Modulação de fase digital é um método versátil e amplamente utilizado para transferir dados digitais sem fio.
Na página anterior, vimos que podemos usar variações discretas na amplitude ou frequência de uma portadora como forma de representar uns e zeros. Não deve ser surpresa que também possamos representar dados digitais usando fase; esta técnica é chamada de phase shift keying (PSK).
Binary Phase Shift Keying
O tipo mais simples de PSK é chamado de phase shift binário (BPSK), onde “binário” refere-se ao uso de dois offsets de fase (um para a lógica alta, outro para a lógica baixa).
Nós podemos intuitivamente reconhecer que o sistema será mais robusto se houver uma maior separação entre essas duas fases – claro que seria difícil para um receptor distinguir entre um símbolo com um deslocamento de fase de 90° e um símbolo com um deslocamento de fase de 91°. Temos apenas 360° de fase para trabalhar, portanto a diferença máxima entre as fases lógica alta e lógica baixa é de 180°. Mas sabemos que deslocar uma sinusoidal por 180° é o mesmo que invertê-la; assim, podemos pensar no BPSK como simplesmente inverter a portadora em resposta a um estado lógico e deixá-la sozinha em resposta ao outro estado lógico.
Para levar isto um passo adiante, sabemos que multiplicar uma sinusoidal por uma negativa é o mesmo que invertê-la. Isto leva à possibilidade de implementar o BPSK usando a seguinte configuração básica de hardware:
No entanto, este esquema pode facilmente resultar em transições de alta inclinação na forma de onda portadora: se a transição entre estados lógicos ocorre quando a portadora está no seu valor máximo, a tensão portadora tem que se mover rapidamente para a tensão mínima.
Eventos de alta inclinação como estes são indesejáveis porque geram energia de maior frequência que poderia interferir com outros sinais de RF. Além disso, os amplificadores têm capacidade limitada de produzir alterações de alta inclinação na tensão de saída.
Se refinamos a implementação acima com duas características adicionais, podemos assegurar transições suaves entre os símbolos. Primeiro, precisamos garantir que o período de bit digital seja igual a um ou mais ciclos completos de portadora. Em segundo lugar, precisamos sincronizar as transições digitais com a forma de onda portadora. Com estas melhorias, podemos projetar o sistema de tal forma que a mudança de fase de 180° ocorra quando o sinal portador está no (ou muito próximo do) zero-crossing.
QPSK
BPSK transfere um bit por símbolo, que é o que estamos acostumados até agora. Tudo o que discutimos em relação à modulação digital assumiu que o sinal portador é modificado de acordo com se uma tensão digital é lógica baixa ou lógica alta, e o receptor constrói os dados digitais interpretando cada símbolo como um 0 ou 1,
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Bem, antes de discutirmos a chaveamento de deslocamento de fase em quadratura (QPSK), precisamos introduzir o seguinte conceito importante: Não há razão para que um símbolo possa transferir apenas um bit. É verdade que o mundo da eletrônica digital é construído em torno de circuitos em que a tensão está em um extremo ou no outro, de tal forma que a tensão sempre representa um bit digital. Mas a RF não é digital; ao contrário, estamos usando formas de onda analógicas para transferir dados digitais, e é perfeitamente aceitável projetar um sistema no qual as formas de onda analógicas são codificadas e interpretadas de uma forma que permita que um símbolo represente dois (ou mais) bits.
QPSK é um esquema de modulação que permite que um símbolo transfira dois bits de dados. Existem quatro possíveis números de dois bits (00, 01, 10, 11), e consequentemente precisamos de quatro offsets de fase. Novamente, queremos uma separação máxima entre as opções de fase, que neste caso é 90°.
A vantagem é que a taxa de dados é maior: se mantivermos o mesmo período de símbolo, podemos dobrar a taxa na qual os dados são movidos do transmissor para o receptor. O lado negativo é a complexidade do sistema. (Você pode pensar que o QPSK também é significativamente mais susceptível a erros de bit do que o BPSK, uma vez que há menos separação entre os valores de fase possíveis. Esta é uma suposição razoável, mas se você passar pela matemática, verifica-se que as probabilidades de erro são realmente muito semelhantes.)
Variantes
QPSK é, em geral, um esquema de modulação eficaz. Mas pode ser melhorado.
Pulsos de fase
O QPSK padrão garante que transições de alta inclinação de símbolo para símbolo ocorrerão; como os saltos de fase podem ser ±90°, não podemos usar a abordagem descrita para os saltos de fase de 180° produzidos pela modulação BPSK.
Este problema pode ser mitigado usando uma das duas variantes do QPSK. O QPSK de compensação, que envolve adicionar um atraso a um dos dois fluxos de dados digitais usados no processo de modulação, reduz o salto de fase máximo para 90°. Outra opção é π/4-QPSK, que reduz o salto de fase máximo para 135°. O QPSK é assim superior em relação à redução de descontinuidades de fase, mas π/4-QPSK é vantajoso porque é compatível com a codificação diferencial (discutida na próxima subseção).
Uma outra forma de lidar com descontinuidades de símbolo para símbolo é implementar um processamento de sinal adicional que cria transições mais suaves entre símbolos. Esta abordagem é incorporada em um esquema de modulação chamado chaveamento de deslocamento mínimo (MSK), e há também uma melhoria no MSK conhecido como MSK gaussiano.
Codificação diferencial
Outra dificuldade é que a desmodulação com formas de onda PSK é mais difícil do que com formas de onda FSK. A frequência é “absoluta” no sentido de que as mudanças de frequência podem sempre ser interpretadas através da análise das variações do sinal em relação ao tempo. A fase, entretanto, é relativa no sentido de que não tem referência universal – o transmissor gera as variações de fase com referência a um ponto no tempo, e o receptor pode interpretar as variações de fase com referência a um ponto separado no tempo.
A manifestação prática disto é a seguinte: Se houver diferenças entre a fase (ou frequência) dos osciladores utilizados para modulação e desmodulação, o PSK torna-se não confiável. E nós temos que assumir que haverá diferenças de fase (a menos que o receptor incorpore o circuito carrier-recovery).
Differential QPSK (DQPSK) é uma variante que seja compatível com receptores nãocoherent (isto é, receptores que não sincronizam o oscilador da desmodulação com o oscilador da modulação). O QPSK diferencial codifica dados produzindo um determinado deslocamento de fase em relação ao símbolo precedente. Usando a fase do símbolo precedente desta maneira, o circuito de desmodulação analisa a fase de um símbolo usando uma referência que seja comum ao receptor e ao transmissor.
Resumo
- A digitação de deslocamento de fase binária é um esquema de modulação simples que pode transferir um bit por símbolo.
- A digitação de deslocamento de fase em quadratura é mais complexa, mas duplica a taxa de dados (ou atinge a mesma taxa de dados com metade da largura de banda).
- Offset QPSK, π/4-QPSK, e o teclado de deslocamento mínimo são esquemas de modulação que mitigam os efeitos das mudanças de tensão de alto declive de símbolo para símbolo.
- Diferencial QPSK usa a diferença de fase entre símbolos adjacentes para evitar problemas associados à falta de sincronização de fase entre o transmissor e o receptor.