Цифрова фазова модулация: BPSK, QPSK, DQPSK

Радиочестотна модулация
Дигиталната фазова модулация е универсален и широко използван метод за безжично прехвърляне на цифрови данни.

В предишната страница видяхме, че можем да използваме дискретни вариации в амплитудата или честотата на превозвача като начин за представяне на такива и нули. Не трябва да е изненада, че можем също да представим цифрови данни, използвайки фаза; тази техника се нарича клавиши на фазово изместване (PSK).

Двоично фазово изместване
Най-прямият тип PSK се нарича бинарно клавишно изместване на фазата (BPSK), където „двоичен“ се отнася до използването на две фазови компенсации (един за логика високо, един за логично ниско).

Интуитивно можем да разпознаем, че системата ще бъде по-здрава, ако има по-голямо разделяне между тези две фази - разбира се, за приемника е трудно да разграничи символ с фазово отклонение от 90 ° и символ с фазово отклонение от 91 °. 

Работим само с 360 ° фаза, така че максималната разлика между фазите логика-висока и логика-ниска е 180 °. Но знаем, че изместването на синусоида с 180 ° е същото като обръщането му; по този начин, можем да мислим за BPSK като просто обръщане на носача в отговор на едно логическо състояние и оставянето му сам в отговор на другото логическо състояние.

За да направим това стъпка по-нататък, знаем, че умножаването на синусоида по отрицателен е същото като обратното му. Това води до възможността за внедряване на BPSK, използвайки следната основна хардуерна конфигурация:

Тази схема обаче лесно би могла да доведе до преходи с висок наклон в формата на носещата вълна: ако преходът между логическите състояния се случи, когато носителят е на максималната си стойност, носещото напрежение трябва бързо да се придвижи до минималното напрежение.




Събитията с висок наклон като тези са нежелателни, тъй като генерират енергия с по-висока честота, която може да попречи на други радиочестотни сигнали. Също така усилвателите имат ограничена способност да произвеждат промени в наклона на високо наклона.

Ако прецизираме горната реализация с две допълнителни функции, можем да гарантираме плавни преходи между символите. Първо, трябва да гарантираме, че периодът на цифровия бит е равен на един или повече пълни цикъла на носителя. 

Второ, трябва да синхронизираме цифровите преходи с носещата форма на вълната. С тези подобрения бихме могли да проектираме системата така, че промяната на фазата на 180 ° да настъпи, когато носещият сигнал е на (или много близо) на нулевото пресичане.

 

QPSK
BPSK прехвърля по един бит на символ, това е, което сме свикнали досега. Всичко, което обсъдихме по отношение на цифровата модулация, предполага, че носещият сигнал е модифициран според това дали цифровото напрежение е логически ниско или логично високо и приемникът конструира цифрови данни, като интерпретира всеки символ като 0 или 1.

Преди да обсъдим клавиатурното клавишно изместване на фазата (QPSK), трябва да въведем следната важна концепция: Няма причина един символ да прехвърля само един бит. Вярно е, че светът на цифровата електроника е изграден около вериги, в които напрежението е в едната или другата крайност, така че напрежението винаги представлява един цифров бит. 

Но RF не е цифров; по-скоро ние използваме аналогови форми на вълни за прехвърляне на цифрови данни и е напълно приемливо да проектираме система, в която аналоговите форми на вълната са кодирани и интерпретирани по начин, който позволява на един символ да представлява два (или повече) бита.

QPSK е модулационна схема, която позволява на един символ да прехвърля два бита данни. Има четири възможни двубитни числа (00, 01, 10, 11) и следователно имаме нужда от четири фазови компенсации. Отново искаме максимално разделяне между фазовите опции, което в този случай е 90 °.

Предимството е по-високата скорост на предаване на данни: ако поддържаме един и същ период на символи, можем да удвоим скоростта, с която данните се преместват от предавател към приемник. Недостатъкът е сложността на системата. (Може би си мислите, че QPSK също е значително по-податлив на битови грешки от BPSK, тъй като има по-малко разделяне между възможните фазови стойности. Това е разумно предположение, но ако преминете през математиката се оказва, че вероятностите за грешки всъщност са много подобно.)

Варианти
Като цяло QPSK е ефективна схема за модулация. Но може да се подобри.

Фазови скокове
Стандартният QPSK гарантира, че ще настъпят преходи с висок наклон на символ към символ; тъй като фазовите скокове могат да бъдат ± 90 °, не можем да използваме описания подход за 180 ° фазови скокове, произведени от BPSK модулация.

Този проблем може да бъде смекчен, като се използва един от два варианта на QPSK. Offset QPSK, който включва добавяне на закъснение към един от двата цифрови потока данни, използвани в процеса на модулация, намалява максималния скок на фазата до 90 °. Друга опция е π / 4-QPSK, което намалява максималния фазов скок до 135 °. По този начин офсетният QPSK е по-добър по отношение на намаляването на фазовите прекъсвания, но π / 4-QPSK е благоприятен, тъй като е съвместим с диференциално кодиране (обсъдено в следващия подраздел).

Друг начин за справяне с прекъсванията между символи и символи е прилагането на допълнителна обработка на сигнала, която създава плавни преходи между символите. Този подход е включен в схема за модулация, наречена минимално клавишно преместване (MSK), а също така има подобрение на MSK, известно като Gaussian MSK.

Диференциално кодиране
Друга трудност е, че демодулацията с PSK вълнови форми е по-трудна, отколкото с FSK вълнови форми. 

Честотата е „абсолютна“ в смисъл, че промените в честотата винаги могат да бъдат интерпретирани чрез анализ на вариациите на сигнала по отношение на времето. Фазата обаче е относителна в смисъл, че няма универсална референция - предавателят генерира фазови изменения във връзка с момент във времето и приемникът може да интерпретира фазовите изменения във връзка с отделна точка във времето.

Практическото проявление на това е следното: Ако има разлики между фазата (или честотата) на осцилаторите, използвани за модулация и демодулация, PSK става ненадежден. И трябва да приемем, че ще има фазови разлики (освен ако приемникът не включва верига за възстановяване на носител).

Диференциалният QPSK (DQPSK) е вариант, който е съвместим с некохерентни приемници (т.е. приемници, които не синхронизират осцилатора на демодулация с модулационния осцилатор). 

Диференциалният QPSK кодира данни, като произвежда определен фазов отместване спрямо предходния символ. Използвайки по този начин фазата на предходния символ, схемата за демодулация анализира фазата на символа, използвайки референт, който е общ за приемника и предавателя.

Oбобщение
* Ключът с двойна фазова смяна е проста модулационна схема, която може да прехвърля по един бит на символ.

* Квадратурното клавишно изместване на фазата е по-сложно, но удвоява скоростта на данните (или постига същата скорост на предаване с половината на честотната лента).

* Отместване QPSK, π / 4-QPSK и минимално клавишно изместване са схеми на модулация, които смекчават ефектите от промените в напрежението на висок наклон от символ към символ.

* Диференциалният QPSK използва фазовата разлика между съседни символи, за да избегне проблеми, свързани с липсата на фазова синхронизация между предавателя и приемника.

Остави съобщение 

Списък на ЛС