Передмова.
Дане повідомлення засноване на матеріалах доповіді «Мікрохвильова ТЕЛЕРАДІОІНФОРМАЦІЙНА система МІТРІС-МЮИ із застосуванням комбінованої модуляції M-QAM / FM», який був підготовлений колективом авторів у складі:
- М.Е.Ільченко, директор НДІ телекомунікацій НТУУ "КПІ", д.т .н.
- Т.Н.Наритнік, директор інституту електроніки і зв'язку УАН, к.т.н.
- П.Я.Ксензенко, генеральний директор ЗАТ "РОКС"
- П.В.Хіміч, головний спеціаліст ЗАТ "РОКС"
на основі раніше поданої заявки на Патент України і представлений на XXVIII Міжнародній науково-технічній конференції «Проблеми електроніки», яка була проведена Національним технічним університетом України (КПІ) 15-17 квітня 2008р.

Анотація. Комбінована модуляція, яка включає М-кратну квадратурну модуляцію QAM в якості первинної і частотну модуляцію FM як вторинної, успішно застосовується для забезпечення можливості передачі сигналів цифрового телебачення по існуючим радіорелейних лініях зв'язку, які раніше призначалися для передачі одного каналу аналогового телебачення з частотною модуляцією. Одним з перспективних напрямків розвитку сучасних телекомунікаційних систем є підвищення спектральної і енергетичної ефективності і освоєння все більш високих частот надвисокочастотного діапазону.
У цій статті описана створена на базі існуючої мікрохвильової інтегрованої телерадіоінформаційної системи МІТРІС, призначеної для передачі цифрової інформації в діапазоні частот 11,7-12,5ГГц (зокрема, розповсюдження телевізійних програм і даних Інтернет), телекомунікаційна система МІТРІС-МЮИ з використанням комбінованої модуляції , яка має підвищену спектральної ефективністю і здатністю обслуговування великої зони покриття (в радіусі до 60 км при випромінюваної потужності 0,010 Вт / канал) для центральної станції системи. Технічне рішення МІТРІС - МЮИ відповідає високим вимогам ресурсозбереження та екологічної безпеки.

The summary. The combined modulation which includes M-fold quadrature modulation QAM as primary and frequency modulation FM as secondary , is successfully applied to a possibility of signaling of digital TV on existing radiorelay communication lines which earlier intended for transfer of one channel of analog TV with frequency modulation One of perspective directions of development of modern telecommunication systems is increase of spectral and power efficiency and implementation of more and more high frequencies of a microwave range .
In this article it is described created on the basis of the existing microwave integrated multimedia system MITRIS intended for transfer of the digital information in a range of frequencies 11,7-12,5GHz (in particular, distributions of television programs and data the Internet) , telecommunication system MITRIS-MUI with use of combined modulation, which possesses the raised spectral efficiency and ability of service of the big cover zone (in radius up to 60 km at radiated power 0,010 W / channel) for the central station of system. Technical decision МITRIS - MUI meets high requirements of resource saving and ecological safety.

В процесі роботи над даним доповіддю було відзначено, що використовується в системі МІТРІС-МЮИ метод модуляції може бути також застосований в інших телекомунікаційних системах і, перш за все, в системах бездротового широкосмугового доступу (BWA). Це спричинило за собою необхідність осмислення можливостей, що досягаються при застосуванні даного типу модуляції в найрізноманітніших сучасних системах
широкосмугового бездротового доступу. До останнього часу метод комбінованої модуляції в Україні застосовувався головним чином при модернізації існуючих радіорелейних систем, які спочатку призначалися для передачі аналогового ТБ із застосуванням частотної модуляції. Для передачі сигналів цифрового ТБ і даних при внесенні мінімальних змін в високочастотне обладнання радіорелейних станцій і була запропонована комбінована модуляція. Для цього в елементи групового телевізійного сигналу, підготовленого для подачі на
частотномодулірованний генератор (ЛМГ), були внесені такі зміни:
- сигнал відео був замінений цифровим сигналом E2,
- сигнал піднесе звукового супроводу був замінений піднесе з модуляцією 64QAM, за допомогою якої передавався один канал цифрового ТБ.

Частотномодулірованний генератор здійснював частотну модуляцію проміжної частоти новим груповим сигналом. Далі сигнал проміжної частоти прямував на високочастотне обладнання РРС, яке працювало в умовах насичення крайового підсилювача потужності і в яке не вносилося ніяких змін.

При реалізації даного проекту було досягнуто безумовний успіх. Цей успіх змусив розробників проекту МІТРІС-МЮИ задуматися над тим, як розвинути цей напрямок і застосувати метод комбінованої модуляції в телерадіоінформаційної системі.
За останні кілька років уявлення про систему МІТРІС та її місце серед інших телекомунікаційних систем зазнали суттєвої трансформації. Нинішні уявлення про МІТРІС стали цілком відповідати її назві як «інформаційної» системи. Перехід від аналогового до цифрового формату мовлення також змінив багато уявлень про МІТРІС як мовної системі. Перш за все, перехід до цифрового формату мовлення різко збільшив інформаційну ємність системи МІТРІС (кількість переданих ТВ каналів збільшилася не менш ніж в чотири рази!). Природно, що перевага була віддана мовлення у форматі DVB-S, оскільки при цьому повністю зберігалося головна перевага МІТРІС над іншими телерадіоінформаційного системами (перш за все, над MMDS) - вкрай низька яку випромінює потужність, яка потрібна для передачі одного ТВ каналу.
На малюнку 1 відображені основні етапи розвитку цифрової системи МІТРІС.

На першому етапі свого розвитку МІТРІС був суто мовної системою. За допомогою мовної системи МІТРІС можна передавати до 150-ти каналів цифрового ТБ із стискуванням за стандартом MPEG-2.

Малюнок 1.

Наступний етап - це становлення МІТРІС як інформаційної системи з можливістю обміну даними між передплатниками і провайдером цифрових сервісів. Для цього був розроблений інтерактивний варіант системи.

Оскільки система стала інтерактивною, перед розробниками встала проблема вибору не тільки стандартів мовлення, а й стандартів широкосмугового бездротового доступу. Найбільш підходящим на сьогодні виявився бурхливо розвивається стандарт IEEE 802.16 в його основний редакції.
Як відомо, цей стандарт фіксує параметри системи широкосмугового бездротового доступу як на фізичному рівні, так і на рівні протоколу управління мережею (MAC).
Широка смуга частот в ефірі, яка властива МІТРІС, дозволяє з'єднувати в одній системі безліч різноманітних функцій, що вимагають передачі дуже великих обсягів цифрової інформації.

На сьогоднішній день це такі основні функції:
1. Передача сигналів багатоканального цифрового ТБ.
2. Обмін високошвидкісними цифровими повідомленнями (Інтернет, VoIP і т. Д.) З великою кількістю передплатників.
3. Обмін високошвидкісними цифровими повідомленнями по виділених каналах.

Нещодавно фірмою «РОКС» була запатентована ще одна система на базі МІТРІС, яка отримала назву UWMS (United Wireless Multimedia System). До зазначених функцій системи МІТРІС була додана ще одна функція - функція збору великих обсягів відеоінформації. Реалізація даної функції також вимагає серйозного частотного ресурсу, але тепер уже не в прямому, а в зворотному каналі.
Таке накопичення одночасно реалізованих функцій, кожна з яких вимагає істотних смуг радіочастот, призвело до необхідності пошуку шляхів підвищення спектральної ефективності.
Очевидний шлях підвищення спектральної ефективності - це використання модуляцій більш високого рівня (тобто від 16QAM до 256QAM). Однак таке «лобове» рішення призводить до втрати системою МІТРІС багатьох зі своїх привабливих властивостей, і, в першу чергу, енергетичної ефективності. А це значить, що за більш економне використання частотного спектра доведеться заплатити значним збільшенням потужності передавача (або при рівній потужності передавача - значним зменшенням розмірів зони обслуговування).
Але це не єдина неприємність. При використанні модуляцій високого рівня буде пред'явлено також багато додаткових вимог до якості каналу передачі (щодо затримок при поширенні і завмирань, супутніх прояву ефектів «многолучевости» в радіоканалі), а також до передавальному і приймальному устаткуванню (вимоги до стабільності частоти і фазовим шумів гетеродинов , вимоги до лінійності амплітудних і фазових характеристик трактів передачі і прийому і т. д.).
Незважаючи на те, що стандарт IEEE 802.16 передбачає для обладнання, що працює в діапазоні частот від 10 до 66 ГГц, роботу в умовах «прямої видимості» (line-of-sight), умови поширення в практичних зразках таких систем можна вважати відповідними «прямої видимості »тільки умовно, оскільки відгомони« многолучевости »повністю ігнорувати не можна. При розрахунку розмірів зони обслуговування ця обставина враховується шляхом введення поправочних коефіцієнтів у формулу Friis для вільного простору. Якщо все величини виражені в логарифмах, то формула має такий вигляд:

PR (dBm) = PT (dBm) + GT (dB) + GR (dB) - 32,44 - 20logf (MHz) - 20logd (Km),
де PR (dBm) = потужність на вході приймача
PT (dBm) = потужність передавача
GT (dB) = коефіцієнт посилення передавальної антени
GR (dB) = коефіцієнт посилення приймальні антени
f (MHz) = частота
d (Km) = відстань.

Цікавить нас доданок в цій формулі 20logd можна представити у вигляді 10nlogd, де n- це так звана «експонента втрат на трасі», яка дорівнює 2 для вільного простору і більше 2 для реальних каналів. Величини експоненти втрат для різних умов поширення в каналі передачі наведені в Таблиці 1.

Таблиця 1.

умови розповсюдженняекспонента втрат
Вільний простір2
міські умови2,7-3,5
Місто з щільною багатоповерховою забудовою3-5
Будівля прямо по ходу променя4-6

Чим складніше модуляція, тим сильніше вона схильна до впливу наслідків «многолучевого режиму поширення». Проте, ті методи боротьби з «многолучевостью», які передбачені наступними версіями стандарту 802.16, призначеними для систем широкосмугового бездротового доступу в діапазоні 2-11ГГц і режиму «без прямої видимості» (NLOS) (різних систем WiMAX), не ефективні на більш високих частотах. Причому їх ефективність падає у міру просування вгору по діапазону частот. Ось чому стандарт IEEE 802.16 рекомендує для обладнання в діапазоні 10-66ГГц тільки режим «прямої видимості» і техніку модуляції з однією несучою (НЕ OFDM).
Для боротьби з «многолучевостью» в рамках стандарту IEEE 802.16 в його сьогоднішньому стані передбачені різні технології, причому, як на фізичному рівні, так і на рівні MAC. Для боротьби з завмираннями на фізичному рівні рекомендується використовувати елементи трактів, що володіють великим динамічним діапазоном, компенсатори НГВЗ (еквалайзери) великої потужності і т. Д. Кілька компаній об'єдналися в Консорціум, який виробив версію стандарту DOCSIS для бездротових мереж, названу ними DOCSIS +, який дозволяє істотно підвищити надійність каналу передачі. Проте, завдання не можна вважати остаточно вирішеною, оскільки всі рекомендовані для DOCSIS + методи, вирішуючи завдання досягнення надійного зв'язку в каналах з проявами «многолучевости», на жаль, призводять знову-таки до зниження спектральної ефективності системи.

Пропонований нами шлях міг би знизити гостроту проблеми хоча б по відношенню до прямого каналу як мовного, так і інформаційного, тому що саме тут, тобто в прямому каналі, передаються основні обсяги інформації.
Те, як все це можна здійснити на практиці, покажемо на прикладі цифрової мовної системи МІТРІС-МЮИ.
Рішення МІТРІС-МЮИ - це подальший розвиток мовного варіанту існуючої мікрохвильової інтегрованої телерадіоінформаційної системи МІТРІС в тому з її варіантів, який передбачає використання одного групового передавача і антени з круговою діаграмою спрямованості для передачі многочастотного групового мовного сигналу.

1 - Підсистема прийому, формування та обробки інформації;
2 - Центральна станція;
3 - Программміруемий конвертор -формірователь групового сигналу проміжної частоти;
4 - Комбінований модулятор M-QAM / FM;
5 - СВЧ передавач;
6 - Сполучна радіочастотна лінія;
7 - Антенний пристрій;
8 - Абонентська приймальна станція;
9 - Антена абонентської станції;
10 - Малошумящий конвертор;
11 - селективний демодулятор- перетворювач частоти;
12 - Демодулятор стандарту DVB-C;
13 - Ретранслятор.

Мал. 2. Структурна схема мікрохвильової інтегрованої телерадіоінформаційної системи МІТРІС-МЮИ

У вихідній системі до складу центральної станції входять:
- підсистема прийому, формування та обробки інформації:
- програмований конвертор-формувач групового сигналу проміжної частоти;
- модулятори QPSK стандарту DVB-S;
- антена з круговою діаграмою спрямованості.
В системі МІТРІС-МЮИ модулятор QPSK був замінений на комбінований модулятор M-QAM / FM. Цей модулятор здійснює комбіновану модуляцію в два етапи (див. Рис.3 і 4).

Малюнок 3. 1-й Етап. Модуляція M-QAM

Малюнок 4. 2-й етап. Частотна модуляція сигналом ПЧ1 з модуляцією M-QAM несучої з частотою ПЧ2

На першому етапі працює модулятор M-QAM, який здійснює модуляцію низькочастотної (3-11МГц) несучої відповідно до стандарту DVB-C, тому в його склад входять всі обумовлені стандартом пристрої: інтерфейс ASI, мультиплексор, скремблер, перемежітель, кодер Ріда-Соломона , формувач I і Q складових сигналу (Mapper), інтерполюються фільтри, що формують відгук типу «корінь квадратний з піднесеного косинуса», і, нарешті, власне квадратура модулятор.
Квадратура модулятор може бути як аналоговим, так і цифровим. При цьому при застосуванні цифрового модулятора пристрій повинен закінчитися цифро-аналоговим перетворювачем, т. Е. Для подальшої обробки сигнал повинен бути представлений в аналоговій формі. Після модулятора M-QAM сигнал буде мати вигляд, який показаний на рис.3.
На другому етапі сигнал 1-й ПЧ з модуляцією M-QAM надходить на частотний модулятор, роль якого виконує ЛМГ, що володіє лінійної модуляційної характеристикою з лінійністю на рівні тієї, яку мають модулятори аналогового ТБ. Частотномодулірованний генератор здійснює частотну модуляцію 2-й ПЧ, частота якої повинна бути обрана більш високою (наприклад, 480МГц). Спектр сигналу після другого етапу модуляції відповідає спектру, показаному на рис. 4. У ньому, крім двох бічних смуг, утворених сигналом M-QAM, буде присутній несуча на рівні, визначеному індексом частотної модуляції. Це присутність ПЧ2 в вихідному сигналі може бути використано для частотної автопідстроювання частоти (ЧАПЧ) в приймальнику абонентської станції (особливо на частотах міліметрового діапазону), що дозволить знизити вартість абонентського приймача. У тих випадках, коли в цьому немає необхідності, а ділянку спектра навколо несучої використовується не ефективно, дану ділянку спектра можна використовувати для передачі додаткової цифрової інформації. При цьому для подачі на ЛМГ повинен бути сформований груповий сигнал, який буде представляти собою суму двох сигналів: сигналу, що надходить від модулятора M-QAM і відповідним чином підготовленого додаткового цифрового сигналу. Взагалі кажучи, комбінована модуляція дозволяє застосувати групові сигнали різного виду. У пресі є навіть повідомлення про використання комбінованої модуляції OFDM / FM, при якій роль групового сигналу виконує сигнал OFDM. дану ділянку спектра можна використовувати для передачі додаткової цифрової інформації. При цьому для подачі на ЛМГ повинен бути сформований груповий сигнал, який буде представляти собою суму двох сигналів: сигналу, що надходить від модулятора M-QAM і відповідним чином підготовленого додаткового цифрового сигналу. Взагалі кажучи, комбінована модуляція дозволяє застосувати групові сигнали різного виду. У пресі є навіть повідомлення про використання комбінованої модуляції OFDM / FM, при якій роль групового сигналу виконує сигнал OFDM. дану ділянку спектра можна використовувати для передачі додаткової цифрової інформації. При цьому для подачі на ЛМГ повинен бути сформований груповий сигнал, який буде представляти собою суму двох сигналів: сигналу, що надходить від модулятора M-QAM і відповідним чином підготовленого додаткового цифрового сигналу. Взагалі кажучи, комбінована модуляція дозволяє застосувати групові сигнали різного виду. У пресі є навіть повідомлення про використання комбінованої модуляції OFDM / FM, при якій роль групового сигналу виконує сигнал OFDM. комбінована модуляція дозволяє застосувати групові сигнали різного виду. У пресі є навіть повідомлення про використання комбінованої модуляції OFDM / FM, при якій роль групового сигналу виконує сигнал OFDM. комбінована модуляція дозволяє застосувати групові сигнали різного виду. У пресі є навіть повідомлення про використання комбінованої модуляції OFDM / FM, при якій роль групового сигналу виконує сигнал OFDM.

Інші спектральні складові, які є наслідком частотної модуляції і виходять за рамки відведеної смуги частот, повинні бути придушені фільтром з пропускною здатністю близько 20МГц.
Абонентський приймач звичайної мовної системи МІТРІС, як відомо, складається з антени, у фокусі якої встановлено малошумящий конвертор, і тюнера стандарту DVB-S. В системі МІТРІС-МЮИ, замість тюнера DVB-S, використовується тюнер DVB-C, який повинен бути доповнений двома пристроями, а саме, - стандартним селектором каналів від тюнера DVB-S і додатковим підвищує перетворювачем. Разом ці два пристрої являють собою блок, який ми назвали «селективним демодулятором-перетворювачем». При цьому функції канальної селекції і частотної демодуляції виконує селектор тюнера DVB-S, на виході base band якого ми отримуємо сигнал M-QAM на проміжній частоті ПЧ1. Частота ПЧ1 (3-11МГц) не може бути прийнята стандартним тюнером DVB-C, у якого найнижча частота сигналу дорівнює 50МГц. Для того щоб сигнал M-QAM міг бути прийнятий тюнером DVB-C, необхідно перетворити цей сигнал в одну з частот його робочого діапазону (50-862МГц). В принципі, демодуляцію M-QAM на низькій ПЧ виконувати легше, тому при розробці спеціального тюнера селектор каналів тюнера DVB-C, а разом з ним і додатковий підвищувальний перетворювач, можуть бути виключені зі схеми пристрою, а сигнал M-QAM на демодулятор може бути поданий прямо з виходу селектора каналів від тюнера DVB-S.

Який же спектральної ефективності можна досягти за рахунок застосування комбінованої модуляції M-QAM / FM?
Для того щоб отримати відповідь на це питання, можна порівняти параметри комбінованого модулятора M-QAM / FM з параметрами звичайного частотного модулятора, а також модулятора QPSK за умови їх рівній пропускної здатності. Для модуляції, наприклад, 64-QAM при фіксованій символьній швидкості 6,952 Мсимв / с бітова швидкість дорівнює 41,71 Мбіт / с. При такій швидкості транспортного потоку може бути передано до 8-ми цифрових телевізійних каналів зі стисненням MPEG-2. При комбінованій модуляції 64-QAM / FM канал передачі буде займати смугу частот 20МГц. Таким чином, спектральна ефективність для цієї технології буде дорівнювати 41,71Мбіт / с: 20МГц = 2,08 біт / с / Гц. Це більш ніж удвічі менше, ніж для вихідної модуляції 64-QAM (в середньому 4,8 біт / с / Гц), але в 1,5-2 більше, ніж у тих видів модуляції,

Малюнок 5.

Малюнок 6.

Тепер що стосується енергетичної ефективності системи.
За інших рівних умов вона визначається граничним відношенням сигнал / шум, яке повинно бути досягнуто перед демодулятором для отримання заданого BER. Для систем з модуляцією 64-QAM порогове відношення сигнал / шум, навіть з урахуванням виграшу за рахунок помехозащіщающего кодування, так само не менше 25дБ, а для систем з модуляцією 16-QAM, яка має близьку з нашою системою спектральну ефективність (близько 3,2 біт / с / Гц) при використанні первинної модуляції 256-QAM (тобто з модуляцією 256-QAM / FM), порогове значення дорівнює 19дБ. Дані, отримані при дослідної експлуатації пристроїв, що використовують комбіновану модуляцію, які також підтверджуються літературними джерелами, дають підстави стверджувати, що комбінована модуляція вимагає відносини сигнал / шум тільки 10-12дБ, т. Е. Ми отримуємо приблизно ті ж значення, що і для звичайної частотної модуляції. Але при цьому спектральна ефективність системи з модуляцією навіть 64-QAM / FM буде більш ніж удвічі перевищувати спектральну ефективність не тільки для FSK, а й для QPSK. При використанні 256-QAM / FM це перевищення складе більше ніж в три рази.

Грубо кажучи, різниця в порогової чутливості на 6-9дБ дозволить знизити потужність передавача на таку ж величину, а при тій же потужності передавача отримати збільшення розмірів зони обслуговування в 2-3 рази!

Підсумувавши сказане, можна відзначити наступні переваги, які можна отримати в результаті застосування в телерадіоінформаційної системі комбінованої модуляція M-QAM / FM:

1. Значно кращу енергетику радіоканалу. В системі з комбінованою модуляцією одноканальний передавач може працювати в умовах компресії, що сприяє збільшенню коефіцієнта корисної дії (ККД). Для багатоканального (групового) передавача це перевага менш істотно, але дуже суттєвим залишається інша перевага. Вона зумовлена ​​тим, що відношення сигнал / шум, або перешкода / шум для системи з комбінованою модуляцією наближається до тих значень, які відповідають звичайній частотної модуляції, тобто 10-12 дБ. Для порівняння, найменше значення відносини сигнал / шум для 16-QAM дорівнює 19 дБ. А це означає, що відносно системи з модуляцією 16-QAM, яка володіє близькою до системи з 256-QAM / FM спектральної ефективністю, і за інших рівних умов, відстань зв'язку,
2. Менш жорсткі вимоги до стабільності частоти і рівня фазового шуму в каналі передачі, що пов'язано з використанням когерентного приймача. У цьому випадку вимоги до стабільності частоти будуть дорівнювати тим, які справедливі для цифрових систем з частотною модуляцією, тобто не вище 10-5. Для порівняння зазначимо, що для систем, які використовують 64-QAM, стабільність частоти повинна дорівнювати 10-6 і вище.
3. Велику, ніж для систем з 16-QAM, стійкість до наслідків режиму «многолучевого» поширення сигналу, що є наслідком більшого запасу по енергетиці лінії.
4. Менші вимоги до лінійності амплітудно-частотної і фазочастотной характеристик здебільшого каналу передачі. Ця обставина надає можливість використовувати з мінімальною модернізацією існуючі аналогові системи МІТРІС для передачі великих обсягів цифрової інформації (великої кількості ТВ програм) при ефективному використанні радіочастотного спектру і без будь-яких змін в СВЧ трактах.

висновки

При використанні комбінованої модуляції M-QAM / FM як при модернізації існуючих мовних систем МІТРІС, так і при побудові нових інтерактивних тедерадіоінформаціонних (мультимедійних) систем та інших систем широкосмугового бездротового доступу, можуть бути досягнуті великі переваги, які полягають не тільки в отриманні можливості передачі цифрових сигналів зі складними типами модуляції по каналах, які призначалися для передачі тільки аналогових сигналів, а й в значному підвищенні спектральної і енергетичної ефективності систем, які працюють на частотах вище 10 ГГц, в тому числі і тих систем, які знаходяться в стадії розробки.
Застосування комбінованої модуляції при створенні телекомунікаційних мереж - це передове високоефективне рішення, здатне вивести якісні надійні телекомунікаційні послуги на масовий ринок і відповідає високим вимогам ресурсозбереження та екологічної безпеки.

література

1. Згуровський М.З., Ільченко М.Є., Кравчук С.А. та ін. Мікрохвильові пристрої телекомунікаційних систем; в 2-х томах. - Том 2. Пристрої передавального і приймального трактів. Проектування пристроїв та реалізація систем. - К .: ІВЦ Видавництво "Політехніка", 2003. - 616 с.
2. Наритнік Т. Н., Бабак В. П., Ільченко М. Е., Кравчук С. А. Мікрохвильові технології в телекомунікаційних системах. Київ, «Техніка», 2000р., Стор. 131.
3. Ільченко М.Є., Наритнік Т.Н., Омелянюк І.В., Півнюк А.В., Рогожин М. В. Проблеми та перспективи побудови наземних ефірних мереж цифрового телебачення в Україні .// Матер. XVIІ Міжнародної Кримської конференції КриМіКо-2007 "СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології", 2006. - Севастополь: 2007. - том 1, с.3-8.<