Цифровые способы модуляции

Свойства цифрового сигнала, не позволя­ют передавать такой сигнал по каналу связи непосредственно, т.е. «в первичной полосе частот» из-за слишком высокой скорости передачи, оцениваемой в сотни мегабит в секунду. Кроме того, существующие сети ТВ вещания (спутниковые, кабельные или наземные), как пра­вило, построены по принципу частотного уплотнения. Поэтому сиг­нал, предназначенный для передачи по таким сетям, должен быть точно ориентирован в принятой системе организации частотных ка­налов. Следует также иметь в виду, что передаваемый сигнал должен быть энергетически сосредоточен в определенной ограничен­ной области спектра. Как правило, несущей (модулируемой) часто­той является гармонический сигнал. Изменяемыми параметрами в таком случае могут быть его амплитуда, частота и фаза. Если моду­лирующий сигнал имеет цифровую природу и изменяется дискретно, принимая фиксированные значения, то понятие «модуляция» иногда заменяется понятием «манипуляция».

Передаваемый сигнал, таким образом, в результате манипуляции можно представить в следующей форме:

U(t) = (Амплитуда) cos[2π(Чacmoma)t + (Фаза)].

Использование для передачи сигналов цифрового телевидения различных видов манипуляции, как известных, так и относительно но­вых, позволяет одновременно увеличить количество передаваемой информации в единиц времени, сократить используемую полосу ча­стотой повысить

помехоустойчивость ТВ системы.

В цифровом телевидении может применяться амплитудная манипуляцию (AMн), в иностранной, литературе применительно к цифро­вому сигналу называемая ASK (Amplitude Shift Keying); частотная манипуляцию (ЧМн), ее обозначаю также FSK (Frequency Shift Keying), и фазовая манипуляцию (ФМн), англоязычное обозначение PSK (Phase Shift Keying).

На рисунке 3 иллюстрируется принцип работы каждого из при­меняемых видов манипуляции для двухпозиционного модулирующего сигнала, т.е. когда каждое состояние сигнала передает один бит ин­формации,а также даны графики, поясняющие измене­ние сигнала во времени.

Амплитудная манипуляция имеет спектр частот который показан на

рисунке 3. при передаче одного символа. Если модулирующим сигналом

являет­ся сигнал, в котором каждый символ передается не двумя, а большим количеством возможных его значений, то количество информации, передаваемое с каждым символом, возрастает. Такие значения обыч­но выбираются равными 4, 16, 32, 64, 128 и т.д., т.е. как ряд 2ⁿ, где n — число возможных состояний передаваемого или модулирующего сигнала во время передачи одного символа.

Эта эффективность оценивается величиной, измеряемой в битах в секунду на один герц (бит/с/Гц). Такая размерность показыва­ет, что в данном случае оценивается скорость потока, приходяща­яся на единицу частоты.

Чем выше количество информации, переносимое одним симво­лом, тем выше число возможных состояний, которое может принять изменяемый в процессе модуляции параметр модулируемого сигна­ла (виды модуляции с большим числом таких состояний называют многопозиционными, и соответственно тем выше эффективность ис­пользования частотного спектра. Однако, чем большее число состоя­ний может принимать модулирующий сигнал, тем меньше существует отличий в параметрах этих состояний, а значит, демодуляция такого сигнала в условиях помех может стать затруднительной. Поэтому эффективность использования частотного спектра обычно связана с возможно достижимым отношением сигнал/помеха, и при выборе этих параметров необходим компромисс.

Ухудшение условий приема на отдельных частотах — распро­страненное явление, особенно в спутниковом или наземном телеви­зионном вещании. Такие ухудшения (замирания) обычно возникают внезапно, их природа связана с распространением радиоволн. Они возникают обычно на определенных частотах, и в этом смысле широкополосные виды модуляции имеют преимущество, так как при за­труднении передачи сигнала на определенных частотах спектра по­тери информации оказываются меньше.

Следует отметить также, что в условиях мобильного приема на частоту принимаемого сигнала оказывает также влияние относитель­ная скорость взаимного перемещения передатчика и приемника. Этот эффект, известный как эффект Доплера, накладывает определенные ограничения на допустимое значение этой скорости. Так, например, для европейской системы цифрового телевидения это значение со­ставляет приблизительно 150 км/ч.

Рассмотрим подробнее применение отдельных видов модуляции для передачи

информации в цифровом телевизионном вещании.

Вид манипуляции

Временная диаграмма

Состо­яние

Рисунок 3.74 - Схема манипуляции двухпозиционном модулирующем

сигнале

Амплитудная манипуляция (АМп), спектр сигнала U_АМ, модулируемого по амплитуде, состоит из спектральной составляющей U_нес, соответствующей несущей частоте и двум частей - U_НБ и U_ВБ, симметрично расположенных относительно несущей (Рисунок 3.75)

а – векторное и б - спектральное представление

Рисунок 3.75 - Принцип амплитудной манипуляции (модуляции)

При амплитудной манипуляции обе эти симметричные спектры несут одинаковую информацию, так как повторяют Фому спектра модулирующего сигнала. Такая информационная избыточность в современном телевидении

устраняется частичной подавлением одной боковой полосы частот. Этот способ передачи, называемой амплитудной модуляцией с одной боковой полосой (ОБП), иностранной литературе обозначается аббревиатурой VSB – АМ.

Подавление одной боковой полосы частот сигнала после амплитудной модуляции приводит к сокращению спектра передаваемого сигнала, и, следовательно, к повышению эффективности передачи информации, хотя и несколько ухудшается помехоустойчивость передачи.

Такой способ модуляции использован в американской системе цифрового ТВ вещания АТSС.

Частотная манипуляция (ЧМн) осуществляется путем дис­кретного изменения частоты несущей при постоянной ее амплитуде.

Фазовая манипуляция ( ФМн) и иностранной литературе (РSК) или (ВРSК) заключается в дискретном из­менении фазы несущей. В простейшем случае несущая может иметь два значения фазы - 0 и 180°. В приемнике может осущест­вляться как когерентное детектирование, требующее фазовой син­хронизации приемника с передатчиком, так и более простое неко­герентное детектирование. В последнем случае часто применяют относительную фазовую манипуляцию, при которой фаза несу­щей для каждого принятого символа сравнивается не с некоторой абсолютной начальной фазой, а с фазой несущей для предыдущего принятого символа.

Для повышения эффективности использования полосы час­тот канала связи применяется многопозиционная ФМн. При­мер соответствия фазы несущей передаваемому трехразрядному двоичному коду для восьмипозиционной ФМн приведен на рисунке 3.76. Сдвиг между дискретными значениями фазы несущей равен 45⁰. Эффективность использования полосы частот в такой системе повышается в три раза по сравнению с простой двухпозиционной ФМн, так как на несущей одновременно передаются три двоичных символа.

Рисунок 3. 76 - Восьмипозиционная фазовая манипуляция

Следующий вид модуляции, часто применяемый для переда­чи цифровых сигналов - многопозиционная квадратурная ампли­тудная манипуляция (КАМн), в иностранной литературе QАМ. При КАМн передаваемый сигнал модулирует и амплитуду, и фазу несущего колебания. Это происходит одновременно и независимо.

Такой вид модуляции можно пояснить с помощью векторной диаграммы, на которой в декартовой системе координат с вертикальной осью Q и горизонтальной осью I изображают положение конца вектора промодулированного сигнала. Набор точек, показывающих возможное положение конца вектора сигнала на плоскости IОQ, часто называют созвездием. Каждая точка характеризуется своим сочетанием амплитуды и фазы сигнала, поэтому соответствующий каждой точке символ переносит информацию в количестве

I = log₂N,

где I — число битов информации, передаваемое каждым символом; N — число возможных «позиций» вектора, или точек на векторной диаграмме.

Нетрудно заметить, что при модуляции 4-QAM амплитуда сиг­нала не меняется, и такой случай полностью эквивалентен четырех позиционной фазовой манипуляции (4-PSK или QPSK).

Векторные диаграммы сигнала для способов модуляции 4-QAM, 16-QAM, 32-QAM и 64-QAM также показаны на рисунок 3.77.

Способ модуляции QAM способен обеспечить более высокую помехоустойчивость передачи информации..

Многопозиционная квадратурная амплитудная модуляция ус­пешно применяется, например, в кабельных каналах, где можно зна­чительно увеличить число позиций модуляции, так как при пере­даче по кабелю обеспечивается достаточно высокое отношение сиг­нал/помеха.

Рисунок 3.77 - Векторная диаграмма сигнала при различных видах

квадратурной амплитудной манипуляции

Один из современных методов передачи цифровых сигналов по радиоканалам - ортогональное частотное мулътиплексирование. В англоязычной технической литературе такая модуляция называется OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplex). Сущ­ность этого метода поясняется

рисунок 3

Поток данных

Рисунок 3.78 - OFDM

В стандартном канале телевизионного вещания, имеющем шурину полосы частот ∆F_K выделяют N несущих частот, отстоя­щих друг от друга на равные частотные интервалы ∆f. Числа у оси частот показывают номера несущих от 0 до N-1. Общий поток пе­редаваемых цифровых данных, имеющий скорость передачи дво­ичных символов Qo, разделяют на N параллельных подпотоков, каждый из которых имеет скорость передачи двоичных символов Q= Qo/N.

Каждый подпоток передается на своей несущей, например, с использованием КАМн. Таким образом, в одном канале телеви­зионного вещания получается N узкополосных подканалов. Коли­чество несущих в соответствии со стандартом DVB-T мо­жет быть равно 6817 (∆f= 1116 Гц) или 1705 (∆f= 4464 Гц).

Модуляция и демодуляция выполняются с помощью ДПФ. Выбор частотных интервалов между несущими осуществляется так, чтобы соседние несущие колебания были ортогональны на отрезке времени, в течении которого передается один символ. Это позволяет избежать взаимного влияния соседних подканалов.

Данный метод передачи имеет следующие достоинства:

- равномерное распределение энергии по полосе частот ка­нала связи;

- возможность передавать наиболее важную часть информа­ции (синхронизацию, НЧ - составляющие сигнала яркости) на тех участках полосы частот, где меньше всего уровень помех от со­седних каналов, а области полосы частот канала, соответствующие несущим изображения и звука обычного телевизионного вещания вообще не использовать;

- так как каждый из подканалов является узкополосным, то уменьшается влияние отраженных сигналов при многолучевом приеме.

Последнее свойство особенно важно, так как многолучевой прием создает значительные сложности для цифрового телевизи­онного вещания в городах. При использовании OFDM длительно­сти интервалов времени, в течении которых передаются отдельные символы, увеличиваются и становятся больше, чем времена за­держек отраженных сигналов, благодаря чему обеспечивается без­ошибочный прием.

В современных системах передачи цифровых сигналов, в том числе в системах цифрового телевидения, при модуляции несущей осуществляют дополнительное кодирование информа­ции, например, с использованием решетчатых кодов с целью по­вышения помехоустойчивости. При этом число возможных со­стояний несущей после модуляции превышает число символов, которые должны быть переданы. То есть вводится дополнительная избыточность, обеспечивающая повышение помехоустойчивости. Такую модуляцию, совмещенную с кодированием, называют ко­дированной модуляцией (Coded modulation). В частности, сочета­ние помехоустойчивого канального кодирования с OFDM называ­ют COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex).

Таким образом, при передаче сигналов цифровой системы телевидения по радиочастотным каналам связи используются две ступени помехоустойчивого кодирования. На первой ступени, на­зываемой внешней, осуществляется кодирование цифровой ин­формации с помощью кодов Рида-Соломона. На второй

ступени, называемой внутрен­ней, используется канальное кодирование, совмещенное с модуля­цией. В результате достигается требуемая помехоустойчивость.

Дата добавления: 2015-05-09