Сравнение методов модуляции сигналов в спутниковых системах связи

В статье представлено сравнение цифровых манипуляций, используемых в спутниковых системах связи.

Ключевые слова : спутниковые системы связи, MQAM, MPSK, BER, QAM

В спутниковых системах передачи данных очень важно передавать как можно больше информации с как можно меньшей вероятностью ошибок при небольших энергетических затратах. В системах спутниковой связи в основном приходится модулировать цифровой поток данных в аналоговый сигнал, передавать с помощью передатчика на антенне и демодулировать на приемнике в конечной точке приема. Поэтому, в таких системах чаще всего предпринимают манипуляции над сигналами [1].

PSK — вид манипуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения. Фазовая манипуляция является хорошо помехоустойчивой.

QAM — разновидность амплитудной модуляции сигнала, которая представляет собой сумму двух несущих колебаний одной частоты, но сдвинутых по фазе относительно друг друга на 90 градусов, каждое из которых модулировано по амплитуде своим модулирующим сигналом.

FSK — вид манипуляции, при которой скачкообразно изменяется частота несущего сигнала в зависимости от значений символов информационной последовательности. Частотная манипуляция весьма помехоустойчива, поскольку помехи искажают в основном амплитуду, а не частоту сигнала.

Для сравнения типов манипуляции воспользуемся средой математического моделирования MATLAB.

Имеет смысл сравнивать виды манипуляции с равным числом позиций. Поэтому будем сравнивать сигналы с MFSK, MPSK, MQAM при числе уровней сигнала M = 16, 32 на уровнях «сигнал/шум» E _b /N ₀ равном от 0 до 30 дБ, рисунки 1, 2. Это значит, что на один символ приходится 16 и 32 бит информации.

Рис. 2. График зависимости BER от E/N для 32PSK, 32FSK, 32QAM

В соответствии с приведенными результатами можно сделать вывод, что манипуляция MFSK будет выигрывать MPSK и MQAM по энергетической эффективности, так как в этом типе модуляции для передачи информации с максимально меньшим количеством ошибок требуется меньше отношение «сигнал/шум» чем другим типам. Но на практике MFSK используется реже, ввиду того что в ССС ограниченная частотная полоса передачи данных, а при увеличении числа уровней спектр манипулированного сигнала по MFSK будет расширяться, так как новые частоты и ширина спектра растут по закону: , где M — число уровней [2]. Поэтому, метод манипуляции FSK чаще всего используют в системах передачи с низкими скоростями, где не является важным количество передаваемых символов за единицу времени.

Надо подчеркнуть, что увеличение числа уровней модуляции увеличивает спектральную эффективность в раз, но это приводит к уменьшению энергетической эффективностью из-за увеличения E _b /N ₀ [3]. Поэтому, для устройств, работающих в ССС, стоит выбирать тип манипуляции между MPSK и MQAM.

Теоретическую максимальную энергетическая эффективность полосы частот системы можно определить по параметру K , который показывает сколько бит передается в секунду. Соответственно, чем больше K , тем больше бит мы можем передавать за единицу времени. Практическая же величина будет отклоняться от этой величины (см. таблица 1). [4].

Таблица 1

Кроме того, помехозащищенность типов манипуляции можно определить численно по расстоянию между соседними точками сигнального созвездия. Расстояние между точками в созвездии MPSK меньше чем в MQAM, а значит есть большая вероятность ошибки детектирования соседнего символа. В [5] было показано, что расстояние между соседними точками в системе с QAM c L уровнями модуляции определяется выражением:

Аналогично для PSK:

(2)

Где M — число фаз. При M = 16 d _QAM = 0.47, d _PSK = 0.396, при M = 32 d _QAM = 0.28, d _PSK = 0.174.

Таким образом QAM по сравнению с PSK оказывается эффективнее и более помехоустойчив. Это позволяет использовать более многоуровневую модуляцию при одинаковом отношении «сигнал/шум»

На практике используют большие значения M, вплость до 1024QAM. Такие виды манипуляции позволяют достичь очень высокой спектральной эффективности. Так как информация кодируется по фазе и амплитуде, то к M-QAM предъявляют высокие требования к параметрам усилителей мощности [6]. К минусам модуляции MQAM относится то, что из-за увеличения числа изменяемых параметров сильно усложняется и дорожает конструкция модемов.

Таким образом, можно сделать выводы:

1) При небольшом уровне модуляции M ≤ 4 следует использовать QPSK манипуляцию ввиду оптимальной энергетической эффективности BER к отношению «сигнал/шум».

2) При уровне модуляции M > 4 следует применять MQAM ввиду оптимальных показателей помехоустойчивости при декодировании информации.

1. Камнев, В. Е. Спутниковые сети связи / В. Е. Камнев, В. В. Черкасов, Г. В. Чечин. — 4-е изд. — Москва: Альпина Паблишер, 2004. — 536 c. — Текст: непосредственный.
2. Сомов А. М., Корнев С. Ф. Спутниковые системы связи: Учебное пособие для вузов / Под ред. А. М. Сомова. — М.: Горячая линия — Телеком, 2012. — 244 с.: ил.
3. Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практические применение, 2-е издание.: Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 1104 с.: ил. — Парал. Тит. Англ.
4. Методы модуляции и спектральные характеристики сигналов в многоканальных радиосистемах передачи информации, Саркисов Д. Б., Баранников Л. Н.: методическое пособие, Московский авиационный институт, 2005. — 15 с.
5. R. Wagner, M. Reil. Модуляция и формирование сигналов с помощью генераторов сигналов компании R&S.: Обучающие материалы, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG, 2015. — 120 с.:ил.
6. Галкин В. А. Цифровая мобильная радиосвязь / Галкин В. А. — М.: Горячая линия — Телеком, 2007. — 594с.