Например, Бобцов

ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИЕМА СИГНАЛОВ ФАЗОАМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ НЕИДЕАЛЬНОСТИ КВАДРАТУРНЫХ КАНАЛОВ

ЭЛЕКТРОННЫЕ И ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ УСТРОЙСТВА
УДК 621.391.82
А. Ю. ЯНУШКОВСКИЙ А. В. КРИВОШЕЙКИН
ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТЬ ПРИЕМА СИГНАЛОВ ФАЗОАМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ В УСЛОВИЯХ НЕИДЕАЛЬНОСТИ КВАДРАТУРНЫХ КАНАЛОВ
Предлагается метод нахождения допусков на параметры демодулятора в цифровых системах связи, в которых применяется квадратурная амплитуднофазовая модуляция. Приводится выражение, связывающее отклонение угла сдвига фаз несущих колебаний квадратурных каналов демодулятора и вероятность ошибки.
Ключевые слова: номинальные значения, отклонение вероятности ошибки, квадратурная амплитудно-фазовая модуляция, поле сигналов, квадратурные каналы, пороговые уровни.
Введение. Квадратурная амплитудно-фазовая модуляция (КАМ) — это вид модуляции, при котором информация передается путем изменения амплитуды и фазы сигнала несущей частоты. При передаче цифровых сигналов некоторое число битов цифрового потока ставится в соответствие определенному сочетанию амплитуды и фазы; прием сигнала с такой модуляцией заключается в принятии решения о том, какое из возможных сочетаний амплитуды и фазы ( далее — сигналов) было передано. Такая модуляция может быть реализована путем амплитудной модуляции двух синусоидальных колебаний, угол сдвига фаз которых составляет 90° (квадратурные каналы i и q), с последующим их сложением. При приеме сигнала, в процессе демодуляции, также производится его разделение на квадратурные составляющие (поэтому в данной статье вывод всех выражений осуществляется для двух каналов i и q).
Показателем качества работы цифрового канала связи является вероятность возникновения ошибки, т.е. вероятность того, что при передаче какого-либо из сигналов было принято решение о приеме другого сигнала. Такая ошибка может возникнуть из-за наличия шумов в канале связи [1]. Зависимость вероятности ошибки от отношения сигнал/шум для систем, использующих КАМ, известна и регламентируется соответствующими стандартами [2]. Однако на вероятность возникновения ошибки могут также влиять и отклонения параметров систем, составляющих канал связи, а также неточное их изготовление.
В настоящей статье рассматривается влияние отклонения одного из параметров системы от номинального значения на помехоустойчивость системы, в которой используется квадратурная амплитудно-фазовая модуляция. В качестве параметра системы, вызывающего увеличение вероятности ошибки, принят угол сдвига фаз несущих колебаний квадратурных каналов.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9

Помехоустойчивость приема сигналов фазоамплитудной модуляции

59

При выводе выражений было принято допущение, что на вероятность ошибки влияют
только четыре сигнала S2, S3, S4, S5 , ближайшие к переданному сигналу S1 (см. рисунок).
Справедливость такого допущения объясняется в работе [3]. В данной статье рассматривается модель канала связи, в котором области сигналов
приемника разделены некоторыми пороговыми уровнями U1i, U2i, U1q, U2q (см. рисунок), именно с этими значениями происходит сравнение принятого сигнала.

q

s5q S5

U1q S4 s1q

s4i

U2i, U2q

s3q

S1 S2

s1i U1i S3

s2i

i

Расчетные соотношения. Фазы сигналов несущей частоты в квадратурных каналах
многоуровневых систем передачи должны быть сдвинуты относительно друг друга на 90°. Неточность исполнения реальных систем (т.е. неточность выполнения операции сдвига не-
сущих колебаний на 90° как в цифровых системах, так и в аналоговых) приводит к дополнительному сдвигу на угол ϕ , что вызывает увеличение вероятности ошибки при приеме сигна-

ла. В этом случае передаваемый сигнал S1 определяется как

S1 = s1i cos (ωt + ϕ) + ξi + s1q sin (ωt ) + ξq =

( )= s1i cos ϕcos (ωt ) + ξi + s1q − s1i sin ϕ sin (ωt ) + ξq ,

(1)

где s1i и s1q — амплитуды квадратурных составляющих сигнала S1 при ϕ = 0 ; ξi , ξq — гаус-

совские некоррелированные шумы в каналах i, q.

Из выражения (1) следует, что сигналы в каналах i и q приемника определяются соот-

ветственно соотношениями

S1i = s1i cos ϕ + ξi ,

(2)

S1q = s1q − s1i sin ϕ + ξq .

(3)

Распределение плотности вероятности принято нормальным исходя из закона больших чисел [4]. Математические ожидания сигналов (2) и (3) вычисляются как

M [S1i ] = s1i cos ϕ ,

(4)

M ⎡⎣S1q ⎦⎤ = s1q − s1i sin ϕ .

(5)

Рассмотрим сначала канал i. Вероятность ошибки Pi, возникающая в канале i, равна

сумме вероятности того, что сигнал S1i превысит пороговое значение U1i , и вероятности то-

го, что сигнал S1i будет меньше значения U2i . Таким образом, справедлива формула

Pi ( M [S1i ]) = P ( S1i > U1i ) + P ( S1i < U2i ) =

∫1

∞ −ρ2
e 2 dρ +

2π U1i −M [S1i ]

∫1

U2i −M [S1i ]
σ

−ρ2

e 2 dρ , (6)

2π −∞

σ

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9

60 А. Ю. Янушковский А. В. Кривошейкин

где ρ — переменная интегрирования, σ — среднее квадратическое отклонение.

Разложим функцию Pi (M [S1i ]) в ряд Тейлора по переменной M [S1i ] в окрестности

значения s1i и ограничимся тремя членами разложения. Найдем выражения для первой и вто-

рой

производной

и

определим

их

значения

при

условии

s1i

=

U 2i

+ U1i 2

,

т.е.

при

номинальном

значении сигнала, находящемся в середине области (между пороговыми уровнями) [5]:

dPi dM

(s1i ) [S1i ]

=

0,

(7)

( )d 2Pi (s1i ) ( )d M [S1i ] 2

=

σ3

2



exp

⎛ ⎜ ⎜ ⎝



U1i

− M [S1i ]
8σ2

2

⎞ ⎟ ⎟ ⎠

⎛ ⎝⎜

U1i

− U2i 2

⎞ ⎟⎠

.

(8)

Ограничимся тремя членами разложения и представим выражение (6) в следующем виде:

Pi

(

M

[

S1i

])

=

Pi

(

s1i

)

+

dPi dM

(s1i ) [S1i ]

(

M

[

S1i

]



s1i

)

+

1 2

d

d 2Pi (s1i )
(M [S1i ])2

(

M

[ S1i

]



s1i

)2

.

Подставив уравнения (7) и (8) в формулу (9), получим

(9)

( ) ( )Pi

M [S1i ]



Pi

( s1i

)

=

σ3

1 2π

exp

⎛ ⎜⎝



U1i − U 8σ2

2i

⎞ ⎛ U1i ⎟⎠ ⎜⎝

− U2i 2

⎞ ⎠⎟

M [S1i ] − s1i

2.

(10)

Введем функцию X (ϕ) = ( M [S1i ] − s1i )2 , которая с учетом выражения (4) имеет вид

X (ϕ) = s1i2 (1 − cos ϕ)2 .

(11)

Для разложения функции (11) в ряд Тейлора по переменной φ при ϕ = 0 определим ко-

эффициенты разложения:

dX (ϕ)


ϕ=0

=

0,

d2 X (ϕ)
d ϕ2

ϕ=0

=

0,

d3X (ϕ)
d ϕ3

ϕ=0

=

0,

d4 X (ϕ)
d ϕ4

ϕ=0

=

6s12i

.

Ограничимся пятью членами разложения и представим выражение (11) в следующем

виде:

X

(ϕ)

=

6 4!

s12iϕ4

=

1 4

s12iϕ4

.

(12)

Подставив формулу (12) в (10) и разделив обе части выражения (10) на величину

Pi ( s1i ) , после выполнения преобразований получим

( )Pi M [S1i ]
Pi ( s1i )

=1+

⎡ ⎢

1

⎢ ⎣

4σ3



U1i

− U2i 2

s12i Pi

exp

⎛ ⎜ ⎜⎝



(U1i

−U 8σ2

2i

(s1i )

)2

⎞⎤

⎟ ϕ4 ⎥

⎠⎟

⎥ ⎦

.

(13)

Из уравнения (13) следует, что при любом отклонении разности фаз от значения 90° вероят-

ность ошибки увеличится.

Используя

соотношение

s1i

= U2i

+ U1i 2

,

подставим

в

формулу (6)

значение

M [S1i ] ϕ=0 = s1i , в результате получим

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9

Помехоустойчивость приема сигналов фазоамплитудной модуляции

61

Pi ( s1i ) =

∫1

∞ −ρ2
e 2 dρ +

2π U1i −U2i



∫1

U2i −U1i 2σ

−ρ2

e 2 dρ =

2π −∞

∫2

∞ −ρ2
e 2 dρ .

2π U1i −U2i



(14)

Введем

обозначение

hi

=

U1i − U2i 2σ

и

подставим

выражение

(14)

в

(13):

( )Pi M [S1i ] ∫Pi (s1i )

=

1+

⎢⎣⎢⎡⎢⎜⎝⎛

s1i 2σ
⎡ ⎢ ⎢ ⎢⎣

⎞2 ⎟⎠
2 2π

1 2π

−hi2
hi e 2

ϕ4

∞ −ρ2 ⎤ e 2 dρ⎥⎥
hi ⎥⎦

⎤ ⎥ ⎥ ⎦⎥

.

(15)

Величина hi в реальных системах с многоуровневой модуляцией значительно больше

единицы. Поэтому, считая величину hi в уравнении (15) сколь угодно большой, воспользуем-

ся правилом Лопиталя для устранения неопределенности, в результате получим

Pi

(M [S1i
P i (s1i )

])

=

1+

1 8

⎛ ⎜⎝

s1i σ

⎞2 ⎠⎟

hi2ϕ4

.

(16)

Перейдем теперь к рассмотрению канала q. Вероятность ошибки Pq, возникающая в канале q, определяется по формуле

( ) ( ) ( )Pq M ⎡⎣S1q ⎤⎦ = P S1q > U1q + P S1q < U2q =

∫ ∫= 1



−ρ2
e 2 dρ +

1

U2q −M ⎡⎣S1q ⎤⎦ σ

−ρ2

e 2 dρ.

2π U1q −M ⎣⎡S1q ⎦⎤

2π −∞

σ

(17)

Выполнив преобразования уравнения (17), идентичные проведенным для канала i, получим формулу, аналогичную выражению (10):

( ) ( ) ( )Pq

M ⎣⎡S1q ⎤⎦ − Pq

s1q

=

σ3

1 2π

exp

⎛ ⎜





U1q − U2q 8σ2

⎞ ⎛ U1q ⎟⎜ ⎠⎝

− U 2q 2

⎞ ⎟ ⎠

M ⎡⎣S1q ⎤⎦ − s1q

2.

(18)

( )Введем функцию Y (ϕ) =

M ⎡⎣S1q ⎦⎤ − s1q

2
, которая с учетом уравнения (3) имеет вид

Y (ϕ) = s12i sin2 ϕ .

(19)

Разложим (19) в ряд Тейлора по переменной ϕ при ϕ = 0 , для этого определим коэффициен-

ты разложения:

dY (ϕ)


ϕ=0

=

0,

d 2Y (ϕ)
d ϕ2

ϕ=0

=

2s12i .

Ограничимся тремя членами разложения и представим выражение (19) в следующем виде:

Y (ϕ) = s12iϕ2 .

(20)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9

62 А. Ю. Янушковский А. В. Кривошейкин

Подставив формулу (20) в (18) и разделив обе части выражения (18) на величину
( )Pq s1q , после выполнения преобразований получим

( ) ( )Pq M ⎣⎡S1q ⎤⎦
( )Pq s1q

⎡ ⎢

1

U1q −U2q

=

1

+

⎢ ⎢

σ3

2

⎢⎣

⎛ s12i exp ⎜⎜⎝ −
Pq(s1q )

U1q −U2q 8σ2

2⎞ ⎤

⎟⎟⎠

ϕ2

⎥ ⎥ ⎥

.

⎥⎦

(21)

Используя

соотношение

s1q

=

U2q

+ U1q 2

,

подставим

в

формулу

(17)

величину

M ⎣⎡S1q ⎦⎤ ϕ=0 = s1q , в результате получим

( )Pq s1q =

∫1

∞ −ρ2
e 2 dρ +

2π U1q −U2q

∫1

U2q −U1q 2σ

−ρ2

e 2 dρ =

2π −∞

∫2

∞ −ρ2
e 2 dρ .

2π U1q −U2q

2σ 2σ

Введем

обозначение

hq

=

U1q − U2q 2σ

и подставим выражение (22) в (21):

(22)

( )Pq M ⎡⎣S1q ⎦⎤
( ) ∫Pq s1q

=

1+

⎡ ⎢⎛ ⎢⎢ ⎝⎜ ⎢ ⎢ ⎢ ⎣⎢

s1i σ

⎞2 ⎠⎟
2 2π

hq

−hq2
e 2 ϕ2



∞ −ρ2
e 2 dρ

hq

⎤ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎥ ⎦⎥

.

(23)

Считая величину hq в уравнении (23) сколь угодно большой и используя правило Лопиталя для устранения неопределенности, получаем

( )Pq M ⎡⎣S1q ⎦⎤
Pq (s1q )

=1+

1 2

⎛ ⎝⎜

s1i σ

⎞2 ⎟⎠

hq2ϕ2 .

(24)

В силу того, что точки звездного поля [2] находятся на равном расстоянии друг от друга, справедливы следующие соотношения:

( )hq

=

hi

=

U1i − U2i 2σ

;

Pq s1q = Pi ( s1i ) .

(25)

Введем обозначения для вероятностей ошибок в каналах i и q при наличии угла ϕ и его

отсутствии, т.е. при ϕ = 0 :

Pi (ϕ) = Pi (M [S1i ]), Pi (0) = Pi (s1i );

⎫⎪

( ) ( )Pq (ϕ) = Pq M ⎣⎡S1q ⎦⎤ , Pq (0) = Pq s1q = Pi (0).⎭⎪⎬

(26)

Полная вероятность ошибки P (ϕ) при наличии дополнительного угла ϕ равна сумме

вероятностей ошибок в каналах i и q. Используя выражения (16) и (24)—(26) , получаем

P(ϕ)

=

Pi

(ϕ)

+

Pq

(ϕ)

=

Pi

(0)

+

Pq

(0)

+

Pi

(0)

1 8

⎛ ⎝⎜

s1i σ

⎞2 ⎟⎠

hi 2 ϕ4

+

Pq

(0)

1 2

⎛ ⎜⎝

s1i σ

⎞2 ⎟⎠

hi2ϕ2

.

(27)

ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2011. Т. 54, № 9

Помехоустойчивость приема сигналов фазоамплитудной модуляции

63

Из уравнений (26) следует, что Pi(0)=P(0)/2, где P(0) — полная вероятность ошибки при φ=0. Преобразуем выражение (27):

( )P(ϕ)
P(0)

=

1+

⎛ ⎝⎜

s1i σ

⎞2 ⎟⎠

hi2

1 4

ϕ2

+

1 16

ϕ4

.

(28)

Так как значение угла φ