Digitaalinen vaihemodulaatio on monipuolinen ja laajalti käytetty menetelmä digitaalisen datan langattomaan siirtoon.
Edellisellä sivulla näimme, että voimme käyttää kantoaallon amplitudin tai taajuuden diskreettejä muutoksia ykkösten ja nollien esittämiseen. Ei liene yllätys, että voimme esittää digitaalista dataa myös vaiheen avulla; tätä tekniikkaa kutsutaan vaiheensiirtoavaukseksi (Phase Shift Keying, PSK).
Binary Phase Shift Keying
Yksinkertaisinta PSK-tyyppiä kutsutaan binääriseksi vaiheensiirtoavaukseksi (binary Phase Shift Keying, BPSK), jossa ”binäärisellä” viitataan kahden vaiheensiirron käyttämiseen (yksi loogisesti korkealle ja yksi loogisesti matalalle).
Voidaan intuitiivisesti tunnistaa, että järjestelmä on kestävämpi, jos näiden kahden vaiheen välillä on suurempi ero – tietysti vastaanottimen olisi vaikea erottaa symbolia, jonka vaiheoffset on 90° ja symbolia, jonka vaiheoffset on 91°. Käytettävissämme on vain 360° vaihetta, joten loogisesti korkean ja loogisesti matalan vaiheen välinen ero voi olla enintään 180°. Tiedämme kuitenkin, että sinisoidin siirtäminen 180°:lla on sama kuin sen kääntäminen; voimme siis ajatella BPSK:n yksinkertaisesti kääntävän kantoaallon vasteena yhteen logiikkatilaan ja jättävän sen rauhaan vasteena toiseen logiikkatilaan.
Vieksyäksemme tämän vielä pidemmälle, tiedämme, että sinisoidin kertominen negatiivisella ykkösen luvulla on sama kuin sen kääntäminen. Tämä johtaa mahdollisuuteen toteuttaa BPSK seuraavalla laitteiston peruskonfiguraatiolla:
Tämä järjestelmä voi kuitenkin helposti johtaa kantoaaltomuodon siirtymiin suurella kaltevuudella: jos siirtyminen logiikkatilojen välillä tapahtuu kantoaallon ollessa maksimiarvossaan, kantoaaltojännitteen on siirryttävä nopeasti minimijännitteeseen.
Tällaiset suuren kaltevuuden tapahtumat eivät ole toivottavia, koska ne tuottavat korkeataajuista energiaa, joka voi häiritä muita RF-signaaleja. Lisäksi vahvistimilla on rajallinen kyky tuottaa suuren kaltevuuden muutoksia lähtöjännitteessä.
Jos tarkennamme edellä mainittua toteutusta kahdella lisäominaisuudella, voimme varmistaa pehmeät siirtymät symbolien välillä. Ensinnäkin meidän on varmistettava, että digitaalinen bittijakso on yhtä suuri kuin yksi tai useampi kokonainen kantoaaltojakso. Toiseksi meidän on synkronoitava digitaaliset siirtymät kantoaaltomuodon kanssa. Näillä parannuksilla voisimme suunnitella järjestelmän siten, että 180°:n vaiheenmuutos tapahtuu, kun kantoaaltosignaali on nollakohdassa (tai hyvin lähellä sitä).
QPSK
BPSK siirtää yhden bitin per symboli, mihin olemme tähän asti tottuneet. Kaikessa, mitä olemme käsitelleet digitaalisesta modulaatiosta, on oletettu, että kantoaaltosignaalia muutetaan sen mukaan, onko digitaalinen jännite loogisesti matala vai loogisesti korkea, ja vastaanotin rakentaa digitaalista dataa tulkitsemalla jokaisen symbolin joko 0:ksi tai 1:ksi.
Ennen kuin keskustelemme kvadratuurivaiheensiirtoavaintaulusta (QPSK), meidän on esiteltävä seuraava tärkeä käsite: Ei ole mitään syytä, miksi yksi symboli voi siirtää vain yhden bitin. On totta, että digitaalielektroniikan maailma on rakennettu sellaisten piirien ympärille, joissa jännite on jommassakummassa ääripäässä siten, että jännite edustaa aina yhtä digitaalista bittiä. RF ei kuitenkaan ole digitaalista, vaan käytämme analogisia aaltomuotoja digitaalisen datan siirtämiseen, ja on täysin hyväksyttävää suunnitella järjestelmä, jossa analogiset aaltomuodot koodataan ja tulkitaan siten, että yksi symboli voi edustaa kahta (tai useampaa) bittiä.
QPSK on modulaatiojärjestelmä, jonka avulla yksi symboli voi välittää kaksi databittiä. Mahdollisia kahden bitin lukuja on neljä (00, 01, 10, 11), ja näin ollen tarvitsemme neljä vaiheoffsetia. Jälleen kerran haluamme maksimaalisen eron vaihevaihtoehtojen välille, joka tässä tapauksessa on 90°.
Etuna on suurempi datanopeus: jos säilytämme saman symbolijakson, voimme kaksinkertaistaa nopeuden, jolla data siirtyy lähettimestä vastaanottimeen. Huonona puolena on järjestelmän monimutkaisuus. (Voisi ajatella, että QPSK on myös huomattavasti alttiimpi bittivirheille kuin BPSK, koska mahdollisten vaihearvojen välinen ero on pienempi. Tämä on järkevä oletus, mutta jos käydään läpi matematiikka, käy ilmi, että virhetodennäköisyydet ovat itse asiassa hyvin samanlaiset.)
Variaatiot
QPSK on kaiken kaikkiaan tehokas modulaatiojärjestelmä. Mutta sitä voidaan parantaa.
Vaihehyppyjä
Standardi QPSK takaa, että symbolista symboliin tapahtuvat suuren kaltevuuden siirtymät; koska vaihehyppyjä voi olla ±90°, emme voi käyttää lähestymistapaa, joka on kuvattu BPSK-modulaation tuottamille 180°:n vaihehyppyjä varten.
Tätä ongelmaa voidaan lieventää käyttämällä jompaakumpaa kahdesta QPSK:n muunnoksesta. Offset QPSK, jossa toiseen modulaatioprosessissa käytettävistä kahdesta digitaalisesta tietovirrasta lisätään viive, pienentää maksimivaihehypyn 90°:een. Toinen vaihtoehto on π/4-QPSK, joka pienentää maksimivaihehypyn 135°:een. Offset-QPSK on siis ylivoimainen vaiheen epäjatkuvuuden vähentämisessä, mutta π/4-QPSK on edullinen, koska se on yhteensopiva differentiaalisen koodauksen kanssa (jota käsitellään seuraavassa alaluvussa).
Toinen tapa käsitellä symbolista toiseen esiintyviä epäjatkuvuuseroja on toteuttaa lisäsignaalinkäsittelyä, joka luo symbolien välisiä tasaisempia siirtymiä. Tämä lähestymistapa on sisällytetty modulaatiojärjestelmään nimeltä MSK (Minimum Shift Keying), ja MSK:sta on olemassa myös parannus, joka tunnetaan nimellä Gaussin MSK.
Differentiaalinen koodaus
Muuten vaikeutena on se, että demodulointi PSK-aaltomuodoilla on vaikeampaa kuin FSK-aaltomuodoilla. Taajuus on ”absoluuttinen” siinä mielessä, että taajuuden muutokset voidaan aina tulkita analysoimalla signaalin muutoksia ajan suhteen. Vaihe on kuitenkin suhteellinen siinä mielessä, että sillä ei ole yleispätevää vertailukohtaa – lähetin tuottaa vaihevaihtelut suhteessa tiettyyn ajanhetkeen, ja vastaanotin saattaa tulkita vaihevaihtelut suhteessa erilliseen ajanhetkeen.
Tämän käytännön ilmentymä on seuraava: Jos modulaatioon ja demodulaatioon käytettävien oskillaattoreiden vaiheiden (tai taajuuksien) välillä on eroja, PSK:sta tulee epäluotettava. Ja meidän on oletettava, että vaihe-eroja on (ellei vastaanottimessa ole kantoaallon palautuspiiriä).
Differentiaalinen QPSK (DQPSK) on muunnos, joka on yhteensopiva ei-koherenttien vastaanottimien kanssa (eli vastaanottimien, jotka eivät synkronoi demodulaatio-oskillaattoria modulaatio-oskillaattorin kanssa). Differentiaalinen QPSK koodaa dataa tuottamalla tietyn vaiheensiirron edelliseen symboliin nähden. Käyttämällä edeltävän symbolin vaihetta tällä tavoin demodulaatiopiiri analysoi symbolin vaiheen käyttäen referenssiä, joka on yhteinen vastaanottimelle ja lähettimelle.