6.4. Формирование сигналов с фазовой манипуляцией

Сигналы с несущей частотой f₀ и фазой, принимающей несколько фиксированных значений, находят широкое применение в системах передачи цифровой информации. Используют двухуровневую фазовую манипуляцию ФМ-2 (binary shift keying – BPSK) или многоуровневую фазовую манипуляцию ФМ-N, где N = 4, 8, 16 и т.д. Иногда такой вид модуляции называют фазовой телеграфией. Основными требованиями к модуляторам таким сигналов, кроме достаточно высокой стабильности несущей частоты, являются: а) малые отклонения  установившихся значений фазы _уст от заданных значений /N; б) отсутствие паразитной амплитудной модуляции (ПАМ), сопровождающей фазовую манипуляцию; в) возможность реализации высокой скорости передачи, то есть достижение малой длительности переходного процесса по сравнению с интервалом следования передаваемых битов информации. Кроме того, необходимо обеспечивать допустимый уровень искажений модулированного колебания при преобразовании частоты и усилении мощности ФМн сигнала в радиопередающем устройстве, а также компактность манипуляционного спектра, то есть заданный уровень внеполосных манипуляционных излучений (ВМИ) за пределами занимаемой полосы частот.

Как было показано в главе 1 (см. рис. 1.10), сигнал ФМ-2 создаёт очень высокий уровень помех другим РЭС, работающим в соседних частотных полосах. Поэтому в модуляторах ФМ-2 сигнала необходимо применять меры по повышению компактности модуляционного спектра.

Модулятор сигнала ФМ-2 может быть выполнен на основе ЦВС (см. рис. 4.7 и рис. 4.8) при достаточно низких значениях несущей частоты и скорости передачи информации, допускающих применение такого цифро-аналогового решения. На несущих частотах менее (100…300) МГц целесообразно применять аналоговый перемножитель стабильного по частоте гармонического колебания несущей частоты и двухуровневого сигнала s(t), принимающего противоположные по знаку значения в зависимости от передаваемого логического символа «0» или «1». На несущих частотах дециметрового и сантиметрового диапазона используется разветвитель-инвертор опорного колебания, выходные сигналы которого u₀(t) и - u₀(t) коммутируются в моменты смены символа при помощи быстродействующих pin-диодов.

Для обеспечения малой погрешности противофазности колебаний в подимпульсах ФМ-2, передающих «0» или «1», может быть использована коммутация полярности выходного напряжения фазового дискриминатора в системе ФАПЧ по схеме, показанной на рис. 6.12. В качестве дискриминатора в такой схеме применяется балансный ФД с симметричной характеристикой F(). Инвертирование знака коэффициента передачи цепи обратной связи электронным коммутатором ЭК приводит к установлению (см. п. 5.2) ближайшего синхронного состояния со сдвигом фазы на . Преимуществом этого решения является сглаживание закона изменения фазы, что повышает компактность манипуляционного спектра и улучшает электромагнитную совместимость данной радиосистемы с другими РЭС.

Рис.6.12.Модулятор ФМ-2 сигналов на основе ФАПЧ с коммутацией знака напряжения обратной связи

Преобразование несущей частоты и усиление мощности ФМ-2 сигнала приводит к паразитной амплитудной модуляции (ПАМ) после каждого изменения фазы несущего колебания на  (см. рис. 1.11). В свою очередь появление ПАМ снижает энергетическую эффективность усилителя мощности и может стать причиной преобразования амплитудной модуляции в фазовую (АМ/ФМ), искажающего передаваемую информацию.

На основе модуляторов ФМ-2 разработаны более эффективные сигнальные конструкции и соответствующие модуляторы. На рис. 6.13 показана структурная схема модулятора сигналов с квадратурной 4-уровневой фазовой манипуляцией со сдвигом ОФМ-4 (offset quadrature phase shift keying – OQPSK). Для формирования сигнала ФМ-4 исходная последовательность передаваемых двоичных символов с тактовым интервалом  при помощи коммутатора каналов на регистре сдвига разделяется на две с интервалом по 2 каждая: последовательность символов с нечётным номером y(t_i), поступающую на модулятор квадратурного канала ФМ-2с и последовательность символов с чётным номером x(t_i), поступающую на модулятор синфазного канала ФМ-2s. Гармонические опорные напряжения этих модуляторов cos(2f₀t) и sin(2f₀t) ортогональны. Выходные сигналы модуляторов ФМ-2 суммируются и образуют сигнал ФМ-4 вида

. (6.11)

Рис. 6.13. Структурная схема модулятора сигнала с фазовой квадратурной модуляцией со сдвигом ОФМ-4

Однако при одновременной смене символов в двух каналах может происходить изменение фазы на , что приведёт к глубокому провалу амплитуды, как показано на рис. 1.11. Поэтому в модулятор на рис. 6.13 введён узел сдвига последовательности y(t) на половину её тактового интервала, то есть на . В таком модуляторе исключена возможность скачков фазы на .

В таблице 6.1 представлены параметры некоторых моделей серийных интегральных модуляторов, позволяющие формировать сигналы с модуляцией фазы и/или амплитуды. В качестве модуляторов могут быть использованы разнообразные смесители сигналов, рассмотренные в п. 3.4. Во многих случаях эти узлы взаимные, то есть могут применяться как в качестве модуляторов, преобразующих полосу модулирующих частот вверх на несущую частоту f_LO, так и в качестве демодуляторов, выделяющих из полосового радиочастотного сигнала модулирующее колебание на промежуточной частоте или в полосе частот, примыкающей к постоянному току. Среди серии двухуровневых фазовых манипуляторов выделим модель RF9908, которая допускает широкую полосу модулирующих частот от постоянного тока до 300 МГц, что соответствует скорости передачи до 100 Мбит/с. В модуляторе модели HMC137 формируется ФМ-2 сигнал с подавленной несущей частотой в сантиметровом диапазоне выходных частот до 11 ГГц. Четырёхуровневые квадратурные манипуляторы фазы представлены в таблице патентованной моделью QMC-170, которая отличается хорошей фазовой и амплитудной балансировкой, работой без дополнительных источников питания, что способствует стабильности параметров сигнала, более, чем октавной полосой рабочих несущих частот. Серийно выпускаются модели ФМ-4 модуляторов на популярный в технике мобильной связи диапазон 0,8…1 ГГц. Многие производители предлагают квадратурные модуляторы с подавлением зеркальной полосы для различных диапазонов частот – модели HMC496LP3, MIQC-1880M. Среди них можно выделить модель M8-0620, которая функционирует в очень широкой полосе частот до 20 ГГц и обеспечивает весьма высокое подавление зеркального канала до -40 дБ. Векторный модулятор модели HMC500LP3 представляет собой выполненное на быстродействующих арсенид-галлиевых диодах устройство с двумя входами управления. По одному из них при помощи аналогового сигнала с полосой частот от 0 до 150 МГц можно изменять фазу выходного сигнала в диапазоне 0…360 градусов, так что он является управляемым фазовым модулятором. По другому входу управления можно в такой же полосе модулирующих частот изменять амплитуду выходного сигнала от 0 до 100% от максимальной.

Таблица 6.1

Параметры интегральных модуляторов АМ и ФМ сигналов.

Тип	Выходной сигнал		Полоса частот модуляции Fм, МГц	СI-R, дБ	ПЗК, дБ	, град	E0, В	Модель, сайт
	f0, ГГц	Р1дБ, дБмВт
ФМ-2	0,5…2,5	0	0…300	0	A = 0,5	±5	+3,6	RF9908, www.rfmd.com
ФМ-4	0,09…0,17	+4	0…80	+2,7	A = 0,2	±3	пассивный	QMC-170, www.minicircuits.com
ФМ-2	6…11	+8	50…300	+9	0,25	10	+5	HMC137, www.hittite.com
ПЗП	4…7	+2	0…250		-34	-	+3	HMC496LP3, www.hittite.com
ПЗП	1,8…1,9	+10	0…5	+9	-35	н/д	пассивный	MIQC-1880M, www.minicircuits.com
ПЗП	6…20	+7…+22	0…3	+5	-40	н/д	пассивный	M8-0620, www.markimicrowave.com
ВМ	1,8…2,2	+13	0…150	-10	-	±2	пассивный	HMC500LP3, www.hittite.com

Обозначения: ФМ-2 – двухуровневый модулятор фазы; ФМ-4 – квадратурный четырёхуровневый модулятор фазы; ПЗП – квадратурный модулятор с подавлением зеркальной полосы частот; ВМ – векторный модулятор сигналов с управлением амплитудой и фазой