Digitaalne faasimodulatsioon: BPSK, QPSK, DQPSK

Raadiosageduse modulatsioon
Digitaalne faasimodulatsioon on mitmekülgne ja laialdaselt kasutatav meetod digitaalsete andmete juhtmevabaks edastamiseks.

Eelmisel lehel nägime, et ühe ja nulli tähistamise viisina saame kasutada kandja amplituudi või sageduse diskreetseid variatsioone. Pole üllatav, et suudame digitaalseid andmeid esindada ka faasi kasutades; seda tehnikat nimetatakse faasinihke võtmiseks (PSK).

Binaarse faasi nihutamise klahv
Kõige arusaadavamat tüüpi PSK-d nimetatakse binaarseks faasinihkega võtmeks (BPSK), kus “binaarne” viitab kahe faasi nihke kasutamisele (üks loogika jaoks kõrge, teine ​​loogika jaoks madal).

Saame intuitiivselt aru, et süsteem on robustsem, kui nende kahe faasi vahel on suurem eraldus - vastuvõtjal on muidugi raske vahet teha sümbolil, mille faasinihe on 90 °, ja sümbolil, mille faasinihe on 91%. XNUMX °. 

Faasidega on meil töötada ainult 360 °, seega on loogikakõrge ja madala loogikaga faaside vahe maksimaalne erinevus 180 °. Kuid me teame, et sinusoidi nihutamine 180 ° on sama, mis selle ümberpööramine; seega võime mõelda BPSK-st kui kandja ümberpööramist vastusena ühele loogikalisele olekule ja selle üksi jätmist vastuseks teisele loogikalisele olekule.

Selle sammu astumiseks teame, et siinuse korrutamine negatiivsega on sama, mis selle ümberpööramine. See toob kaasa võimaluse rakendada BPSK järgmiste põhiliste riistvarakonfiguratsioonide abil:

Kuid see skeem võib hõlpsalt põhjustada kandelainekujudes kõrge kaldega üleminekuid: kui loogiliste olekute vaheline üleminek toimub siis, kui kandja on maksimaalsel väärtusel, peab kanduri pinge kiiresti liikuma minimaalsele pingele.




Sellised suure kaldega sündmused on ebasoovitavad, kuna need tekitavad kõrgema sagedusega energiat, mis võib häirida teisi raadiosignaale. Samuti on võimenditel piiratud võime toota väljundpinges suure kaldega muutusi.

Kui täpsustame ülaltoodud rakendust kahe lisafunktsiooniga, saame tagada sujuva ülemineku sümbolite vahel. Esiteks peame tagama, et digitaalse biti periood on võrdne ühe või mitme täieliku kandjatsükliga. 

Teiseks peame digitaalsed üleminekud sünkroonima kandja lainekujuga. Nende paranduste abil saaksime süsteemi kujundada selliselt, et faasi 180 ° muutus toimub siis, kui kandesignaal on nullpiiril (või väga lähedal).

 

QPSK
BPSK edastab sümboli kohta ühe bitti, millega oleme seni harjunud. Kõik, mida me digitaalse modulatsiooni osas arutasime, eeldas, et kandesignaali modifitseeritakse vastavalt sellele, kas digitaalne pinge on loogika madal või loogika kõrge, ja vastuvõtja konstrueerib digitaalseid andmeid, tõlgendades iga sümbolit kas 0 või 1.

Enne kvadratuurfaasinihete võtme (QPSK) arutamist peame tutvustama järgmist olulist kontseptsiooni: Pole mingit põhjust, miks üks sümbol suudab kanda ainult ühte bitti. On tõsi, et digitaalelektroonika maailm on üles ehitatud vooluahela ümber, milles pinge on ühes või teises äärmuses, nii et pinge tähistab alati ühte digitaalset bitti. 

Kuid raadiosagedus pole digitaalne; pigem kasutame digitaalsete andmete edastamiseks analooglainekujusid ja on täiesti vastuvõetav kujundada süsteem, kus analooglainekujud on kodeeritud ja tõlgendatud viisil, mis võimaldab ühel sümbolil kujutada kahte (või enamat) bitti.

QPSK on modulatsiooniskeem, mis võimaldab ühel sümbolil edastada kahte bitti andmeid. Võimalik on neli kahebitist arvu (00, 01, 10, 11) ja järelikult vajame nelja faasisihet. Jällegi soovime faaside võimaluste maksimaalset eraldamist, mis antud juhul on 90 °.

Eeliseks on suurem andmeedastuskiirus: kui säilitame sama sümboliperioodi, saame kahekordistada kiirust, mille võrra andmed teisaldatakse saatjalt vastuvõtjale. Negatiivne külg on süsteemi keerukus. (Võite arvata, et ka QPSK on bitivigadele oluliselt vastuvõtlikum kui BPSK, kuna võimalike faasiväärtuste eraldamine on väiksem. See on mõistlik eeldus, kuid kui matemaatikat läbida, selgub, et vea tõenäosus on tegelikult väga sarnane.)

variante
QPSK on üldiselt tõhus modulatsiooniskeem. Kuid seda saab parandada.

Faasihüpped
Standardne QPSK tagab kõrge kaldega sümbolite ja sümbolite vahelise ülemineku toimumise; kuna faasihüpped võivad olla ± 90 °, ei saa me kasutada BPSK modulatsiooni tekitatud 180 ° faasihüpete jaoks kirjeldatud lähenemisviisi.

Seda probleemi saab leevendada, kasutades ühte kahest QPSK variandist. Nihke QPSK, mis hõlmab viivituse lisamist kahele modulatsiooniprotsessis kasutatavale digitaalsele andmevoole, vähendab maksimaalset faasihüpet 90 ° -ni. Teine võimalus on π / 4-QPSK, mis vähendab maksimaalset faasihüpet 135 ° -ni. Nihestatud QPSK on seega parem faaside katkenduste vähendamise osas, kuid π / 4-QPSK on eelistatud, kuna see ühildub diferentsiaalse kodeerimisega (mida käsitletakse järgmises jaotises).

Veel üks viis sümbolite vahel sümbolite katkestuste käsitlemiseks on täiendava signaalitöötluse rakendamine, mis loob sujuvamad üleminekud sümbolite vahel. See lähenemisviis on inkorporeeritud modulatsiooniskeemi, mida nimetatakse minimaalse nihke võtmeks (MSK), ja selles on täiustust ka Gaussi MSK-na tuntud MSK-s.

Diferentsiaalkodeering
Veel üks raskus on see, et demoduleerimine PSK lainekujudega on keerulisem kui FSK lainekujudega. 

Sagedus on absoluutne selles mõttes, et sageduse muutusi saab alati tõlgendada, analüüsides signaali variatsioone aja suhtes. Faas on siiski suhteline selles mõttes, et sellel puudub universaalne referents - saatja genereerib faasi variatsioonid vastavalt ajahetkele ja vastuvõtja võib faasivariatsioone tõlgendada eraldi ajahetke alusel.

Selle praktiline ilming on järgmine: Kui modulatsiooniks ja demodulatsiooniks kasutatavate ostsillaatorite faasi (või sageduse) vahel on erinevusi, muutub PSK ebausaldusväärseks. Ja me peame eeldama, et esinevad faasierinevused (kui vastuvõtja ei sisalda kandja taastamise vooluringi).

Diferentsiaal QPSK (DQPSK) on variant, mis ühildub mittekoherentsete vastuvõtjatega (st vastuvõtjatega, mis ei sünkroniseeri demodulatsiooniostsillaatorit modulatsiooniostsillaatoriga). 

Diferentsiaal QPSK kodeerib andmeid, tekitades teatud sümboli nihke eelmise sümboli suhtes. Kasutades eelneva sümboli faasi sel viisil, analüüsib demodulatsiooniskeem sümboli faasi, kasutades viidet, mis on vastuvõtjale ja saatjale ühine.

kokkuvõte
* Binaarses faasis nihutamise klahvid on sirgjooneline modulatsiooniskeem, mis võib ühe sümboli kohta edastada ühe bitti.

* Kvadratuurfaasi nihutamise klahvid on keerukamad, kuid kahekordistab andmeedastuskiirust (või saavutab sama andmeedastuskiiruse poole ribalaiusega).

* Nihke QPSK, π / 4-QPSK ja minimaalse nihke võtmed on modulatsiooniskeemid, mis leevendavad suure kaldega sümbolite ja sümbolite vahelise pinge muutuste mõju.

* Diferentsiaal QPSK kasutab faasierinevust külgnevate sümbolite vahel, et vältida saatja ja vastuvõtja vahelise faasisünkroonimise puudumisega seotud probleeme.

Jäta sõnum 

Sõnumite nimekiri