La modulation de phase numérique est une méthode polyvalente et largement utilisée pour transférer sans fil des données numériques.
Dans la page précédente, nous avons vu que nous pouvons utiliser des variations discrètes de l’amplitude ou de la fréquence d’une porteuse comme moyen de représenter des uns et des zéros. Il ne devrait pas être surprenant que nous puissions également représenter des données numériques en utilisant la phase ; cette technique est appelée modulation par déplacement de phase (PSK).
Modulation par déplacement de phase binaire
Le type le plus simple de PSK est appelé modulation par déplacement de phase binaire (BPSK), où « binaire » fait référence à l’utilisation de deux décalages de phase (un pour le haut logique, un pour le bas logique).
Nous pouvons intuitivement reconnaître que le système sera plus robuste s’il y a une plus grande séparation entre ces deux phases – bien sûr, il serait difficile pour un récepteur de distinguer un symbole avec un décalage de phase de 90° et un symbole avec un décalage de phase de 91°. Nous ne disposons que de 360° de phase pour travailler, la différence maximale entre les phases logique haute et logique basse est donc de 180°. Mais nous savons que décaler une sinusoïde de 180° revient à l’inverser ; ainsi, nous pouvons considérer que la MDPB consiste simplement à inverser la porteuse en réponse à un état logique et à la laisser seule en réponse à l’autre état logique.
Pour aller plus loin, nous savons que multiplier une sinusoïde par un négatif revient à l’inverser. Cela conduit à la possibilité de mettre en œuvre la MDPB en utilisant la configuration matérielle de base suivante :
Cependant, ce schéma pourrait facilement entraîner des transitions à forte pente dans la forme d’onde de la porteuse : si la transition entre les états logiques se produit lorsque la porteuse est à sa valeur maximale, la tension de la porteuse doit rapidement passer à la tension minimale.
Des événements à forte pente tels que ceux-ci sont indésirables car ils génèrent une énergie de plus haute fréquence qui pourrait interférer avec d’autres signaux RF. De plus, les amplificateurs ont une capacité limitée à produire des changements à forte pente dans la tension de sortie.
Si nous affinons l’implémentation ci-dessus avec deux caractéristiques supplémentaires, nous pouvons assurer des transitions douces entre les symboles. Premièrement, nous devons nous assurer que la période du bit numérique est égale à un ou plusieurs cycles complets de la porteuse. Deuxièmement, nous devons synchroniser les transitions numériques avec la forme d’onde de la porteuse. Avec ces améliorations, nous pourrions concevoir le système de telle sorte que le changement de phase de 180° se produise lorsque le signal de la porteuse est au passage par zéro (ou très près de celui-ci).
QPSK
BPSK transfère un bit par symbole, ce à quoi nous sommes habitués jusqu’à présent. Tout ce que nous avons abordé en ce qui concerne la modulation numérique a supposé que le signal porteur est modifié selon qu’une tension numérique est logique basse ou logique haute, et que le récepteur construit les données numériques en interprétant chaque symbole comme un 0 ou un 1.
Avant d’aborder la modulation par déplacement de phase en quadrature (QPSK), nous devons introduire le concept important suivant : Il n’y a aucune raison pour qu’un symbole ne puisse transférer qu’un seul bit. Il est vrai que le monde de l’électronique numérique est construit autour de circuits dans lesquels la tension est à un extrême ou à l’autre, de sorte que la tension représente toujours un bit numérique. Mais la RF n’est pas numérique ; nous utilisons plutôt des formes d’onde analogiques pour transférer des données numériques, et il est parfaitement acceptable de concevoir un système dans lequel les formes d’onde analogiques sont codées et interprétées d’une manière qui permet à un symbole de représenter deux bits (ou plus).
La MDPQ est un schéma de modulation qui permet à un symbole de transférer deux bits de données. Il y a quatre nombres de deux bits possibles (00, 01, 10, 11), et par conséquent nous avons besoin de quatre décalages de phase. Encore une fois, nous voulons une séparation maximale entre les options de phase, qui dans ce cas est de 90°.
L’avantage est un débit de données plus élevé : si nous maintenons la même période de symbole, nous pouvons doubler la vitesse à laquelle les données sont déplacées de l’émetteur au récepteur. L’inconvénient est la complexité du système. (Vous pourriez penser que la MDPQ est également beaucoup plus sensible aux erreurs de bits que la MDPB, puisqu’il y a moins de séparation entre les valeurs de phase possibles. C’est une hypothèse raisonnable, mais si vous faites des calculs, il s’avère que les probabilités d’erreur sont en fait très similaires.)
Variantes
La MDPQ est, globalement, un schéma de modulation efficace. Mais il peut être amélioré.
Sauts de phase
La MDPQ standard garantit que des transitions symbole à symbole à pente élevée se produiront ; comme les sauts de phase peuvent être de ±90°, nous ne pouvons pas utiliser l’approche décrite pour les sauts de phase de 180° produits par la modulation BPSK.
Ce problème peut être atténué en utilisant l’une des deux variantes de la MDPQ. La MDPQ décalée, qui consiste à ajouter un retard à l’un des deux flux de données numériques utilisés dans le processus de modulation, réduit le saut de phase maximal à 90°. Une autre option est la π/4-QPSK, qui réduit le saut de phase maximal à 135°. La MDPQ décalée est donc supérieure en ce qui concerne la réduction des discontinuités de phase, mais la MDPQ π/4 est avantageuse car elle est compatible avec le codage différentiel (abordé dans la sous-section suivante).
Une autre façon de traiter les discontinuités de symbole à symbole consiste à mettre en œuvre un traitement de signal supplémentaire qui crée des transitions plus lisses entre les symboles. Cette approche est intégrée dans un schéma de modulation appelé minimum shift keying (MSK), et il existe également une amélioration du MSK connue sous le nom de Gaussian MSK.
Codage différentiel
Une autre difficulté est que la démodulation avec des formes d’onde PSK est plus difficile qu’avec des formes d’onde FSK. La fréquence est « absolue » dans le sens où les changements de fréquence peuvent toujours être interprétés en analysant les variations du signal par rapport au temps. La phase, cependant, est relative dans le sens où elle n’a pas de référence universelle – l’émetteur génère les variations de phase par rapport à un point dans le temps, et le récepteur pourrait interpréter les variations de phase par rapport à un point distinct dans le temps.
La manifestation pratique de ceci est la suivante : S’il existe des différences entre la phase (ou la fréquence) des oscillateurs utilisés pour la modulation et la démodulation, la MDP devient peu fiable. Et nous devons supposer qu’il y aura des différences de phase (à moins que le récepteur n’intègre un circuit de récupération de la porteuse).
La MDPQ différentielle (MDPQD) est une variante compatible avec les récepteurs non cohérents (c’est-à-dire les récepteurs qui ne synchronisent pas l’oscillateur de démodulation avec l’oscillateur de modulation). La MDPQ différentielle code les données en produisant un certain déphasage par rapport au symbole précédent. En utilisant ainsi la phase du symbole précédent, le circuit de démodulation analyse la phase d’un symbole en utilisant une référence commune au récepteur et à l’émetteur.
Résumé
- La modulation par déplacement de phase binaire est un schéma de modulation simple qui peut transférer un bit par symbole.
- La modulation par déplacement de phase en quadrature est plus complexe mais double le débit de données (ou atteint le même débit de données avec la moitié de la bande passante).
- La MDPQ décalée, la MDPQ π/4 et la modulation par déplacement minimal sont des schémas de modulation qui atténuent les effets des changements de tension de symbole à symbole à forte pente.
- La MDPQ différentielle utilise la différence de phase entre les symboles adjacents pour éviter les problèmes liés à un manque de synchronisation de phase entre l’émetteur et le récepteur.