakan amplitudo sinyal akan meningkat relatif terhadap nilai nominalnya.

Gambar 9 – spektogram sinyal QPSK dengan a = 0,6

Kehadiran modulasi amplitudo sinyal mengarah pada fakta bahwa dalam sistem komunikasi yang menggunakan jenis modulasi ini, perlu menggunakan penguat daya yang sangat linier. Sayangnya, power amplifier tersebut memiliki efisiensi yang rendah.

Modulasi frekuensi dengan jarak frekuensi minimum MSK memungkinkan Anda mengurangi bandwidth frekuensi yang ditempati oleh sinyal radio digital di udara. Namun, jenis modulasi ini pun tidak memenuhi semua persyaratan untuk sistem radio bergerak modern. Biasanya sinyal MSK pada pemancar radio disaring dengan filter konvensional. Itulah sebabnya jenis modulasi lain muncul dengan spektrum frekuensi radio yang lebih sempit di udara.

Metode modulasi yang menjanjikan dalam sistem transmisi data broadband

Saat ini, para pakar komunikasi tidak lagi terkejut dengan ungkapan misterius Spread Spectrum. Sistem transmisi data broadband (dan itulah yang tersembunyi di balik kata-kata ini) berbeda satu sama lain dalam metode dan kecepatan transmisi data, jenis modulasi, jangkauan transmisi, kemampuan layanan, dll. Artikel ini mencoba mengklasifikasikan sistem broadband berdasarkan pada modulasi yang digunakan di dalamnya.

Ketentuan dasar

Sistem transmisi data broadband (BDSTS) tunduk pada standar IEEE 802.11 terpadu dalam hal protokol, dan di bagian frekuensi radio - pada aturan seragam FCC (Komisi Komunikasi Federal AS). Namun, mereka berbeda satu sama lain dalam metode dan kecepatan transmisi data, jenis modulasi, jangkauan transmisi, kemampuan layanan, dan sebagainya.

Semua karakteristik ini penting ketika memilih aksesori broadband (oleh calon pembeli) dan basis elemen (oleh pengembang, produsen sistem komunikasi). Dalam tinjauan ini, dilakukan upaya untuk mengklasifikasikan jaringan broadband berdasarkan karakteristik yang paling sedikit tercakup dalam literatur teknis, yaitu modulasinya.

Menggunakan berbagai jenis modulasi tambahan yang digunakan bersama dengan modulasi fase (BPSK) dan fase kuadratur (QPSK) untuk meningkatkan kecepatan informasi saat mentransmisikan sinyal pita lebar dalam rentang 2,4 GHz, kecepatan transmisi informasi hingga 11 Mbit/s dapat dicapai, dengan mempertimbangkan batasan yang diberlakukan oleh FCC untuk pengoperasian dalam rentang ini. Karena sinyal broadband diharapkan ditransmisikan tanpa memperoleh izin spektrum, karakteristik sinyal dibatasi untuk mengurangi interferensi timbal balik.

Jenis modulasi tersebut adalah berbagai bentuk modulasi ortogonal M-ary (MOK), modulasi fase pulsa (PPM), modulasi amplitudo kuadratur (QAM). Broadband juga mencakup sinyal yang diterima melalui operasi simultan beberapa saluran paralel yang dipisahkan berdasarkan frekuensi (FDMA) dan/atau waktu (TDMA). Tergantung pada kondisi spesifik, satu atau beberapa jenis modulasi dipilih.

Memilih jenis modulasi

Tugas utama dari setiap sistem komunikasi adalah mentransfer informasi dari sumber pesan ke konsumen dengan cara yang paling ekonomis. Oleh karena itu, jenis modulasi dipilih yang meminimalkan efek interferensi dan distorsi, sehingga mencapai kecepatan informasi maksimum dan tingkat kesalahan minimum. Jenis modulasi yang dipertimbangkan dipilih berdasarkan beberapa kriteria: ketahanan terhadap propagasi multipath; gangguan; jumlah saluran yang tersedia; persyaratan linearitas penguat daya; jangkauan transmisi yang dapat dicapai dan kompleksitas implementasi.

Modulasi DSSS

Sebagian besar jenis modulasi yang disajikan dalam tinjauan ini didasarkan pada sinyal pita lebar urutan langsung (DSSS), sinyal pita lebar klasik. Dalam sistem dengan DSSS, perluasan spektrum sinyal beberapa kali memungkinkan pengurangan kepadatan daya spektral sinyal dengan jumlah yang sama. Penyebaran spektrum biasanya dilakukan dengan mengalikan sinyal data pita sempit dengan sinyal penyebaran pita lebar. Sinyal penyebaran atau kode penyebaran sering disebut kode mirip derau, atau kode PN(pseudonoise). Prinsip perluasan spektrum yang dijelaskan ditunjukkan pada Gambar. 1.

Periode bit - periode bit informasi
Periode chip - periode pelacakan chip
Sinyal data - data
Kode PN - kode seperti kebisingan
Sinyal berkode - sinyal broadband
Modulasi DSSS/MOK

Sinyal rangkaian langsung pita lebar dengan modulasi ortogonal M-ary (atau disingkat modulasi MOK) telah dikenal sejak lama, namun cukup sulit untuk diimplementasikan pada komponen analog. Dengan menggunakan sirkuit mikro digital, saat ini dimungkinkan untuk menggunakan sifat unik dari modulasi ini.

Variasi MOK adalah modulasi biorthogonal M-ary (MBOK). Peningkatan kecepatan informasi dicapai dengan penggunaan beberapa kode PN ortogonal secara bersamaan dengan tetap mempertahankan tingkat pengulangan chip dan bentuk spektrum yang sama. Modulasi MBOK secara efektif menggunakan energi spektrum, yaitu memiliki rasio kecepatan transmisi terhadap energi sinyal yang cukup tinggi. Ini tahan terhadap interferensi dan propagasi multipath.

Dari yang ditunjukkan pada Gambar. 2 skema modulasi MBOK bersama dengan QPSK terlihat bahwa kode PN dipilih dari vektor M-ortogonal sesuai dengan byte data kontrol. Karena saluran I dan Q bersifat ortogonal, keduanya dapat di-MBOK secara bersamaan. Dalam modulasi biorthogonal, vektor terbalik juga digunakan, yang memungkinkan peningkatan kecepatan informasi. Himpunan vektor Walsh yang benar-benar ortogonal yang paling banyak digunakan dengan dimensi vektor yang habis dibagi 2. Jadi, menggunakan sistem vektor Walsh dengan dimensi vektor 8 dan QPSK sebagai kode PN, dengan tingkat pengulangan 11 megachip per detik dengan kepatuhan penuh dengan standar IEEE 802.11, dimungkinkan untuk mengirimkan 8 bit per simbol saluran, menghasilkan kecepatan saluran 1,375 megasimbol per detik dan kecepatan informasi 11 Mbit/s.

Modulasi membuatnya cukup mudah untuk mengatur kerja sama dengan sistem broadband yang beroperasi pada kecepatan chip standar dan hanya menggunakan QPSK. Dalam hal ini, header frame ditransmisikan dengan kecepatan 8 kali lebih rendah (dalam setiap kasus tertentu), yang memungkinkan sistem yang lebih lambat untuk memahami header ini dengan benar. Kemudian kecepatan transfer data meningkat.
1. Memasukkan data
2. Pengacak
3. Multiplekser 1:8
4. Pilih salah satu dari 8 fungsi Walsh
5. Pilih salah satu dari 8 fungsi Walsh
6. Keluaran saluran-I
7. Keluaran saluran Q

Secara teoritis, MBOK memiliki tingkat kesalahan (BER) yang sedikit lebih rendah dibandingkan dengan BPSK untuk rasio Eb/N0 yang sama (karena sifat pengkodeannya), menjadikannya modulasi yang paling hemat energi. Di BPSK setiap bit diproses secara independen, di MBOK karakternya dikenali. Jika dikenali secara tidak benar, ini tidak berarti bahwa semua bit simbol ini diterima secara tidak benar. Jadi, kemungkinan menerima simbol yang salah tidak sama dengan kemungkinan menerima bit yang salah.

Spektrum sinyal termodulasi MBOK sesuai dengan yang ditetapkan dalam standar IEEE 802.11. Saat ini, Aironet Wireless Communications, Inc. menawarkan jembatan nirkabel untuk jaringan Ethernet dan Token Ring menggunakan teknologi DSSS/MBOK dan mentransmisikan informasi melalui udara dengan kecepatan hingga 4 Mbit/s.

Imunitas multipath bergantung pada rasio Eb/N0 dan distorsi fase sinyal. Simulasi numerik transmisi sinyal broadband MBOK yang dilakukan oleh para insinyur Harris Semiconductor di dalam gedung telah mengkonfirmasi bahwa sinyal tersebut cukup kuat terhadap faktor-faktor yang mengganggu ini1. Lihat: Andren C. Teknik Modulasi 11 MBps // Buletin Semikonduktor Harris. 05/05/98.

Pada Gambar. Gambar 3 menunjukkan grafik kemungkinan menerima bingkai data yang salah (PER) sebagai fungsi jarak pada daya sinyal yang dipancarkan sebesar 15 dB/MW (untuk 5,5 Mbit/s - 20 dB/MW), yang diperoleh sebagai hasil numerik simulasi, untuk berbagai kecepatan data informasi.

Simulasi menunjukkan bahwa dengan peningkatan Es/N0, yang diperlukan untuk pengenalan simbol yang andal, PER meningkat secara signifikan dalam kondisi refleksi sinyal yang kuat. Untuk menghilangkan hal ini, penerimaan terkoordinasi oleh beberapa antena dapat digunakan. Pada Gambar. Gambar 4 menunjukkan hasil untuk kasus ini. Untuk penerimaan yang optimal, PER akan sama dengan kuadrat PER penerimaan yang tidak terkoordinasi. Saat mempertimbangkan Gambar. 3 dan 4, perlu diingat bahwa dengan PER=15%, hilangnya kecepatan informasi sebenarnya akan menjadi 30% karena kebutuhan untuk mengirimkan ulang paket yang gagal.

Prasyarat untuk menggunakan QPSK bersama dengan MBOK adalah pemrosesan sinyal yang koheren. Dalam prakteknya, hal ini dicapai dengan menerima pembukaan frame dan header menggunakan BPSK untuk mengatur loop umpan balik fase. Namun, semua ini, serta penggunaan korelator serial untuk pemrosesan sinyal yang koheren, meningkatkan kompleksitas demodulator.

Modulasi CCSK

Sinyal urutan kode siklik ortogonal M-ary pita lebar (CCSK) lebih mudah didemodulasi daripada MBOK karena hanya satu kode PN yang digunakan. Jenis modulasi ini terjadi karena pergeseran temporal pada puncak korelasi dalam suatu simbol. Dengan menggunakan kode Barker dengan panjang 11 dan kecepatan 1 megasimbol per detik, puncak dapat digeser ke salah satu dari delapan posisi. 3 posisi sisanya tidak diperbolehkan digunakan untuk meningkatkan kecepatan informasi. Dengan cara ini, tiga bit informasi dapat dikirimkan per simbol. Dengan menambahkan BPSK, Anda dapat mengirimkan satu bit informasi lagi per simbol, yaitu total 4 bit informasi per simbol saluran.

Masalah utama dengan PPM dan CCSK adalah sensitivitas terhadap propagasi multipath ketika penundaan antara refleksi sinyal melebihi durasi kode PN. Oleh karena itu, jenis modulasi ini sulit digunakan di dalam ruangan dengan pantulan seperti itu. CCSK cukup mudah untuk didemodulasi dan hanya memerlukan sedikit peningkatan kompleksitas dari rangkaian modulator/demodulator tradisional. Skema CCSK mirip dengan skema modulasi MBOK bersama dengan QPSK (lihat Gambar 2), hanya saja sebagai pengganti blok untuk memilih salah satu dari 8 fungsi Walsh terdapat blok pergeseran kata.

Modulasi DSSS/PPM

Sinyal modulasi fase pulsa urutan langsung pita lebar (DSSS/PPM) adalah jenis sinyal yang merupakan pengembangan lebih lanjut dari sinyal spektrum penyebaran urutan langsung.

Ide modulasi fase pulsa untuk sinyal pita lebar konvensional adalah bahwa peningkatan kecepatan informasi diperoleh dengan mengubah interval waktu antara puncak korelasi simbol yang berurutan. Modulasi ditemukan oleh Rajeev Krishnamoorthy dan Israel Bar-David di Bell Labs di Belanda.

Implementasi modulasi saat ini memungkinkan untuk menentukan delapan posisi waktu pulsa korelasi dalam interval simbol (dalam interval urutan PN). Jika teknologi ini diterapkan secara independen pada saluran I dan Q di DQPSK, maka diperoleh 64 (8x8) status informasi yang berbeda. Menggabungkan modulasi fase dengan modulasi DQPSK, yang menyediakan dua status berbeda di saluran I dan dua status berbeda di saluran Q, diperoleh 256 status (64x2x2), yang setara dengan 8 bit informasi per simbol.

Modulasi DSSS/QAM

Sinyal pita lebar modulasi amplitudo kuadratur urutan langsung (DSSS/QAM) dapat dianggap sebagai sinyal termodulasi DQPSK pita lebar klasik, di mana informasi juga ditransmisikan melalui perubahan amplitudo. Dengan menerapkan modulasi amplitudo dua tingkat dan DQPSK, diperoleh 4 status berbeda pada saluran I dan 4 status berbeda pada saluran Q. Sinyal termodulasi juga dapat dikenai modulasi fase pulsa, yang akan meningkatkan kecepatan informasi.

Salah satu keterbatasan DSSS/QAM adalah sinyal dengan modulasi seperti itu cukup sensitif terhadap propagasi multipath. Selain itu, karena penggunaan modulasi fasa dan amplitudo, rasio Eb/N0 ditingkatkan untuk mendapatkan nilai BER yang sama seperti pada MBOK.

Untuk mengurangi sensitivitas terhadap distorsi, Anda dapat menggunakan equalizer. Namun penggunaannya tidak diinginkan karena dua alasan.

Pertama, perlu menambah urutan simbol yang mengatur equalizer, yang pada gilirannya menambah panjang pembukaan. Kedua, menambahkan equalizer akan meningkatkan biaya sistem secara keseluruhan.

Modulasi kuadratur tambahan juga dapat digunakan dalam sistem dengan Frekuensi Hopping. Oleh karena itu, WaveAccess telah merilis modem dengan merek Jaguar yang menggunakan teknologi Frekuensi Hopping, modulasi QPSK bersamaan dengan 16QAM. Berbeda dengan modulasi frekuensi FSK yang diterima secara umum dalam hal ini, hal ini memungkinkan kecepatan transfer data nyata sebesar 2,2 Mbit/s. Insinyur WaveAccess percaya bahwa penggunaan teknologi DSSS dengan kecepatan lebih tinggi (hingga 10 Mbit/s) tidak praktis karena jangkauan transmisi yang pendek (tidak lebih dari 100 m).

Modulasi OCDM

Sinyal pita lebar yang dihasilkan dengan multiplexing beberapa sinyal Orthogonal Code Division Multiplex (OCDM) menggunakan beberapa saluran pita lebar secara bersamaan pada frekuensi yang sama.

Saluran dipisahkan dengan menggunakan kode PN ortogonal. Sharp telah mengumumkan modem 10 megabit yang dibuat menggunakan teknologi ini. Faktanya, 16 saluran dengan 16 chip kode ortogonal ditransmisikan secara bersamaan. BPSK diterapkan pada setiap saluran, kemudian saluran-saluran tersebut dijumlahkan menggunakan metode analog.

Data Mux - multiplekser masukan data

BPSK - modulasi fase blok

Penyebaran - blok spektrum penyebaran urutan langsung

Jumlah - penambah keluaran

Modulasi OFDM

Sinyal pita lebar, diperoleh dengan menggandakan beberapa sinyal broadband dengan ortogonal pembagian frekuensi multipleks (OFDM), mewakili transmisi simultan sinyal termodulasi fase pada frekuensi pembawa yang berbeda. Modulasi dijelaskan dalam MIL-STD 188C. Salah satu keunggulannya adalah ketahanannya yang tinggi terhadap kesenjangan spektrum akibat redaman multipath. Atenuasi pita sempit dapat mengecualikan satu atau lebih pembawa. Koneksi yang andal dipastikan dengan mendistribusikan energi simbol ke beberapa frekuensi.

Ini melebihi efisiensi spektral sistem QPSK serupa sebesar 2,5 kali lipat. Ada sirkuit mikro siap pakai yang mengimplementasikan modulasi OFDM. Secara khusus, Motorola memproduksi demodulator OFDM MC92308 dan chip OFDM "front-end" MC92309. Diagram modulator OFDM tipikal ditunjukkan pada Gambar. 6.

Data mux - multiplekser masukan data

Saluran – saluran frekuensi

BPSK - modulasi fase blok

Jumlah - penambah saluran frekuensi

Kesimpulan

Tabel perbandingan menunjukkan rating setiap jenis modulasi menurut berbagai kriteria dan rating akhir. Skor yang lebih rendah berarti skor yang lebih baik. Modulasi amplitudo kuadratur diambil untuk perbandingan saja.

Selama peninjauan, berbagai jenis modulasi yang memiliki nilai penilaian yang tidak dapat diterima untuk berbagai indikator dibuang. Misalnya, sinyal pita lebar dengan modulasi fase 16 posisi (PSK) - karena resistensi yang buruk terhadap interferensi, sinyal pita sangat lebar - karena pembatasan panjang rentang frekuensi dan kebutuhan untuk memiliki setidaknya tiga saluran untuk operasi gabungan jaringan radio terdekat.

Di antara jenis modulasi broadband yang dipertimbangkan, yang paling menarik adalah modulasi bioorthogonal M-ary - MBOK.

Sebagai kesimpulan, saya ingin mencatat modulasi, yang tidak termasuk dalam serangkaian percobaan yang dilakukan oleh para insinyur Harris Semiconductor. Kita berbicara tentang modulasi QPSK yang difilter (Filtered Quadrature Phase Shift Keying - FQPSK). Modulasi ini dikembangkan oleh Profesor Kamilo Feher dari University of California dan dipatenkan bersama dengan Didcom, Inc.

Untuk mendapatkan FQPSK, pemfilteran spektrum sinyal nonlinier di pemancar digunakan, diikuti dengan pemulihannya di penerima. Akibatnya, spektrum FQPSK menempati sekitar setengah luas dibandingkan dengan spektrum QPSK, semua parameter lainnya dianggap sama. Selain itu, PER (packet error rate) FQPSK 10-2-10-4 lebih baik dibandingkan GMSK. GSMK adalah modulasi frekuensi Gaussian, yang digunakan khususnya dalam standar komunikasi seluler digital GSM. Modulasi baru telah cukup dihargai dan digunakan dalam produk mereka oleh perusahaan seperti EIP Microwave, Lockheed Martin, L-3 Communications, serta NASA.

Tidak mungkin untuk mengatakan dengan pasti jenis modulasi apa yang akan digunakan dalam broadband di abad ke-21. Setiap tahun jumlah informasi di dunia semakin bertambah, sehingga semakin banyak pula informasi yang disampaikan melalui saluran komunikasi. Karena spektrum frekuensi merupakan sumber daya alam yang unik, kebutuhan spektrum yang digunakan oleh sistem transmisi akan terus meningkat. Oleh karena itu, pilihan metode modulasi yang paling efektif ketika mengembangkan broadband terus menjadi salah satu isu yang paling penting.

Modulasi kuadratur dan karakteristiknya (QPSK, QAM)

Pertimbangkan penguncian pergeseran fasa kuadratur (QPSK). Aliran data asli dk(t)=d0, d1, d2,… terdiri dari pulsa bipolar, yaitu dk ambil nilai +1 atau -1 (Gbr. 3.5.a)), mewakili biner satu dan biner nol. Aliran pulsa ini dibagi menjadi aliran sefasa dI(t) dan aliran kuadratur - dQ(t), seperti ditunjukkan pada Gambar. 3.5.b).

dI(t)=d0, d2, d4,… (bit genap)

dQ(t)=d1, d3, d5,… (bit ganjil)

Implementasi ortogonal yang mudah dari sinyal QPSK dapat diperoleh dengan menggunakan modulasi amplitudo aliran sefasa dan kuadratur pada fungsi sinus dan kosinus pembawa.

Dengan menggunakan identitas trigonometri, s(t) dapat direpresentasikan dalam bentuk berikut: s(t)=cos(2рf0t+у(t)). Modulator QPSK ditunjukkan pada Gambar. 3.5.c), menggunakan penjumlahan suku sinus dan cosinus. Aliran pulsa dI(t) digunakan untuk memodulasi amplitudo (dengan amplitudo +1 atau -1) gelombang kosinus.

Ini setara dengan menggeser fase gelombang kosinus sebesar 0 atau p; maka hasilnya adalah sinyal BPSK. Demikian pula, aliran pulsa dQ(t) memodulasi gelombang sinus, yang menghasilkan sinyal BPSK yang ortogonal terhadap sinyal sebelumnya. Dengan menjumlahkan kedua komponen pembawa ortogonal ini, diperoleh sinyal QPSK. Nilai u(t) akan sesuai dengan salah satu dari empat kemungkinan kombinasi dI(t) dan dQ(t) dalam ekspresi untuk s(t): u(t)=00, ±900 atau 1800; vektor sinyal yang dihasilkan ditunjukkan dalam ruang sinyal pada Gambar. 3.6. Karena cos(2pf0t) dan sin(2pf0t) ortogonal, kedua sinyal BPSK dapat dideteksi secara terpisah. QPSK memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan BPSK: karena dengan modulasi QPSK, satu pulsa mentransmisikan dua bit, kemudian kecepatan transfer data menjadi dua kali lipat, atau pada kecepatan transfer data yang sama seperti pada skema BPSK, digunakan setengah pita frekuensi; dan juga meningkatkan kekebalan kebisingan, karena Pulsanya dua kali lebih panjang sehingga lebih bertenaga dibandingkan pulsa BPSK.

Beras. 3.5.

Beras. 3.6.

Modulasi amplitudo kuadratur (KAM, QAM) dapat dianggap sebagai kelanjutan logis dari QPSK, karena sinyal QAM juga terdiri dari dua pembawa termodulasi amplitudo independen.

Dengan modulasi amplitudo kuadratur, fase dan amplitudo sinyal berubah, yang memungkinkan Anda meningkatkan jumlah bit yang dikodekan dan pada saat yang sama secara signifikan meningkatkan kekebalan kebisingan. Representasi sinyal kuadratur adalah cara yang mudah dan cukup universal untuk mendeskripsikannya. Representasi kuadratur adalah untuk menyatakan osilasi sebagai kombinasi linier dari dua komponen ortogonal - sinus dan kosinus (dalam fase dan kuadratur):

s(t)=A(t)cos(шt + ц(t))=x(t)sinоt + y(t)cosоt, dimana

x(t)=A(t)(-sinс(t)),y(t)=A(t)cosс(t)

Modulasi (manipulasi) diskrit semacam itu dilakukan melalui dua saluran, pada pembawa yang digeser 900 relatif satu sama lain, yaitu. terletak di kuadratur (karena itu namanya).

Mari kita jelaskan pengoperasian rangkaian kuadratur dengan menggunakan contoh pembangkitan sinyal PM (PM-4) empat fase (Gbr. 3.7).

Beras. 3.7.

Beras. 3.8. 16

Urutan asli simbol biner durasi T dibagi, menggunakan register geser, menjadi pulsa ganjil y, yang diumpankan ke saluran kuadratur (cosсht), dan pulsa genap - x, dimasukkan ke saluran dalam fase (sinхt). Kedua rangkaian pulsa disuplai ke masukan dari pembentuk pulsa yang dimanipulasi, pada keluaran yang menghasilkan rangkaian pulsa bipolar x(t) dan y(t) dengan amplitudo ±Um dan durasi 2T. Pulsa x(t) dan y(t) tiba di input pengganda saluran, pada output yang terbentuk osilasi dua fase (0, p) PM. Setelah dijumlahkan, mereka membentuk sinyal FM-4.

Pada Gambar. 3.8. menunjukkan ruang sinyal dua dimensi dan sekumpulan vektor sinyal yang dimodulasi oleh hex QAM dan diwakili oleh titik-titik yang disusun dalam array persegi panjang.

Dari Gambar. 3.8. terlihat bahwa jarak antar vektor sinyal pada ruang sinyal dengan QAM lebih besar dibandingkan dengan QPSK, oleh karena itu QAM lebih tahan terhadap noise dibandingkan dengan QPSK,