Digitális fázismoduláció: BPSK, QPSK, DQPSK

Rádiófrekvencia-moduláció
A digitális fázismoduláció sokoldalú és széles körben alkalmazott módszer a digitális adatok vezeték nélküli továbbítására.

Az előző oldalon láttuk, hogy a hordozó amplitúdójának vagy frekvenciájának diszkrét variációit használhatjuk az egyek és a nullák ábrázolására. Nem meglepő, hogy a digitális adatokat fázis segítségével is ábrázolhatjuk; ezt a technikát fáziseltolásos kulcsolásnak (PSK) nevezzük.

Bináris fáziseltolásos billentyű
A legegyértelműbb típusú PSK-t úgy hívják, hogy bináris fáziseltolódási kulcsot (BPSK) alkalmaznak, ahol a „bináris” két fáziseltolódás használatát jelenti (az egyik a logikához magas, a másik a logikai alacsonyhoz).

Intuitív módon felismerhetjük, hogy a rendszer robusztusabb lesz, ha nagyobb a két fázis közötti különbség - természetesen a vevőknek nehéz különbséget tenni a 90 ° fáziseltolással és a fáziseltolással rendelkező szimbólum között. 91 °. 

Csak 360 ° fázissal kell dolgozni, tehát a logika-magas és a logikai-alacsony fázisok közötti maximális különbség 180 °. De tudjuk, hogy a sinusoid 180 ° -kal történő eltolása ugyanaz, mint a fordítása; így azt gondolhatjuk, hogy a BPSK egyszerűen a vivő inverziója az egyik logikai állapotra válaszul, és egyedül hagyása a másik logikai állapotra adott válaszként.

Ha ezt egy lépéssel tovább megyünk, tudjuk, hogy a szinuszos szorzó negatívával való szorzata ugyanaz, mint az invertálása. Ez ahhoz vezet, hogy a BPSK a következő alapvető hardverkonfigurációval valósítható meg:

Ez a séma azonban könnyen elősegítheti a hordozó hullámformájának nagy lejtőjű átmeneteit: ha a logikai állapotok közötti átmenet akkor történik, amikor a vivő maximális értéke van, a vivőfeszültségnek gyorsan meg kell mozognia a minimális feszültségre.




Az ilyen nagy lejtésű események nemkívánatosak, mivel magasabb frekvenciájú energiát generálnak, amely zavarhatja más RF jeleket. Ezenkívül az erősítők korlátozott képességgel bírnak a kimeneti feszültség nagy lejtőn történő megváltoztatására.

Ha a fenti megvalósítást két kiegészítő funkcióval finomítjuk, biztosíthatjuk a szimbólumok közötti zökkenőmentes átmenetet. Először azt kell biztosítanunk, hogy a digitális bit periódus megegyezzen egy vagy több teljes vivő ciklussal. 

Másodszor, a digitális átmeneteket a vivőhullámmal kell szinkronizálni. Ezekkel a fejlesztésekkel úgy alakíthatjuk ki a rendszert, hogy a 180 ° -os fázisváltás akkor történjen meg, amikor a vivőjel a nulla-kereszteződésnél (vagy nagyon közel) van.

 

QPSK
A BPSK szimbólumonként egy bitet továbbít, amire eddig hozzászoktunk. Minden, amit a digitális modulációval kapcsolatban megvitattunk, azt feltételezte, hogy a vivőjel módosul attól függően, hogy a digitális feszültség logikai alacsony vagy logikai magas -, és a vevő digitális adatokat épít úgy, hogy az egyes szimbólumokat 0-nak vagy 1-nek értelmezi.

Mielőtt megvitatnánk a kvadraturális fáziseltolásos kulcsot (QPSK), be kell vezetnünk a következő fontos fogalmat: Nincs ok, hogy miért egy szimbólum csak egy bitet továbbíthat. Igaz, hogy a digitális elektronika világa olyan áramkör körül épül, amelyben a feszültség egyik vagy másik szélén van, úgy, hogy a feszültség mindig egy digitális bitet képvisel. 

De az RF nem digitális; inkább analóg hullámformákat használunk a digitális adatok átvitelére, és teljesen elfogadható egy olyan rendszer megtervezése, amelyben az analóg hullámformákat kódoljuk és értelmezzük oly módon, hogy az egyik szimbólum két (vagy több) bitet képviselhessen.

A QPSK egy modulációs séma, amely lehetővé teszi, hogy egy szimbólum két bit adatot továbbítson. Négy lehetséges kétbites szám van (00, 01, 10, 11), következésképpen négy fáziseltolásra van szükségünk. Ismét azt szeretnénk, hogy a fázistól a lehető legjobban el lehessen választani a különbséget, amely ebben az esetben 90 °.

Az előnye a nagyobb adatátviteli sebesség: ha ugyanazt a szimbólum-periódust fenntartjuk, megduplázhatjuk az adatátviteli sebességet az adóról a vevőre. A hátránya a rendszer bonyolultsága. (Azt gondolhatja, hogy a QPSK szintén lényegesen érzékenyebb bithibákra, mint a BPSK, mivel kevésbé van elválasztva a lehetséges fázisértékek. Ez egy ésszerű feltételezés, de ha áthaladunk a matematikán, kiderül, hogy a hiba valószínűsége valójában nagyon hasonló.)

Változatok
A QPSK általánosságban hatékony modulációs séma. De javítható.

Fázisugrás
A normál QPSK garantálja, hogy nagy lejtésű szimbólumok közötti szimbólumok közötti átmenetek történjenek; Mivel a fázisugrás ± 90 ° lehet, nem használhatjuk a BPSK moduláció által előidézett 180 ° fázisugráshoz alkalmazott megközelítést.

Ezt a problémát a QPSK két változatának egyikével lehet enyhíteni. Az Offset QPSK, amely magában foglalja a modulációs folyamatban használt két digitális adatfolyam egyikének késleltetését, csökkenti a maximális fázisugrást 90 ° -ra. Egy másik lehetőség a π / 4-QPSK, amely csökkenti a maximális fázisugrást 135 ° -ra. Az Offset QPSK tehát jobb, mint a fázis-folytonosság csökkentése, de a π / 4-QPSK azért előnyös, mert kompatibilis a differenciál kódolással (a következő alszakaszban tárgyaljuk).

A szimbólumok közötti szimbólumok közötti folytonosságok kezelésének másik módja egy kiegészítő jelfeldolgozás végrehajtása, amely simább átmenetet teremt a szimbólumok között. Ezt a megközelítést beépítették a minimum shift keying (MSK) elnevezésű modulációs rendszerbe, és javulást mutat az MSK, Gaussian MSK néven ismert.

Diferenciális kódolás
Egy másik nehézség, hogy a demoduláció a PSK hullámformákkal nehezebb, mint az FSK hullámformák esetében. 

A frekvencia „abszolút” abban az értelemben, hogy a frekvenciaváltozások mindig értelmezhetők a jelváltozások időbeli elemzésével. A fázis viszont abban az értelemben relatív, hogy nincs univerzális referenciája - az adó fázisváltozásokat generál egy adott időpontra vonatkoztatva, és a vevő a fázisváltozásokat külön időpontra vonatkoztatva értelmezheti.

Ennek gyakorlati megnyilvánulása a következő: Ha különbségek vannak a modulációhoz és a demodulációhoz használt oszcillátorok fázisa (vagy frekvenciája) között, a PSK megbízhatatlanná válik. És azt kell feltételezni, hogy fázisbeli különbségek vannak (kivéve, ha a vevő tartalmaz hordozó-visszanyerő áramkört).

A Differential QPSK (DQPSK) egy olyan változat, amely kompatibilis a nem koherens vevőkkel (azaz olyan vevőkkel, amelyek nem szinkronizálják a demodulációs oszcillátort a modulációs oszcillátorral). 

A differenciál QPSK kódolja az adatokat egy bizonyos fáziseltolódás előállításával az előző szimbólumhoz képest. Az előző szimbólum fázisának ilyen módon történő felhasználásával a demodulációs áramkör egy szimbólum fázisát elemzi egy referencia segítségével, amely közös a vevő és az adó számára.

Összegzésként
* A bináris fáziseltolásos kulcsok egy egyszerű modulációs séma, amely szimbólumonként egy bitet képes átvinni.

* A kvadraturális fáziseltolásos kulccsal bonyolultabb, de megduplázódik az adatsebesség (vagy ugyanazt az adatsebességet érheti el a sávszélesség felével).

* Az offset QPSK, π / 4-QPSK és a minimális eltolásbillentyűk olyan modulációs sémák, amelyek enyhítik a nagy lejtésű szimbólum-szimbólum feszültségváltozások hatásait.

* A differenciál QPSK a szomszédos szimbólumok közötti fáziskülönbséget használja az adó és a vevő közötti fázisszinkronizáció hiányával kapcsolatos problémák elkerülése érdekében.

Hagyjon üzenetet 

Üzenetlista