Cyfrowa modulacja faz: BPSK, QPSK, DQPSK

Modulacja częstotliwości radiowej
Cyfrowa modulacja fazowa to wszechstronna i szeroko stosowana metoda bezprzewodowego przesyłania danych cyfrowych.

Na poprzedniej stronie widzieliśmy, że możemy wykorzystywać dyskretne zmiany amplitudy lub częstotliwości nośnej jako sposób reprezentowania zer i jedynek. Nie powinno dziwić, że możemy również reprezentować dane cyfrowe przy użyciu fazy; technika ta nazywa się kluczowaniem z przesunięciem fazowym (PSK).

Binarne przesunięcie fazowe
Najprostszy typ PSK nazywa się binarnym kluczowaniem przesunięcia fazowego (BPSK), gdzie „binarny” odnosi się do zastosowania dwóch przesunięć fazowych (jeden dla logicznego wysokiego, drugi dla logicznego niskiego).

Możemy intuicyjnie rozpoznać, że system będzie bardziej niezawodny, jeśli będzie większa separacja między tymi dwiema fazami - oczywiście odbiornikowi trudno byłoby odróżnić symbol z przesunięciem fazowym o 90 ° i symbolem z przesunięciem fazowym wynoszącym 91 °. 

Mamy tylko 360 ° fazy do pracy, więc maksymalna różnica między fazami wysokiego i niskiego poziomu wynosi 180 °. Wiemy jednak, że przesunięcie sinusoidy o 180 ° jest tym samym, co odwrócenie go; dlatego możemy myśleć o BPSK jako po prostu odwracaniu nośnej w odpowiedzi na jeden stan logiczny i pozostawieniu go samego w odpowiedzi na drugi stan logiczny.

Aby pójść o krok dalej, wiemy, że pomnożenie sinusoidy przez ujemną jest równoznaczne z odwróceniem jej. Prowadzi to do możliwości wdrożenia BPSK przy użyciu następującej podstawowej konfiguracji sprzętowej:

Jednak ten schemat może łatwo spowodować przejścia o dużym nachyleniu w fali nośnej: jeśli przejście między stanami logicznymi nastąpi, gdy nośna osiąga maksymalną wartość, napięcie nośnej musi gwałtownie wzrosnąć do napięcia minimalnego.




Takie zdarzenia o dużym nachyleniu są niepożądane, ponieważ generują energię o wyższej częstotliwości, która mogłaby zakłócać inne sygnały RF. Wzmacniacze mają również ograniczoną zdolność do generowania skokowych zmian napięcia wyjściowego.

Jeśli udoskonalimy powyższą implementację za pomocą dwóch dodatkowych funkcji, możemy zapewnić płynne przejścia między symbolami. Po pierwsze, musimy upewnić się, że okres bitów cyfrowych jest równy co najmniej jednemu pełnemu cyklowi nośnej. 

Po drugie, musimy zsynchronizować przejścia cyfrowe z przebiegiem fali nośnej. Dzięki tym ulepszeniom możemy zaprojektować system w taki sposób, że zmiana fazy o 180 ° następuje, gdy sygnał nośny znajduje się w punkcie przejścia przez zero (lub bardzo blisko).

 

QPSK
BPSK przesyła jeden bit na symbol, do czego jesteśmy przyzwyczajeni do tej pory. Wszystko, co omówiliśmy w odniesieniu do modulacji cyfrowej, zakłada, że ​​sygnał nośny jest modyfikowany zgodnie z tym, czy napięcie cyfrowe jest logiczne niskie, czy logiczne wysokie, a odbiornik konstruuje dane cyfrowe, interpretując każdy symbol jako 0 lub 1.

Przed omówieniem kluczowania kwadraturowego przesunięcia fazowego (QPSK) musimy wprowadzić następującą ważną koncepcję: Nie ma powodu, dla którego jeden symbol może przesłać tylko jeden bit. Prawdą jest, że świat elektroniki cyfrowej zbudowany jest wokół obwodów, w których napięcie jest na jednej lub drugiej stronie tak, że napięcie zawsze reprezentuje jeden bit cyfrowy. 

Ale RF nie jest cyfrowe; raczej używamy analogowych przebiegów do przesyłania danych cyfrowych i jest całkowicie dopuszczalne zaprojektowanie systemu, w którym analogowe przebiegi są kodowane i interpretowane w sposób, który pozwala jednemu symbolowi reprezentować dwa (lub więcej) bitów.

QPSK to schemat modulacji, który pozwala jednemu symbolowi przesłać dwa bity danych. Istnieją cztery możliwe liczby dwubitowe (00, 01, 10, 11), w związku z czym potrzebujemy czterech przesunięć fazowych. Ponownie chcemy maksymalnego rozdzielenia opcji fazowych, który w tym przypadku wynosi 90 °.

Zaletą jest większa szybkość transmisji danych: jeśli utrzymamy ten sam okres symbolu, możemy podwoić szybkość przenoszenia danych z nadajnika do odbiornika. Minusem jest złożoność systemu. (Może się wydawać, że QPSK jest również znacznie bardziej podatny na błędy bitowe niż BPSK, ponieważ istnieje mniejsza separacja między możliwymi wartościami faz. Jest to rozsądne założenie, ale jeśli przejdziemy matematykę, okaże się, że prawdopodobieństwo błędu jest w rzeczywistości bardzo podobny.)

Warianty
QPSK jest ogólnie skutecznym schematem modulacji. Ale można to poprawić.

Faza przeskakuje
Standardowy QPSK gwarantuje, że wystąpią przejścia o dużym nachyleniu między symbolami; ponieważ skoki fazowe mogą wynosić ± 90 °, nie możemy zastosować podejścia opisanego dla skoków fazowych 180 ° wytwarzanych przez modulację BPSK.

Problem ten można złagodzić za pomocą jednego z dwóch wariantów QPSK. Przesunięcie QPSK, które polega na dodaniu opóźnienia do jednego z dwóch cyfrowych strumieni danych wykorzystywanych w procesie modulacji, zmniejsza maksymalny skok fazy do 90 °. Inną opcją jest π / 4-QPSK, która zmniejsza maksymalny skok fazy do 135 °. Przesunięcie QPSK jest zatem lepsze w odniesieniu do zmniejszania nieciągłości faz, ale π / 4-QPSK jest korzystne, ponieważ jest kompatybilne z kodowaniem różnicowym (omówione w następnym podrozdziale).

Innym sposobem radzenia sobie z nieciągłością między symbolami jest wdrożenie dodatkowego przetwarzania sygnału, które zapewnia płynniejsze przejścia między symbolami. Podejście to zostało włączone do schematu modulacji zwanego kluczowaniem z minimalnym przesunięciem (MSK), a także poprawa MSK znana jako MSK Gaussa.

Kodowanie różnicowe
Inną trudnością jest to, że demodulacja za pomocą przebiegów PSK jest trudniejsza niż w przypadku przebiegów FSK. 

Częstotliwość jest „absolutna” w tym sensie, że zmiany częstotliwości można zawsze interpretować poprzez analizę zmian sygnału w odniesieniu do czasu. Faza jest jednak względna w tym sensie, że nie ma uniwersalnego odniesienia - nadajnik generuje zmiany fazy w odniesieniu do punktu w czasie, a odbiornik może interpretować zmiany fazy w odniesieniu do oddzielnego punktu w czasie.

Praktyczna manifestacja tego jest następująca: Jeżeli istnieją różnice między fazą (lub częstotliwością) oscylatorów używanych do modulacji i demodulacji, PSK staje się zawodny. I musimy założyć, że wystąpią różnice faz (chyba że odbiornik zawiera układ odzyskiwania nośnika).

Różnicowy QPSK (DQPSK) jest wariantem kompatybilnym z niespójnymi odbiornikami (tj. Odbiornikami, które nie synchronizują oscylatora demodulacyjnego z oscylatorem modulacyjnym). 

Różnicowy QPSK koduje dane, wytwarzając pewne przesunięcie fazowe w stosunku do poprzedniego symbolu. Stosując w ten sposób fazę poprzedniego symbolu, zespół demodulacyjny analizuje fazę symbolu, stosując odniesienie wspólne dla odbiornika i nadajnika.

Podsumowanie
* Binarne kluczowanie z przesunięciem fazowym jest prostym schematem modulacji, który może przesłać jeden bit na symbol.

* Kwadratowe kluczowanie z przesunięciem fazowym jest bardziej złożone, ale podwaja szybkość transmisji danych (lub osiąga tę samą szybkość transmisji danych z połową przepustowości).

* Przesunięcie QPSK, π / 4-QPSK i kluczowanie z minimalnym przesunięciem to schematy modulacji, które łagodzą skutki zmian napięcia między symbolami o dużym nachyleniu.

* Różnicowy QPSK wykorzystuje różnicę faz między sąsiednimi symbolami, aby uniknąć problemów związanych z brakiem synchronizacji faz między nadajnikiem i odbiornikiem.

Zostaw wiadomość 

Lista komunikatów