Digitální fázová modulace: BPSK, QPSK, DQPSK

Radiofrekvenční modulace
Digitální fázová modulace je všestranná a široce používaná metoda bezdrátového přenosu digitálních dat.

Na předchozí stránce jsme viděli, že můžeme použít diskrétní variace v amplitudě nebo frekvenci nosiče jako způsob, jak reprezentovat ty a nuly. Není žádným překvapením, že můžeme také reprezentovat digitální data pomocí fáze; tato technika se nazývá klíčování fázovým posunem (PSK).

Binární fázové řazení
Nejjednodušší typ PSK se nazývá klíčování binárním fázovým posunem (BPSK), kde „binární“ označuje použití dvou fázových posunů (jeden pro logické maximum, druhý pro logické minimum).

Můžeme intuitivně rozpoznat, že systém bude robustnější, bude-li větší oddělení mezi těmito dvěma fázemi - samozřejmě by pro příjemce bylo obtížné rozlišovat mezi symbolem s fázovým posunem o 90 ° a symbolem s fázovým posunem o 91 °. 

Máme pouze 360 ​​° fáze, se kterou můžeme pracovat, takže maximální rozdíl mezi fázemi logicky vysoká a logicky nízká je 180 °. Víme však, že posun sinusoidu o 180 ° je stejný jako jeho převrácení; můžeme tedy uvažovat o BPSK jako o invertování nosiče v reakci na jeden logický stav a ponechání samotného v reakci na druhý logický stav.

Abychom to udělali ještě o krok dále, víme, že vynásobení sinusoidy záporným je stejné jako obrácení. To vede k možnosti implementace BPSK pomocí následující základní konfigurace hardwaru:

Toto schéma by však mohlo snadno vést k přechodům s vysokým sklonem ve tvaru vlny nosiče: pokud k přechodu mezi logickými stavy dojde, když je nosič na maximální hodnotě, musí se napětí nosiče rychle přesunout na minimální napětí.




Události s vysokým sklonem, jako jsou tyto, jsou nežádoucí, protože vytvářejí vysokofrekvenční energii, která by mohla interferovat s jinými vysokofrekvenčními signály. Zesilovače mají také omezenou schopnost vyvolat změny výstupního napětí s vysokým sklonem.

Pokud zpřesníme výše uvedenou implementaci dvěma dalšími funkcemi, můžeme zajistit plynulé přechody mezi symboly. Nejprve musíme zajistit, aby se digitální bitová perioda rovnala jednomu nebo více úplným nosným cyklům. 

Za druhé, musíme synchronizovat digitální přechody s nosnou vlnovou křivkou. S těmito vylepšeními bychom mohli navrhnout systém tak, že ke změně fází 180 ° dojde, když je nosný signál na (nebo velmi blízko) nulové křižovatce.

 

QPSK
BPSK přenáší jeden bit na symbol, na který jsme dosud zvyklí. Vše, co jsme diskutovali s ohledem na digitální modulaci, předpokládalo, že nosný signál je modifikován podle toho, zda je digitální napětí logické nízké nebo logické vysoké, a přijímač konstruuje digitální data interpretací každého symbolu buď jako 0 nebo 1.

Než budeme diskutovat o kvadraturním fázovém posunování (QPSK), musíme zavést následující důležitý koncept: Není důvod, proč jeden symbol může přenášet pouze jeden bit. Je pravda, že svět digitální elektroniky je postaven na obvodech, ve kterých je napětí na jednom nebo druhém konci, takže napětí vždy představuje jeden digitální bit. 

RF však není digitální; raději používáme analogové průběhy k přenosu digitálních dat a je naprosto přijatelné navrhnout systém, ve kterém jsou analogové průběhy zakódovány a interpretovány tak, aby jeden symbol mohl reprezentovat dva (nebo více) bitů.

QPSK je modulační schéma, které umožňuje jednomu symbolu přenášet dva bity dat. Existují čtyři možná dvoubitová čísla (00, 01, 10, 11), a proto potřebujeme čtyři fázové posuny. Znovu chceme maximální oddělení mezi fázovými možnostmi, což je v tomto případě 90 °.

Výhodou je vyšší datová rychlost: pokud udržujeme stejnou periodu symbolů, můžeme zdvojnásobit rychlost, se kterou se data přenášejí z vysílače do přijímače. Nevýhodou je složitost systému. (Možná si myslíte, že QPSK je také výrazně náchylnější k bitovým chybám než BPSK, protože mezi menšími fázovými hodnotami je menší oddělení. Toto je rozumný předpoklad, ale pokud projdete matematikou, ukáže se, že pravděpodobnosti chyb jsou skutečně velmi podobný.)

Varianty
QPSK je celkově efektivní modulační schéma. Ale to lze zlepšit.

Fázové skoky
Standardní QPSK zaručuje, že dojde k přechodům mezi dvěma značkami; protože fázové skoky mohou být ± 90 °, nemůžeme použít přístup popsaný pro 180 ° fázové skoky způsobené modulací BPSK.

Tento problém lze zmírnit použitím jedné ze dvou variant QPSK. Offset QPSK, který zahrnuje přidání zpoždění do jednoho ze dvou digitálních datových toků použitých v procesu modulace, snižuje maximální fázový skok na 90 °. Další možností je π / 4-QPSK, která snižuje maximální fázový skok na 135 °. Ofset QPSK je tedy lepší, pokud jde o snižování fázových diskontinuit, ale π / 4-QPSK je výhodná, protože je kompatibilní s diferenciálním kódováním (diskutováno v následující podkapitole).

Dalším způsobem, jak se vypořádat s diskontinuitami typu symbol-symbol, je implementace dalšího zpracování signálu, které vytváří plynulejší přechody mezi symboly. Tento přístup je začleněn do modulačního schématu nazývaného klíčování s minimálním posunem (MSK) a také je vylepšeno MSK známé jako Gaussian MSK.

Diferenciální kódování
Dalším problémem je to, že demodulace s vlnovými tvary PSK je obtížnější než s vlnovými tvary FSK. 

Frekvence je „absolutní“ v tom smyslu, že změny frekvence lze vždy interpretovat analýzou variací signálu s ohledem na čas. Fáze je však relativní v tom smyslu, že nemá univerzální referenci - vysílač generuje fázové variace s odkazem na časový bod a přijímač by mohl interpretovat fázové variace s odkazem na samostatný časový bod.

Praktický projev je následující: Pokud existují rozdíly mezi fází (nebo frekvencí) oscilátorů používaných pro modulaci a demodulaci, stává se PSK nespolehlivým. A musíme předpokládat, že dojde k fázovým rozdílům (pokud přijímač nebude obsahovat obvody pro obnovení nosiče).

Diferenciální QPSK (DQPSK) je varianta, která je kompatibilní s nekoherentními přijímači (tj. Přijímači, které nesynchronizují demodulační oscilátor s modulačním oscilátorem). 

Diferenciální QPSK kóduje data vytvářením určitého fázového posunu vzhledem k předchozímu symbolu. Použitím fáze předchozího symbolu tímto způsobem demodulační obvod analyzuje fázi symbolu pomocí odkazu, který je společný pro přijímač a vysílač.

Shrnutí
* Binární fázový posun je klíčové schéma modulace, které může přenášet jeden bit na symbol.

* Kvadraturní klíčování fázovým posunem je složitější, ale zdvojnásobuje rychlost přenosu dat (nebo dosahuje stejné rychlosti přenosu dat s poloviční šířkou pásma).

* Posun QPSK, π / 4-QPSK a klíčování s minimálním posunem jsou modulační schémata, která zmírňují dopady změn napětí typu symbol na symbol s vysokým sklonem.

* Diferenciální QPSK používá fázový rozdíl mezi sousedními symboly, aby se zabránilo problémům spojeným s nedostatkem fázové synchronizace mezi vysílačem a přijímačem.

Zanechat vzkaz 

Seznam zpráv