Khóa dịch pha cầu phương (QPSK). Điều chế pha kỹ thuật số: BPSK, QPSK, DQPSK Khóa dịch pha nhị phân

Như tên cho thấy, khóa dịch pha cầu phương (QPSK) là một sửa đổi của khóa dịch pha nhị phân (BPSK). Hãy nhớ rằng BPSK thực sự là điều chế DSBSC với thông điệp kỹ thuật số là tín hiệu điều chế. Điều quan trọng cần lưu ý là với điều chế BPSK, thông tin được truyền tuần tự từng bit một. QPSK cũng là một loại điều chế DSBSC, nhưng nó truyền hai bit trong mỗi khoảng thời gian mà không sử dụng tần số sóng mang khác.

Bởi vì QPSK truyền các bit theo cặp nên tốc độ truyền có thể nhanh gấp đôi BPSK. Trên thực tế, việc chuyển đổi một chuỗi các bit đơn thành một chuỗi các bit kép nhất thiết phải làm giảm tốc độ truyền đi một nửa, điều này không cho phép tăng tốc độ.

Vậy thì tại sao phương pháp điều chế này lại cần thiết? Bằng cách giảm một nửa tốc độ truyền tín hiệu, phương pháp QPSK cho phép nó chiếm một nửa phổ tần số vô tuyến so với tín hiệu BPSK. Điều này giúp tăng số lượng người đăng ký trong kênh liên lạc.

Hình 1 thể hiện sơ đồ khối thực hiện mô hình toán học của bộ điều chế QPSK.

Ở đầu vào bộ điều biến, các bit chẵn (được đánh số 0, 2, 4, v.v.) được trích xuất từ ​​luồng dữ liệu bằng cách sử dụng “bộ tách bit” và nhân với sóng mang để tạo thành tín hiệu BPSK, được chỉ định là PSKI. Đồng thời, các bit lẻ (được đánh số 1, 3, 5, v.v.) cũng được trích xuất từ ​​luồng dữ liệu và nhân với cùng một sóng mang, dịch chuyển 90°, tạo thành tín hiệu BPSK thứ hai, được chỉ định là PSK Q. Đây là nguyên lý hoạt động của bộ điều chế QPSK.

Trước khi tín hiệu QPSK được truyền đi, hai tín hiệu BPSK được cộng lại với nhau một cách đơn giản và vì chúng có cùng tần số sóng mang nên các tín hiệu chiếm cùng một phần phổ. Tuy nhiên, để phân tách các tín hiệu có sóng mang bị dịch chuyển 90°, cần có một máy thu có bộ phân biệt pha.

Hình 2 thể hiện sơ đồ khối thực hiện mô hình toán học của bộ giải điều chế QPSK.

Trong sơ đồ trên, việc giải điều chế hai tín hiệu BPSK được thực hiện độc lập và đồng thời bởi hai bộ dò dựa trên hệ số nhân. Ở đầu ra của bộ dò, các cặp bit của dữ liệu gốc xuất hiện, được loại bỏ biến dạng bằng bộ so sánh và được tập hợp thành chuỗi ban đầu bằng bộ chuyển đổi song song sang nối tiếp 2 bit.

Để hiểu cách mỗi máy dò chỉ chọn ra một tín hiệu BPSK thay vì cả hai, hãy nhớ rằng việc phát hiện tín hiệu DSBSC “nhạy cảm” với sự dịch pha. Vì vậy, việc tiếp nhận thông báo sẽ chỉ tối ưu nếu dao động sóng mang của máy phát và máy thu cùng pha. Điều quan trọng cần lưu ý là với độ lệch pha 90°, việc nhận tin nhắn trở nên không thể thực hiện được, bởi vì biên độ của tín hiệu được tái tạo trở thành bằng không. Nói cách khác, tin nhắn bị chặn hoàn toàn.

Bộ giải điều chế QPSK biến hoàn cảnh này thành một lợi thế. Lưu ý rằng máy dò sản phẩm trong Hình 2 sử dụng một sóng mang duy nhất, nhưng đối với một trong các máy dò sóng mang được dịch chuyển 90°. Trong trường hợp này, một máy dò sẽ khôi phục dữ liệu từ một tín hiệu BPSK trong khi loại bỏ tín hiệu BPSK khác và máy dò thứ hai sẽ khôi phục tín hiệu BPSK thứ hai trong khi loại bỏ tín hiệu BPSK đầu tiên.

  • Với điều chế dịch chuyển cầu phương QPSK (Bù đắp QPSK) chuyển động một pha (đồng thời) của điểm tín hiệu được giới hạn ở 90 độ. Chuyển động đồng thời của nó dọc theo kênh I và Q, tức là. không thể chuyển sang 180 độ, điều này giúp loại bỏ sự chuyển động của điểm tín hiệu qua số 0

Một trong những nhược điểm của điều chế pha cầu phương chính tắc là khi các ký hiệu trong cả hai kênh điều chế cầu phương được thay đổi đồng thời, tín hiệu QPSK gây ra bước nhảy 180° trong pha sóng mang. Khi tín hiệu QPSK thông thường được tạo ra, tại thời điểm này, điểm tín hiệu sẽ di chuyển về 0, nghĩa là điểm tín hiệu sẽ di chuyển 180 độ. Tại thời điểm chuyển động như vậy xảy ra giảm biên độ của tín hiệu RF được tạo ra về không.

Những thay đổi tín hiệu đáng kể như vậy là không mong muốn vì chúng làm tăng băng thông tín hiệu. Để khuếch đại tín hiệu có động lực đáng kể như vậy, cần có các đường truyền tuyến tính cao và đặc biệt là các bộ khuếch đại công suất. Sự biến mất của tín hiệu RF tại thời điểm điểm tín hiệu vượt qua mức 0 cũng làm giảm chất lượng hoạt động của hệ thống đồng bộ hóa thiết bị vô tuyến.


Hình bên dưới so sánh chuyển động của điểm tín hiệu trên sơ đồ vectơ đối với hai ký hiệu đầu tiên của chuỗi - từ trạng thái 11 đến 01 đối với QPSK truyền thống và đối với QPSK bù.

So sánh chuyển động của điểm tín hiệu với QPSK (trái) và OQPSK (phải) cho hai ký hiệu 11 01


Một số thuật ngữ được sử dụng để biểu thị OQPSK: QPSK bù, QPSK bù, điều chế QPSK bù, PM bốn pha có bù. Ví dụ, cách điều chế này được sử dụng trong các hệ thống CDMA để tổ chức kênh liên lạc hướng lên trong các thiết bị tiêu chuẩn ZigBee.

  • Sự hình thành của OQPSK

Điều chế OQPSK sử dụng mã hóa tín hiệu giống như QPSK. Sự khác biệt là việc chuyển từ trạng thái điều chế này sang trạng thái điều chế khác (từ điểm này trong chòm sao này sang điểm khác) được thực hiện theo hai bước. Đầu tiên, tại thời điểm đồng hồ bắt đầu ký hiệu, thành phần I thay đổi và sau một nửa ký hiệu, thành phần Q thay đổi (hoặc ngược lại).
Để làm điều này, các thành phần cầu phương của chuỗi thông tin I(t) và Q(t) được dịch chuyển theo thời gian theo khoảng thời gian của một phần tử thông tin T=Ts/2, tức là. trong một nửa thời gian của ký hiệu, như thể hiện trong hình.



Tạo tín hiệu QPSK và OQPSK cho chuỗi 110100101110010011


Với sự dịch chuyển của các tín hiệu thành phần như vậy, mỗi thay đổi về pha của tín hiệu được tạo, lần lượt được tạo ra bởi các tín hiệu cầu phương, chỉ được xác định bởi một phần tử của chuỗi thông tin gốc chứ không phải đồng thời bởi hai (dibit), như với QPSK. Kết quả là không có sự chuyển pha 180°, vì mỗi phần tử của chuỗi thông tin ban đầu đến đầu vào của bộ điều biến kênh cùng pha hoặc kênh cầu phương có thể gây ra sự thay đổi pha chỉ 0, +90° hoặc -90°.

Chuyển động pha sắc nét của điểm tín hiệu khi tạo tín hiệu OQPSK xảy ra thường xuyên gấp đôi so với QPSK, do các tín hiệu thành phần không thay đổi đồng thời nhưng bị mờ. Nói cách khác, cường độ chuyển pha trong OQPSK nhỏ hơn so với QPSK, nhưng tần số của chúng cao gấp đôi.



Tần số chuyển pha của tín hiệu QPSK và OQPSK cho chuỗi bit lặp lại 1101


Trong mạch điều chế cầu phương truyền thống, có thể đạt được sự hình thành tín hiệu QPSK bằng cách sử dụng độ trễ của các thành phần tín hiệu số bằng khoảng thời gian của bit T trong một trong các kênh điều khiển cầu phương.

Nếu sử dụng bộ lọc thích hợp khi tạo OQPSK, chuyển động giữa các điểm khác nhau trong chùm tín hiệu có thể được thực hiện gần như hoàn toàn theo hình tròn (Hình). Kết quả là biên độ của tín hiệu được tạo ra gần như không đổi.

Điều chế pha cầu phương QPSK (Quadrate Phase Shift Keying) là điều chế pha bốn cấp (M = 4), trong đó pha của dao động RF có thể lấy bốn giá trị khác nhau với bước bằng

π/2. Mỗi

giá trị pha

tín hiệu điều chế

chứa hai bit thông tin. Bởi vì

tuyệt đối

giá trị pha

không quan trọng, hãy chọn

± π 4, ± 3 π 4.

Thư tín

giá trị

tín hiệu điều chế ± π 4, ± 3 π 4

và truyền đi

Các dibit của chuỗi thông tin 00, 01, 10, 11 được đặt bằng mã Gray (xem Hình 3.13) hoặc một số thuật toán khác. Rõ ràng là các giá trị của tín hiệu điều chế với điều chế QPSK thay đổi thường xuyên bằng một nửa so với điều chế BPSK (ở cùng tốc độ truyền thông tin).

Đường bao phức g(t) với điều chế QPSK

là tín hiệu băng cơ sở cực giả ngẫu nhiên, các thành phần cầu phương của nó, theo

(3.41), lấy các giá trị số ± 1 2 . trong đó

Thời lượng của mỗi ký hiệu trong đường bao phức dài gấp đôi thời lượng của các ký hiệu trong tín hiệu điều chế kỹ thuật số ban đầu. Như đã biết, mật độ phổ công suất của tín hiệu đa mức trùng với mật độ phổ công suất của tín hiệu nhị phân tại

M = 4 và do đó T s = 2T b . Theo đó, mật độ phổ công suất của tín hiệu QPSK (đối với

tần số dương) theo phương trình (3.28) được xác định bằng biểu thức:

P(f) = K × (

tội lỗi 2

p×(f - f

)×2×T

Từ phương trình (3.51), suy ra khoảng cách giữa các số 0 đầu tiên trong mật độ phổ công suất của tín hiệu QPSK bằng D f = 1 T b, nhỏ hơn hai lần so với

để điều chế BPSK. Nói cách khác, hiệu suất phổ của điều chế QPSK cầu phương cao gấp đôi so với điều chế pha nhị phân BPSK.

cos(ωc t )

hình thành

w(t)

máy ép

cầu phương

Trình cộng

thành phần

Nó)

tội lỗi(ωc t )

hình thành

Hình.3.15. Tín hiệu QPSK điều chế cầu phương

Sơ đồ chức năng của bộ điều chế QPSK cầu phương được thể hiện trên hình 3.15. Bộ chuyển đổi mã nhận tín hiệu số ở tốc độ R. Bộ chuyển đổi mã tạo ra các thành phần cầu phương của phức

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

phong bì theo Bảng 3.2 với tốc độ thấp hơn hai lần so với ban đầu. Bộ lọc định hình cung cấp một dải tần nhất định của tín hiệu điều chế (và được điều chế tương ứng). Các thành phần cầu phương của tần số sóng mang được cung cấp cho các bộ nhân RF từ mạch tổng hợp tần số. Ở đầu ra của bộ cộng có tín hiệu điều chế QPSK s (t) trong

phù hợp với (3.40).

Bảng 3.2

Tạo tín hiệu QPSK

cos[θk ]

tội lỗi[θk ]

thành phần

thành phần I

Tín hiệu QPSK, giống như tín hiệu BPSK, không chứa tần số sóng mang trong phổ của nó và chỉ có thể được nhận bằng bộ dò kết hợp, là hình ảnh phản chiếu của mạch điều chế và

s(t)

cos(ωc t )

sự hồi phục

điện tử

tội lỗi(ωc t )

Nó)

Hình.3.16. Tín hiệu QPSK giải điều chế cầu phương

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

thể hiện ở hình 3.16.

3.3.4. Điều chế pha nhị phân vi sai DBPSK

Sự vắng mặt cơ bản của tần số sóng mang trong phổ của tín hiệu được điều chế trong một số trường hợp dẫn đến sự phức tạp không đáng có của bộ giải điều chế trong máy thu. Tín hiệu QPSK và BPSK chỉ có thể được nhận bằng bộ dò kết hợp, để thực hiện tín hiệu này cần phải truyền tần số tham chiếu cùng với tín hiệu hoặc thực hiện mạch phục hồi sóng mang đặc biệt trong máy thu. Sự đơn giản hóa đáng kể của mạch dò tìm đạt được khi điều chế pha được thực hiện ở dạng vi phân DBPSK (Khóa dịch pha nhị phân vi sai).

Ý tưởng của mã hóa vi phân không phải là truyền tải giá trị tuyệt đối của ký hiệu thông tin mà là sự thay đổi (hoặc không thay đổi) của nó so với giá trị trước đó. Nói cách khác, mỗi ký tự được truyền tiếp theo đều chứa thông tin về ký tự trước đó. Do đó, để trích xuất thông tin gốc trong quá trình giải điều chế, có thể sử dụng không phải giá trị tuyệt đối mà là giá trị tương đối của tham số đã điều chế của tần số sóng mang làm tín hiệu tham chiếu. Thuật toán mã hóa nhị phân vi phân được mô tả theo công thức sau:

dk =

m k Å d k −1

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

trong đó ( m k ) là chuỗi nhị phân ban đầu; (đk)-

chuỗi nhị phân kết quả; Å là ký hiệu của phép cộng modulo 2.

Một ví dụ về mã hóa vi sai được trình bày trong Bảng 3.3.

Bảng 3.3

Mã hóa vi phân nhị phân

tín hiệu kĩ thuật số

(dk

(dk

Mã hóa vi sai phần cứng được thực hiện dưới dạng mạch trễ tín hiệu trong khoảng thời gian bằng khoảng thời gian của một ký hiệu trong chuỗi thông tin nhị phân và mạch bổ sung modulo 2 (Hình 3.17).

Mạch logic

dk =

m k Å d k −1

Đường trễ

Hình 3.17. Bộ mã hóa tín hiệu DBPSK vi sai

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

Một máy dò không mạch lạc vi sai của tín hiệu DBPSK ở tần số trung gian được hiển thị trong Hình 3.18.

Bộ dò làm chậm xung nhận được theo một khoảng ký hiệu, sau đó nhân các ký hiệu nhận được và bị trễ:

s k × s k −1 = d k sin(w c t )d k −1 × sin(w c t ) = 1 2 d k × d k −1 × .

Sau khi lọc bằng bộ lọc thông thấp hoặc khớp

Rõ ràng là hình dạng thời gian của đường bao phức cũng như thành phần quang phổ của tín hiệu DBPSK vi phân sẽ không khác với tín hiệu BPSK thông thường.

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

3.3.5. Điều chế pha cầu phương vi sai π/4 DQPSK

Điều chế π/4 DQPSK (Khóa dịch chuyển pha tứ giác vi sai) là một dạng điều chế pha vi sai được thiết kế đặc biệt cho tín hiệu QPSK bốn cấp. Loại tín hiệu điều chế này có thể được giải điều chế bằng bộ dò không kết hợp, giống như tín hiệu điều chế DBPSK.

Sự khác biệt giữa mã hóa vi sai trong điều chế π/4 DQPSK và mã hóa vi sai trong điều chế DBPSK là sự thay đổi tương đối không được truyền trong ký hiệu kỹ thuật số điều chế mà trong tham số được điều chế, trong trường hợp này là pha. Thuật toán tạo tín hiệu điều chế được giải thích trong Bảng 3.4.

Bảng 3.4

Thuật toán tạo tín hiệu π/4 DQPSK

Thông tin

ý kiến ​​​​của bạn

Tăng

ϕ = π 4

ϕ = 3 π 4

ϕ = −3 π 4

ϕ = − π 4

góc pha

thành phần Q

Q = sin (θk ) = sin (θk − 1 +

thành phần I

I = cos(θ k ) = cos(θ k − 1 +

Mỗi bit của chuỗi thông tin gốc gắn liền với sự tăng pha của tần số sóng mang. Độ tăng góc pha là bội số của π/4. Do đó, góc pha tuyệt đối θ k có thể tăng dần tám giá trị khác nhau

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

π/4, và mỗi thành phần bậc hai của đường bao phức là một trong năm giá trị có thể có:

0, ±1 2, ±1. Sự chuyển đổi từ một pha của tần số sóng mang sang một pha khác có thể được mô tả bằng sơ đồ trạng thái trong Hình 3.13 với M = 8 bằng cách lần lượt chọn giá trị tuyệt đối của pha tần số sóng mang từ bốn vị trí.

Sơ đồ khối của bộ điều chế π/4 DQPSK được thể hiện trên hình 3.19. Tín hiệu điều chế kỹ thuật số nhị phân ban đầu đi vào bộ chuyển đổi pha mã. Trong bộ chuyển đổi, sau khi trì hoãn tín hiệu một khoảng ký hiệu, giá trị dibit hiện tại và độ tăng pha tương ứng φ k của tần số sóng mang được xác định. Cái này

độ tăng pha được đưa vào máy tính các thành phần I Q cầu phương của đường bao phức (Bảng 3.3). Lối ra

Máy tính I Q là một máy tính có năm cấp độ

tín hiệu số với thời lượng xung hai lần

Q = cos(θk –1 + Δφ)

Bộ lọc định hình

cos(ωc t )

Δφk

tuần(t)

Bộ chuyển đổi

Δφk

tội lỗi(ωc t )

I = sin(θk –1 + Δφ)

Bộ lọc định hình

Hình.3.19. Sơ đồ chức năng của bộ điều chế π/4 DQPSK

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

vượt quá thời lượng xung của tín hiệu số nhị phân ban đầu. Tiếp theo, các thành phần cầu phương I(t), Q(t) của đường bao phức

bộ lọc định hình và được đưa đến các bộ nhân tần số cao để tạo thành các thành phần cầu phương của tín hiệu tần số cao. Ở đầu ra của bộ cộng tần số cao có một hình thành đầy đủ

Tín hiệu π/4 DQPSK.

Bộ giải điều chế tín hiệu π/4 DQPSK (Hình 3.20) được thiết kế để phát hiện các thành phần cầu phương của tín hiệu điều chế và có cấu trúc tương tự như cấu trúc của bộ giải điều chế tín hiệu DBPSK. Tín hiệu RF đầu vào r (t) = cos(ω c t + θ k) ở tần số trung gian

rI(t)

r(t)

Độ trễ τ = Ts

thiết bị quyết định w(t)

Độ lệch pha Δφ = π/2

rQ(t)

Hình.3.20. Tín hiệu giải điều chế π/4 DQPSK ở tần số trung gian

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

đi đến đầu vào của mạch trễ và bộ nhân RF. Tín hiệu ở đầu ra của mỗi bộ nhân (sau khi loại bỏ các thành phần tần số cao) có dạng:

r I (t) = cos(w c t + q k) × cos(w c t + q k −1) = cos(Df k);

r Q (t) = cos(w c t + q k) × sin(w c t + q k −1) = sin(Df k).

Bộ giải phân tích các tín hiệu băng cơ sở ở đầu ra của mỗi bộ lọc thông thấp. Dấu và độ lớn của góc pha được xác định và do đó giá trị của tín hiệu nhận được được xác định. Việc triển khai phần cứng của bộ giải điều chế ở tần số trung gian (xem Hình 3.20) không phải là một nhiệm vụ dễ dàng do yêu cầu cao về độ chính xác và ổn định của mạch trễ tần số cao. Một phiên bản phổ biến hơn của mạch giải điều chế tín hiệu π/4 DQPSK với việc truyền trực tiếp tín hiệu đã điều chế sang dải băng cơ sở, như trong Hình 3.21.

r(t)

r11(t)

rQ(t)

τ = Ts

cos(ωc t + γ)

r1(t)

r12(t)

rI(t)

r21(t)

tội lỗi(ωc t + γ)

r2(t)

r22(t)

τ = Ts

Hình 3.21. Tín hiệu giải điều chế π/4 QPSK trong dải băng cơ sở

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

Truyền trực tiếp tín hiệu đã điều chế sang dải băng cơ sở cho phép bạn thực hiện đầy đủ

chuyển phổ dao động đã điều chế sang dải băng cơ sở. Các tín hiệu tham chiếu, cũng được cung cấp cho đầu vào của bộ nhân RF, không bị khóa pha với tần số sóng mang của dao động điều chế. Kết quả là, tín hiệu băng cơ sở ở đầu ra của bộ lọc thông thấp có độ lệch pha tùy ý, được coi là không đổi trong khoảng ký hiệu:

(t) = cos(w c t + q k) × cos(w c t + g) = cos(q k - g);

r 2 (t) = cos(w c t + q k) × sin(w c t + g) = sin(q k - g),

trong đó γ là độ lệch pha giữa tín hiệu nhận được và tín hiệu tham chiếu.

Các tín hiệu băng cơ sở đã giải điều chế được đưa đến hai mạch trễ và bốn bộ nhân băng cơ sở, ở đầu ra của các tín hiệu sau xuất hiện:

r 11 (t) = cos(q k - g) × cos(q k −1 - g);

r 22 (t) = sin(q k - g) × sin(q k −1 - g);

r 12 (t) = cos(q k - g) × sin(q k −1 - g);

r 21 (t) = sin(q k - g) × cos(q k −1 - g).

Do tổng hợp các tín hiệu đầu ra của các bộ nhân, sự dịch pha tùy ý γ bị loại bỏ, chỉ để lại thông tin về độ tăng góc pha của tần số sóng mang Δφ:

Dj k);

r Tôi (t) = r 12 (t) + r 21 (t) =

R 12 (t) = cos(q k - g) × sin(q k −1 - g) + r 21 (t) =

Sin(q k - g ) × cos(q k −1 - g ) = sin(q k - q k −1 ) = sin(Dj k ).

Triển khai mạch trễ trong dải băng cơ sở và

quá trình xử lý kỹ thuật số tiếp theo của tín hiệu giải điều chế làm tăng đáng kể độ ổn định của mạch và độ tin cậy của việc tiếp nhận thông tin.

3.3.6. Điều chế dịch pha cầu phương

OQPS (Khóa dịch chuyển pha tứ giác bù đắp) là trường hợp đặc biệt của QPSK. Đường bao tần số sóng mang của tín hiệu QPSK về mặt lý thuyết là không đổi. Tuy nhiên, khi dải tần của tín hiệu điều chế bị giới hạn, tính chất biên độ không đổi của tín hiệu điều chế pha sẽ bị mất. Khi truyền tín hiệu có điều chế BPSK hoặc QPSK, sự thay đổi pha trong khoảng ký hiệu có thể là π hoặc p 2 . Trực quan

Rõ ràng là bước nhảy tức thời trong pha sóng mang càng lớn thì AM đi kèm xảy ra khi phổ tín hiệu bị giới hạn càng lớn. Trên thực tế, độ lớn của sự thay đổi tức thời về biên độ của tín hiệu khi pha của nó thay đổi càng lớn thì độ lớn của sóng hài của phổ tương ứng với bước nhảy thời gian này càng lớn. Nói cách khác, khi phổ tín hiệu bị giới hạn

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

độ lớn của AM bên trong thu được sẽ tỷ lệ thuận với độ lớn của bước nhảy pha tức thời trong tần số sóng mang.

Trong tín hiệu QPSK, bạn có thể giới hạn bước nhảy pha sóng mang tối đa nếu bạn sử dụng độ lệch thời gian Tb giữa kênh Q và kênh I, tức là. nhập phần tử

độ trễ của giá trị T b vào kênh Q hoặc I . Cách sử dụng

sự dịch chuyển thời gian sẽ dẫn đến thực tế là sự thay đổi pha hoàn toàn cần thiết sẽ xảy ra trong hai giai đoạn: đầu tiên, trạng thái của một kênh thay đổi (hoặc không thay đổi), sau đó là giai đoạn kia. Hình 3.22 thể hiện trình tự các xung điều chế Q(t) và I(t) trong

kênh cầu phương cho điều chế QPSK thông thường.

Q(t)

Nó)

Tôi(t–Tb)

2T

Hình.3.22. Điều chế tín hiệu trong kênh I/Q bằng QPSK

và điều chế OQPSK

Độ dài của mỗi xung là T s = 2 T b . Thay đổi pha sóng mang khi thay đổi bất kỳ ký hiệu nào trong I hoặc Q

PDF được tạo bằng FinePrint pdfFactory Pro phiên bản dùng thử http://www.fineprint.com

Điều chế cầu phương và các đặc tính của nó (QPSK, QAM)

Hãy xem xét khóa dịch pha cầu phương (QPSK). Luồng dữ liệu gốc dk(t)=d0, d1, d2,… bao gồm các xung lưỡng cực, tức là. dk lấy các giá trị +1 hoặc -1 (Hình 3.5.a)), biểu thị số nhị phân một và số 0 nhị phân. Dòng xung này được chia thành dòng cùng pha dI(t) và dòng cầu phương - dQ(t), như trong Hình 2. 3.5.b).

dI(t)=d0, d2, d4,… (bit chẵn)

dQ(t)=d1, d3, d5,… (bit lẻ)

Có thể thu được việc triển khai trực giao thuận tiện của tín hiệu QPSK bằng cách sử dụng điều chế biên độ của các luồng cùng pha và cầu phương trên các hàm sin và cosin của sóng mang.

Sử dụng các đẳng thức lượng giác, s(t) có thể được biểu diễn dưới dạng sau: s(t)=cos(2рf0t+у(t)). Bộ điều chế QPSK được hiển thị trong Hình 2. 3.5.c), sử dụng tổng của các số hạng sin và cos. Dòng xung dI(t) được sử dụng để điều chỉnh biên độ (với biên độ +1 hoặc -1) sóng cosine.

Điều này tương đương với việc dịch pha của sóng cosin đi 0 hoặc p; do đó, kết quả là tín hiệu BPSK. Tương tự, dòng xung dQ(t) điều chỉnh sóng hình sin, tạo ra tín hiệu BPSK trực giao với tín hiệu trước đó. Bằng cách tổng hợp hai thành phần sóng mang trực giao này sẽ thu được tín hiệu QPSK. Giá trị u(t) sẽ tương ứng với một trong bốn kết hợp có thể có của dI(t) và dQ(t) trong biểu thức cho s(t): u(t)=00, ±900 hoặc 1800; các vectơ tín hiệu thu được được hiển thị trong không gian tín hiệu trong Hình. 3.6. Vì cos(2pf0t) và sin(2pf0t) trực giao nên hai tín hiệu BPSK có thể được phát hiện riêng biệt. QPSK có một số lợi thế so với BPSK: bởi vì với điều chế QPSK, một xung truyền hai bit, sau đó tốc độ truyền dữ liệu tăng gấp đôi hoặc ở cùng tốc độ truyền dữ liệu như trong sơ đồ BPSK, một nửa băng tần được sử dụng; và cũng làm tăng khả năng chống ồn, bởi vì Các xung dài gấp đôi và do đó mạnh hơn các xung BPSK.



Cơm. 3.5.

Cơm. 3.6.

Điều chế biên độ cầu phương (KAM, QAM) có thể được coi là sự tiếp nối hợp lý của QPSK, vì tín hiệu QAM cũng bao gồm hai sóng mang được điều chế biên độ độc lập.

Với điều chế biên độ cầu phương, cả pha và biên độ của tín hiệu đều thay đổi, cho phép bạn tăng số lượng bit được mã hóa, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chống nhiễu. Biểu diễn bậc hai của tín hiệu là một phương tiện thuận tiện và khá phổ biến để mô tả chúng. Biểu diễn cầu phương là biểu thị dao động dưới dạng kết hợp tuyến tính của hai thành phần trực giao - sin và cos (cùng pha và cầu phương):

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

x(t)=A(t)(-sinс(t)),y(t)=A(t)cosс(t)

Việc điều chế (thao tác) rời rạc như vậy được thực hiện trên hai kênh, trên các sóng mang được dịch chuyển 900 so với nhau, tức là nằm trong hình cầu phương (do đó có tên).

Chúng ta hãy giải thích hoạt động của mạch cầu phương bằng ví dụ tạo tín hiệu PM (PM-4) bốn pha (Hình 3.7).


Cơm. 3.7.

Cơm. 3.8. 16

Chuỗi ký hiệu nhị phân ban đầu có thời lượng T được chia, bằng cách sử dụng thanh ghi dịch chuyển, thành các xung lẻ y, được đưa vào kênh cầu phương (cosсht) và các xung chẵn - x, được đưa vào kênh cùng pha (sinхt). Cả hai chuỗi xung đều được cung cấp cho đầu vào của các bộ tạo xung điều khiển tương ứng, tại đầu ra của các chuỗi xung lưỡng cực x(t) và y(t) có biên độ ±Um và thời lượng 2T được hình thành. Các xung x(t) và y(t) đến đầu vào của bộ nhân kênh, tại đầu ra của chúng tạo thành dao động PM hai pha (0, p). Sau khi tổng hợp, chúng tạo thành tín hiệu FM-4.

Trong bộ lễ phục. 3.8. hiển thị không gian tín hiệu hai chiều và một tập hợp các vectơ tín hiệu được điều chế bởi hex QAM và được biểu thị bằng các điểm được sắp xếp trong một mảng hình chữ nhật.

Từ hình. 3.8. Có thể thấy, khoảng cách giữa các vectơ tín hiệu trong không gian tín hiệu với QAM lớn hơn so với QPSK, do đó QAM có khả năng chống nhiễu tốt hơn so với QPSK,

5. TỔNG QUAN VỀ CÁC LOẠI ĐIỀU CHỈNH

Sự biến đổi dao động điều hòa sóng mang (một hoặc nhiều tham số của nó) theo quy luật thay đổi trong chuỗi thông tin truyền đi được gọi là điều chế. Khi truyền tín hiệu số ở dạng tương tự, chúng hoạt động dựa trên khái niệm thao tác.

Phương pháp điều chế đóng vai trò chính trong việc đạt được tốc độ truyền thông tin tối đa có thể đối với một xác suất thu lỗi nhất định. Khả năng tối đa của hệ thống truyền dẫn có thể được đánh giá bằng công thức Shannon nổi tiếng, xác định sự phụ thuộc của công suất C của kênh liên tục có nhiễu Gauss trắng vào băng tần F được sử dụng và tỷ số công suất tín hiệu và nhiễu Pc/ Psh.

trong đó PC là công suất tín hiệu trung bình;

PSh là công suất tạp âm trung bình trong dải tần.

Băng thông được định nghĩa là giới hạn trên của tốc độ truyền thông tin thực tế V. Biểu thức trên cho phép chúng ta tìm giá trị tối đa của tốc độ truyền có thể đạt được trong kênh Gaussian với các giá trị cho trước: độ rộng của dải tần trong đó quá trình truyền diễn ra (DF) và tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm (PC/RSH).

Xác suất thu sai một bit trong một hệ thống truyền dẫn cụ thể được xác định bởi tỷ lệ PC/РШ. Từ công thức của Shannon, suy ra rằng việc tăng tốc độ truyền dẫn cụ thể V/DF đòi hỏi phải tăng chi phí năng lượng (PC) trên mỗi bit. Sự phụ thuộc của tốc độ truyền cụ thể vào tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm được thể hiện trong hình. 5.1.

Hình 5.1 - Sự phụ thuộc của tốc độ truyền cụ thể vào tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm

Bất kỳ hệ thống truyền tải nào cũng có thể được mô tả bằng một điểm nằm bên dưới đường cong như trong hình (vùng B). Đường cong này thường được gọi là ranh giới hoặc giới hạn Shannon. Đối với bất kỳ điểm nào trong khu vực B, có thể tạo ra một hệ thống liên lạc có xác suất thu sai có thể nhỏ đến mức cần thiết.

Các hệ thống truyền dữ liệu hiện đại yêu cầu xác suất xảy ra lỗi không được phát hiện không cao hơn 10-4...10-7.

Trong công nghệ truyền thông kỹ thuật số hiện đại, phổ biến nhất là điều chế tần số (FSK), điều chế pha tương đối (DPSK), điều chế pha cầu phương (QPSK), điều chế pha bù (offset), được gọi là O-QPSK hoặc SQPSK, điều chế biên độ cầu phương ( QAM).

Với điều chế tần số, các giá trị “0” và “1” của chuỗi thông tin tương ứng với các tần số nhất định của tín hiệu tương tự có biên độ không đổi. Điều chế tần số có khả năng chống nhiễu rất tốt nhưng điều chế tần số lại làm lãng phí băng thông của kênh liên lạc. Do đó, loại điều chế này được sử dụng trong các giao thức tốc độ thấp cho phép liên lạc qua các kênh có tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm thấp.

Với điều chế pha tương đối, tùy theo giá trị của phần tử thông tin mà chỉ có pha của tín hiệu thay đổi còn biên độ và tần số không đổi. Hơn nữa, mỗi bit thông tin không được liên kết với giá trị tuyệt đối của pha mà liên quan đến sự thay đổi của nó so với giá trị trước đó.

Thông thường hơn, DPSK bốn pha hoặc DPSK kép được sử dụng, dựa trên việc truyền bốn tín hiệu, mỗi tín hiệu mang thông tin về hai bit (dibit) của chuỗi nhị phân ban đầu. Thông thường, hai bộ pha được sử dụng: tùy thuộc vào giá trị dibit (00, 01, 10 hoặc 11), pha của tín hiệu có thể thay đổi thành 0°, 90°, 180°, 270° hoặc 45°, 135°, 225 °, 315° tương ứng. Trong trường hợp này, nếu số lượng bit được mã hóa nhiều hơn ba (8 vị trí quay pha), khả năng chống nhiễu của DPSK sẽ giảm mạnh. Vì lý do này, DPSK không được sử dụng để truyền dữ liệu tốc độ cao.

Modem điều chế pha cầu phương hoặc 4 vị trí được sử dụng trong các hệ thống mà hiệu suất phổ lý thuyết của thiết bị truyền BPSK (1 bit/(s·Hz)) không đủ cho băng thông sẵn có. Các kỹ thuật giải điều chế khác nhau được sử dụng trong hệ thống BPSK cũng được sử dụng trong hệ thống QPSK. Ngoài việc mở rộng trực tiếp các phương pháp điều chế nhị phân cho trường hợp QPSK, điều chế 4 vị trí có dịch chuyển (bù) cũng được sử dụng. Một số loại QPSK và BPSK được đưa ra trong bảng. 5.1.

Với điều chế biên độ cầu phương, cả pha và biên độ của tín hiệu đều thay đổi, cho phép bạn tăng số lượng bit được mã hóa, đồng thời cải thiện đáng kể khả năng chống nhiễu. Hiện nay, các phương pháp điều chế được sử dụng trong đó số bit thông tin được mã hóa trong một khoảng baud có thể đạt tới 8...9 và số lượng vị trí tín hiệu trong không gian tín hiệu có thể đạt tới 256...512.

Bảng 5.1 – Các loại QPSK và BPSK

PSK nhị phân PSK bốn vị trí Mô tả ngắn
BPSK QPSK BPSK và QPSK mạch lạc thông thường
DEBPSK DEQPSK BPSK và QPSK mạch lạc thông thường với mã hóa tương đối và SVN
DBSK DQPSK QPSK với giải điều chế tự tương quan (không có EHV)
FBPSK

BPSK hoặc QPSK Với bộ xử lý Feer được cấp bằng sáng chế phù hợp với các hệ thống khuếch đại phi tuyến tính

QPSK có dịch chuyển (bù)

QPSK với sự dịch chuyển và mã hóa tương đối

QPSK với shift và bộ xử lý được cấp bằng sáng chế của Feer

QPSK với mã hóa tương đối và dịch pha bằng p/4

Biểu diễn bậc hai của tín hiệu là một phương tiện thuận tiện và khá phổ biến để mô tả chúng. Biểu diễn bậc hai là biểu thị độ rung dưới dạng kết hợp tuyến tính của hai thành phần trực giao - sin và cos:

S(t)=x(t)sin(wt+(j))+y(t)cos(wt+(j)), (5.2)

trong đó x(t) và y(t) là các đại lượng lưỡng cực rời rạc.

Việc điều chế (thao tác) rời rạc như vậy được thực hiện trên hai kênh trên các sóng mang được dịch chuyển 90° so với nhau, tức là nằm trong cầu phương (do đó có tên của phương pháp biểu diễn và tạo tín hiệu).

Hãy để chúng tôi giải thích hoạt động của mạch cầu phương (Hình 5.2) bằng ví dụ tạo tín hiệu QPSK.


Hình 5.2 – Mạch điều chế cầu phương

Chuỗi ký hiệu nhị phân ban đầu có thời lượng T được chia, bằng cách sử dụng thanh ghi dịch, thành các xung Y lẻ, được cung cấp cho kênh cầu phương (coswt) và các xung X chẵn, được cung cấp cho kênh cùng pha (sinwt). Cả hai chuỗi xung đều đến đầu vào của các bộ tạo xung điều khiển tương ứng, tại đầu ra của các chuỗi xung lưỡng cực x(t) và y(t) được hình thành.

Các xung thao tác có biên độ và thời gian là 2T. Các xung x(t) và y(t) đến đầu vào của bộ nhân kênh, tại đầu ra của chúng tạo thành dao động điều chế pha hai pha. Sau khi tổng hợp, chúng tạo thành tín hiệu QPSK.

Biểu thức trên để mô tả tín hiệu được đặc trưng bởi sự độc lập lẫn nhau của các xung thao tác đa cấp x(t), y(t) trong các kênh, tức là. Mức một trong một kênh có thể tương ứng với mức một hoặc 0 ở kênh khác. Kết quả là tín hiệu đầu ra của mạch cầu phương không chỉ thay đổi về pha mà còn về biên độ. Do việc điều chỉnh biên độ được thực hiện trong mỗi kênh nên kiểu điều chế này được gọi là điều chế cầu phương biên độ.

Sử dụng cách giải thích hình học, mỗi tín hiệu QAM có thể được biểu diễn dưới dạng vectơ trong không gian tín hiệu.

Bằng cách chỉ đánh dấu các đầu của vectơ, đối với tín hiệu QAM, chúng ta thu được hình ảnh ở dạng điểm tín hiệu, tọa độ của điểm này được xác định bởi các giá trị x(t) và y(t). Tập hợp các điểm tín hiệu tạo thành cái gọi là chòm sao tín hiệu.

Trong bộ lễ phục. Hình 5.3 cho thấy sơ đồ khối của bộ điều biến và Hình. 5.4 – chòm sao tín hiệu cho trường hợp x(t) và y(t) lấy giá trị ±1, ±3 (QAM-4).

Hình 5.4 – Sơ đồ tín hiệu QAM-4

Các giá trị ±1, ±3 xác định các mức điều chế và mang tính chất tương đối. Chòm sao chứa 16 điểm tín hiệu, mỗi điểm tương ứng với 4 bit thông tin được truyền đi.

Sự kết hợp của các mức ±1, ±3, ±5 có thể tạo thành một chùm gồm 36 điểm tín hiệu. Tuy nhiên, trong số này, giao thức ITU-T chỉ sử dụng 16 điểm phân bố đều trong không gian tín hiệu.

Có một số cách để triển khai QAM-4 trên thực tế, trong đó phổ biến nhất là phương pháp được gọi là phương pháp điều chế chồng chất (SPM). Sơ đồ thực hiện phương pháp này sử dụng hai QPSK giống hệt nhau (Hình 5.5).

Sử dụng kỹ thuật tương tự để thu được QAM, bạn có thể thu được sơ đồ triển khai thực tế QAM-32 (Hình 5.6).

Hình 5.5 – Mạch điều chế QAM-16

Hình 5.6 – Mạch điều chế QAM-32


Việc lấy QAM-64, QAM-128 và QAM-256 diễn ra theo cách tương tự. Các sơ đồ để có được những điều chế này không được đưa ra do tính chất cồng kềnh của chúng.

Từ lý thuyết truyền thông, người ta biết rằng với số điểm bằng nhau trong chùm tín hiệu, khả năng chống nhiễu của hệ thống QAM và QPSK là khác nhau. Với số lượng điểm tín hiệu lớn, phổ QAM giống hệt phổ của tín hiệu QPSK. Tuy nhiên, tín hiệu QAM có hiệu suất tốt hơn hệ thống QPSK. Lý do chính cho điều này là khoảng cách giữa các điểm tín hiệu trong hệ thống QPSK nhỏ hơn khoảng cách giữa các điểm tín hiệu trong hệ thống QAM.

Trong bộ lễ phục. Hình 5.7 cho thấy các chùm tín hiệu của hệ thống QAM-16 và QPSK-16 có cùng cường độ tín hiệu. Khoảng cách d giữa các điểm liền kề của chùm tín hiệu trong hệ thống QAM với các mức điều chế L được xác định bằng biểu thức:

(5.3)

Tương tự với QPSK:

(5.4)

Trong đó M là số pha.

Từ các biểu thức trên cho thấy rằng với sự gia tăng giá trị của M và cùng mức công suất, hệ thống QAM được ưa chuộng hơn hệ thống QPSK. Ví dụ: với M=16 (L = 4) dQAM = 0,47 và dQPSK = 0,396 và với M=32 (L = 6) dQAM = 0,28, dQPSK = 0,174.


Vì vậy, chúng ta có thể nói rằng QAM hiệu quả hơn nhiều so với QPSK, cho phép sử dụng nhiều điều chế đa cấp hơn với cùng tỷ lệ tín hiệu trên nhiễu. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng các đặc tính QAM sẽ gần nhất với ranh giới Shannon (Hình 5.8) trong đó: 1 – ranh giới Shannon, 2 – QAM, 3 – M-position ARC, 4 – M-position PSK.

Hình 5.8 - Sự phụ thuộc hiệu suất phổ của các phương pháp điều chế khác nhau vào C/N


Nhìn chung, các hệ thống QAM vị trí M khuếch đại tuyến tính như 16-QAM, 64-QAM, 256-QAM có hiệu suất phổ cao hơn QPSK khuếch đại tuyến tính, có giới hạn hiệu suất lý thuyết là 2 bit/(s∙Hz).

Một trong những tính năng đặc trưng của QAM là giá trị năng lượng ngoài băng tần thấp (Hình 5.9).

Hình 5.9 – Phổ năng lượng của QAM-64

Việc sử dụng QAM đa vị trí ở dạng thuần túy có liên quan đến vấn đề không đủ khả năng chống ồn. Do đó, trong tất cả các giao thức tốc độ cao hiện đại, QAM được sử dụng cùng với mã hóa lưới (TCM). Chòm tín hiệu TCM chứa nhiều điểm tín hiệu (vị trí tín hiệu) hơn mức cần thiết để điều chế mà không cần mã hóa lưới. Ví dụ: QAM 16 bit chuyển đổi thành chùm 32-QAM được mã hóa bằng lưới mắt cáo. Các điểm chòm sao bổ sung cung cấp tín hiệu dự phòng và có thể được sử dụng để phát hiện và sửa lỗi. Mã hóa chập kết hợp với TCM tạo ra sự phụ thuộc giữa các điểm tín hiệu liên tiếp. Kết quả là một kỹ thuật điều chế mới gọi là điều chế Trellis. Sự kết hợp của mã chống nhiễu QAM cụ thể được chọn theo một cách nhất định được gọi là cấu trúc mã tín hiệu (SCC). SCM giúp tăng khả năng chống nhiễu khi truyền thông tin cùng với việc giảm yêu cầu về tỷ lệ tín hiệu trên tạp âm trong kênh từ 3 - 6 dB. Trong quá trình giải điều chế, tín hiệu nhận được sẽ được giải mã bằng thuật toán Viterbi. Chính thuật toán này, thông qua việc sử dụng tính năng dự phòng được giới thiệu và kiến ​​thức về lịch sử của quá trình tiếp nhận, cho phép, bằng cách sử dụng tiêu chí khả năng tối đa, chọn điểm tham chiếu đáng tin cậy nhất từ ​​không gian tín hiệu.

Việc sử dụng QAM-256 cho phép bạn truyền 8 trạng thái tín hiệu, nghĩa là 8 bit, trong 1 baud. Điều này cho phép bạn tăng đáng kể tốc độ truyền dữ liệu. Vì vậy, với độ rộng phạm vi truyền Df = 45 kHz (như trong trường hợp của chúng tôi), 1 baud, nghĩa là 8 bit, có thể được truyền trong khoảng thời gian 1/Df. Khi đó tốc độ truyền tối đa trên dải tần này sẽ là

Vì trong hệ thống này việc truyền được thực hiện trên hai dải tần có cùng độ rộng nên tốc độ truyền tối đa của hệ thống này sẽ là 720 kbit/s.

Vì luồng bit được truyền không chỉ chứa các bit thông tin mà còn chứa các bit dịch vụ nên tốc độ thông tin sẽ phụ thuộc vào cấu trúc của các khung được truyền. Các khung được sử dụng trong hệ thống truyền dữ liệu này được hình thành trên cơ sở giao thức Ethernet và V.42 và có độ dài tối đa K=1518 bit, trong đó KS=64 là các bit dịch vụ. Khi đó tốc độ truyền thông tin sẽ phụ thuộc vào tỷ lệ bit thông tin và bit dịch vụ

Tốc độ này vượt quá tốc độ được chỉ định trong thông số kỹ thuật. Do đó, chúng ta có thể kết luận rằng phương pháp điều chế đã chọn đáp ứng các yêu cầu đặt ra trong thông số kỹ thuật.

Vì trong hệ thống này việc truyền tải được thực hiện đồng thời trên hai dải tần nên cần phải tổ chức hai bộ điều biến hoạt động song song. Nhưng cần lưu ý rằng hệ thống có thể chuyển từ dải tần chính sang dải tần dự phòng. Vì vậy, việc tạo và điều khiển cả bốn tần số sóng mang là cần thiết. Bộ tổng hợp tần số được thiết kế để tạo ra tần số sóng mang bao gồm bộ tạo tín hiệu tham chiếu, bộ chia và bộ lọc chất lượng cao. Bộ tạo xung vuông thạch anh hoạt động như một bộ tạo tín hiệu tham chiếu (Hình 5.10).

Hình 5.10 - Máy phát điện ổn định bằng thạch anh

Để đánh giá tình trạng an toàn thông tin; - quản lý quyền truy cập của những người tham gia cuộc họp vào cơ sở; - Tổ chức giám sát lối vào phòng được phân bổ và môi trường xung quanh trong cuộc họp. 2. Các phương tiện chính để đảm bảo bảo vệ thông tin âm thanh trong cuộc họp là: - lắp đặt các loại máy tạo tiếng ồn, giám sát phòng...


Sử dụng công nghệ in máy tính? 10. Mô tả các hành vi phạm tội quy định tại Chương 28 Bộ luật Hình sự Liên bang Nga “Các tội phạm trong lĩnh vực thông tin máy tính”. MỤC 2. CHỐNG TỘI PHẠM TRONG LĨNH VỰC THÔNG TIN MÁY TÍNH CHƯƠNG 5. KIỂM SOÁT TỘI PHẠM TRONG LĨNH VỰC CÔNG NGHỆ CAO 5.1 Kiểm soát tội phạm máy tính ở Nga Các biện pháp kiểm soát...