Многопозиционная модуляция несущей

В США на основе БМ С ЧПБП разработана система VSB (Vestigial Side Band), в которой осуществляется М -уровневая балансная модуляция несущей, после чего фильтром подавляется бóльшая часть нижней боковой полосы радиосигнала, а на месте подавленной несущей передается маломощный пилот-сигнал, необходимый для демодуляции в приемнике. Половина из М манипуляционных символов используется для передачи полезной информации; остальные – для помехоустойчивого кодирования [6.2].

Спектральная эффективность однополосной АМ вида M-VSB вычисляется по формуле

.

Звездная диаграмма для модуляции M-VSB является одномерной (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Звездные карты для модуляции M-VSB

Из рисунка видно, что с ростом М расстояние между точками звездной диаграммы уменьшается. Это означает снижение помехоустойчивости при приеме сигналов в условиях шумов. При формат модуляции VSB целесообразно использовать в каналах с большим отношением сигнал/шум (наземное и кабельное телевидение). Данные, характеризующие спектральную эффективность VSB – модуляции, приведены в табл. 6.4.

Таблица 6.4

Спектральная эффективность модуляции M-VSB

Вид модуляции		Область применения
2– SB		–
4–VSB		–
8–VSB		Наземное ЦТВ
16–VSB		Кабельное ЦТВ

Следующая группа методов многопозиционной модуляции несущей связана с применением квадратурной модуляции, известной из цветного телевидения. На рис. 6.4 приведена квадратурная схема получения многопозиционной модуляции. На выходе формируется сигнал, соответствующий М -позиционной квадратурной амплитудной модуляции (обозначается как М-КАМ или М-QАМ).

Схема квадратурной модуляции остается неизменной при различных значениях числа позиций М манипуляционного кода. При переходе к новому значению М изменяется лишь структура и алгоритмы функционирования формирователя модуляционных символов (ФМС). Назначение ФМС – разделить входной поток цифровых данных D на два цифровых потока, которые затем преобразуются в многоуровневые биполярные сигналы I и Q. Оптимальное соотношение скоростей передачи данных сигналами D, I, Q определяется формулой

(6.7)

Рис. 6.4. Квадратурная схема многопозиционной модуляции
(ФМС – формирователь модуляционных символов)

Возможен вариант раздельного формирования сигналов I и Q; тогда необходимость звена ФМС отпадает. Сигналы I и Q обычно имеют одинаковый формат и должны быть синхронизированы по тактам.

Примечание: сигналы I и Q не имеют ничего общего с одноименными сигналами цветности системы цветного телевидения NTSC, кроме названия и использования для квадратурной модуляции.

В простейшем случае для получения модуляции вида 4-КАМ в роли ФМС выступает демультиплексор, преобразующий последовательный цифровой поток D в параллельный 2-битовый формат, старший разряд которого преобразуется в сигнал I, а младший разряд – в сигнал Q. С помощью квадратурной модуляции сигналы I и Q совмещаются в общей полосе частот, вдвое меньшей, чем требуется для передачи сигнала D. На рис. 6.5 приведены осциллограммы сигналов и звездная диаграмма для модуляции 4-КАМ. Из звездной диаграммы видно, что вектор модулированной поднесущей во всех 4 позициях не изменяет амплитуды, а изменяется только ее фаза. Поэтому для модуляции 4-КАМ существует ряд адекватных названий: 4-ФМ, 4-КФМ, КФМ, QPSK. Иногда используется разновидность 4-КАМ, называемая относительной (дифференциальной) квадратурной фазовой модуляцией, которая обозначается ОКФМ или DQPSK.

Рис. 6.5. Модуляция 4-КАМ: а – осциллограммы сигналов; б – сигнальное созвездие (отображение Грея), где , , , – номера квадрантов

Прежде чем переходить к модуляции М-КАМ при M > 4, сделаем несколько замечаний по поводу сигнального созвездия, представленного на рис. 6.5, б, которое в литературе называется отображением Грея [6.3, 6.4]. Сигнальная диаграмма в формате 4-КАМ устанавливает однозначное соответствие между значениями двухбитовых кортежей (дибитов) входного потока D и точками сигнального созвездия. Из рис. 6.5, б видно, что для любой точки сигнального созвездия значение дибита, декодированного кодом Грея, совпадает с номером квадранта, в котором расположена отображаемая точка. Важно подчеркнуть, что отображение Грэя никак не зависит от типа кода, использованного для формирования входного потока D.

Сигнальные созвездия для M > 4 формируются путём многократного применения отображения Грея рис. 6.5, б. Поясним это на примере модуляции 16-КАМ (рис. 6.6). Длительность кортежа составляет 4 бита. Нечётные биты кортежа используются для формирования сигнала I, чётные – для сигнала Q. Два старших бита в пределах квадранта одинаковы и равны соответствующим дибитам из созвездия рис.6.5, б. Младшие биты в квадранте с номером соответствует сигнальному созвездию 4-КАМ (рис. 6.5, б).

Рис. 6.6. Сигнальное созвездие 16-КАМ

Младшие биты в квадрантах и переносятся из квадранта зеркально относительно осей I и Q соответственно, а в квадрант из квадранта зеркально относительно оси Q или из квадранта зеркально относительно оси I. Созвездие рис. 6.6 также является отображением Грея, потому что для любых кода, соседних по горизонтали или вертикали, отличаются друг от друга в одном бите [6.5].

Аналогичным образом строится сигнальное созвездие 64-КАМ. Рассмотренные виды модуляции QPSK, 16-КАМ и 64-КАМ используются в стандарте наземного цифрового вещания DVB-T для обеспечения многочастотной модуляции COFDM. Модуляция QPSK используется, кроме того, в спутниковом вещании DVB-S.

В наземном телевидении DVB-T предусмотрено использование иерархических режимов кодирования и модуляции, когда поток высокого приоритета передаётся двумя старшими битами кортежа, а остальные биты предназначены для передачи цифрового потока низкого приоритета. Для уменьшении ошибок при декодировании потока низкого приоритета могут использоваться неоднородные сигнальные диаграммы (для форматов 16-КАМ и 64-КАМ). Один из вариантов неоднородного созвездия приведён на рис. 6.7. Величина α, характеризующая степень неравномерности созвездия, показывает, во сколько раз максимальное расстояние между соседними точками созвездия превышает минимальное расстояние по тому же направлению.

Рис. 6.7. Неравномерное созвездие для модуляции 16-КАМ при α = 2

В кабельном телевидении (стандарт DVB-C) используется модуляция M-КАМ при M = 16, 32, 64, 128, 256. Во всех случаях за выбор квадранта отвечают два старших бита кортежа в соответствии с отображением Грея (рис. 6.5, б).

Поскольку в стандарте DVB-C внутреннее (свёрточное) кодирование не предусмотрено, цифровой сигнал на вход формирователя модуляционных символов поступает в виде параллельного 8-разрядного кода. На рис. 6.8 представлена структурная схема ФМС, которая имеет ряд особенностей [6.6]:

- входной узел преобразует байты в n -битовые кортежи, причём

;

Рис. 6.8. Структурная схема ФМС для модуляции 16-КАМ

- два старших бита кортежа подвергаются относительному (дифференциальному) кодированию;

- маппер формирует два m -уровневых биполярных сигнала I и Q, причём

,

а исходными для сигнала I являются нечётные биты кортежа; для сигнала Q – чётные. Алгоритм работы маппера должен обеспечить отображение символов в соответствии с сигнальными диаграммами, оговоренными стандартом DVB-C.

На рис. 6.9 для примера приведено одно из таких созвездий, которое, как видно из рисунка, не является отображением Грея.

Рис. 6.9. Сигнальное созвездие 32-КАМ (старшие биты квадранта выделены рамкой)

В табл. 6.5 приведены данные по спектральной эффективности и областям применения модуляции М-КАМ.

Таблица 6.5

Параметры модуляции М-КАМ