Диаграмма созвездия — это представление сигнала, модулированного цифровой схемой модуляции , такой как квадратурная амплитудная модуляция или фазовая манипуляция . [1] Она отображает сигнал в виде двумерной диаграммы рассеяния в плоскости xy в комплексной плоскости в моменты выборки символов . Аналогично фазовой диаграмме , угол точки, измеренный против часовой стрелки от горизонтальной оси, представляет собой фазовый сдвиг несущей волны от опорной фазы; расстояние точки от начала координат представляет собой меру амплитуды или мощности сигнала. Ее можно рассматривать как тепловую карту данных I/Q .
В системе цифровой модуляции информация передается в виде серии выборок , каждая из которых занимает равномерный временной интервал. Во время каждой выборки несущая волна имеет постоянную амплитуду и фазу , которая ограничена одним из конечного числа значений. Таким образом, каждая выборка кодирует один из конечного числа «символов», которые, в свою очередь, представляют одну или несколько двоичных цифр (битов) информации. Каждый символ кодируется как различная комбинация амплитуды и фазы несущей, поэтому каждый символ представлен точкой на диаграмме созвездия, называемой точкой созвездия . Диаграмма созвездия показывает все возможные символы, которые могут быть переданы системой в виде набора точек. В частотно- или фазово-модулированном сигнале амплитуда сигнала постоянна, поэтому точки лежат на окружности вокруг начала координат.
Несущая, представляющая каждый символ, может быть создана путем сложения различных количеств косинусоидальной волны, представляющей «I» или синфазную несущую, и синусоидальной волны, сдвинутой на 90° от несущей I, называемой «Q» или квадратурной несущей. Таким образом, каждый символ может быть представлен комплексным числом , а диаграмму созвездия можно рассматривать как комплексную плоскость , с горизонтальной действительной осью, представляющей компонент I, и вертикальной мнимой осью, представляющей компонент Q. Когерентный детектор способен независимо демодулировать эти несущие. Этот принцип использования двух независимо модулированных несущих является основой квадратурной модуляции . В чистой фазовой модуляции фаза модулирующего символа является фазой самой несущей, и это является наилучшим представлением модулированного сигнала.
«Сигнальная диаграмма пространства» — это идеальная диаграмма созвездия, показывающая правильное положение точки, представляющей каждый символ. После прохождения через канал связи , из-за электронного шума или искажения, добавленного к сигналу, амплитуда и фаза, полученные демодулятором, могут отличаться от правильного значения для символа. При нанесении на диаграмму созвездия точка, представляющая полученный образец, будет смещена относительно правильного положения для этого символа. Электронный испытательный прибор, называемый векторным анализатором сигналов , может отображать диаграмму созвездия цифрового сигнала, делая выборку сигнала и отображая каждый полученный символ в виде точки. Результатом является «шар» или «облако» точек, окружающих каждую позицию символа. Измеренные диаграммы созвездия могут использоваться для распознавания типа помех и искажений в сигнале.
Число точек созвездия на диаграмме дает размер «алфавита» символов, которые могут быть переданы каждым образцом, и, таким образом, определяет число бит, переданных на образец. Обычно это степень числа 2. Диаграмма с четырьмя точками, например, представляет схему модуляции, которая может отдельно кодировать все 4 комбинации двух бит: 00, 01, 10 и 11, и, таким образом, может передавать два бита на образец. Таким образом, в общем случае модуляция с точками созвездия передает биты на образец.
После прохождения через канал связи сигнал декодируется демодулятором . Функция демодулятора заключается в классификации каждого образца как символа. Набор значений образца, которые демодулятор классифицирует как заданный символ, может быть представлен областью на плоскости, нарисованной вокруг каждой точки созвездия. Если шум заставляет точку, представляющую образец, отклоняться в область, представляющую другой символ, демодулятор неправильно идентифицирует этот образец как другой символ, что приводит к ошибке символа. Большинство демодуляторов выбирают в качестве своей оценки того, что было фактически передано, точку созвездия, которая находится ближе всего (в смысле евклидова расстояния ) к точке полученного образца; это называется обнаружением максимального правдоподобия . На диаграмме созвездия эти области обнаружения можно легко представить, разделив плоскость линиями, равноудаленными от каждой соседней пары точек.
Половина расстояния между каждой парой соседних точек — это амплитуда аддитивного шума или искажения, необходимого для того, чтобы одна из точек была ошибочно идентифицирована как другая, и, таким образом, вызвала ошибку символа. Следовательно, чем дальше точки отделены друг от друга, тем выше помехоустойчивость модуляции. Практические системы модуляции разработаны для максимизации минимального шума, необходимого для возникновения ошибки символа; на диаграмме созвездия это означает, что расстояние между каждой парой соседних точек одинаково.
Качество полученного сигнала можно проанализировать, отобразив диаграмму созвездия сигнала на приемнике на векторном анализаторе сигналов . Некоторые типы искажений отображаются в виде характерных узоров на диаграмме:
Диаграмма созвездия визуализирует явления, подобные тем, которые делает глазковая диаграмма для одномерных сигналов. Глазковая диаграмма может использоваться для наблюдения за временным дрожанием в одном измерении модуляции.
