От цифровой системы связи требуется высокая скорость передачи сообщений, измеряемая в количестве передаваемых двоичных символов за единицу времени (битовая скорость), узкая частотная полоса, занимаемая сигналом, малая вероятность ошибки (символьной ps, битовой pb) при низкой, насколько это возможно, мощности сигнала. Эти требования должны быть реализованы в совокупности с возможностью простой аппаратной реализации. Перечисленные требования к системе противоречивы. Очевидно, что для повышения скорости передачи следует расширять частотную полосу канала, а для уменьшения вероятности ошибок – увеличивать мощность сигнала. Cпектральная эффектиность Rb / F максимальна в системах с амплитудно-фазовой модуляцией. Символ длительности Ts переносит log2M бит информации, где M – число символов алфавита. Битовая скорость Rb = (log2M) / Ts. Минимальная ширина полосы пропускания канала (F), необходимая для передачи данных в основной полосе частот без межсимвольных искажений со скоростью Rs= 1 / Ts символов в секунду, равна 1 / (2Ts) Гц (в два раза меньше частоты опросов детектора). Таким образом, ширина спектра полосовой амплитудно-фазовой манипуляции удваивается, а необходимая полоса пропускания канала становится равной 1 / Ts. Частотная полоса системы с М-арной частотной манипуляцией F = М / Ts. Следовательно, спектральная эффективность систем с амплитудно-фазовой и частотной манипуляцией рассчитывается по формулам:
С целью повышения спектральной эффективности в финитном спектре используются многоосновные виды модуляции. Согласно работе Б. Скляра [1], наиболее эффективными по данному показателю являются М-арная фазовая модуляция (M-PSK) и М-арная квадратурная амплитудно-фазовая модуляция (М-QAM). На рисунке 1 отмечены точки, представляющие значения показателей Eb / N0 и Rb / F для М-арной амплитудно-фазовой манипуляции с когерентным детектированием (знак о, М = 2, 4, 16, 64) и частотной манипуляции с некогерентным детектированием (знак ×, М = 2, 4, 8, 16). При этом вероятность битовой ошибки без помехоустойчивого кодирования составляет не более 10–5. Предполагается, что несущее колебание модулируется прямоугольными импульсами.
С увеличением параметра М помехоустойчивость системы с частотной манипуляцией возрастает, а системы с амплитудно-фазовой манипуляцией – уменьшается (см. рис. 1). В системе с амплитудно-фазовой манипуляцией с ростом М уменьшается расстояние между сигналами. Поэтому увеличивается вероятность ошибки, определяемой и как функция S / N, и как функция Eb / N0. Вероятность ошибки в системах с двухбитным и однобитным символом (4ФМ и 2ФМ) одинакова, поскольку система 4ФМ – это две системы 2ФМ, работающие одновременно и независимо друг от друга на ортогональных составляющих. Спектральная эффективность системы 4ФМ в два раза выше, чем у системы 2ФМ. Спектральная эффективность систем с двухбитным и однобитным частотным модулированием сигнала (4ЧМ и 2ЧМ) одинакова: (log22) / 2 = (log24) / 4. Таким образом, заданные скорость передачи данных и помехоустойчивость можно обеспечить при ограниченной частотной полосе. Сделать это можно за счёт увеличения мощности сигнала с амплитудно-фазовой манипуляцией, а при ограниченной мощности – за счёт расширения частотной полосы сигнала с частотной манипуляцией.
Применяя амплитудно-фазовую ма-нипуляцию с большими значениями параметра М, удаётся передавать данные с высокой скоростью по узкополосной проводной линии связи, поскольку на этой линии отношение сигнал/шум, как правило, велико.
Первый способ подразумевает применение временного, частотного или кодового уплотнения (см. рис. 2). Наилучшим способом применения кодового уплотнения является использование ортогональных сигналов. В таком случае применение М-арной частотной модуляции представляется крайне затруднительным. Наиболее целесообразным в таком случае представляется использование М-арной квадратурной амплитудно-фазовой модуляции (M-QAM) или гибридной М-арной квадратурной амплитудно-фазовой (инверсной модуляции) M-QAPM. При этом сохраняется ортогональность и увеличивается эффективность использования спектра:
На рисунке 3 можно наблюдать, что спектральная и энергетическая эффективность рассмотренных систем далека до теоретического предела. Чтобы к нему приблизиться необходимо совершенствовать методы модуляции и кодирования.
Рассмотрим другой вид модуляции – квадратурную амплитудно-фазовую (ин-версную) модуляцию. Данный вид модуляции позволяет передавать информацию по синфазной и квадратурной составляющим, что повышает спектральную эффективность полосы частот.
Как следует из таблицы 1, наиболее приемлемым из проанализированных видов модуляции является М-арный квадратурный амплитудно-фазовый демодулятор.
Выводы
Предложенный способ многоуровневой амплитудно-инверсной модуляции сигналов (КАИМ), по сравнению с КАМ, характеризуется существенно большей энергетической эффективностью при их одинаковой спектральной эффективности.
Литература
- Скляр Б. Цифровая связь. М. Издательский дом Вильямс. 2003. С. 1104.
- Дж. Проксис. Цифровая связь. Пер. с англ. М. Радио и связь. 2000. С. 800.
- Томаси У. Электронные системы связи. М. Техносфера. 2007. С. 1360.
