Квадратурная амплитудная манипуляция
Квадратурная амплитудная манипуляция является дальнейшим развитием многопозиционной манипуляции. Сокращённое обозначение КАМ-М, или QAM-M (Quadrature Amplitude Modullation), где М - число позиций «звезды» векторов, определяющей этот вид манипуляции.
Рассмотрим принцип формирования квадратурной амплитудной манипуляции на примере КАМ-16. Структурная схема манипулятора представлена на рисунке 11.20
Рисунок 11.20 – Манипулятор КАМ-16
Здесь как и ранее ЭКУ – электронный коммутатор удлинитель; ФК -формирователь кода I, Q; БМ – балансный модулятор; Σ –сумматор.
Электронный коммутатор распределяет исходный цифровой поток bi на 4 потока mi1…mi4 и удлиняет каждый бит в 4 раза. Формирователь кода генерирует ортогональные сигналы I и Q, которые затем перемножаются на квадратурные несущие. В результате сложения модулированных колебаний на выходе получается сигнал S(t)=A(t)sin[ωt+φ(t)], где
А(t)= 
; 
Алгоритм работы формирователя кода (ФК) представлен в таблице 11.4
Таблица 11.4
В качестве примера на рисунке 11.21 приведен фрагмент картины формирования КАМ-16.
Рисунок 11.21 – Формирование КАМ-16
Звезда векторов, соответствующая КАМ-16, представлена на рисунке 11.22. Здесь же для сравнения показана звезда векторов ОФТ-16.
Рисунок 11.22 – Векторные диаграммы ОФТ-16 и КАМ-16
Сравнение векторных диаграмм ОФТ-16 и КАМ-16 вскрывает очевидное преимущество КАМ-16 ( dк > dо ).
Аналогично формируются КАМ-64 и КАМ-256 при разложении исходного цифрового сигнала соответственно на 6 и 8 потоков. Возможны и
промежуточные варианты, например КАМ-32 (5 потоков). Соответствующие диаграммы векторов представлены на рисунке 11.23.
Рисунок 11.23 Варианты квадратурной амплитудной манипуляции
В последние годы фирмой Globe Span Inc запатентован однополосный вариант QАМ, получивший название САР (Carrier Less Amplitude modulation / Phase). В спектре САР подавлена несущая и одна боковая полоса сигнала
QАМ.
11.7 Передача цифровой информации методом OFDM (COFDM)
(метод частотно-временного уплотнения с ортогональными несущими)
В начале 80-х годов во французской лаборатории ССЕТТ была сделана попытка применить технологию использования шумоподобного спектра для целей цифрового радиовещания. При этом была определена весьма эффективная система передачи цифровой информации получившая название OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). За последние годы в мире стандартизовано по крайней мере пять систем цифрового радиовещания. Это четыре стандарта телевизионного вещания (DVB-T, ISDB-T, DAB-T, ATSC-8VSB) и система звукового радиовещания DRM. Все они, за исключением одной, используют метод COFDM (OFDM c кодированием).
Суть метода в упрощенном изложении заключается в следующем:
Кодированный цифровой сигнал расщепляется на 2, 4, или 6 потоков и втечение одного временного интервала (фрейма - своеобразного кадра ) модулирует методом QAM (4, 16, 64) последовательно большое количество близко расположенных поднесущих частот (до 300 для звукового вещания и до 6800 для телевидения). Выбор числа позиций QAM определяется степенью важности передаваемой в данный момент информации. Например, информация о способе кодирования, позволяющая на приёмном конце восстановить исходный звуковой или видео сигналы, передаётся методом QAM-4, которая обладает наибольшей помехоустойчивостью.
В начале каждого фрейма вводится защитнывй интерал времени (Тз), в течение которого приёмник игнорирует приём информации (см. рисунок 11.24). На этот интервал приходится основная доля эхо-сигналов от предыдущего символа Тс при многолучёвых отражениях. Таким образом, осуществляется защита каждого фрейма от эхо-сигналов предыдущего фрейма.
Поскольку поднесущие частоты расположены очень близко друг к другу, для исключения взаимных помех они должны быть ортогональны на интервале символа Тс. Для этого, в соответствии с (11.2), интервал между соседними частотами выбран равным 1/Тс.
Рисунок 11.24 – Спектрально-временная диаграмма OFDM
Для пвышения надёжности передачи информации при OFDM используется «перемежение» по времени и частоте. Суть перемежения заключается в том, что информация одного из подканалов передаётся в соседних фреймах на разных поднесущих частотах и в различной последовательности во времени. Это позволяет сократить потери информации в отдельном подканале при наличии сосредоточенной помехи на частоте конкретной поднесущей и в определённом временном интервале.
Задача модуляции огромного количества поднесущих частот разными видами QAM , была бы совершенно невозможной, если бы для каждой поднесущей использовался свой модулятор. Эту проблему удалось решить благодаря разработанному в последние годы методу быстрого преобразования Фурье, для реализации которого разработан целый спектр специализированных интегральных микросхем.
Наличие в сигнале COFDM составляющих с QAM-64 требует от усилительного тракта передатчика очень высокой степени линейности амплитудных и фазовых характеристик. Для обеспечения этих требований, мощность усилителей модулированных колебаний в режиме COFDM приходится уменьшать в несколко раз по сравнению с номинальной, переводя ряд его ступеней в режим колебаний первого рода (класс А). При этом неизбежно падает промышленный к.п.д. передатчика. В случае передатчиков большой мощности с этим мириться нельзя, поэтому для повышения эффективности усилительного тракта используют метод раздельного усиления фазомодулированной составляющей COFDM сигнала и его огибающей (см. п.п. 8.2.3).
Снижение мощности передающих устройств не сказывается на качестве передаваемой информации, т.к. цифровая форма сигнала и использование высокоэффективных методов помехоустойчивого кодирования позволяют обеспечить высокое качество в самых неблагоприятных условиях помеховой обстановки.
Рисунок 11.25 – Сравнение цифрового и аналогового вещания
Для иллюстрации эффективности метода COFDM на рисунке 11.25 представлена сравнительная диаграмма качества передачи информации в системе радиовещания по стандарту DRM и при обычной амплитудной модуляции в условиях неблагоприятной помеховой обстановки. Сравнение проводилось методом субъективных экспертных оценок. Преимущество COFDM очевидно и не требует комментариев.
11.8 Передача цифровой информации методом CDMA
(многостанционный доступ с кодовым разделением каналов)
Другой вариант использования шумоподобных сигналов с расширенным спектром [21] для передачи цифровой информации получил название CDMA (Code Division Multiple Access). Технология CDMA, в основе которой лежит ортогональное разделение сигналов, известна давно. Уже в первые послевоенные годы, в течение долгого времени эта технология использовалась в военных системах связи, как в СССР, так и в США, поскольку обладала многими ценными для таких систем преимуществами. В настоящее время CDMA применяется в большинстве работающих и перспективных системах радиосвязи. Расширение спектра может осуществляться тремя способами: FH (Frequency Hopping) – скачкообразная перестройка частоты; TH (Time Hopping) – скачкообразная перестройка по времени; DS (Direct Secuence) – «прямая последовательность». Применяются и «гибридные» способы: FH/TH, DS/TH, DS/FH, DS/FH/TH.
Суть метода FH CDMA состоит в следующем: каждый бит информации передаётся набором N частот, которые подвергаются манипуляции псевдослучайной импульсной последовательностью (ПСП) индивидуальной для каждой частоты. Длительность бита Т разбивается на отрезки τ = Т/N, в течение которго частота остаётся неизменной, а затем скачкообразно меняется по алгоритму индивидуальному для каждого абонента. В результате создаётся возможность передачи одновременно большого числа сообщений в общей полосе частот.
В случае TH CDMA информационный сигнал сжимается во времени и передаётся в виде коротких радиоимпульсов в случайные моменты времени, в соответствии с кодом ПСП. Время передачи разделяется на кадры состоящие из интервалов, отводимых для каждого информационного канала.
Классическим методом CDMA можно считать DS CDMA, получившим наибольшее распространение в современной аппаратуре радиосвязи. Поэтому рассмотрим его подробнее.
Суть метода заключается в следующем: узкополосный сигнал, полученный в результате манипуляции одним из рассмотренных ранее способов (ФТ, ОФТ, КАМ), подвергается модуляции (например по фазе) высокочастотной ПСП с большим периодом повторения. Битовая частота этой ПСП выбирается на несколько порядков выше битовой частоты информационного сигнала. В результате образуется широкополосный сигнал, из которого на приёмном конце с помощью такой же импульсной последовательности восстанавливается передаваемая информация.
Проиллюстрируем образование сигнала DS CDMA следующим образом. Предположим, что в качестве «ПСП» используется периодическая импульсная последовательность, как представлено на рисунке 11.26а. В этом случае спектр узкополосного сигнала расширяется, оставаясь дискретным.
Рисунок 11.26 – Формирование сигнала CDMA
При использовании ПСП, спектр сигнала расплывается, как показано на рисунке 11.26б. При этом, в явном виде информационный сигнал отсутствует и может быть обнаружен лишь с помощью соответствующей ПСП.
Современные средства вычислительной техники в принципе позволяют обнаружить заданную ПСП при условии, что на сеанс связи приходится, по крайней мере, несколько периодов такой последовательности. Однако это требует достаточно сложной специальной аппаратуры. Кроме того, широкополосный сигнал не только трудно раскодировать – его просто трудно обнаружить, т.е. выявить сам факт работы передатчика.
Рисунок 11.7 – Cпектр сигнала CDMA
На рисунке 11.27 представлен спектр сигнала CDMA, полученный на экранe анализатора спектра.
Технология DS CDMA позволяет создать в отведённой полосе частот огромное количество информационных каналов на одной несущей частоте.
Она обеспечивает устойчивую работу в условиях многолучевого распространения сигнала, практически не подвержена воздействию сосредоточенных помех и обеспечивает передачу информации при минимальной мощности передатчика, а приём - даже при уровне сигнала ниже уровня шумов.
В передатчике сигналов DS CDMA отсутствует синтезатор; используется лишь простейший возбудитель, работающий на одной частоте.