Виды цифровой модуляции сигнала:

Амплитудная модуляция (ASK), частотная модуляция (FSK), фазовая модуляция (PSK), а также квадратурная амплитудная модуляция (QAM), как самый эффективный метод передачи больших потоков информации

1. Амплитудная(ASK), частотная (FSK) и фазовая (PSK) модуляции

По большому счёту, перечисленные методы цифровой модуляции (и их свойства) мало чем отличаются от видов, используемых в аналоговой модуляции, которые мы рассмотрели на предыдущей странице. Ключевая разница состоит лишь в том, что в качестве модулирующего напряжения для радиочастотной несущей выступает не аналоговый сигнал, а информационный поток, представленный в цифровой (двоичной) форме (Рис.1).

Рис.1 Простые методы цифровой модуляции радиосигналов

При амплитудной модуляции (ASK) каждый уровень модулирующего сиг­на­ла придаёт несущей волне уникальную амплитуду. Существует два типа ASK: двоичная и многоуровневая (M-арная). В двоичной логическая единица придаёт амплитуде несущей волны большее значение (например, 5 вольт), а логический ноль соответствует меньшей амплитуде (например, 1 вольт). В многоуровневой ASK одновременно передаётся группа из нескольких бит (входных амплитуд) и им присваиваются соответствующие амплитуды несущей. Например, 4-уровневое кодирование подходит для представления двух битов с каждым изменением амплитуды, 8-уровневое – трёх битов и т. д. Фиксация подобных форм модуляции требует высокого отношения сигнал/шум, т. к. передача части сигнала происходит при относительно низком уровне мощности.

ASK применяется в различных системах цифрой передачи информации, включая военные системы связи, радиолокационные системы, цифровое вещание, передачу данных по оптическим волокнам и т. д.

При частотной модуляции (FSK) каждый уровень в сигнале сообщения задаёт уникальную частоту для несущей волны. Так же как и в случае с АМ, существует два типа FSK: двоичная и многоуровневая (M-арная).
В двоичной FSK логическая "1" соответствует определённой частоте несущей волны, а логический "0" соответствует другой, как правило, более низкой частоте. А, к примеру, в 4-уровневой модуляции (4FSK) используется 4 модулирующие частоты, и каждой комбинации частот соответствует одна из комбинаций битов: 00, 01, 10, 11.
Модуляция 4FSK применяется в стандарте DMR (Digital Mobile Radio), а также в системах PMR (Professional Mobile Radio).

При фазовой модуляции (PSK) каждый уровень в сигнале сообщения создаёт уникальный фазовый сдвиг несущей волны. Существует два типа PSK: двоичная и многоуровневая (M-арная).
В двоичной PSK используется единственный сдвиг фазы между «0» и «1» – 180°. А, к примеру, в 4-уровневой модуляции (4PSK или QPSK) используется 4 различных сдвига фазы (по 1/4 периода) и каждому сдвигу соответствует одна из комбинаций битов: 00, 01, 10, 11.

2. Комбинированные виды цифровой модуляции радиосигнала

Для радикального увеличения удельной скорости передачи данных повсеместно используются смешанные (комбинированные) методы модуляции.
В рамках данной статьи остановимся на самом распространённом виде модуляции, широко используемом в современных системах телекоммуникаций – квадратурной амплитудной модуляции (QAM). Этот метод передаёт два цифровых потока битов, изменяя (модулируя) амплитуды двух несущих волн посредством импульсной АМ-модуляции (ASK или М-ASK).
Две несущие волны имеют одинаковую частоту, но сдвинуты по фазе относительно друг друга на 90°, что называется ортогональностью или квадратурностью.
Передаваемый сигнал создаётся путём сложения двух несущих волн. При этом, благодаря ортогональности, эти волны относительно легко могут быть разделены (демодулированы) в приёмнике.

Более высокие уровни QAM строятся по тому же принципу, что некомбинированные виды модуляции.
Для лучшего понимания приведём векторные диаграммы сигнала при различных уровнях квадратурной амплитудной модуляции.



Рис.2 Амплитудно-фазовые диаграммы 4-QAM, 16-QAM и 32-QAM модуляций

Для самой простой QAM (которую принято называть 4-QAM) на каждую из несущих требуется по 2 симметричных относительно нуля уровня модулирующего напряжения (например, ±1). При модуляции 4-QAM амплитуда сигнала не меняется, а фаза принимает четыре различных значения, то есть этот случай полностью эквивалентен четырехпозиционной фазовой манипуляции 4-PSK (QPSK).

Если же для модуляции в обоих каналах используются четырехуровневые сигналы (например, ±1; ±3), то при этом получается 16-позиционная QAM (16-QAM), при которой на выходе получается 16 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов, что позволяет передавать 4 бита информации за 1 сигнал.

В случае 32-QAM модуляции (6 уровней модулирующих сигналов) каждая несущая может иметь 36 комбинации амплитуды и фазы. Однако этот тип модуляции наделён особенностью, т. к. количество значений 36 не соответствует исходным данным – оно слишком велико и превышает необходимое число для 5 битного представления, равного 32. Поэтому, четыре "угловых" сигнальных значения (на которые приходится значительная часть суммарной мощности) опущены, что, в свою очередь, снижает требования к выходной мощности передатчика. Исходя из того, что 32 = 2⁵, получаем битовую скорость, равную 5 бит за 1 такт.

Квадратичная 64-QAM модуляция никаких особенностей не имеет – 8 уровней модулирующих сигналов, 64 комбинаций амплитудных и фазовых сдвигов, 6 бит за 1 сигнал.

На практике существуют варианты многоуровневой QAM-модуляции вплоть до 4096-QAM, при которой каждый сигнал способен нести 12 бит. Однако при таких объёмах информации за единицу времени предъявляются крайне жёсткие требования как к приёмо-передающей аппаратуре, так и к алгоритмам декодирования и обработки сигналов, исключающих появление какой-либо ошибки.

Теоретическая эффективность использования частотной полосы при разных
уровнях QAM-модуляции составляет:
для 4-QAM – 2 бит/(сек·Гц),
для 16-QAM – 4 бит/(сек·Гц),
для 32-QAM – 5 бит/(сек·Гц),
для 64-QAM – 6 бит/(сек·Гц),
для 128-QAM – 7 бит/(сек·Гц),
для 256-QAM – 8 бит/(сек·Гц),
для 512-QAM – 9 бит/(сек·Гц),
для 1024-QAM – 10 бит/(сек·Гц),
для 2048-QAM – 11 бит/(сек·Гц),
для 4096-QAM – 12 бит/(сек·Гц).

Практическая зависимость скорости передачи данных от вида QAM-модуляции
в полосе пропускания канала связи 56 МГц приведена в таблице ниже.

Вид   модуляции	Битность модуля-   ции, бит/сигнал	Скорость пере-    дачи, Мбит/сек	Прирост скорос-   ти передачи, %
256-QAM	8	370
512-QAM	9	421	13.8
1024-QAM	10	472	11.98
2048-QAM	11	523	10.83
4096-QAM	12	575	9.77

Из таблицы следует, что при фиксированной частотной ширине канала увеличение уровня модуляции QAM повышает пропускную способность канала. Однако также можно увидеть, что прирост пропускной способности на низких уровнях QAM более значителен, чем при высоких. Например, увеличение с 256-QAM до 512-QAM даёт прирост пропускной способности в 13.8%, а с 2048-QAM до 4096-QAM – прирост уменьшается до 9.77%.

Назад