Cyfrowa modulacja fazy jest wszechstronną i szeroko stosowaną metodą bezprzewodowego przesyłania danych cyfrowych.
Na poprzedniej stronie zobaczyliśmy, że możemy użyć dyskretnych zmian w amplitudzie lub częstotliwości nośnika jako sposobu reprezentowania jedynek i zer. Nie powinno być zaskoczeniem, że możemy również reprezentować dane cyfrowe przy użyciu fazy; ta technika jest nazywana kluczowaniem z przesunięciem fazy (PSK).
Kluczowanie z przesunięciem fazy binarnej
Najprostszy typ PSK jest nazywany kluczowaniem z przesunięciem fazy binarnej (BPSK), gdzie „binarny” odnosi się do użycia dwóch przesunięć fazowych (jedno dla logicznego stanu wysokiego, jedno dla logicznego stanu niskiego).
Możemy intuicyjnie rozpoznać, że system będzie bardziej odporny, jeśli jest większa separacja między tymi dwoma fazami – oczywiście odbiornikowi trudno byłoby odróżnić symbol z przesunięciem fazowym 90° od symbolu z przesunięciem fazowym 91°. Mamy tylko 360° fazy do pracy, więc maksymalna różnica między fazami logicznie wysoką i logicznie niską wynosi 180°. Wiemy jednak, że przesunięcie sinusoidy o 180° jest tym samym, co jej odwrócenie; możemy więc myśleć o BPSK jako o prostym odwróceniu nośnej w odpowiedzi na jeden stan logiczny i pozostawieniu jej w spokoju w odpowiedzi na drugi stan logiczny.
Aby pójść o krok dalej, wiemy, że pomnożenie sinusoidy przez minus jeden jest tym samym, co jej odwrócenie. Prowadzi to do możliwości zaimplementowania BPSK przy użyciu następującej podstawowej konfiguracji sprzętowej:
Jednakże schemat ten mógłby łatwo spowodować przejścia o dużym nachyleniu w przebiegu nośnej: jeśli przejście między stanami logicznymi następuje, gdy nośna ma wartość maksymalną, napięcie nośnej musi szybko przejść do napięcia minimalnego.
Zdarzenia o dużym nachyleniu, takie jak te, są niepożądane, ponieważ generują energię o wyższej częstotliwości, która może zakłócać inne sygnały RF. Ponadto, wzmacniacze mają ograniczoną zdolność do wytwarzania zmian napięcia wyjściowego o dużym nachyleniu.
Jeśli udoskonalimy powyższą implementację o dwie dodatkowe cechy, możemy zapewnić płynne przejścia między symbolami. Po pierwsze, musimy zapewnić, że okres bitu cyfrowego jest równy jednemu lub większej liczbie pełnych cykli nośnych. Po drugie, musimy zsynchronizować przejścia cyfrowe z przebiegiem fali nośnej. Dzięki tym ulepszeniom moglibyśmy zaprojektować system tak, aby zmiana fazy o 180° następowała, gdy sygnał nośny jest na (lub bardzo blisko) przejścia przez zero.
QPSK
BPSK przesyła jeden bit na symbol, czyli to, do czego jesteśmy przyzwyczajeni do tej pory. Wszystko, co omówiliśmy w odniesieniu do modulacji cyfrowej zakładało, że sygnał nośny jest modyfikowany zgodnie z tym, czy napięcie cyfrowe jest logicznie niskie lub logicznie wysokie, a odbiornik konstruuje dane cyfrowe poprzez interpretację każdego symbolu jako 0 lub 1.
Zanim omówimy kluczowanie z kwadraturowym przesunięciem fazowym (QPSK), musimy wprowadzić następującą ważną koncepcję: Nie ma powodu, dla którego jeden symbol może przenosić tylko jeden bit. To prawda, że świat elektroniki cyfrowej jest zbudowany wokół obwodów, w których napięcie jest na jednym lub drugim biegunie, tak, że napięcie zawsze reprezentuje jeden bit cyfrowy. Ale RF nie jest cyfrowa; raczej używamy analogowych przebiegów do przesyłania danych cyfrowych, i jest całkowicie dopuszczalne zaprojektowanie systemu, w którym analogowe przebiegi są kodowane i interpretowane w sposób, który pozwala jednemu symbolowi reprezentować dwa (lub więcej) bity.
QPSK jest schematem modulacji, który pozwala jednemu symbolowi przesyłać dwa bity danych. Istnieją cztery możliwe liczby dwubitowe (00, 01, 10, 11), a co za tym idzie potrzebujemy czterech przesunięć fazowych. Ponownie, chcemy maksymalną separację między opcjami fazowymi, która w tym przypadku wynosi 90°.
Zaletą jest większa szybkość transmisji danych: jeśli utrzymamy ten sam okres symbolu, możemy podwoić szybkość, z jaką dane są przenoszone z nadajnika do odbiornika. Wadą jest złożoność systemu. (Można by pomyśleć, że QPSK jest również znacznie bardziej podatny na błędy bitowe niż BPSK, ponieważ jest mniejsza separacja pomiędzy możliwymi wartościami fazy. Jest to rozsądne założenie, ale jeśli przejdziesz przez matematykę okazuje się, że prawdopodobieństwa błędów są w rzeczywistości bardzo podobne.)
Warianty
QPSK jest, ogólnie rzecz biorąc, skutecznym schematem modulacji. Ale może być ulepszony.
Skoki fazy
Standardowy QPSK gwarantuje, że wystąpią przejścia symbol-symbol o dużym nachyleniu; ponieważ skoki fazy mogą wynosić ±90°, nie możemy użyć podejścia opisanego dla skoków fazy 180° wytwarzanych przez modulację BPSK.
Ten problem może być złagodzony przez użycie jednego z dwóch wariantów QPSK. Offset QPSK, który obejmuje dodanie opóźnienia do jednego z dwóch cyfrowych strumieni danych używanych w procesie modulacji, zmniejsza maksymalny skok fazy do 90°. Inną opcją jest π/4-QPSK, która redukuje maksymalny skok fazy do 135°. Offset QPSK jest więc lepszy w odniesieniu do redukcji nieciągłości fazowych, ale π/4-QPSK jest korzystny, ponieważ jest zgodny z kodowaniem różnicowym (omówionym w następnym podrozdziale).
Innym sposobem radzenia sobie z nieciągłościami symbol-symbol jest zaimplementowanie dodatkowego przetwarzania sygnału, które tworzy gładsze przejścia między symbolami. To podejście jest włączone do schematu modulacji zwanego kluczowaniem z minimalnym przesunięciem (MSK), i istnieje również ulepszenie MSK znane jako Gaussian MSK.
Kodowanie różnicowe
Inną trudnością jest to, że demodulacja z przebiegami PSK jest trudniejsza niż z przebiegami FSK. Częstotliwość jest „absolutna” w tym sensie, że zmiany częstotliwości mogą być zawsze interpretowane przez analizę zmian sygnału w odniesieniu do czasu. Faza, jednakże, jest względna w tym sensie, że nie ma uniwersalnego odniesienia – nadajnik generuje zmiany fazy w odniesieniu do punktu w czasie, a odbiornik może interpretować zmiany fazy w odniesieniu do oddzielnego punktu w czasie.
Praktyczny przejaw tego jest następujący: Jeśli istnieją różnice między fazą (lub częstotliwością) oscylatorów używanych do modulacji i demodulacji, PSK staje się zawodne. I musimy założyć, że będą różnice faz (chyba że odbiornik zawiera carrier-recovery circuitry).
Differencyjny QPSK (DQPSK) jest wariantem, który jest zgodny z niekoherentnych odbiorników (tj. odbiorników, które nie synchronizują oscylator demodulacji z oscylatorem modulacji). Różnicowy QPSK koduje dane przez wytworzenie pewnego przesunięcia fazowego w stosunku do poprzedzającego symbolu. Używając fazy poprzedzającego symbolu w ten sposób, układ demodulacji analizuje fazę symbolu używając odniesienia, które jest wspólne dla odbiornika i nadajnika.
Podsumowanie
- Binarne kluczowanie z przesunięciem fazowym jest prostym schematem modulacji, który może przenosić jeden bit na symbol.
- Kwadraturowe kluczowanie z przesunięciem fazowym jest bardziej złożone, ale podwaja szybkość transmisji danych (lub osiąga tę samą szybkość transmisji danych przy połowie szerokości pasma).
- Offset QPSK, π/4-QPSK i kluczowanie z minimalnym przesunięciem są schematami modulacji, które łagodzą skutki zmian napięcia o dużym nachyleniu między symbolami.
- Differencyjne QPSK wykorzystuje różnicę faz między sąsiednimi symbolami, aby uniknąć problemów związanych z brakiem synchronizacji fazowej między nadajnikiem a odbiornikiem.
.