Skaitmeninis fazių moduliavimas: BPSK, QPSK, DQPSK

Radijo dažnio moduliavimas
Skaitmeninis fazių moduliavimas yra universalus ir plačiai naudojamas metodas belaidžiam skaitmeninių duomenų perdavimui.

Ankstesniame puslapyje mes matėme, kad nešiklio nešiklio amplitudės ar dažnio variantus galime naudoti kaip atskirus ir nulius vaizduojančius variantus. Nenuostabu, kad skaitmeninius duomenis mes taip pat galime vaizduoti naudodami fazę; ši technika vadinama fazės poslinkio įvedimu (PSK).

Dvejetainės fazės poslinkio klavišas
Paprasčiausias PSK tipas yra vadinamas dvejetainiu fazės poslinkio įvedimu (BPSK), kur „dvejetainis“ reiškia dviejų fazių nuokrypių naudojimą (vieną - aukštai logikai, kitą - žemai logikai).

Galime intuityviai suvokti, kad sistema bus tvirtesnė, jei bus didesnis skirtumas tarp šių dviejų fazių - be abejo, imtuvui sunku atskirti simbolį, kurio fazės poslinkis yra 90 °, ir simbolį, kurio fazės poslinkis yra. 91 °. 

Fazių, su kuriais turime dirbti, yra tik 360 °, taigi didžiausias loginės ir žemos logikos fazių skirtumas yra 180 °. Bet mes žinome, kad sinusoido pasisukimas 180 ° yra tas pats, kas jį apversti; taigi, mes galime galvoti apie BPSK kaip tiesiog apversti nešiklį reaguodami į vieną loginę būseną ir palikti jį ramybėje, reaguodami į kitą logikos būseną.

Žengdami žingsnį toliau, mes žinome, kad sinusoidą padauginti iš neigiamo yra tas pats, kas jį apversti. Tai suteikia galimybę įdiegti BPSK naudojant šią pagrindinę aparatinės įrangos konfigūraciją:

Tačiau ši schema gali lengvai sukelti nešančiosios bangos formos perėjimo į šlaitą aukštą nuolydį: jei perėjimas tarp loginių būsenų įvyksta tada, kai nešiklio didžiausia vertė yra, nešiklio įtampa turi greitai pakilti iki mažiausios įtampos.




Aukšto nuolydžio įvykiai, tokie kaip šie, yra nepageidaujami, nes jie sukuria aukštesnio dažnio energiją, kuri gali trikdyti kitus RF signalus. Be to, stiprintuvai turi ribotas galimybes išėjimo įtampos pokyčius dideliu šlaitu.

Jei patobulinsime aukščiau pateiktą įgyvendinimą dviem papildomomis funkcijomis, galime užtikrinti sklandų perėjimą tarp simbolių. Pirmiausia turime įsitikinti, kad skaitmeninio bitų laikotarpis yra lygus vienam ar daugiau ištisų nešiklio ciklų. 

Antra, skaitmeninius perėjimus turime sinchronizuoti su nešiklio bangos forma. Atlikę šiuos patobulinimus, sistemą galėtume suprojektuoti taip, kad 180 ° fazės pokytis įvyktų, kai nešlio signalas yra ties nuliniu tašku (arba labai arti jo).

 

QPSK
BPSK perduoda po vieną bitą už simbolį, prie ko mes esame įpratę iki šiol. Viskas, ką mes aptarėme dėl skaitmeninės moduliacijos, padarė prielaidą, kad nešiklio signalas yra modifikuojamas atsižvelgiant į tai, ar skaitmeninė įtampa yra maža, ar loginė, o imtuvas sukuria skaitmeninius duomenis aiškindamas kiekvieną simbolį kaip 0 arba 1.

Prieš aptardami kvadratinių fazių poslinkio raktą (QPSK), turime pristatyti šią svarbią sąvoką: Nėra jokios priežasties, kodėl vienas simbolis gali perduoti tik vieną bitą. Tiesa, kad skaitmeninės elektronikos pasaulis yra sukurtas aplink grandines, kuriose įtampa yra vienoje ar kitoje kraštinėje, kad įtampa visada atspindėtų vieną skaitmeninį bitą. 

Bet RF nėra skaitmeninis; veikiau mes naudojame analogines bangos formas skaitmeniniams duomenims perduoti, ir visiškai priimtina sukurti sistemą, kurioje analoginės bangos formos būtų užkoduotos ir interpretuojamos taip, kad vienas simbolis galėtų vaizduoti du (ar daugiau) bitus.

QPSK yra moduliacijos schema, leidžianti vienam simboliui perduoti du duomenų bitus. Yra keturi galimi dviejų bitų skaičiai (00, 01, 10, 11), todėl mums reikia keturių fazių poslinkių. Vėlgi, mes norime maksimaliai atskirti fazių variantus, kurie šiuo atveju yra 90 °.

Privalumas yra didesnis duomenų perdavimo greitis: jei išlaikysime tą patį simbolių periodą, mes galime dvigubai padidinti duomenų perdavimo spartos greičiu greitį. Neigiama yra sistemos sudėtingumas. (Galite pamanyti, kad QPSK taip pat yra žymiai jautresnis bitų klaidoms nei BPSK, nes tarp galimų fazių verčių yra mažiau atskyrimo. Tai pagrįsta prielaida, tačiau jei jūs einate per matematiką, paaiškėja, kad klaidų tikimybė iš tikrųjų yra labai panašus.)

Variantai
QPSK yra veiksminga moduliavimo schema. Bet tai galima patobulinti.

Faziniai šuoliai
Standartinis QPSK garantuoja, kad įvyks perėjimas nuo vieno simbolio į kitą su dideliu nuolydžiu; Kadangi fazių šuoliai gali būti ± 90 °, mes negalime naudoti aprašyto požiūrio į 180 ° fazės šuolius, kuriuos sukuria BPSK moduliacija.

Šią problemą galima sumažinti naudojant vieną iš dviejų QPSK variantų. Ofsetinis QPSK, kuris apima delsos pridėjimą prie vieno iš dviejų skaitmeninių duomenų srautų, naudojamų moduliavimo procese, sumažina maksimalų fazės šuolį iki 90 °. Kitas variantas yra π / 4-QPSK, kuris sumažina maksimalų fazės šuolį iki 135 °. Taigi ofsetinis QPSK yra pranašesnis už fazių nepertraukiamumo mažinimą, tačiau π / 4-QPSK yra pranašesnis, nes jis suderinamas su diferenciniu kodavimu (aptariama kitame poskirsnyje).

Kitas būdas kovoti su nedalomumu nuo simbolio iki simbolio yra įdiegti papildomą signalo apdorojimą, kuris sukuria sklandesnius perėjimus tarp simbolių. Šis požiūris yra įtrauktas į moduliavimo schemą, vadinamą minimalaus poslinkio įvedimu (MSK), ir taip pat patobulintas MSK, žinomas kaip Gauso MSK.

Diferencinis kodavimas
Kitas sunkumas yra tas, kad demoduliuoti PSK bangos formas yra sunkiau nei naudojant FSK bangos formas. 

Dažnis yra „absoliutus“ ta prasme, kad dažnio pokyčius visada galima suprasti, analizuojant signalo kitimą laiko atžvilgiu. Tačiau fazė yra santykinė ta prasme, kad ji neturi visuotinės atskaitos taško - siųstuvas generuoja fazės variacijas tam tikru laiko momentu, o imtuvas gali interpretuoti fazių variacijas nurodydamas atskirą laiko momentą.

Praktinis šio reiškinio pavyzdys: Jei yra moduliacijai ir demoduliacijai naudojamų generatorių fazių (arba dažnio) skirtumų, PSK tampa nepatikima. Ir mes turime manyti, kad bus fazių skirtumai (nebent imtuvas turi nešančiosios grandinės atkūrimo schemą).

Diferencinis QPSK (DQPSK) yra variantas, suderinamas su nesuderintais imtuvais (ty imtuvais, kurie nesinchronizuoja demoduliacinio generatoriaus su moduliacijos generatoriumi). 

Diferencinis QPSK koduoja duomenis, sukurdamas tam tikrą fazės poslinkį, palyginti su ankstesniu simboliu. Tokiu būdu panaudodama ankstesnio simbolio fazę, demoduliacinė schema analizuoja simbolio fazę, naudodamasi nuoroda, kuri yra bendra imtuvui ir siųstuvui.

Santrauka
* Dvejetainis fazių poslinkio įvedimas yra paprasta moduliacijos schema, galinti perduoti vieną bitą vienam simboliui.

* Kvadratinės fazės poslinkio klavišų įvedimas yra sudėtingesnis, tačiau dvigubai padidina duomenų perdavimo spartą (arba pasiekia tą patį duomenų perdavimo spartą su puse pralaidumo).

* Poslinkio QPSK, π / 4-QPSK ir minimalaus poslinkio keitimas yra moduliacijos schemos, palengvinančios aukšto šlaito simbolių ir simbolių įtampos pokyčių poveikį.

* Diferencialiniame QPSK naudojamas fazių skirtumas tarp gretimų simbolių, kad būtų išvengta problemų, susijusių su fazės sinchronizacijos tarp siųstuvo ir imtuvo trūkumu.

Palik žinutę 

Žinučių sąrašas