В основе всех беспроводных коммуникаций лежит модуляция, процесс представления данных, которые должны быть переданы на несущей радиосвязи. Большинство беспроводных передач сегодня являются цифровыми, и в связи с ограниченным доступным спектром тип модуляции является более важным, чем когда-либо.

Основная цель модуляции сегодня - сжать как можно больше данных в наименьший возможный объем спектра. Эта цель, известная как спектральная эффективность, измеряет, насколько быстро данные могут быть переданы в назначенной полосе пропускания. Единица измерения - бит в секунду на Гц (бит / с / Гц). Появилось множество методов для достижения и улучшения спектральной эффективности.

Амплитудная манипуляция (ASK) и частотная манипуляция (FSK)
Существует три основных способа модуляции синусоидальной радионесущей: изменение амплитуды, частоты или фазы. Более сложные методы объединяют два или более из этих вариантов для повышения спектральной эффективности. Эти основные формы модуляции все еще используются с цифровыми сигналами.

1. Три основных формата цифровой модуляции все еще очень популярны в беспроводных приложениях с малой скоростью передачи данных: амплитудная манипуляция (a), двухпозиционная манипуляция (b) и частотная манипуляция (c).  Эти формы сигналов когерентны, поскольку изменение двоичного состояния происходит в точках пересечения нулевой несущей.
1. Три основных формата цифровой модуляции все еще очень популярны в беспроводных приложениях с малой скоростью передачи данных: амплитудная манипуляция (a), двухпозиционная манипуляция (b) и частотная манипуляция (c). Эти формы сигналов когерентны, поскольку изменение двоичного состояния происходит в точках пересечения нулевой несущей.

 


На рисунке 1 показан базовый последовательный цифровой сигнал, состоящий из двоичных нулей и единиц, которые должны быть переданы, а также соответствующие сигналы AM и FM, полученные в результате модуляции. Есть два типа сигналов AM: двухпозиционная манипуляция (OOK) и амплитудная манипуляция (ASK). На рисунке 1a амплитуда несущей смещена между двумя уровнями амплитуды для создания ASK. На рисунке 1b двоичный сигнал включает и выключает несущую для создания OOK.

AM создает боковые полосы выше и ниже несущей, равные наивысшей частотной составляющей модулирующего сигнала. Требуемая полоса пропускания в два раза превышает значение самой высокой частоты, включая любые гармоники для сигналов двоичной импульсной модуляции.

Частотная манипуляция (FSK) сдвигает несущую между двумя разными частотами, называемыми частотами метки и пробела, или f m и f s (рис. 1c) . FM производит несколько частот боковых полос выше и ниже несущей частоты. Полученная полоса пропускания является функцией наивысшей частоты модуляции, включая гармоники и индекс модуляции, который составляет:

т = Δf (Т)
Δf - это отклонение или сдвиг частоты между частотами метки и пробела, или:

Δf = f <sub> s </sub> - f <sub> m </sub>
T - это интервал времени передачи данных в битах или величина, обратная скорости передачи данных (1 / бит / с).

Меньшие значения m дают меньше боковых полос. В популярной версии FSK, называемой минимальной манипуляцией сдвига (MSK), m = 0,5. Также используются меньшие значения, например m = 0,3.

Вот два способа дальнейшего улучшения спектральной эффективности как для ASK, так и для FSK. Во-первых, выберите скорость передачи данных, несущие частоты и частоты сдвига, чтобы не было разрывов в синусоидальной несущей при переходе из одного двоичного состояния в другое. Эти разрывы вызывают сбои, которые увеличивают содержание гармоник и полосу пропускания.

Идея состоит в том, чтобы синхронизировать время остановки и начала двоичных данных с тем, когда синусоидальная несущая изменяется по амплитуде или частоте в точках пересечения нуля. Это называется непрерывной фазой или когерентной работой. И когерентный ASK / OOK, и когерентный FSK имеют меньше гармоник и более узкую полосу пропускания, чем некогерентные сигналы.

ОТ НАШИХ ПАРТНЕРОВ
Шесть важных аспектов 5G версии 16
С MU-MIMO базовая станция может отправлять несколько потоков данных, по одному для каждого пользовательского оборудования (UE), через одни и те же частотно-временные ресурсы. MU-MIMO позволяет…
Краткое описание применения Достижение высоких тепловых характеристик в компактных понижающих силовых модулях
Варун Джон. Современное коммуникационное оборудование, персональная электроника, а также контрольно-измерительное оборудование требует высокоэффективного, сверхкомпактного и недорогого…
Второй метод - фильтровать двоичные данные перед модуляцией. Это округляет сигнал, увеличивая время нарастания и спада и уменьшая содержание гармоник. Для этого используются специальные фильтры нижних частот с Гауссом и приподнятым косинусом. Сотовые телефоны GSM широко используют популярную комбинацию MSK с гауссовым фильтром (GMSK), которая обеспечивает скорость передачи данных 270 кбит / с в канале 200 кГц.

Двоичная фазовая манипуляция (BPSK) и квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)
Очень популярная схема цифровой модуляции, двоичная фазовая манипуляция (BPSK), сдвигает несущую синусоидальную волну на 180 ° при каждом изменении двоичного состояния ( рис. 2 ). BPSK когерентен, поскольку фазовые переходы происходят в точках пересечения нуля. Правильная демодуляция BPSK требует, чтобы сигнал сравнивался с синусоидальной несущей той же фазы. Это включает в себя восстановление несущей и другие сложные схемы.
2. Обратите внимание, что при двоичной фазовой манипуляции двоичный 0 равен 0 & deg;  в то время как двоичная 1 равна 180 °.  Фаза изменяется при переключении двоичного состояния, поэтому сигнал становится когерентным.
2. При двоичной фазовой манипуляции обратите внимание на то, что двоичный 0 равен 0 °, а двоичный 1 равен 180 °. Фаза изменяется при переключении двоичного состояния, поэтому сигнал становится когерентным.


Более простой вариант - это дифференциальный BPSK или DPSK, где полученная битовая фаза сравнивается с фазой предыдущего битового сигнала. BPSK очень эффективен в спектральном отношении, поскольку вы можете передавать со скоростью, равной полосе пропускания или 1 бит / Гц.

В популярной разновидности BPSK, квадратурной PSK (QPSK), модулятор создает две синусоидальные несущие, разнесенные на 90 °. Двоичные данные модулируют каждую фазу, создавая четыре уникальных синусоидальных сигнала, смещенных на 45 ° друг от друга. Две фазы складываются вместе, чтобы получить окончательный сигнал. Каждая уникальная пара битов генерирует несущую с разной фазой (таблица 1) .


Www Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Files 0209 E Таблица Emodulation1 1 1


Рисунок 3a иллюстрирует QPSK с векторной диаграммой, где вектор представляет пик амплитуды синусоидального сигнала несущей, а его положение указывает фазу. Диаграмма созвездия на рисунке 3b показывает ту же информацию. QPSK очень эффективен в спектральном отношении, поскольку каждая фаза несущей представляет два бита данных. Спектральная эффективность составляет 2 бита / Гц, что означает, что удвоенная скорость передачи данных может быть достигнута в той же полосе пропускания, что и BPSK.

3. Модуляция может быть представлена ​​без сигналов во временной области.  Например, QPSK может быть представлен векторной диаграммой (a) или диаграммой созвездия (b), каждая из которых указывает амплитуду и фазу.
3. Модуляция может быть представлена ​​без сигналов во временной области. Например, QPSK может быть представлен векторной диаграммой (a) или диаграммой созвездия (b), каждая из которых указывает амплитуду и фазу.

Скорость передачи данных и скорость передачи данных
Максимальная теоретическая скорость передачи данных или пропускная способность канала (C) в битах / с является функцией ширины полосы канала (B) канала в Гц и отношения сигнал / шум (SNR):

C = B журнал <sub> 2 </sub> (1 + SNR)
Это называется законом Шеннона-Хартли. Максимальная скорость передачи данных прямо пропорциональна полосе пропускания и логарифмически пропорциональна ОСШ. Шум значительно снижает скорость передачи данных при заданной частоте ошибок по битам (BER).

Другой ключевой фактор - это скорость передачи или количество символов модуляции, передаваемых за секунду. Термин «символ в модуляции» относится к одному конкретному состоянию синусоидального несущего сигнала. Это может быть амплитуда, частота, фаза или их комбинация. Базовая двоичная передача использует один бит на символ.

В ASK двоичный 0 - это одна амплитуда, а двоичная 1 - другая амплитуда. В FSK двоичный 0 - это одна несущая частота, а двоичная 1 - другая частота. BPSK использует сдвиг 0 ° для двоичного 0 и сдвиг 180 ° для двоичного 1. В каждом из этих случаев есть один бит на символ.


Скорость передачи данных в битах / с рассчитывается как величина, обратная битовому времени (t b ):

бит / с = 1 / t <sub> b </sub>
При использовании одного символа на бит скорость передачи данных такая же, как и скорость передачи в битах. Однако, если вы передаете больше битов на символ, скорость передачи будет ниже, чем битовая скорость, на коэффициент, равный количеству битов на символ. Например, если передается 2 бита на символ, скорость передачи - это скорость передачи битов, деленная на 2. Например, с QPSK поток данных 70 Мбит / с передается со скоростью 35 символов / с.

Многоканальная фазовая манипуляция (M-PSK)
QPSK производит два бита на символ, что делает его очень эффективным в спектральном отношении. QPSK можно назвать 4-PSK, потому что есть четыре комбинации амплитуды и фазы. Используя меньшие фазовые сдвиги, можно передавать больше битов на символ. Некоторые популярные варианты - 8-PSK и 16-PSK.
8-PSK использует восемь символов с постоянной амплитудой несущей, смещенной на 45 ° между ними, что позволяет передавать три бита для каждого символа. 16-PSK использует сдвиг на 22,5 ° несущих сигналов постоянной амплитуды. Такая компоновка приводит к передаче 4 бита на символ.

Хотя множественная фазовая манипуляция (M-PSK) намного более эффективна в спектральном отношении, чем больше количество меньших фазовых сдвигов, тем сложнее демодулировать сигнал в присутствии шума. Преимущество M-PSK заключается в том, что постоянная амплитуда несущей означает, что можно использовать более эффективное нелинейное усиление мощности.

Квадратурная амплитудная модуляция (QAM)
Создание символов, которые представляют собой некоторую комбинацию амплитуды и фазы, может нести в себе идею передачи большего количества бит на символ. Этот метод называется квадратурной амплитудной модуляцией (QAM). Например, 8QAM использует четыре фазы несущей плюс два уровня амплитуды для передачи 3 бита на символ. Другие популярные варианты - это 16QAM, 64QAM и 256QAM, которые передают 4, 6 и 8 бит на символ соответственно (рис. 4) .
4. 16QAM использует сочетание амплитуд и фаз для достижения 4 бит / Гц.  В этом примере есть три амплитуды и 12 фазовых сдвигов.
4. 16QAM использует сочетание амплитуд и фаз для достижения 4 бит / Гц. В этом примере есть три амплитуды и 12 фазовых сдвигов.

 

Хотя QAM чрезвычайно эффективен в отношении спектра, его сложнее демодулировать в присутствии шума, который в основном представляет собой случайные изменения амплитуды. Также требуется линейное усиление мощности. QAM очень широко используется в кабельном телевидении, беспроводных локальных сетях (LAN) Wi-Fi, спутниках и сотовых телефонных системах для обеспечения максимальной скорости передачи данных в ограниченной полосе пропускания.

Амплитудно-фазовая манипуляция (APSK)
Амплитудно-фазовая манипуляция (APSK), разновидность M-PSK и QAM, была создана в ответ на потребность в улучшенной QAM. Более высокие уровни QAM, такие как 16QAM и выше, имеют много разных уровней амплитуды, а также фазовых сдвигов. Эти уровни амплитуды более восприимчивы к шуму.
Кроме того, для этих нескольких уровней требуются линейные усилители мощности (УМ), которые менее эффективны, чем нелинейные (например, класса C). Чем меньше количество уровней амплитуды или чем меньше разница между уровнями амплитуды, тем больше шансов работать в нелинейной области УМ для повышения уровня мощности.

APSK использует меньшее количество уровней амплитуды. По сути, он объединяет символы в два или более концентрических кольца с постоянным фазовым сдвигом θ. Например, 16APSK использует формат PSK с двойным кольцом (рис. 5) . Это называется 4-12 16APSK с четырьмя символами в центральном кольце и 12 на внешнем кольце.


5. 16APSK использует два уровня амплитуды, A1 и A2, плюс 16 различных фазовых положений со смещением & theta ;.  Этот метод широко используется в спутниках.
5. 16APSK использует два уровня амплитуды, A1 и A2, плюс 16 различных фазовых положений со смещением θ. Этот метод широко используется в спутниках.

 

Два близких уровня амплитуды позволяют усилителю работать ближе к нелинейной области, улучшая эффективность, а также выходную мощность. APSK используется в основном в спутниках, поскольку он хорошо сочетается с популярными лампами бегущей волны (ЛБВ) PA.

Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM)
Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM) объединяет методы модуляции и мультиплексирования для повышения спектральной эффективности. Канал передачи разделен на множество меньших подканалов или поднесущих. Частоты поднесущих и интервалы выбраны так, чтобы они ортогональны друг другу. Таким образом, их спектры не будут мешать друг другу, поэтому защитные полосы не требуются ( рис. 6 ) .
6. В сигнале OFDM для стандарта Wi-Fi IEEE 802.11n 56 поднесущих разнесены на 312,5 кГц в канале 20 МГц.  Скорость передачи данных до 300 Мбит / с может быть достигнута с 64QAM.
6. В сигнале OFDM для стандарта Wi-Fi IEEE 802.11n 56 поднесущих разнесены на 312,5 кГц в канале 20 МГц. Скорость передачи данных до 300 Мбит / с может быть достигнута с 64QAM.

 

Последовательные цифровые данные, подлежащие передаче, подразделяются на параллельные каналы с более низкой скоростью передачи данных. Эти сигналы с более низкой скоростью передачи данных затем используются для модуляции каждой поднесущей. Наиболее распространенными формами модуляции являются BPSK, QPSK и несколько уровней QAM. BPSK, QPSK, 16QAM и 64QAM определены в 802.11n. Скорость передачи данных до 300 Мбит / с возможна с 64QAM.

Сложный процесс модуляции производится только методами цифровой обработки сигналов (DSP). Обратное быстрое преобразование Фурье (IFFT) генерирует сигнал для передачи. Процесс БПФ восстанавливает сигнал на приемнике.

OFDM очень эффективен в спектральном отношении. Этот уровень эффективности зависит от количества поднесущих и типа модуляции, но может достигать 30 бит / с / Гц. Из-за широкой полосы пропускания, которую он обычно занимает, и большого количества поднесущих, он также менее подвержен потерям сигнала из-за замирания, многолучевых отражений и аналогичных эффектов, характерных для распространения радиосигналов УВЧ и микроволнового диапазона.

В настоящее время OFDM является наиболее популярной формой цифровой модуляции. Он используется в локальных сетях Wi-Fi, широкополосной беспроводной сети WiMAX, сотовых системах 4G Long Term Evolution (LTE), системах цифровых абонентских линий (DSL) и в большинстве приложений связи по линиям электропередач (PLC). Для получения дополнительной информации см. « Мультиплексирование с ортогональным частотным разделением каналов (OFDM): Учебное пособие по часто задаваемым вопросам ».


Определение спектральной эффективности
Опять же, спектральная эффективность - это мера того, насколько быстро данные могут быть переданы в назначенной полосе частот, а единица измерения - бит / с / Гц (бит / с / Гц). У каждого типа модуляции есть максимальная теоретическая мера спектральной эффективности (таблица 2) .
Www Electronicdesign Com Sites Electronicdesign com Files 0209 E Таблица Emodulation2 1


SNR - еще один важный фактор, влияющий на спектральную эффективность. Его также можно выразить как отношение мощности несущей к мощности шума (CNR). Мерой является BER для данного значения CNR. BER - это процент ошибок, возникающих при заданном количестве переданных битов. По мере того, как шум становится больше по сравнению с уровнем сигнала, возникает больше ошибок.

Некоторые методы модуляции более устойчивы к шуму, чем другие. Методы амплитудной модуляции, такие как ASK / OOK и QAM, гораздо более восприимчивы к шуму, поэтому они имеют более высокий BER для данной модуляции. Фазовая и частотная модуляция (BPSK, FSK и т. Д.) Лучше работает в шумной среде, поэтому для них требуется меньшая мощность сигнала для заданного уровня шума (рис. 7) .

7. Это сравнение нескольких популярных методов модуляции и их спектральная эффективность, выраженная в терминах BER по сравнению с CNR.  Обратите внимание, что для заданного BER требуется больший CNR для более высоких уровней QAM.
7. Это сравнение нескольких популярных методов модуляции и их спектральная эффективность, выраженная в терминах BER по сравнению с CNR. Обратите внимание, что для заданного BER требуется больший CNR для более высоких уровней QAM.

 

Другие факторы, влияющие на спектральную эффективность
Хотя модуляция играет ключевую роль в ожидаемой спектральной эффективности, на нее также влияют другие аспекты беспроводной связи. Например, использование методов прямого исправления ошибок (FEC) может значительно улучшить BER. Такие методы кодирования добавляют дополнительные биты, поэтому ошибки могут быть обнаружены и исправлены.
Эти дополнительные биты кодирования добавляют служебные данные к сигналу, уменьшая чистую скорость передачи данных, но обычно это приемлемый компромисс для улучшения CNR на одноразрядные дБ. Такой выигрыш в кодировании сегодня характерен практически для всех беспроводных систем.

Цифровое сжатие - еще один полезный метод. Отправляемые цифровые данные подвергаются алгоритму сжатия, который значительно сокращает объем информации. Это позволяет уменьшить содержание цифровых сигналов, чтобы их можно было передавать как более короткие и медленные потоки данных.

Например, голосовые сигналы сжимаются для цифровых сотовых телефонов и телефонов с передачей голоса по Интернет-протоколу (VoIP). Музыка сжимается в файлы MP3 или AAC для более быстрой передачи и меньшего объема памяти. Видео сжимается, поэтому изображения с высоким разрешением можно передавать быстрее или в системах с ограниченной полосой пропускания.

Еще один фактор, влияющий на спектральную эффективность, - это использование множественных входов и множественных выходов (MIMO), то есть использование множества антенн и приемопередатчиков для передачи двух или более потоков битов. Один высокоскоростной поток делится на два параллельных потока и одновременно передается в одной и той же полосе пропускания.

Кодируя потоки и их уникальные характеристики пути, приемник может идентифицировать и демодулировать каждый поток и повторно собирать его в исходный поток. Таким образом, MIMO улучшает скорость передачи данных, шумовые характеристики и спектральную эффективность. Новые стандарты беспроводной локальной сети (WLAN), такие как 802.11n и 802.11ac / ad, и стандарты сотовой связи, такие как LTE и WiMAX, используют MIMO. Для получения дополнительной информации см. « Как работает MIMO ».

Реализация модуляции и демодуляции
В прошлом модуляция и демодуляция реализовывались в уникальных схемах. Сегодня большинство современных радиостанций представляют собой программно-определяемые радиостанции (SDR), в которых такие функции, как модуляция и демодуляция, выполняются программно. Алгоритмы DSP выполняют работу, ранее возложенную на схемы модулятора и демодулятора.

Процесс модуляции начинается с того, что данные, которые должны быть переданы, подаются на устройство DSP, которое генерирует два цифровых выхода, которые необходимы для определения информации об амплитуде и фазе, необходимой в приемнике для восстановления данных. DSP создает два потока основной полосы частот, которые отправляются на цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП), которые производят аналоговые эквиваленты.

Эти сигналы модуляции подают в смесители вместе с несущей. Между сигналами несущей, поступающими на микшеры, имеется сдвиг на 90 °. Результирующие квадратурные выходные сигналы смесителей суммируются для получения сигнала, который необходимо передать. Если несущий сигнал находится на конечной частоте передачи, составной сигнал готов к усилению и отправке на антенну. Это называется прямым преобразованием. В качестве альтернативы несущий сигнал может иметь более низкую промежуточную частоту (IF). Перед подачей на передатчик PA сигнал ПЧ преобразуется с повышением частоты до конечной несущей частоты другим смесителем.

В приемнике сигнал от антенны усиливается и преобразуется с понижением частоты до ПЧ или непосредственно в исходные сигналы основной полосы частот. Усиленный сигнал от антенны подается на смесители вместе с несущим сигналом. Опять же, существует сдвиг на 90 ° между несущими сигналами, подаваемыми на смесители.

Смесители вырабатывают исходные аналоговые сигналы основной полосы частот, которые затем оцифровываются в паре аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и отправляются в схему DSP, где алгоритмы демодуляции восстанавливают исходные цифровые данные.

Следует учитывать три важных момента. Во-первых, процессы модуляции и демодуляции используют два сигнала, находящихся в квадратуре друг относительно друга. Расчеты DSP требуют двух квадратурных сигналов, если фаза и амплитуда должны быть сохранены и захвачены во время модуляции или демодуляции.

Во-вторых, схема DSP может быть обычной программируемой микросхемой DSP или может быть реализована с помощью фиксированной цифровой логики, реализующей алгоритм. Фиксированные логические схемы меньше и быстрее и предпочтительнее из-за их низкой задержки в процессе модуляции или демодуляции.

В-третьих, PA в передатчике должен быть линейным усилителем, если модуляция QPSK или QAM, чтобы точно воспроизводить информацию об амплитуде и фазе. Для ASK, FSK и BPSK можно использовать более эффективный нелинейный усилитель.

Стремление к большей спектральной эффективности
Поскольку спектр является конечной единицей, его всегда не хватает. Федеральная комиссия по связи (FCC) и другие государственные органы выделили большую часть электромагнитного частотного спектра на протяжении многих лет, и большая часть этого спектра активно используется.

В настоящее время существует нехватка в секторах сотовой и наземной подвижной радиосвязи, что препятствует расширению таких услуг, как высокая скорость передачи данных, а также привлечению новых абонентов. Один из подходов к проблеме - повысить эффективность использования за счет сжатия большего числа пользователей в том же или меньшем спектре и достижения более высоких скоростей передачи данных. Могут помочь улучшенные методы модуляции и доступа.

Одной из наиболее загруженных областей спектра является спектр наземной мобильной радиосвязи (LMR) и частной мобильной радиосвязи (PMR), используемый федеральным правительством, правительствами штатов и местными агентствами общественной безопасности, такими как пожарные и полицейские управления. В настоящее время им предоставляется спектр по лицензии FCC в диапазоне от 150 до 174 МГц в диапазоне VHF и в диапазоне от 421 до 512 МГц в диапазоне UHF.

Большинство радиосистем и телефонов используют аналоговую модуляцию FM, которая занимает канал 25 кГц. Недавно FCC потребовала, чтобы все такие радиостанции были переведены на каналы 12,5 кГц. Это преобразование, известное как узкополосное преобразование, удваивает количество доступных каналов.

Ожидается, что сужение диапазона улучшит способность радиостанции получать доступ к каналу. Это также означает, что к системе можно добавить больше радиомодулей. Это преобразование должно произойти до 1 января 2013 г. В противном случае агентство или предприятие могут потерять лицензию или быть оштрафованы. Это переключение будет дорогостоящим, поскольку потребуются новые радиосистемы и мобильные телефоны.

В будущем ожидается, что FCC потребует дальнейшего перехода с каналов 12,5 кГц на каналы 6,25 кГц, снова удвоив пропускную способность без увеличения объема выделенного спектра. Дата для этого изменения не назначена.

Новое оборудование может использовать аналоговую или цифровую модуляцию. Можно поместить стандартный аналоговый FM в канал 12,5 кГц, настроив индекс модуляции и используя другие методы сужения полосы пропускания. Однако аналоговая ЧМ в канале 6,25 кГц не работает, поэтому необходимо использовать цифровую технику.

Цифровые методы оцифровывают речевой сигнал и используют методы сжатия для создания последовательного цифрового сигнала с очень низкой скоростью, который можно модулировать в узкую полосу. Ожидается, что такие методы цифровой модуляции будут соответствовать цели узкополосной связи и обеспечат некоторые дополнительные преимущества в производительности.

Для удовлетворения этой потребности были разработаны новые методы и протоколы модуляции, включая P25, TETRA, DMR, dPMR и NXDN. Все эти новые методы должны соответствовать требованиям правил FCC Part 90 и / или нормам стандартов Европейского института телекоммуникационных стандартов (ETSI), таким как TS-102 490 и TS-102-658 для LMR.

Самая популярная цифровая технология LMR, P25, уже широко используется в США с каналами 12,5 кГц. Его метод множественного доступа с частотным разделением каналов (FDMA) делит назначенный спектр на каналы с частотой 6,25 кГц или 12,5 кГц.

В фазе I проекта P25 используется четырехсимвольная модуляция FSK (4FSK). Стандартный FSK, рассмотренный ранее, использует две частоты или «тона» для достижения 1 бит / Гц. Однако 4FSK - это вариант, который использует четыре частоты для обеспечения эффективности 2 бит / Гц. С помощью этой схемы стандарт обеспечивает скорость передачи данных 9600 бит / с в канале 12,5 кГц. При использовании 4FSK несущая частота сдвигается на ± 1,8 кГц или ± 600 Гц для получения четырех символов.

На этапе 2 используется совместимая схема модуляции QPSK для достижения аналогичной скорости передачи данных в канале 6,25 кГц. Фаза сдвигается на ± 45 ° или ± 135 °, чтобы получить четыре символа. Был разработан уникальный демодулятор для обнаружения сигнала 4FSK или QPSK для восстановления цифрового голоса. Для перехода от фазы 1 к фазе 2 необходимы только разные модуляторы на передающей стороне.

Самая распространенная цифровая технология LMR за пределами США - это TETRA или наземное транкинговое радио. Этот стандарт ETSI повсеместно используется в Европе, а также в Африке, Азии и Латинской Америке. Его метод множественного доступа с временным разделением каналов (TDMA) мультиплексирует четыре цифровых сигнала речи или данных в канал 25 кГц.

Один канал используется для поддержки цифрового потока из четырех временных интервалов для цифровых данных для каждого абонента. Это эквивалентно четырем независимым сигналам в соседних каналах 6,25 кГц. Модуляция π / 4-DQPSK, а скорость передачи данных составляет 7,2 кбит / с на временной интервал.

Другой стандарт ETSI, цифровая мобильная радиосвязь (DMR), использует схему модуляции 4FSK в канале 12,5 кГц. Он может обеспечить эквивалент канала 6,25 кГц в канале 12,5 кГц за счет использования двухслотового TDMA. Голос кодируется цифровым способом с исправлением ошибок, а базовая скорость составляет 3,6 кбит / с. Скорость передачи данных в диапазоне 12,5 кГц составляет 9600 кбит / с.

Похожая технология - dPMR, или стандарт цифровой частной мобильной радиосвязи. Этот стандарт ETSI также использует схему модуляции 4FSK, но доступ осуществляется по FDMA в каналах 6,25 кГц. Скорость кодирования голоса также составляет 3,6 кбит / с с исправлением ошибок.

Производители LMR Icom и Kenwood разработали NXDN, еще один стандарт для LMR. Он предназначен для работы в каналах с частотой 12,5 или 6,25 кГц с использованием цифрового сжатия речи и четырехсимвольной системы FSK. Канал может быть выбран для передачи голоса или данных.

Базовая скорость передачи данных составляет 4800 бит / с. Метод доступа - FDMA. NXDN и dPMR похожи, поскольку они оба используют 4FSK и FDMA в каналах 6,25 кГц. Однако эти два метода несовместимы, поскольку протоколы данных и другие функции не совпадают.

Поскольку все эти цифровые методы схожи и работают в стандартных частотных диапазонах, Freescale Semiconductor смогла создать однокристальную цифровую радиостанцию, которая включает в себя радиопередатчик и процессор ARM9, который можно запрограммировать для работы с любым из цифровых стандартов. Система на кристалле (SoC) MC13260 может стать основой радиомодуля в телефоне для любого одного, если не нескольких протоколов. Для получения дополнительной информации см. « Чип упрощает двустороннюю радиосвязь ».

Другой пример методов модуляции, улучшающих спектральную эффективность и увеличивающих пропускную способность данных в данном канале, - это новый метод от NovelSat, называемый модуляцией NS3. Спутники расположены на орбите экватора примерно в 22 300 милях от Земли. Это называется геостационарной орбитой, и спутники на ней вращаются синхронно с Землей, поэтому они кажутся неподвижными, что делает их хорошей платформой для ретрансляции сигналов из одного места в другое на Земле.

Спутники оснащены несколькими транспондерами, которые принимают слабый сигнал восходящей линии связи с Земли и ретранслируют его на другой частоте. Эти транспондеры являются линейными и имеют фиксированную полосу пропускания, обычно 36 МГц. Некоторые из новых спутников имеют транспондеры канала 72 МГц. При фиксированной полосе пропускания скорость передачи данных в некоторой степени фиксирована, что определяется схемой модуляции и методами доступа.

Вопрос в том, как справиться с необходимостью увеличения скорости передачи данных на удаленном спутнике в соответствии с постоянно растущим спросом на большую пропускную способность. Ответ заключается в простом создании и реализации более эффективного в спектральном отношении метода модуляции. Это то, что сделал NovelSat. Его метод модуляции NS3 увеличивает пропускную способность до 78%.

Такой уровень улучшения достигается за счет пересмотренной версии модуляции APSK, описанной ранее. Один из широко используемых стандартов спутниковой передачи, DVB-S2, представляет собой одну несущую (обычно L-диапазон, от 950 до 1750 МГц), которая может использовать модуляцию QPSK, 8PSK, 16APSK и 32APSK с различными схемами прямой коррекции ошибок (FEC). Наиболее распространенное применение - передача видео.

NS3 улучшает DVB-S2, предлагая 64APSK с несколькими символами амплитуды и фазы для повышения эффективности. Также включено кодирование с проверкой четности с низкой плотностью (LDPC). Эта комбинация обеспечивает максимальную скорость передачи данных 358 Мбит / с в транспондере 72 МГц. Поскольку модуляция является APSK, ЛБВ PA не нужно откатывать, чтобы сохранить идеальную линейность. В результате они могут работать на более высоком уровне мощности и достигать более высокой скорости передачи данных с более низким CNR, чем DVB-S2. NovelSat предлагает модули модулятора NS1000 и демодулятора NS2000 для модернизации спутниковых систем до NS3. В большинстве приложений NS3 обеспечивает повышение скорости передачи данных по сравнению с DVB-S2 для заданного CNR.