Квадратурная фазовая манипуляция 4-ФМ (QPSK). Квадратурная амплитудная манипуляция КАМ (QAM)

В цифровых системах ретрансляции телевизионных программ через спутники применяется, благодаря многим ее преимуществам, фазовая манипуляция несущей. Наиболее распространенными и стандартизированными в международном масштабе являются дво­ичная фазовая манипуляция (Binary Phase Shift Keying, BPSK) и 4-х позиционная (квадратурная) фазовая манипуляция 4-ФМ (Quad­rature Phase Shift Keying, QPSK). QPSK и ее разновидности приме­няются в системах, в которых эффективность использования час­тотной полосы при BPSK недостаточна. Поэтому для ретрансляции телевизионных программ через спутники цифровым способом при­меняют QPSK. Возможно применение фазовой манипуляции и бо­лее высокой позиционности, но возникают трудности обеспечения для нее необходимого уровня отношения несущая/шум. Принцип квадратурного преобразования показан на рис. 3.10.

 

Рис. 3.10. Структурная схема квадратурного преобразователя (а) и диа­грамма его работы {б)

Квадратурный преобразователь состоит из: делителя, фильтров нижних частот (ФНЧ) - фильтров Найквиста, балансных модулято­ров (БМ) - перемножителей и сумматора. Делителем входной циф­ровой поток двоичных последовательностей делится на две равные части. Фильтры Найквиста с выбранными коэффициентами спада (roll-off-factor) - "округления" () ограничивают частотный спектр каждого импульса.

На первые входы каждого балансного модулятора с фильтра подается половина потока двоичных последовательностей импуль­сов со "скругленными" фронтами и спадами. На вторые входы БМ 1 и БМ 2 подаются несущие колебания определенной частоты, на­пример, 70 МГц: на модулятор БМ 1 непосредственно, а на БМ 2 -со сдвигом по фазе на 90°. Здесь, как и при амплитудной балансной модуляции, на выходе каждого БМ образовывается по одной ос­новной составляющей / и Q.

Составляющие имеют равные амплитуды, так как полупотоки входных двоичных последовательностей равны и сдвинуты по фазе друг по отношению к другу на 90°, т.е. квадратурные. Они подаются на сумматор и на его выходе формируется один общий результи­рующий сигнал QPSK, который можно рассматривать как два неза­висимых сигнала с двоичной фазовой манипуляцией (BPSK). Дво­ичная последовательность / на выходе БМ 1 может иметь фазу 45° или 225° относительно несущей, а последовательность Q на выхо­де БМ 2 - 135° или 315° относительно несущей.

Следует отметить, что для цифровых сигналов QPSK теорети­ческая эффективность использования частотной полосы (спек-, тральная эффективность) составляет 2,0 бит/ Гц, а для сигналов BPSK - 1,0 бит/ Гц, т. е. в два раза меньшая. Этим объясняется широкое применение QPSK для ретрансляции цифровых телевизи­онных программ по спутниковому каналу. Квадратурная амплитудная манипуляция - КАМ (Quadrature Amplitude Shift Keying, QAM) является более сложным и совершен­ным видом квадратурной фазовой манипуляции QPSK и направле­на на повышение эффективности использования частотного канала приема/передачи.

При квадратурной амплитудной манипуляции КАМ (QAM) изме­няется и фаза, и амплитуда сигнала. Так, если цифровые потоки / (t) и Q (t), подаваемые на входы балансных модуляторов, не рав­ны и изменяются, то очевидно, что и амплитуда результирующего сигнала будет также изменяться и занимать (при пространственно-кодовом представлении) позиции не только по окружности, но и по­зиции внутри круга (рис. 3.11), а чем выше позиционность, тем выше эффективность использования выделенной полосы частот. Для сравнения: эффективность использования частотной полосы для 16-QAM составляет 4 бит/ Гц, а для 64-QAM - 6 бит/ Гц. При обеспечении для нее достаточной помехоустойчивости может быть 4-х, 8-и, 16-и и 32-х позиционной (4-QAM, 8-QAM, 16-QAM, 32-QAM).

Однако следует отметить, что для многопозиционных видов квадратурной амплитудной манипуляции от усилителей требуется очень высокая линейность (ультралинейное усиление) и более вы­сокий уровень отношения несущая/шум (C/N), чем для простой QPSK, что обеспечить при ретрансляции по спутниковому каналу не просто. Поэтому, как отмечалось, для этих целей применяется QPSK, а для передач по кабельной сети принятые по спутниковому каналу сигналы QPSK транскодируются при непосредственной доставке их потребителям в многопозиционную 64-QAM, что значи­тельно экономнее.

а) 6)

Рис. 3.11. Кодово-пространственное представление двоичных последова­тельностей: 16-QPSK (a), 16-QAM (б)

Основной принцип преобразования аналогового сигнала

В цифровой код

Определение. Основной принцип преобразования аналогового сигнала в цифровой код гласит.

Для представления без искажений аналогового сигнала в циф­ровом коде количество отсчетов (замеров) при дискретизации должно вдвое превышать максимальную частоту колебаний в его спектре.

(3.3)

где F_макс - максимальная частота колебания в спектре аналогового сигнала.

Для представления аналогового телевизионного изображения в цифровом коде необходимо при дискретизации согласно основного принципа, чтобы для самой мелкой детали на изображении (при амплитудно-пространственном представлении) приходилось бы не менее двух отсчетов (замеров). Если это не выполняется, то исче­зают не только самые мелкие детали, но появляются дополнитель­ные муары и узоры, которые могут исказить изображение.

Для сигналов, изменяющихся во времени (при амплитудно-временном представлении), также важную роль имеет частота от­счетов (частота дискретизации). Это наглядно видно при преобра­зовании в цифровую форму напряжения звуковой частоты, т. е. сиг­нала, изменяющегося во времени. Из основного принципа дискре­тизации вытекает, что если частота звука 20000 Гц, то отсчеты должны проводиться не менее 40000 раз в секунду. В противном случае в полученном цифровом коде появятся данные, отражаю­щие новые комбинационные колебания (частоты), приводящие к искажениям. Этот эффект называется помехой дискретизации.