Digitale fase modulasie: BPSK, QPSK, DQPSK

Radiofrekwensie-modulasie
Digitale fase modulasie is 'n veelsydige en wyd gebruikte metode om draadloos digitale data oor te dra.

Op die vorige bladsy het ons gesien dat ons afsonderlike variasies in die amplitude of frekwensie van die draer kan gebruik om die een en nulle voor te stel. Dit mag nie verbasend wees dat ons ook digitale data met behulp van fase kan voorstel nie; hierdie tegniek word faseverskuiwingstoetsing (PSK) genoem.

Binêre faseverskuiwing
Die eenvoudigste tipe PSK word binêre faseverskuiwingstoetsing (BPSK) genoem, waar “binêre” verwys na die gebruik van twee faseveranderings (een vir logika hoog, een vir logika laag).

Ons kan intuïtief besef dat die stelsel meer robuust sal wees as daar 'n groter skeiding tussen hierdie twee fases is - dit sal uiteraard moeilik wees vir 'n ontvanger om te onderskei tussen 'n simbool met 'n faseverandering van 90 ° en 'n simbool met 'n fase-offset van 91 °. 

Ons het slegs 360 ° fase om mee te werk, dus is die maksimum verskil tussen die logiese-hoë en logiese-lae fases 180 °. Maar ons weet dat die skuif van 'n sinusvorm met 180 ° dieselfde is as om dit te omkeer; ons kan dus aan BPSK dink as om die draer bloot in reaksie op een logiese toestand te omkeer en dit alleen te laat reageer op die ander logiese toestand.

Om dit 'n stap verder te neem, weet ons dat die vermenigvuldiging van 'n sinus met negatiewe dieselfde is as om dit te keer. Dit lei tot die moontlikheid om BPSK te implementeer met behulp van die volgende basiese hardeware-konfigurasie:

Hierdie skema kan egter maklik lei tot oorgange in die draagolfvorm met 'n hoë helling: as die oorgang tussen logiese toestande plaasvind wanneer die draer die maksimum waarde het, moet die draerspanning vinnig na die minimum spanning beweeg.




Hoë hellings soos hierdie is ongewens omdat hulle hoër frekwensie-energie opwek wat met ander RF-seine kan inmeng. Versterkers het ook 'n beperkte vermoë om veranderinge in uitsetspanning met 'n hoë helling te lewer.

As ons bogenoemde implementering met twee bykomende funksies verfyn, kan ons gladde oorgange tussen simbole verseker. Eerstens moet ons sorg dat die digitale bit-periode gelyk is aan een of meer volledige draarsiklusse. 

Tweedens moet ons die digitale oorgange met die draer-golfvorm sinkroniseer. Met hierdie verbeterings, kan ons die stelsel so ontwerp dat die 180 ° faseverandering plaasvind wanneer die draarsignaal by (of baie naby) die nul kruising is.

 

QPSK
BPSK dra een punt per simbool oor, en dit is waaraan ons tot dusver gewoond is. Alles wat ons oor digitale modulasie bespreek het, het aanvaar dat die draarsignaal verander word volgens die vraag of 'n digitale spanning logies laag of logies hoog is, en die ontvanger konstrueer digitale data deur elke simbool as 0 of 1 te interpreteer.

Voordat ons kwadratuurfasewisseling (QPSK) bespreek, moet ons die volgende belangrike konsep bekendstel: daar is geen rede waarom een ​​simbool slegs een bit kan oordra nie. Dit is waar dat die wêreld van digitale elektronika gebou is op stroombane waarin die spanning aan die een of ander uiterste is, sodat die spanning altyd een digitale bit voorstel. 

Maar RF is nie digitaal nie; Ons gebruik eerder analooggolfvorms om digitale data oor te dra, en dit is heeltemal aanvaarbaar om 'n stelsel te ontwerp waarin die analooggolfvorms gekodeer en geïnterpreteer word, sodat een simbool twee (of meer) stukkies kan voorstel.

QPSK is 'n modulasieskema waarmee een simbool twee stukkies data kan oordra. Daar is vier moontlike twee-bis nommers (00, 01, 10, 11), en daarom het ons vier fase-offsets nodig. Ons wil weer 'n maksimum skeiding hê tussen die fase-opsies, wat in hierdie geval 90 ° is.

Die voordeel is dat die datatempo hoër is: as ons dieselfde simboolperiode handhaaf, kan ons die tempo waarteen data van sender na ontvanger geskuif word, verdubbel. Die nadeel is stelsel-ingewikkeldheid. (U kan dink dat QPSK ook aansienlik meer vatbaar is vir bitfoute as BPSK, aangesien daar minder skeiding tussen die moontlike fasewaardes is. Dit is 'n redelike aanname, maar as u deur die wiskunde gaan, blyk dit dat die foutwaarskynlikheid eintlik is baie dieselfde.)

Variante
QPSK is in die algemeen 'n effektiewe modulasieskema. Maar dit kan verbeter word.

Fase spring
Standaard QPSK waarborg dat oorgang van simbool tot simbool met 'n hoë helling sal plaasvind; omdat die fasespringe ± 90 ° kan wees, kan ons nie die benadering gebruik wat beskryf word vir die 180 ° fasespronge wat deur BPSK-modulasie vervaardig word nie.

Hierdie probleem kan versag word deur een van twee QPSK-variante te gebruik. Offset QPSK, wat die vertraging van een van die twee digitale datastrome insluit wat in die modulasieproses gebruik word, verminder die maksimum fase-sprong tot 90 °. 'N Ander opsie is π / 4-QPSK, wat die maksimum fasesprong tot 135 ° verminder. Offset QPSK is dus beter ten opsigte van die vermindering van fase-diskontinuïteite, maar π / 4-QPSK is voordelig omdat dit versoenbaar is met differensiële kodering (bespreek in die volgende onderafdeling).

'N Ander manier om simbole-tot-simbool-diskontinuïteite te hanteer, is om addisionele seinverwerking te implementeer wat gladder oorgange tussen simbole skep. Hierdie benadering is opgeneem in 'n modulasieskema genaamd minimum shift keying (MSK), en daar is ook 'n verbetering op MSK, bekend as Gaussian MSK.

Differensiële kodering
Nog 'n probleem is dat demodulering met PSK-golfvorms moeiliker is as met FSK-golfvorms. 

Frekwensie is "absoluut" in die sin dat frekwensieveranderings altyd geïnterpreteer kan word deur die seinvariasies ten opsigte van tyd te ontleed. Fase is egter relatief in die sin dat dit geen universele verwysing het nie - die sender genereer die fasevariasies met verwysing na 'n tydstip, en die ontvanger kan die fasevariasies interpreteer met verwysing na 'n aparte tydstip.

Die praktiese manifestasie hiervan is die volgende: As daar verskille is tussen die fase (of frekwensie) van die ossillators wat vir modulasie en demodulasie gebruik word, word PSK onbetroubaar. En ons moet aanvaar dat daar faseverskille sal wees (tensy die ontvanger draer-herwinningsstroombane insluit).

Differensiële QPSK (DQPSK) is 'n variant wat versoenbaar is met nie-samehangende ontvangers (dws ontvangers wat nie die demodulasie-ossillator met die modulasie-ossillator sinkroniseer nie). 

Differensiële QPSK kodeer data deur 'n sekere faseverskuiwing te produseer relatief tot die voorafgaande simbool. Deur die fase van die voorafgaande simbool op hierdie manier te gebruik, ontleed die demoduleringskringloop die fase van 'n simbool met behulp van 'n verwysing wat gemeenskaplik is vir die ontvanger en die sender.

Opsomming
* Binêre faseverskuiwing is 'n eenvoudige modulasieskema wat een bis per simbool kan oordra.

* Kwadratuurfasewisseling is meer ingewikkeld, maar verdubbel die datatempo (of bereik dieselfde datatempo met die helfte van die bandbreedte).

* Offset QPSK, π / 4-QPSK, en minimum skakeltoetsing is modulasieskemas wat die effekte van hoë-helling simbool-tot-simboolveranderings versag.

* Differensiële QPSK gebruik die faseverskil tussen aangrensende simbole om probleme wat verband hou met 'n gebrek aan fasesynchronisasie tussen die sender en ontvanger te vermy.

Los 'n boodskap 

boodskap Lys