Методы модуляции несущей

Идея модуляции состоит в том, чтобы перенести спектр информационного сигнала в область высоких частот, в нашем случае в диапазон 2,4 ГГц, что позволит передать его с помощью электромагнитной волны. Электромагнитные волны возбуждаются в антенне током синусоидальной формы , который называется несущим колебанием или просто несущей. По крайней мере один из параметров несущей может зависеть от времени: , , . Форма этой зависимости соответствует форме сигнала, который нужно передать с помощью радиоканала. Процесс управления параметрами несущей называется модуляцией. Частным случаем модуляции является манипуляция, когда модулированные параметры изменяются скачкообразно между двумя их значениями. В зависимости от того, какой параметр становится зависимым от времени, модуляция называется амплитудной, фазовой или частотной. Возможны также комбинированные способы модуляции: амплитудно-фазовая, фазо-частотная и т. п.

Количество информации, которое может быть внесено в сигнал, можно увеличить, используя несколько одновременно изменяемых параметров. В цифровых системах передачи модулируемые параметры изменяются дискретно. Поэтому количество информации, приходящееся на бодовый интервал, можно увеличить, увеличивая количество дискретных уровней. Бодовым интервалом называют временной интервал, в течение которого параметры , , остаются постоянными.

Поскольку , т. е. изменение фазы можно представить с помощью изменений амплитуды синусоидальной и косинусоидальной компоненты, то параметры исходного синусоидального колебания можно представить на плоскости с помощью графика (рис. 2.35), у которого по оси абсцисс отложена амплитуда синусоидальной компоненты (т. е. величина , ее называют синфазной компонентой и обозначают на графике буквой I, от слова In-phase), по оси ординат - амплитуда косинусоидальной компоненты, т. е. , которую называют квадратурной и обозначают буквой Q, от слова Quadrature. Полученный таким способом график называется сигнальным созвездием (рис. 2.35). Он совпадает с графиком, изображающим синусоидальное колебание на комплексной плоскости.

При амплитудной модуляции фаза не изменяется, поэтому все точки графика располагаются на оси абсцисс. При фазовой модуляции амплитуда постоянная, поэтому все точки графика лежат на окружности, радиус которой равен амплитуде колебания.

При двоичной фазовой модуляции (BPSK - "Binary Phase Shift Keying") фаза принимает только два дискретных значения: 0 и , поэтому сигнальное созвездие состоит из двух точек, расположенных на оси абсцисс. Эта разновидность фазовой манипуляции является наиболее помехоустойчивой.

Модификацией этого метода является дифференциальная двоичная фазовая манипуляция (DBPSK - Differential BPSK), когда логическим значениям "0" или "1" соответствуют не абсолютные значения фазы, а изменение фазы относительно предыдущего ее значения. Например, если фаза сигнала была равна 0, то для кодирования значения "1" ее изменяют на 180˚, а для кодирования логического "0" фазу оставляют прежней. Аналогичная идея используется в методе NRZI-кодирования (рис. 2.28), когда логической единице соответствует изменение уровня сигнала, а логическому нулю - ее отсутствие.

Если принимает значения 0 или 1 и при этом принимает значения 1 и 0, то такая модуляция называется квадратурной фазовой манипуляцией QPSK (Quadrature Phase-Shift Keying) и позволяет получить 4 состояния передаваемого сигнала в пределах бодового интервала. Сигнальное созвездие QPSK показано на рис.2.35.

Модификацией QPSK является DQPSK-модуляция (Differential QPSK), при которой, аналогично DBPSK, кодируется не величина фазы, а ее изменение относительно предыдущего значения. Изменение фазы на 0˚ кодируется как "00", изменение на 90˚ кодируется как "01", на 180˚ - как "11", на 360˚ как "10".

Помехоустойчивость метода модуляции можно оценить по расстоянию между точками сигнального созвездия - это расстояние характеризует амплитуду и фазу помехи, которая достаточна, чтобы был принят ошибочный сигнал. Поэтому при проектировании схем модуляции точки сигнального созвездия выбирают таким образом, чтобы расстояние от любой точки до ее соседей было одинаковым для всех точек созвездия. При этом достигается одинаковая помехоустойчивость для любых передаваемых чисел.

Рис. 2.35. Сигнальное созвездие для QPSK-модуляции	Рис. 2.36. Сигнальное созвездие для 16-QAM-модуляции

Беспроводные сети используют также амплитудно-фазовую модуляцию 16-QAM (рис. 2.36) и 64-QAM, когда изменяется не только фаза, но и амплитуда колебания. Сигнал может принимать соответственно 16 и 64 бита информации на бодовый интервал, что увеличивает скорость передачи, но за счет снижения помехоустойчивости.