Quadraturmodulation und ihre Eigenschaften (QPSK, QAM)

Betrachten Sie die Quadraturphasenumtastung (QPSK). Der ursprüngliche Datenstrom dk(t)=d0, d1, d2,… besteht aus bipolaren Pulsen, d.h. dk nehmen die Werte +1 oder -1 an (Abb. 3.5.a)), was eine binäre Eins und eine binäre Null darstellt. Dieser Impulsfluss wird in einen Inphase-Fluss dI(t) und einen Quadraturfluss dQ(t) unterteilt, wie in Abb. 3.5.b).

dI(t)=d0, d2, d4,… (gerade Bits)

dQ(t)=d1, d3, d5,… (ungerade Bits)

Eine praktische orthogonale Implementierung eines QPSK-Signals kann durch Amplitudenmodulation von Inphase- und Quadraturströmen auf Sinus- und Cosinusfunktionen des Trägers erhalten werden.

Unter Verwendung trigonometrischer Identitäten kann s(t) in der folgenden Form dargestellt werden: s(t)=cos(2ðf0t+у(t)). Der in Abb. gezeigte QPSK-Modulator. 3.5.c) verwendet die Summe der Sinus- und Kosinusterme. Der Impulsstrom dI(t) wird zur Amplitudenmodulation (mit Amplitude +1 oder -1) der Kosinuswelle verwendet.

Dies entspricht einer Verschiebung der Phase der Kosinuswelle um 0 oder p; Daher ist das Ergebnis ein BPSK-Signal. In ähnlicher Weise moduliert der Impulsstrom dQ(t) die Sinuswelle, die ein BPSK-Signal erzeugt, das orthogonal zum vorherigen ist. Durch Summieren dieser beiden orthogonalen Trägerkomponenten wird ein QPSK-Signal erhalten. Der Wert u(t) entspricht einer von vier möglichen Kombinationen von dI(t) und dQ(t) im Ausdruck für s(t): u(t)=00, ±900 oder 1800; Die resultierenden Signalvektoren sind im Signalraum in Abb. dargestellt. 3.6. Da cos(2pf0t) und sin(2pf0t) orthogonal sind, können die beiden BPSK-Signale getrennt erfasst werden. QPSK hat gegenüber BPSK eine Reihe von Vorteilen: weil Bei der QPSK-Modulation überträgt ein Impuls zwei Bits, dann wird die Datenübertragungsrate verdoppelt, oder bei der gleichen Datenübertragungsrate wie beim BPSK-Schema wird das halbe Frequenzband verwendet; und erhöht auch die Störfestigkeit, weil Die Impulse sind doppelt so lang und damit leistungsstärker als BPSK-Impulse.

Reis. 3.5.

Reis. 3.6.

Die Quadraturamplitudenmodulation (KAM, QAM) kann als logische Fortsetzung von QPSK angesehen werden, da das QAM-Signal ebenfalls aus zwei unabhängigen amplitudenmodulierten Trägern besteht.

Bei der Quadraturamplitudenmodulation ändern sich sowohl die Phase als auch die Amplitude des Signals, wodurch Sie die Anzahl der codierten Bits erhöhen und gleichzeitig die Störfestigkeit deutlich verbessern können. Die Quadraturdarstellung von Signalen ist eine praktische und ziemlich universelle Möglichkeit, sie zu beschreiben. Die Quadraturdarstellung soll die Schwingung als lineare Kombination zweier orthogonaler Komponenten – Sinus und Cosinus (in Phase und Quadratur) – ausdrücken:

s(t)=A(t)cos(øt + ö(t))=x(t)sinоt + y(t)cosоt, wobei

x(t)=A(t)(-sinс(t)),y(t)=A(t)cosс(t)

Eine solche diskrete Modulation (Manipulation) erfolgt über zwei Kanäle, auf Trägern, die um 900 relativ zueinander verschoben sind, d.h. in Quadratur angeordnet (daher der Name).

Erklären wir die Funktionsweise der Quadraturschaltung am Beispiel der Erzeugung von vierphasigen PM (PM-4)-Signalen (Abb. 3.7).

Reis. 3.7.

Reis. 3.8. 16

Die ursprüngliche Folge binärer Symbole der Dauer T wird mithilfe eines Schieberegisters in ungerade Impulse y, die in den Quadraturkanal (cosсht) eingespeist werden, und gerade Impulse - x, die in den Inphase-Kanal (sinхt) eingespeist werden, unterteilt. Beide Impulsfolgen werden den Eingängen der entsprechenden manipulierten Impulsformer zugeführt, an deren Ausgängen Folgen von bipolaren Impulsen x(t) und y(t) mit einer Amplitude ±Um und einer Dauer von 2T entstehen. Impulse x(t) und y(t) kommen an den Eingängen von Kanalmultiplizierern an, an deren Ausgängen zweiphasige (0, p) PM-Schwingungen gebildet werden. Nach der Summation bilden sie ein FM-4-Signal.

In Abb. 3.8. zeigt einen zweidimensionalen Signalraum und einen Satz von Signalvektoren, die durch Hex-QAM moduliert und durch Punkte dargestellt werden, die in einem rechteckigen Array angeordnet sind.

Aus Abb. 3.8. Es ist ersichtlich, dass der Abstand zwischen Signalvektoren im Signalraum bei QAM größer ist als bei QPSK, daher ist QAM im Vergleich zu QPSK rauschresistenter.

Erwägen Sie eine Leistungsregelung mit offenem Regelkreis (weniger genau). Nach dem Einschalten sucht die Mobilstation nach einem Signal von der Basisstation. Nach der Synchronisierung der Mobilstation mit diesem Signal wird deren Leistung gemessen und die Leistung des übertragenen Signals berechnet, die erforderlich ist, um eine Verbindung mit der Basisstation sicherzustellen. Die Berechnungen basieren auf der Tatsache, dass die Summe der erwarteten Leistungspegel des gesendeten Signals und der Leistung des empfangenen Signals konstant sein und 73 dB betragen muss. Wenn der Empfangssignalpegel beispielsweise 85 dB beträgt, sollte der Strahlungsleistungspegel ± 12 dB betragen. Dieser Vorgang wiederholt sich alle 20 ms, bringt aber dennoch nicht die gewünschte Genauigkeit der Leistungsregelung, da Hin- und Rückkanal in unterschiedlichen Frequenzbereichen (45-MHz-Frequenzabstand) arbeiten und daher unterschiedliche Ausbreitungsdämpfungen aufweisen und unterschiedlich anfällig für Störungen sind .

Betrachten wir den Prozess der Leistungsregulierung in einem geschlossenen Kreislauf. Mit dem Leistungskontrollmechanismus können Sie die Leistung des übertragenen Signals präzise einstellen. Die Basisstation bewertet ständig die Fehlerwahrscheinlichkeit jedes empfangenen Signals. Überschreitet sie einen per Software definierten Schwellenwert, befiehlt die Basisstation der entsprechenden Mobilstation, die Strahlungsleistung zu erhöhen. Die Anpassung erfolgt in 1-dB-Schritten. Dieser Vorgang wiederholt sich alle 1,25 ms. Das Ziel dieses Steuerungsprozesses besteht darin, sicherzustellen, dass jede Mobilstation die minimale Signalleistung aussendet, die ausreicht, um eine akzeptable Sprachqualität bereitzustellen. Aufgrund der Tatsache, dass alle Mobilstationen Signale mit der für den normalen Betrieb erforderlichen Leistung aussenden und nicht mehr; ihre gegenseitige Beeinflussung wird minimiert und die Teilnehmerkapazität des Systems erhöht.

Mobilstationen müssen eine Ausgangsleistungssteuerung über einen weiten Dynamikbereich – bis zu 85 dB – ermöglichen.

6.2.12. QPSK-Signalerzeugung

Das CDMA IS-95-System verwendet Quadratur-Phasenumtastung

(QPSK – Quadrature Phase-Shift Keying) Basis und verschobenes QPSK in Mobilgeräten

New Yorker Stationen. In diesem Fall werden Informationen durch Analyse der Phasenänderung des Signals extrahiert, sodass die Phasenstabilität des Systems ein entscheidender Faktor für die Gewährleistung einer minimalen Fehlerwahrscheinlichkeit in Nachrichten ist. Durch den Einsatz von verschobenem QPSK können die Anforderungen an die Linearität des Leistungsverstärkers der Mobilstation reduziert werden, da sich die Amplitude des Ausgangssignals bei dieser Modulationsart deutlich weniger ändert. Bevor Störungen durch digitale Signalverarbeitungstechniken unterdrückt werden können, müssen sie den Hochfrequenzpfad des Empfängers durchlaufen, ohne den rauscharmen Breitbandverstärker (LNA) und Mischer zu überlasten. Das

zwingt Systementwickler dazu, ein Gleichgewicht zwischen den dynamischen und Rauscheigenschaften des Empfängers anzustreben.

Bei der Quadratur-Phasenumtastung entsprechen zwei Bits je nach Wert dieser Bits 4 Phasenwerten des ausgesendeten Signals (Abb. 6.39), d. h. ein Phasenwert kann den Wert von 2 Bits gleichzeitig übertragen .

Reis. 6.39. Diagramm der Phasenwerte für die QPSK-Modulation

Der Datenstrom wird in gerade und ungerade Bits unterteilt (Abb. 6.40). Darüber hinaus läuft der Prozess im Inphase- und Quadraturkanal parallel ab. Nach der Umwandlung in NRZ (Non-Return-to-Zero) erzeugt der Encoder ein bipolares Signal (Abb. 6.41). Das Signal wird dann mit zwei orthogonalen Funktionen moduliert. Nach der Summierung der Signale der beiden Kanäle erhalten wir ein quadraturmoduliertes (QPSK) Signal.

Reis. 6.40. QPSK-Signalerzeugungsschema

Reis. 6.41. Code ohne Rückkehr zu Null

Das modulierte Zeitbereichssignal ist in Abb. dargestellt. 6.42 und ist ein kurzes Segment einer zufälligen Bitfolge. Die Abbildung zeigt Fragmente einer Sinus- und Kosinuswelle, die in den Inphase- und Quadraturkanälen verwendet werden. Die in der Abbildung verwendete Bitfolge ist: 1 1 0 0 0 1 1 0, die in eine Folge von geraden und ungeraden Bits unterteilt ist. Das gesamte QPSK-Signal ist unten dargestellt.

Reis. 6.42. QPSK-Signal im Zeitbereich

Auf der Empfangsseite läuft der umgekehrte Vorgang ab (Abb. 6.43). Jeder Kanal verwendet einen angepassten Filter. Der Detektor des entsprechenden Kanals verwendet den relativen Wert des Schwellenwerts, um eine Entscheidung zu treffen: 0 oder 1 wird akzeptiert. Die Analyse erfolgt über Frames, die der Übertragungszeit eines Symbols entsprechen.

Mobilstationen nutzen Offset-Quadraturmodulation (OQPSK – Offset QPSK). In einem der Kanäle wird die Bitfolge um eine Zeit verzögert, die der halben Dauer des übertragenen Symbols entspricht. In diesem Fall ändern die Komponenten des Inphase- und Quadraturkanals nie gleichzeitig ihre Phasenverschiebung (Abb. 6.44). Der maximale Phasensprung beträgt 90 Grad. Dadurch werden Signalamplitudenschwankungen deutlich kleiner. Dieser Effekt

dort ist das Signal viel kleiner. Dieser Effekt ist im Vergleich zur QPSK-Modulation mit gleicher Bitfolge deutlich sichtbar (Abb. 6.42).

Reis. 6.43. Demodulation des QPSK-Signals im Empfänger

Reis. 6.44. OQPSK-Signal im Zeitbereich

Die Übertragung von Nachrichten im IS-95-Standard erfolgt in Frames. Die verwendeten Empfangsprinzipien ermöglichen eine Fehleranalyse in jedem Informationsrahmen. Wenn die Anzahl der Fehler den akzeptablen Wert überschreitet und es zu einer unakzeptablen Verschlechterung der Sprachqualität kommt, wird dieser Frame gelöscht

(Rahmenlöschung).

Die Fehlerrate oder „Bitlöschrate“ hängt eindeutig vom Verhältnis der Energie des Informationssymbols zur spektralen Rauschdichte Eo/No ab. In Abb. Abbildung 6.45 zeigt die Abhängigkeit der Fehlerwahrscheinlichkeit in einem Rahmen (Prob. Frame Error) vom Wert des Eo/No-Verhältnisses für den Vorwärts- und Rückwärtskanal unter Berücksichtigung von Modulation, Codierung und Interleaving.

Mit zunehmender Anzahl aktiver Teilnehmer in einer Zelle aufgrund gegenseitiger Beeinflussung sinkt das Eo/No-Verhältnis und die Fehlerrate steigt. In diesem Zusammenhang legen verschiedene Unternehmen ihre eigenen akzeptablen Fehlerquoten fest. Beispielsweise hält Motorola für CDMA IS-95 eine Fehlerrate von 1 % für akzeptabel, was unter Berücksichtigung von Fading einem Verhältnis von Eo/No = 7 – 8 dB entspricht. Gleichzeitig ist der Durchsatz von IS-95-Systemen im Durchschnitt 15-mal höher als der Durchsatz analoger AMPS-Systeme.

Qualcomm geht von einer akzeptablen Fehlerquote von 3 % aus. Dies ist einer der Gründe, warum Qualcomm behauptet, dass CDMA IS-95 die 20- bis 30-fache Kapazität von analogem AMPS hat.

Das Verhältnis Eo/No = 7 - 8 dB und die zulässige Fehlerrate von 1 % ermöglichen die Organisation von 60 aktiven Kanälen pro Zelle mit drei Sektoren. Die Abhängigkeit der Anzahl aktiver Kommunikationskanäle (TCN) für den Rückkanal vom Wert des Eo/No-Verhältnisses für eine 3-Sektoren-Zelle ist in Abb. dargestellt. 6.46.

Abb.6.45. Abhängigkeit der Fehlerwahrscheinlichkeit in einem Frame vom Signalpegel

Wie der Name schon sagt, ist die Quadratur-Phasenumtastung (QPSK) eine Modifikation der binären Phasenumtastung (BPSK). Denken Sie daran, dass es sich bei BPSK eigentlich um eine DSBSC-Modulation mit einer digitalen Nachricht als Modulationssignal handelt. Es ist wichtig zu beachten, dass bei der BPSK-Modulation Informationen sequentiell Bit für Bit übertragen werden. QPSK ist ebenfalls eine Art der DSBSC-Modulation, überträgt jedoch in jedem Zeitintervall zwei Bits, ohne eine andere Trägerfrequenz zu verwenden.

Da QPSK Bits paarweise überträgt, scheint die Übertragungsgeschwindigkeit doppelt so hoch zu sein wie bei BPSK. Tatsächlich reduziert die Umwandlung einer Folge von Einzelbits in eine Folge von Doppelbits zwangsläufig die Übertragungsgeschwindigkeit um die Hälfte, was keine Geschwindigkeitsgewinne ermöglicht.

Warum wird dann diese Modulationsmethode benötigt? Durch die Halbierung der Signalübertragungsrate ermöglicht die QPSK-Methode, dass sie die Hälfte des Funkfrequenzspektrums einnimmt als ein BPSK-Signal. Dadurch ist es möglich, die Anzahl der Teilnehmer im Kommunikationskanal zu erhöhen.

Abbildung 1 zeigt ein Blockdiagramm der Implementierung des mathematischen Modells des QPSK-Modulators.

Am Modulatoreingang werden gerade Bits (nummeriert 0, 2, 4 usw.) mithilfe eines „Bitsplitters“ aus dem Datenstrom extrahiert und mit dem Träger multipliziert, um ein BPSK-Signal zu bilden, das als PSKI bezeichnet wird. Gleichzeitig werden auch ungerade Bits (nummeriert 1, 3, 5 usw.) aus dem Datenstrom extrahiert und mit demselben Träger multipliziert, um 90° verschoben, wodurch ein zweites BPSK-Signal mit der Bezeichnung PSK Q entsteht. Dies ist das Funktionsprinzip des QPSK-Modulators.

Bevor das QPSK-Signal übertragen wird, werden die beiden BPSK-Signale einfach addiert und da sie die gleiche Trägerfrequenz haben, nehmen die Signale den gleichen Teil des Spektrums ein. Um jedoch Signale zu trennen, deren Träger um 90° verschoben sind, ist ein Empfänger mit Phasendiskriminator erforderlich.

Abbildung 2 zeigt ein Blockdiagramm der Implementierung des mathematischen Modells des QPSK-Demodulators.

Im obigen Schema wird die Demodulation zweier BPSK-Signale unabhängig und gleichzeitig von zwei auf Multiplikatoren basierenden Detektoren durchgeführt. An den Ausgängen der Detektoren erscheinen Bitpaare der Originaldaten, die mithilfe eines Komparators von Verzerrungen befreit und mithilfe eines 2-Bit-Parallel-Seriell-Wandlers zur Originalsequenz zusammengesetzt werden.

Um zu verstehen, wie jeder Detektor nur ein BPSK-Signal und nicht beide erkennt, bedenken Sie, dass die DSBSC-Signalerkennung „empfindlich“ gegenüber Phasenverschiebungen ist. Daher ist der Nachrichtenempfang nur dann optimal, wenn die Trägerschwingungen von Sender und Empfänger exakt in Phase sind. Es ist wichtig zu beachten, dass bei einer Phasenfehlanpassung von 90° der Nachrichtenempfang unmöglich wird, weil die Amplitude des rekonstruierten Signals wird Null. Mit anderen Worten: Die Nachricht wird vollständig unterdrückt.

Der QPSK-Demodulator macht diesen Umstand zu einem Vorteil. Beachten Sie, dass die Produktdetektoren in Abbildung 2 einen einzelnen Träger verwenden, bei einem der Detektoren der Träger jedoch um 90° verschoben ist. In diesem Fall stellt ein Detektor Daten von einem BPSK-Signal wieder her, während er ein anderes BPSK-Signal zurückweist, und ein zweiter Detektor stellt ein zweites BPSK-Signal wieder her, während er das erste BPSK-Signal zurückweist.

Quadraturphasenumtastung (QPSK)

Die digitale Phasenumtastung wird üblicherweise durch die Anzahl der verschiedenen Phasenwinkelwerte definiert: Am einfachsten ist die binäre Phasenumtastung BPSK, bei der der Träger Phasenwerte von 0 oder 180° annimmt. Wenn einer von 4 Phasenwinkelwerten verwendet wird, um einen modulierenden Signalimpuls zu beschreiben, zum Beispiel: 45°, 135°, -45°, - 135°, dann enthält in diesem Fall jeder Phasenwinkelwert zwei Bits Informationen, und diese Art der Umtastung wird Quadraturphasenumtastung (QPSK) genannt.

Die Vier-Positionen-(Quadratur-)Phasenumtastung (QPSK) kann als 4-Positionen-Phasenumtastung mit Verschiebung O-QPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying) oder als Differential-Quadratur-Phasenumtastung DQPSK (Differential Quadrature Phase-Shift Keying) implementiert werden.

Bei der Beschreibung der QPSK mit Quadraturphasenumtastung führen wir das Konzept eines Symbols ein. Symbol– ein elektrisches Signal, das ein oder mehrere Binärbits darstellt.

Für übertragenen digitalen Stream

0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0,...

jeweils zwei binäre Einsen können durch ein Zeichen ersetzt werden

Durch die Darstellung einer Gruppe binärer Einheiten mit einem Symbol können Sie die Geschwindigkeit des Informationsflusses reduzieren. Die Symbolrate eines Signals mit QPSK ist also halb so schnell wie die eines Signals mit BPSK. Dadurch kann die von einem QPSK-Signal belegte Bandbreite bei gleicher Bitrate um etwa die Hälfte reduziert werden.

Es kann ein Quadraturphasenumtastungssignal geschrieben werden

Wo U- Amplitude des Trägers bei der Frequenz gurr, ich- natürliche Zahl, (Grube)- Momentanwert der Phase der Trägerschwingung, bestimmt durch den Phasenwinkel der Empfangswerte des Modulationssignals

Wo ich = 0,1,2,3.

Zur Bildung von QPSK wird eine Schaltung verwendet, deren Architektur (Abb. 10.31) der BPSK-Modulatorschaltung ähnelt

Serieller digitaler Stream (B") in einem Demultiplexer (Seriell-Parallel-Wandler) in gerade und ungerade Komponenten umgewandelt: Inphase enthält nur ungerade (d" K) und Quadratur (df), einschließlich nur gerader Bits, gelangen nach Durchlaufen eines Tiefpassfilters (oder Signalprozessors) an die Eingänge von doppelt symmetrischen (Quadratur-)Modulatoren. Quadraturmodulatoren legen das Gesetz der Phasenänderung der Trägerschwingung (QPSK) fest und nach der Rückumwandlung im Addierer in einen seriellen Informationsstrom wird das Signal über den Verstärker dem Eingang des PF zugeführt. Ein Bandpassfilter begrenzt die Bandbreite eines Funksignals, indem es dessen Oberwellen unterdrückt.

Betrachten wir vereinfacht das Verfahren zur Erzeugung eines Funksignals und heben wir die Hauptprozesse hervor. Im oberen Arm des Quadraturmodulators (und entsprechend im unteren) wird die gerade Zahl multipliziert xi(t)(seltsam XQ(t)) Sequenzen mit Inphase-(Quadratur-)Komponente der Trägerwelle COS O) 0 t

Reis. 10.31

Signal am Ausgang des Quadraturmodulators

Transformieren der resultierenden Beziehung in das Formular, in dem die Begriffe im Formular dargestellt werden können

Dann nimmt die Beziehung (10.49) die Form an oder

Wie aus (10.54) ersichtlich ist, kann ein Quadraturmodulator verwendet werden, um den Träger sowohl in der Amplitude als auch in der Phase zu modulieren. Wenn xi und xq Werte ±1 annehmen, erhalten wir ein Signal mit Amplitudenmodulation und einem stationären Wert gleich V2. Normalerweise wird davon ausgegangen, dass die Trägeramplitude auf Eins normiert wird und dann die Amplitudenwerte der digitalen Sequenzen xi und xq sollte ±1/%/2 oder ±0,707 betragen (Abb. 10.32). Ein Quadraturmodulator kann auch dort eingesetzt werden, wo es erforderlich ist, gleichzeitig Amplitude und Phase einer Trägerschwingung zu modulieren. Beispielsweise hat im Fall der Quadratur-Amplitudenmodulation (QAM) jedes Symbol eine andere Phase als das vorherige Symbol und/oder eine andere Amplitude.

Reis. 10.32

Dank Bitstream-Sharing (b k) in Inphase und Quadratur, die Phase von jedem von ihnen ändert sich nur alle zwei Bits von 2 Tb. Die Phase der Trägerschwingung in diesem Intervall kann je nach nur einen von vier Werten annehmen hf!) Und xd(1 ) (Abb. 10.32a).

Wenn während des nächsten Intervalls keiner der digitalen Stromimpulse das Vorzeichen ändert, behält der Träger die Phase des Funksignals unverändert bei. Wenn einer der digitalen Stromimpulse das Vorzeichen ändert, wird die Phase um verschoben ±l/2. Bei gleichzeitiger Impulsänderung in (Mit/") Und {1 ^), dann führt dies zu einer Phasenverschiebung des Trägers um l. Ein 180°-Phasensprung führt zu einem Abfall der Amplitudenhüllkurve auf Null (ähnlich Abb. 10.26). Es liegt auf der Hand, dass solche Phasensprünge zu einer deutlichen Erweiterung des Spektrums des übertragenen Signals führen, was in Festnetzen und erst recht in Mobilfunknetzen nicht akzeptabel ist. Das Ausgangssignal des Modulators wird normalerweise gefiltert, verstärkt und dann über einen Kommunikationskanal übertragen.

Vielversprechende Modulationsverfahren in breitbandigen Datenübertragungssystemen

Heutzutage werden Kommunikationsspezialisten nicht mehr von der geheimnisvollen Phrase „Spread Spectrum“ überrascht sein. Breitbandige (und das verbirgt sich hinter diesen Worten) Datenübertragungssysteme unterscheiden sich voneinander in der Methode und Geschwindigkeit der Datenübertragung, der Art der Modulation, der Übertragungsreichweite, den Dienstmöglichkeiten usw. In diesem Artikel wird versucht, Breitbandsysteme anhand der zu klassifizieren Modulation, die in ihnen verwendet wird.

Grundbestimmungen

Breitband-Datenübertragungssysteme (BDSTS) unterliegen hinsichtlich der Protokolle dem einheitlichen IEEE 802.11-Standard und im Hochfrequenzteil den einheitlichen Regeln der FCC (US Federal Communications Commission). Sie unterscheiden sich jedoch in der Art und Geschwindigkeit der Datenübertragung, der Art der Modulation, der Übertragungsreichweite, den Servicemöglichkeiten usw.

Alle diese Eigenschaften sind wichtig bei der Auswahl eines Breitbandzubehörs (durch einen potenziellen Käufer) und einer Elementbasis (durch einen Entwickler, Hersteller von Kommunikationssystemen). In dieser Übersicht wird versucht, Breitbandnetze anhand der in der Fachliteratur am wenigsten abgedeckten Eigenschaft, nämlich ihrer Modulation, zu klassifizieren.

Durch den Einsatz verschiedener Zusatzmodulationen in Verbindung mit Phasen- (BPSK) und Quadraturphasenmodulation (QPSK) zur Erhöhung der Informationsrate bei der Übertragung breitbandiger Signale im 2,4-GHz-Bereich können Informationsübertragungsraten von bis zu 11 Mbit/s erreicht werden. unter Berücksichtigung der von der FCC für den Betrieb in diesem Bereich auferlegten Beschränkungen. Da erwartet wird, dass Breitbandsignale ohne den Erwerb einer Spektrumslizenz übertragen werden, sind die Eigenschaften der Signale begrenzt, um gegenseitige Störungen zu reduzieren.

Bei diesen Modulationsarten handelt es sich um verschiedene Formen der M-ary-orthogonalen Modulation (MOK), der Pulsphasenmodulation (PPM) und der Quadraturamplitudenmodulation (QAM). Breitband umfasst auch Signale, die durch den gleichzeitigen Betrieb mehrerer paralleler Kanäle getrennt durch Frequenz (FDMA) und/oder Zeit (TDMA) empfangen werden. Abhängig von den spezifischen Bedingungen wird die eine oder andere Modulationsart ausgewählt.

Auswahl der Modulationsart

Die Hauptaufgabe jedes Kommunikationssystems besteht darin, Informationen auf möglichst wirtschaftliche Weise von der Nachrichtenquelle zum Verbraucher zu übertragen. Daher wird eine Modulationsart gewählt, die den Einfluss von Interferenzen und Verzerrungen minimiert und so eine maximale Informationsgeschwindigkeit und eine minimale Fehlerrate erreicht. Die betrachteten Modulationsarten wurden nach mehreren Kriterien ausgewählt: Widerstandsfähigkeit gegen Mehrwegeausbreitung; Interferenz; Anzahl der verfügbaren Kanäle; Anforderungen an die Linearität des Leistungsverstärkers; erreichbare Übertragungsreichweite und Komplexität der Umsetzung.

DSSS-Modulation

Die meisten der in diesem Testbericht vorgestellten Modulationsarten basieren auf Direct Sequence Wideband Signals (DSSS), den klassischen Breitbandsignalen. In Systemen mit DSSS ermöglicht die Erweiterung des Signalspektrums um ein Vielfaches, die spektrale Leistungsdichte des Signals um den gleichen Betrag zu reduzieren. Die Spreizung des Spektrums erfolgt typischerweise durch Multiplikation eines relativ schmalbandigen Datensignals mit einem breitbandigen Spreizsignal. Das Spreizsignal oder der Spreizcode wird oft als rauschähnlicher Code oder PN-Code (Pseudonoise) bezeichnet. Das Prinzip der beschriebenen Spektrumserweiterung ist in Abb. dargestellt. 1.

Bitperiode – Periode des Informationsbits
Chip-Zeitraum – Chip-Tracking-Zeitraum
Datensignal - Daten
PN-Code – rauschähnlicher Code
Codiertes Signal – Breitbandsignal
DSSS/MOK-Modulation

Breitbandige Direktsequenzsignale mit M-ary-orthogonaler Modulation (oder kurz MOK-Modulation) sind seit langem bekannt, lassen sich jedoch nur schwer auf analogen Komponenten implementieren. Mithilfe digitaler Mikroschaltungen ist es heute möglich, die einzigartigen Eigenschaften dieser Modulation zu nutzen.

Eine Variante von MOK ist die M-ary biorthogonale Modulation (MBOK). Eine Erhöhung der Informationsgeschwindigkeit wird durch die gleichzeitige Verwendung mehrerer orthogonaler PN-Codes unter Beibehaltung der gleichen Chipwiederholungsrate und Spektrumsform erreicht. Die MBOK-Modulation nutzt effektiv die Spektrumsenergie, das heißt, sie weist ein ziemlich hohes Verhältnis von Übertragungsgeschwindigkeit zu Signalenergie auf. Es ist resistent gegen Interferenzen und Mehrwegeausbreitung.

Von der in Abb. 2 des MBOK-Modulationsschemas zusammen mit QPSK ist ersichtlich, dass der PN-Code aus M-orthogonalen Vektoren gemäß dem Steuerdatenbyte ausgewählt wird. Da die I- und Q-Kanäle orthogonal sind, können sie gleichzeitig MBOKed sein. Bei der biorthogonalen Modulation werden auch invertierte Vektoren verwendet, was eine Erhöhung der Informationsgeschwindigkeit ermöglicht. Der am weitesten verbreitete Satz wirklich orthogonaler Walsh-Vektoren mit einer durch 2 teilbaren Vektordimension. Daher wird ein System von Walsh-Vektoren mit einer Vektordimension von 8 und QPSK als PN-Codes mit einer Wiederholungsrate von 11 Megachips pro Sekunde in voller Übereinstimmung verwendet Mit dem IEEE 802.11-Standard ist es möglich, 8 Bit pro Kanalsymbol zu übertragen, was zu einer Kanalgeschwindigkeit von 1,375 Megasymbolen pro Sekunde und einer Informationsgeschwindigkeit von 11 Mbit/s führt.

Durch die Modulation lässt sich die gemeinsame Arbeit mit Breitbandsystemen, die mit Standard-Chipgeschwindigkeiten arbeiten und nur QPSK verwenden, ganz einfach organisieren. In diesem Fall wird der Frame-Header mit einer achtmal niedrigeren Geschwindigkeit (jeweils im Einzelfall) übertragen, was es einem langsameren System ermöglicht, diesen Header korrekt wahrzunehmen. Dann erhöht sich die Datenübertragungsgeschwindigkeit.
1. Daten eingeben
2. Scrambler
3. Multiplexer 1:8
4. Wählen Sie eine von 8 Walsh-Funktionen
5. Wählen Sie eine von 8 Walsh-Funktionen
6. I-Kanal-Ausgang
7. Q-Kanal-Ausgang

Theoretisch weist MBOK im Vergleich zu BPSK bei gleichem Eb/N0-Verhältnis eine etwas niedrigere Fehlerrate (BER) auf (aufgrund seiner Kodierungseigenschaften), was es zur energieeffizientesten Modulation macht. Bei BPSK wird jedes Bit unabhängig vom anderen verarbeitet, bei MBOK wird das Zeichen erkannt. Wenn es falsch erkannt wird, bedeutet das nicht, dass alle Bits dieses Symbols falsch empfangen wurden. Somit ist die Wahrscheinlichkeit, ein fehlerhaftes Symbol zu empfangen, nicht gleich der Wahrscheinlichkeit, ein fehlerhaftes Bit zu empfangen.

Das MBOK-Spektrum modulierter Signale entspricht dem im IEEE 802.11-Standard festgelegten. Derzeit ist Aironet Wireless Communications, Inc. bietet drahtlose Brücken für Ethernet- und Token-Ring-Netzwerke mit DSSS/MBOK-Technologie und überträgt Informationen drahtlos mit Geschwindigkeiten von bis zu 4 Mbit/s.

Die Mehrwegeimmunität hängt vom Eb/N0-Verhältnis und der Phasenverzerrung des Signals ab. Numerische Simulationen der Übertragung von Breitband-MBOK-Signalen, die von Ingenieuren von Harris Semiconductor innerhalb von Gebäuden durchgeführt wurden, haben bestätigt, dass solche Signale gegenüber diesen Störfaktoren recht robust sind1. Siehe: Andren C. 11 MBps Modulation Techniques // Harris Semiconductor Newsletter. 05.05.98.

In Abb. Abbildung 3 zeigt Diagramme der Wahrscheinlichkeit des Empfangs eines fehlerhaften Datenrahmens (PER) als Funktion der Entfernung bei einer abgestrahlten Signalleistung von 15 dB/MW (für 5,5 Mbit/s – 20 dB/MW), die als Ergebnis einer numerischen Berechnung erhalten wurden Simulation, für verschiedene Informationsdatenraten.

Simulationen zeigen, dass mit einem Anstieg von Es/N0, der für eine zuverlässige Symbolerkennung erforderlich ist, PER unter Bedingungen starker Signalreflexion deutlich zunimmt. Um dies zu verhindern, kann der koordinierte Empfang mehrerer Antennen genutzt werden. In Abb. Abbildung 4 zeigt die Ergebnisse für diesen Fall. Für einen optimal angepassten Empfang ist die PER gleich dem Quadrat der PER des unkoordinierten Empfangs. Bei der Betrachtung von Abb. Bei den Beispielen 3 und 4 muss berücksichtigt werden, dass bei PER=15 % der tatsächliche Verlust an Informationsgeschwindigkeit aufgrund der Notwendigkeit, fehlgeschlagene Pakete erneut zu übertragen, 30 % beträgt.

Voraussetzung für den Einsatz von QPSK in Verbindung mit MBOK ist eine kohärente Signalverarbeitung. In der Praxis wird dies erreicht, indem die Frame-Präambel und der Header mithilfe von BPSK empfangen werden, um eine Phasenrückkopplungsschleife einzurichten. All dies sowie die Verwendung serieller Korrelatoren zur kohärenten Signalverarbeitung erhöhen jedoch die Komplexität des Demodulators.

CCSK-Modulation

Wideband M-ary Orthogonal Cyclic Code Sequence (CCSK)-Signale sind einfacher zu demodulieren als MBOK, da nur ein PN-Code verwendet wird. Diese Art der Modulation entsteht aufgrund einer zeitlichen Verschiebung der Korrelationsspitze innerhalb eines Symbols. Mit dem Barker-Code der Länge 11 und einer Geschwindigkeit von 1 Megasymbol pro Sekunde ist es möglich, den Peak auf eine von acht Positionen zu verschieben. Die verbleibenden 3 Positionen erlauben keine Verwendung zur Erhöhung der Informationsgeschwindigkeit. Auf diese Weise können pro Symbol drei Informationsbits übertragen werden. Durch Hinzufügen von BPSK können Sie ein weiteres Informationsbit pro Symbol übertragen, also insgesamt 4. Als Ergebnis erhalten wir mit QPSK 8 Informationsbits pro Kanalsymbol.

Das Hauptproblem bei PPM und CCSK ist die Empfindlichkeit gegenüber Mehrwegeausbreitung, wenn die Verzögerung zwischen Signalreflexionen die Dauer des PN-Codes überschreitet. Daher sind diese Modulationsarten in Innenräumen mit solchen Reflexionen nur schwer anwendbar. CCSK ist relativ einfach zu demodulieren und erfordert im Vergleich zu einer herkömmlichen Modulator-/Demodulatorschaltung nur einen geringfügigen Anstieg der Komplexität. Das CCSK-Schema ähnelt dem MBOK-Modulationsschema zusammen mit QPSK (siehe Abb. 2), nur dass anstelle eines Blocks zur Auswahl einer der 8 Walsh-Funktionen ein Wortverschiebungsblock vorhanden ist.

DSSS/PPM-Modulation

Breitbandige Direct-Sequence-Pulsphasenmodulationssignale (DSSS/PPM) sind ein Signaltyp, der eine Weiterentwicklung von Direct-Sequence-Spread-Spectrum-Signalen darstellt.

Die Idee der Pulsphasenmodulation für herkömmliche Breitbandsignale besteht darin, dass eine Erhöhung der Informationsgeschwindigkeit durch Ändern des Zeitintervalls zwischen Korrelationsspitzen aufeinanderfolgender Symbole erreicht wird. Die Modulation wurde von Rajeev Krishnamoorthy und Israel Bar-David in den Bell Labs in den Niederlanden erfunden.

Aktuelle Modulationsimplementierungen ermöglichen die Bestimmung von acht zeitlichen Positionen von Korrelationsimpulsen im Symbolintervall (innerhalb des PN-Sequenzintervalls). Wird diese Technologie unabhängig auf den I- und Q-Kanälen in DQPSK angewendet, so erhält man 64 (8x8) unterschiedliche Informationszustände. Durch die Kombination der Phasenmodulation mit der DQPSK-Modulation, die zwei unterschiedliche Zustände im I-Kanal und zwei unterschiedliche Zustände im Q-Kanal bereitstellt, werden 256 (64x2x2) Zustände erhalten, was 8 Informationsbits pro Symbol entspricht.

DSSS/QAM-Modulation

Breitbandsignale mit direkter Quadratur-Amplitudenmodulation (DSSS/QAM) können als klassische breitbandige DQPSK-modulierte Signale betrachtet werden, bei denen Informationen auch durch eine Änderung der Amplitude übertragen werden. Durch die Anwendung von zweistufiger Amplitudenmodulation und DQPSK werden 4 verschiedene Zustände im I-Kanal und 4 verschiedene Zustände im Q-Kanal erhalten. Das modulierte Signal kann auch einer Pulsphasenmodulation unterzogen werden, wodurch die Informationsgeschwindigkeit erhöht wird.

Eine der Einschränkungen von DSSS/QAM besteht darin, dass Signale mit einer solchen Modulation sehr empfindlich auf Mehrwegeausbreitung reagieren. Aufgrund der Verwendung sowohl der Phasen- als auch der Amplitudenmodulation wird außerdem das Eb/N0-Verhältnis erhöht, um den gleichen BER-Wert wie für MBOK zu erhalten.

Um die Verzerrungsempfindlichkeit zu verringern, können Sie einen Equalizer verwenden. Seine Verwendung ist jedoch aus zwei Gründen unerwünscht.

Erstens ist es notwendig, die Folge von Symbolen zu erhöhen, die den Equalizer anpasst, was wiederum die Länge der Präambel erhöht. Zweitens erhöht das Hinzufügen eines Equalizers die Kosten des Gesamtsystems.

In Systemen mit Frequency Hopping kann auch eine zusätzliche Quadraturmodulation eingesetzt werden. So hat WaveAccess mit der Marke Jaguar ein Modem herausgebracht, das Frequency Hopping-Technologie, QPSK-Modulation in Verbindung mit 16QAM nutzt. Im Gegensatz zur allgemein akzeptierten FSK-Frequenzmodulation ist hier eine reale Datenübertragungsrate von 2,2 Mbit/s möglich. Die WaveAccess-Ingenieure halten den Einsatz der DSSS-Technologie mit höheren Geschwindigkeiten (bis zu 10 Mbit/s) aufgrund der kurzen Übertragungsreichweite (nicht mehr als 100 m) für unpraktisch.

OCDM-Modulation

Breitbandsignale, die durch Multiplexen mehrerer OCDM-Signale (Orthogonal Code Division Multiplex) erzeugt werden, nutzen mehrere Breitbandkanäle gleichzeitig auf derselben Frequenz.

Die Trennung der Kanäle erfolgt durch orthogonale PN-Codes. Sharp hat ein 10-Megabit-Modem angekündigt, das auf dieser Technologie basiert. Tatsächlich werden 16 Kanäle mit 16-Chip-Orthogonalcodes gleichzeitig übertragen. BPSK wird in jedem Kanal angewendet, dann werden die Kanäle mit einer analogen Methode summiert.

Data Mux – Eingangsdaten-Multiplexer

BPSK – Blockphasenmodulation

Spread – Direktsequenz-Spread-Spektrum-Block

Summe – Ausgabeaddierer

OFDM-Modulation

Breitbandsignale, die durch Multiplexen mehrerer Breitbandsignale mit orthogonalem Frequenzmultiplex (OFDM) gewonnen werden, stellen die gleichzeitige Übertragung phasenmodulierter Signale auf verschiedenen Trägerfrequenzen dar. Die Modulation ist in MIL-STD 188C beschrieben. Einer seiner Vorteile ist die hohe Widerstandsfähigkeit gegen Lücken im Spektrum, die durch Mehrwegedämpfung entstehen. Durch die Schmalbanddämpfung können ein oder mehrere Träger ausgeschlossen werden. Durch die Verteilung der Symbolenergie auf mehrere Frequenzen wird eine zuverlässige Verbindung gewährleistet.

Dies übertrifft die spektrale Effizienz eines ähnlichen QPSK-Systems um das 2,5-fache. Es gibt vorgefertigte Mikroschaltungen, die die OFDM-Modulation implementieren. Insbesondere produziert Motorola den OFDM-Demodulator MC92308 und den „Front-End“-OFDM-Chip MC92309. Das Diagramm eines typischen OFDM-Modulators ist in Abb. dargestellt. 6.

Daten-Mux – Eingangsdaten-Multiplexer

Kanal – Frequenzkanal

BPSK – Blockphasenmodulation

Summe - Frequenzkanaladdierer

Abschluss

Die Vergleichstabelle zeigt die Bewertungen jeder Modulationsart nach verschiedenen Kriterien und die endgültige Bewertung. Eine niedrigere Punktzahl entspricht einer besseren Punktzahl. Die Quadraturamplitudenmodulation dient nur zum Vergleich.

Bei der Überprüfung wurden verschiedene Modulationsarten verworfen, die für verschiedene Indikatoren inakzeptable Bewertungswerte aufwiesen. Beispielsweise breitbandige Signale mit 16-Positionen-Phasenmodulation (PSK) – aufgrund schlechter Störfestigkeit, sehr breitbandige Signale – aufgrund von Beschränkungen der Länge des Frequenzbereichs und der Notwendigkeit, mindestens drei Kanäle für den gemeinsamen Betrieb zu haben Funknetze in der Nähe.

Unter den betrachteten Arten der Breitbandmodulation ist die M-ary biorthogonale Modulation – MBOK – die interessanteste.

Abschließend möchte ich auf die Modulation hinweisen, die in einer Reihe von Experimenten der Ingenieure von Harris Semiconductor nicht enthalten war. Die Rede ist von gefilterter QPSK-Modulation (Filtered Quadrature Phase Shift Keying – FQPSK). Diese Modulation wurde von Professor Kamilo Feher von der University of California entwickelt und gemeinsam mit Didcom, Inc. patentiert.

Um FQPSK zu erhalten, wird im Sender eine nichtlineare Filterung des Signalspektrums mit anschließender Wiederherstellung im Empfänger verwendet. Dadurch nimmt das FQPSK-Spektrum bei sonst gleichen Parametern etwa die Hälfte der Fläche im Vergleich zum QPSK-Spektrum ein. Darüber hinaus ist die PER (Paketfehlerrate) von FQPSK um 10-2-10-4 besser als die von GMSK. GSMK ist eine Gaußsche Frequenzmodulation, die insbesondere im digitalen Mobilfunkstandard GSM verwendet wird. Die neue Modulation wurde von Unternehmen wie EIP Microwave, Lockheed Martin, L-3 Communications und der NASA ausreichend geschätzt und in ihren Produkten eingesetzt.

Welche Modulation im Breitbandbereich im 21. Jahrhundert zum Einsatz kommen wird, lässt sich nicht eindeutig sagen. Jedes Jahr wächst die Informationsmenge auf der Welt, daher werden immer mehr Informationen über Kommunikationskanäle übermittelt. Da das Frequenzspektrum eine einzigartige natürliche Ressource ist, werden die Anforderungen an das vom Übertragungssystem genutzte Spektrum kontinuierlich steigen. Daher ist die Wahl des effektivsten Modulationsverfahrens beim Breitbandausbau nach wie vor eines der wichtigsten Themen.