3.8 Охарактеризуйте особенности используемых видов модуляции в цифровых системах телерадиовещания.

В цифровых системах связи и вещания применяются последовательный (односигнальный) и параллельный (многосигнальный) методы передачи аудиоданных (в англоязычной транскрипции это соответственно STD или TDM и FDM). Наиболее распространенным является последовательный метод, когда аудиоданные в общем (суммарном) потоке передаются посредством временного разделения каналов (ВРК) на единственной несущей с использованием той или иной цифровой модуляции (обычно это ФМ или ОФМ). Такой метод в спутниковой связи называют ВРК-ИКМ-ФМ. Вследствие использования одной несущей, системы вещания с последовательной передачей данных обладают серьезными достоинствами: ввиду небольшого пик-фактора и хорошей концентрации сигнала во времени они характеризуются хорошими энергетическими показателями, не требуют частотной избирательности для выделения различных программ, а также в таких системах не предъявляются повышенные требования к линейности тракта передачи.

Подавляющее большинство систем передачи сообщений строят, исходя из предположения, что длительность принимаемого сигнала равна длительности передаваемого, т.е. в канале отсутствует последействие (канал без памяти). В действительности только открытое космическое пространство может служить примером канала, не приводящего к рассеянию во времени посланного радиосигнала. В каналах наземных систем ЦРВ рассеяние сигнала как следствие его многолучевого распространения является решающим фактором, определяющим выбор метода передачи аудиоданных. К сожалению, от искажений сигнала, обусловленных рассеянием, нельзя избавиться простым увеличением мощности передатчика. В этом обстоятельстве - фактический приговор последовательному методу передачи.

Радикальным решением проблемы передачи больших потоков аудиоданных в каналах с рассеянием сигналов является распараллеливание передачи информации, т.е. использование большого числа частотно-разнесенных каналов (ЧРК) - несущих с низкими парциальными скоростями модуляции. В спутниковой связи такой метод передачи (при использовании ФМ) получил название ЧРК-ИКМ-ФМ, а при организации одного канала на каждой несущей - ОКН-ИКМ-ФМ.

Характерное для параллельного метода условие одновременной передачи через общий тракт нескольких сигналов предъявляет серьезные требования к ряду устройств системы и способам разделения этих сигналов. Из-за неидеальности характеристик реальных трактов (ограничения полосы частот, нелинейности амплитудных и фазовых характеристик и т.п.) неизбежно возникают взаимные помехи между сигналами, ухудшающие качество их разделения и приема. Наилучший метод разделения частотно-разнесенных сигналов должен обеспечить наиболее полное использование энергетических показателей радиопередатчика, а уровень взаимных помех между сигналами должен быть наименьшим, чтобы оказывать минимальное влияние на разделимость и помехоустойчивость приема каждого из сигналов.

Абстрагируясь от вопросов практической реализации и ориентируясь на данные табл. 5.4, можно аргументировать выбор вида модуляции в конкретной системе ЦРВ. Так, для реализации системы T-DAB оказалось достаточной иметь реальную частотную эффективность модуляции не хуже 1,3... 1,5 бит/с/Гц, что обусловило применение квадратурной ФМ. В проекте консорциума DRM требования к эффективности модуляции были значительно выше, а именно: γ_треб ≥ 4,5...5,0 бит/с/Гц. В результате стандартом DRM закреплено применение системы сигналов с КАМ: от 4-х до 64-КАМ.

Фазовая и относительная фазовая модуляция.

Высокая помехоустойчивость, энергетическая эффективность и экономное расходование полосы частот в современных цифровых системах связи и вещания достигаются в значительной степени благодаря рациональному выбору сигналов. При этом должна также учитываться сложность схемотехнической реализации модема.

Из теории сигналов известно, что максимальной (потенциальной) помехоустойчивостью, т.е. наименьшей вероятностью ошибочного приема, характеризуются так называемые противоположные сигналы (манипулированные по фазе на 180°) ФМ-2 (PSK). Однако, несмотря на высокую помехоустойчивость, существуют, по крайней мере, три причины, из-за которых часто отказываются от непосредственного применения противоположных сигналов [1].

Это, во-первых, эффект "обратной работы" в когерентных демодуляторах, связанный с неоднозначностью фазы (ошибкой, кратной величине 2π) опорной несущей, выделяемой непосредственно из принимаемого сигнала. В результате передача сигналов ФМ-2 в каналах с неоднозначностью требует применения специальных мер. Именно по этой причине фазовая манипуляция, изобретенная известным американским ученым Г. Найквистом в 1928 г., долгое время не находила применения.

В качестве второй причины ограниченного применения сигналов ФМ-2 следует указать на весьма низкую эффективность использования спектра, определяемую отношением скорости передачи информации к занимаемой при этом полосе частот.

Третьим недостатком сигналов ФМ-2 являются большие искажения огибающей (провалы амплитуды до нуля), которые возникают в моменты скачков фазы колебания на 180° при прохождении последовательности сигналов через полосовые фильтры тракта. В результате теряется одно из главных преимуществ сигналов с угловой модуляцией – постоянная огибающая радиосигнала, обеспечивающая возможность применения в радиопередающих устройствах эффективных с энергетической точки зрения режимов работы. Кроме этого, возникающая при скачках фазы паразитная амплитудная модуляция радиосигнала с ФМ приводит к увеличению пик-фактора сигнала и, как следствие, к дополнительным искажениям спектра при нелинейных режимах усиления, например, в ЛБВ ретрансляторов ИСЗ.

Квадратурная амплитудная модуляция.

Развитие современных систем ЦРВ связано с реализацией методов модуляции, эффективно использующих отведенную для передачи полосу частот. Прежде всего, к их числу относится многопозиционная амплитудно-фазовая модуляция (АФМ), часто называемая в последнее время квадратурной AM (KAM или QAM).

Известно, что при использовании КАМ (QAM) обмен мощности сигналов на полосу частот производится с меньшими энергетическими затратами, чем при использовании многопозиционной ФМ.

Отметим, что, в отличие от сигнала с ФМ, сигнал с КАМ, показанный на рис. 5.15, не имеет постоянной огибающей. При модуляции типа ФМ постоянная огибающая поддерживается за счет введения ограничений на комбинации уровней в квадратурных каналах. В системе с КАМ комбинации не ограничиваются, поскольку уровни в каждом канале выбираются независимо.

В результате этого системы с КАМ в общем случае нельзя использовать с устройствами, которые могут входить в насыщение, поскольку это может вызвать потерю части информации об изменениях амплитуды несущей. К таким устройствам относятся, например, амплитудные ограничители радиоприемных устройств или усилители мощности радиопередающих устройств, работающие критическом или слабоперенапряженном режимах.

OFDM.

В современных системах радио и телевизионного цифрового вещания принцип передачи ОКН-ИКМ-ФМ трансформировался в метод передачи широкополосных многочастотных сигналов, каждый из которых представляет собой ансамбль, состоящий из большого числа ортогональных частотно-разделенных несущих (OFDM). В этом случае, для параллельной передачи цифрового потока производится частотное разнесение с использованием К несущих частот, причем сигнал одновременно передается на К несущих, поэтому на каждой из них скорость передачи уменьшается (следовательно, длительность тактового интервала τ_с увеличивается) в К раз.

Термин "ортогональная" в названии OFDM указывает на то, что существуют точные математические соотношения между частотами несущих. В системах с ЧРК-ИКМ-ФМ несущие частоты расположены на таком расстоянии друг от друга, которое можно позволить при применении для их обработки обычных фильтров и демодуляторов. Отличие от прямоугольной формы АЧХ полосовых фильтров приводит к тому, что в таких приемниках между несущими должны располагаться частотные защитные интервалы, введение которых заметно снижает эффективность использования спектра.

Назначение защитного интервала - компенсация влияния межсимвольных искажений во временной области. Таким образом, в сигнале OFDM осуществляется частотно-временное разнесение для борьбы с замираниями. В отличие от сигнала на одной несущей, сигналу с OFDM не опасны замирания сигнала по частоте, так как поражается только часть сигнала, а при наличии перемежения между поднесущими и повторами сигнала на множестве несущих можно полностью восстановить весь передаваемый сигнал.

В традиционных системах с ЧРК используется фильтровый способ разделения несущих. В этом случае полоса занимаемых частот определяется характеристиками разделительных фильтров. Такой способ реализуется проще, однако расчеты показывают [1], что при система с ортогональным разделением сигналов занимает меньшую полосу частот, чем система с фильтровым разделением. При τ_защ=0,1τ_с выигрыш достигает 35%. Таким образом, система с большим числом ортогональных несущих позволяет более экономно использовать полосу частот канала. Однако в этом случае, в отличие от ЧРК с фильтровым разделением, требуется обеспечить синхронность передачи по всем несущим, что возможно только при трансляции всех программ в одном "пакете" с помощью одного или нескольких синхронизированных передатчиков.