Digitalna fazna modulacija: BPSK, QPSK, DQPSK

Modulacija radio frekvencije
Digitalna fazna modulacija svestrana je i široko korištena metoda bežičnog prijenosa digitalnih podataka.

Na prethodnoj stranici vidjeli smo da možemo upotrijebiti diskretne varijacije u amplitudi ili frekvenciji nosača kao način predstavljanja tačaka i nula. Ne treba čuditi da digitalni podatak također možemo predstavljati pomoću faze; ova se tehnika naziva fazni pomak ključa (PSK).

Binarni fazni pomak
Najviše izražen tip PSK naziva se binarno fazno pomicanje (BPSK), pri čemu se "binarni" odnosi na korištenje dva fazna pomaka (jedan za logičku visoku, a drugi za nisku logiku).

Intuitivno možemo spoznati da će sustav biti robusniji ako postoji veće razdvajanje između ove dvije faze - naravno da bi prijemnik mogao teško razlikovati simbol s faznim pomakom od 90 ° i simbol s odmakom faze od 91 ° C. 

Radimo samo s 360 ° faze, tako da je maksimalna razlika između faze logika-visoka i logika-niska 180 °. Ali znamo da je pomicanje sinusoida za 180 ° isto što i obrnuto; stoga BPSK možemo smatrati jednostavno invertiranjem nosača kao reakcije na jedno logičko stanje i ostavljanjem samog sebe kao odgovor na drugo logičko stanje.

Da biste učinili ovaj korak dalje, znamo da je umnožavanje sinusoida na negativan isto što i inverzija. To dovodi do mogućnosti implementacije BPSK korištenjem sljedeće osnovne hardverske konfiguracije:

Međutim, ova bi shema lako mogla rezultirati prijelazima s velikim nagibom u obliku valnog nosača: ako se prijelaz između logičkih stanja dogodi kada je nosač na svojoj maksimalnoj vrijednosti, napon nosača mora se brzo pomaknuti na minimalni napon.




Ovakvi događaji visokog nagiba nepoželjni su jer generiraju energiju više frekvencije koja bi mogla ometati ostale RF signale. Također, pojačala imaju ograničenu sposobnost stvaranja promjena u izlaznom naponu visoke nagiba.

Ako gornju implementaciju pročistimo s dvije dodatne značajke, možemo osigurati glatke prijelaze između simbola. Prvo moramo osigurati da je razdoblje digitalnog bita jednako jednom ili više cjelovitih prijenosnih ciklusa. 

Drugo, trebamo sinkronizirati digitalne prijelaze s oblikom nosača. Pomoću ovih poboljšanja mogli bismo dizajnirati sustav tako da se promjena faze od 180 ° dogodi kada je signal nosača na (ili vrlo blizu) nule prelaska.

 

QPSK
BPSK prenosi jedan bit po simbolu, na što smo do sada navikli. Sve što smo razgovarali o digitalnoj modulaciji pretpostavlja da je signal nosača modificiran prema tome je li digitalni napon logički nizak ili je logično visok, a prijemnik konstruira digitalne podatke interpretirajući svaki simbol kao 0 ili 1.

Prije nego što razgovaramo o kvadraturskom pomaku faznog pomaka (QPSK), moramo uvesti sljedeći važan koncept: Nema razloga zašto jedan simbol može prenijeti samo jedan bit. Istina je da je svijet digitalne elektronike izgrađen oko sklopa u kojima je napon u jednom ili drugom krajnjem položaju, tako da napon uvijek predstavlja jedan digitalni bit. 

Ali RF nije digitalni; radije koristimo analogne valne oblike za prijenos digitalnih podataka, a posve je prihvatljivo da dizajniramo sustav u kojem su analogni valovni oblici kodirani i interpretirani na način koji omogućuje da jedan simbol predstavlja dva (ili više) bita.

QPSK je modulacijska shema koja omogućuje da jedan simbol prenese dva bita podataka. Postoje četiri moguća dvo-bitna broja (00, 01, 10, 11), i stoga nam trebaju četiri odstupanja faza. Opet želimo maksimalno odvajanje između opcija faza, koje je u ovom slučaju 90 °.

Prednost je veća brzina podataka: ako održavamo isto razdoblje simbola, možemo udvostručiti brzinu kojom se podaci prenose s odašiljača na prijemnik. Loša strana je složenost sustava. (Mogli biste pomisliti da je QPSK također značajno podložniji greškama bita od BPSK-a, jer postoji manje razdvajanja između mogućih faznih vrijednosti. To je razumna pretpostavka, ali ako prođete matematiku ispada da su vjerojatnosti pogreške zapravo jako slično.)

Varijante
QPSK je, u cjelini, učinkovita modulacijska shema. Ali može se poboljšati.

Fazni skokovi
Standardni QPSK jamči da će doći do prijelaza visokog nagiba između simbola i simbola; jer fazni skokovi mogu biti ± 90 °, ne možemo upotrijebiti pristup opisan za fazne skokove od 180 °, proizvedene BPSK modulacijom.

Ovaj se problem može umanjiti korištenjem jedne od dvije inačice QPSK. Offset QPSK, koji uključuje dodavanje kašnjenja jednom od dva digitalna toka podataka koji se koriste u procesu modulacije, smanjuje maksimalni skok faze na 90 °. Druga opcija je π / 4-QPSK, koji smanjuje maksimalni skok faze na 135 °. Offset QPSK je stoga bolji u odnosu na smanjenje prekida u fazi, ali π / 4-QPSK je povoljan jer je kompatibilan s diferencijalnim kodiranjem (o čemu se govori u sljedećem potpoglavlju).

Drugi način rješavanja diskontinuiteta od simbola do simbola je provođenje dodatne obrade signala koja stvara glatke prijelaze između simbola. Ovaj pristup je ugrađen u modulacijsku shemu koja se naziva minimalno pomicanje ključeva (MSK), a tu je i poboljšanje na MSK poznatoj kao Gaussov MSK.

Diferencijalno kodiranje
Druga je poteškoća što je demodulacija sa PSK valnim oblicima teža nego kod FSK valnih oblika. 

Frekvencija je “apsolutna” u smislu da se promjene frekvencije uvijek mogu protumačiti analizom varijacija signala s obzirom na vrijeme. Faza je, međutim, relativna u smislu da nema univerzalnu referencu - odašiljač generira varijacije faza u odnosu na određenu točku u vremenu, a prijemnik može interpretirati varijacije faza u odnosu na zasebnu točku u vremenu.

Praktična manifestacija toga je sljedeća: Ako postoje razlike između faza (ili frekvencije) oscilatora koji se koriste za modulaciju i demodulaciju, PSK postaje nepouzdan. I moramo pretpostaviti da će postojati fazne razlike (osim ako prijemnik ne uključuje krug za oporavak nosača).

Diferencijalna QPSK (DQPSK) je varijanta kompatibilna s nekoherentnim prijemnicima (tj. Prijemnicima koji ne sinkroniziraju demodulacijski oscilator s modulacijskim oscilatorom). 

Diferencijalni QPSK kodira podatke proizvodeći određeni pomak faze u odnosu na prethodni simbol. Koristeći fazu prethodnog simbola na ovaj način, sklop demodulacije analizira fazu simbola koristeći referencu koja je zajednička za prijemnik i odašiljač.

rezime
* Binarno fazno pomicanje faza je jednostavna modulacijska shema koja može prenijeti jedan bit po simbolu.

* Kvadratura pomaka u kvadraturnoj fazi je složenija, ali udvostručuje brzinu podataka (ili postiže istu brzinu podataka s polovinom propusnosti).

* Offset QPSK, π / 4-QPSK i minimalno pomicanje tipki su modulacijski programi koji ublažavaju učinke promjena napona s velikim nagibom između simbola i simbola.

* Diferencijalna QPSK koristi faznu razliku između susjednih simbola kako bi se izbjegli problemi povezani s nedostatkom fazne sinkronizacije između odašiljača i prijemnika.

Ostavite poruku 

Lista Poruka