A digitális fázismoduláció a digitális adatok vezeték nélküli átvitelének sokoldalú és széles körben használt módszere.
Az előző oldalon láttuk, hogy a vivő amplitúdójának vagy frekvenciájának diszkrét változásait használhatjuk az egyesek és nullák megjelenítésére. Nem meglepő, hogy a digitális adatokat a fázis segítségével is ábrázolhatjuk; ezt a technikát fáziseltolásos billentyűzésnek (PSK) nevezik.
Bináris fáziseltolásos billentyűzés
A PSK legegyszerűbb típusát bináris fáziseltolásos billentyűzésnek (BPSK) nevezik, ahol a “bináris” két fáziseltolás használatára utal (egy a logikai magas, egy a logikai alacsony értékre).
Intuitív módon felismerhetjük, hogy a rendszer robusztusabb lesz, ha e két fázis között nagyobb a különbség – természetesen egy vevő számára nehéz lenne megkülönböztetni egy 90°-os fáziseltolású és egy 91°-os fáziseltolású szimbólumot. Csak 360° fázis áll rendelkezésünkre, így a logikai magas és a logikai alacsony fázisok közötti maximális különbség 180°. De tudjuk, hogy egy szinuszoid 180°-kal való eltolása ugyanaz, mint az invertálása; így a BPSK-ra úgy is gondolhatunk, hogy egyszerűen invertálja a vivőt az egyik logikai állapotra válaszul, és békén hagyja a másik logikai állapotra válaszul.
Egy lépéssel továbbmegyünk, tudjuk, hogy egy szinuszoid negatív eggyel való szorzása ugyanaz, mint az invertálása. Ebből adódik a BPSK megvalósításának lehetősége a következő hardveres alapkonfigurációval:
Ez a séma azonban könnyen nagy meredekségű átmeneteket eredményezhet a vivő hullámformában: ha a logikai állapotok közötti átmenet akkor történik, amikor a vivő maximális értéken van, a vivőfeszültségnek gyorsan a minimális feszültségre kell mennie.
Az ilyen nagy meredekségű események nem kívánatosak, mert magasabb frekvenciájú energiát generálnak, amely más RF-jeleket zavarhat. Emellett az erősítők korlátozottan képesek a kimeneti feszültség nagy meredekségű változásainak előállítására.
Ha a fenti megvalósítást két további tulajdonsággal finomítjuk, biztosíthatjuk a szimbólumok közötti sima átmeneteket. Először is biztosítanunk kell, hogy a digitális bitperiódus egy vagy több teljes vivőciklusnak feleljen meg. Másodszor, szinkronizálnunk kell a digitális átmeneteket a vivő hullámformával. Ezekkel a fejlesztésekkel úgy tervezhetjük meg a rendszert, hogy a 180°-os fázisváltás akkor következzen be, amikor a vivőjel a zérusátmenetnél (vagy nagyon közel ahhoz) van.
QPSK
BPSK szimbólumonként egy bitet továbbít, amihez eddig hozzászoktunk. Minden, amit a digitális modulációval kapcsolatban eddig tárgyaltunk, azt feltételezte, hogy a vivőjel aszerint módosul, hogy egy digitális feszültség logikai alacsony vagy logikai magas, és a vevő úgy építi fel a digitális adatokat, hogy minden szimbólumot 0-ként vagy 1-ként értelmez.
Mielőtt a kvadraturális fáziseltolású billentyűzést (QPSK) tárgyalnánk, be kell vezetnünk a következő fontos fogalmat: Nincs oka annak, hogy egy szimbólum csak egy bitet tudjon átvinni. Igaz, hogy a digitális elektronika világa olyan áramkörökre épül, amelyekben a feszültség az egyik vagy a másik végletben van, úgy, hogy a feszültség mindig egy digitális bitet képvisel. De az RF nem digitális; inkább analóg hullámformákat használunk digitális adatok továbbítására, és teljesen elfogadható olyan rendszer tervezése, amelyben az analóg hullámformákat úgy kódoljuk és értelmezzük, hogy egy szimbólum két (vagy több) bitet képviseljen.
A QPSK egy olyan modulációs séma, amely lehetővé teszi, hogy egy szimbólum két bit adatot továbbítson. Négy lehetséges kétbites szám van (00, 01, 10, 11), és ennek megfelelően négy fáziseltolásra van szükségünk. Ismét a fázisopciók közötti maximális távolságot akarjuk, ami ebben az esetben 90°.
Az előnye a nagyobb adatátviteli sebesség: ha ugyanazt a szimbólumperiódust megtartjuk, megduplázhatjuk az adatátviteli sebességet az adótól a vevőig. A hátránya a rendszer bonyolultsága. (Azt gondolhatnánk, hogy a QPSK a bithibákra is lényegesen érzékenyebb, mint a BPSK, mivel a lehetséges fázisértékek között kisebb az elválasztás. Ez egy ésszerű feltételezés, de ha végigmegyünk a matematikán, kiderül, hogy a hibavalószínűségek valójában nagyon hasonlóak.)
Variánsok
A QPSK összességében hatékony modulációs séma. De javítható.
Fázisugrások
A szabványos QPSK garantálja, hogy nagy meredekségű szimbólum-jel átmenetek történnek; mivel a fázisugrások ±90°-osak lehetnek, nem használhatjuk a BPSK moduláció által létrehozott 180°-os fázisugrásoknál leírt megközelítést.
Ez a probléma enyhíthető a két QPSK-változat egyikének használatával. Az offset QPSK, amely a modulációs folyamatban használt két digitális adatfolyam egyikéhez késleltetést ad, a maximális fázisugrást 90°-ra csökkenti. Egy másik lehetőség a π/4-QPSK, amely a maximális fázisugrást 135°-ra csökkenti. Az offset QPSK tehát jobb a fázisdiszkontinuitások csökkentése szempontjából, de a π/4-QPSK azért előnyös, mert kompatibilis a differenciális kódolással (amelyet a következő alfejezetben tárgyalunk).
A szimbólumról szimbólumra történő diszkontinuitások kezelésének másik módja a szimbólumok közötti simább átmeneteket létrehozó kiegészítő jelfeldolgozás megvalósítása. Ez a megközelítés beépül a minimum shift keying (MSK) nevű modulációs sémába, és létezik az MSK-nak egy továbbfejlesztett változata is, a Gauss MSK.
Differenciális kódolás
Egy másik nehézség, hogy a PSK hullámformák demodulációja nehezebb, mint az FSK hullámformáké. A frekvencia “abszolút” abban az értelemben, hogy a frekvenciaváltozások mindig értelmezhetők a jel időbeli változásainak elemzésével. A fázis azonban relatív abban az értelemben, hogy nincs univerzális referenciája – az adó a fázisváltozásokat egy időpontra vonatkoztatva generálja, és a vevő a fázisváltozásokat egy másik időpontra vonatkoztatva értelmezheti.
Ennek gyakorlati megnyilvánulása a következő: Ha a modulációhoz és a demodulációhoz használt oszcillátorok fázisa (vagy frekvenciája) között különbségek vannak, a PSK megbízhatatlanná válik. És feltételeznünk kell, hogy fáziskülönbségek lesznek (hacsak a vevő nem tartalmaz vivő-visszaállító áramkört).
A differenciális QPSK (DQPSK) egy olyan változat, amely kompatibilis a nem koherens vevőkkel (azaz olyan vevőkkel, amelyek nem szinkronizálják a demodulációs oszcillátort a modulációs oszcillátorral). A differenciális QPSK úgy kódolja az adatokat, hogy az előző szimbólumhoz képest bizonyos fáziseltolódást hoz létre. Az előző szimbólum fázisának ilyen módon történő felhasználásával a demodulációs áramkör egy olyan referencia segítségével elemzi a szimbólum fázisát, amely közös a vevő és az adó számára.
Összefoglaló
- A bináris fáziseltolású kulcsolás egy egyszerű modulációs séma, amely szimbólumonként egy bit átvitelére képes.
- A kvadratúra fáziseltolású kulcsolás bonyolultabb, de megduplázza az adatátviteli sebességet (vagy feleakkora sávszélességgel éri el ugyanazt az adatátviteli sebességet).
- Az offset QPSK, a π/4-QPSK és a minimum shift keying olyan modulációs sémák, amelyek enyhítik a nagy meredekségű szimbólum-szimbólum feszültségváltozások hatásait.
- A differenciális QPSK a szomszédos szimbólumok közötti fáziskülönbséget használja, hogy elkerülje az adó és a vevő közötti fázisszinkronizáció hiányából eredő problémákat.