Всегда ли хорош узкий спектр?

Под полосовой эффективностью понимается то, насколько эффективно используется выделенная ширина полосы частот, а так же способность схемы модулятора вместить данные в пределах ограниченной полосы. В таблице показаны теоретические пределы полосовой эффективности для основных типов модуляции. Стоит заметить, что эти значения нереально достигнуть в практической передаче данных, поскольку они требуют идеальных модуляторов, демодуляторов, фильтров и линий передачи.

Ограничение типов передачи:

символьная скорость

Если бы система связи имела идеальный фильтр (с прямоугольной АЧХ), то занимаемая полоса частот могла бы быть равной символьной скорости. Технологии увеличения спектральной эффективности (полосовой эффективности) включают в себя:

-        зависимость скорости передачи данных от частотного сдвига (как в GSM)

-        использование предмодуляционной фильтрации для уменьшения полосы частот. Фильтр типа приподнятого косинуса (sync-фильтр), используемый в системах NADC, PDC и PHS, дает наилучшую спектральную эффективность.

А теперь рассмотрим, как изменится ширина полосы частот под влиянием момента перехода через середину созвездия (через ноль) в цифровой модуляции. В качестве примера возьмем сигнал QPSK, где нормализованные значения изменяются от 1,1 до -1, -1. Когда происходит одновременное изменение значений I и Q от +1 до -1, траектория сигнала проходит через центр созвездия. Центр созвездия представлен нулевой текущей магнитудой. Значение с нулевой магнитудой показывает, что текущая амплитуда в данный момент равна 0. Не все передачи в QPSK имеют траекторию, проходящую через ноль. Если изменяется значение I, но значение Q не меняется (или наоборот) текущая амплитуда изменяется лишь слегка, но не проходит через ноль. Следовательно, передача одних символов будет происходить с минимальным изменением амплитуды, в то же время передача других символов будет происходить с очень большим изменением амплитуды. Цепь восстановления тактового сигнала в приемнике должна учитывать эту неопределенность амплитудных изменений, чтобы выровнять тактовые сигналы приемника с тактовым сигналом передатчика.

Уровни спектральных побочных компонентов автоматически становятся неудовлетворительными из-за траекторий, проходящих через центр созвездия либо рядом с ним. Если усилитель или соответствующая цепь являются идеально линейными, спектр (спектральная область или занимаемая полоса) не будет изменен. Проблемы заключаются в наличии нелинейностей в цепях.

Сигнал, амплитуда которого изменяется в широком диапазоне, вызовет эти нелинейности в полном объеме. Такие нелинейности являются причиной искажений. В системах с непрерывной модуляцией они вызывали появление дополнительных составляющих спектра или расширение боковых полос (появление интермодуляционных искажений). Иногда это явление называют «спектральные брызги». Однако это понятие, которые более корректно было бы использовать в связи с расширением полосы  сигнала, вызвано пульсацией.

Следующие примеры показывают спектральную эффективность, достигаемую в некоторых практических системах передачи информации.

Версия TDMA северо-американской цифровой сотовой системы (NADC) достигает скорости 48 кбит/с при ширине полосы 30 кГц или 1,6 бит/сек/Гц. Эта система основана на модуляции типа пи/4 DQPSK и передает 2 бита на символ. Теоретическая эффективность – 2 бит/с/Гц, но на практике – 1,6 бит/с/Гц.

Другой пример – микроволновая цифровая радиосвязь, использующая 16 QAM. Этот вид сигнала более подвержен шуму и искажениям, чем более простой вид, как, например, QPSK. Этот вид сигнала (16 QAM) обычно передается либо на расстоянии прямой видимости либо с помощью проводов, то есть воздействие шумов и интерференции при этом минимально. В этом примере битовая скорость составляет 140 кбит/с . При этом ширина полосы частот значительна – 52,5 МГц. Спектральная эффективность 2,7 бит/с/Гц. Чтобы передать этот сигнал, требуется очень ясная  прямая видимость, а так же точный и достаточно оптимизированный передатчик высокой мощности.

Об авторе admin

Инженер. Окончил НГТУ по специальности "Радиосвязь, телевидение и радиовещание". С 2003 г. занимаюсь разработкой электронной начинки различных радиотехнических устройств и приборов.
Запись опубликована в рубрике Все статьи, Цифровая модуляция - это просто! с метками . Добавьте в закладки постоянную ссылку.

Оставить комментарий