Modularea digitală de fază este o metodă versatilă și larg utilizată pentru transferul fără fir de date digitale.
În pagina anterioară, am văzut că putem folosi variații discrete în amplitudinea sau frecvența unei purtătoare ca o modalitate de a reprezenta unu și zero. Nu ar trebui să fie o surpriză faptul că putem, de asemenea, să reprezentăm datele digitale folosind faza; această tehnică se numește phase shift keying (PSK).
Binary Phase Shift Keying
Tipul cel mai simplu de PSK se numește binary phase shift keying (BPSK), unde „binar” se referă la utilizarea a două decalaje de fază (unul pentru logic high, unul pentru logic low).
Potem recunoaște intuitiv că sistemul va fi mai robust dacă există o separare mai mare între aceste două faze – desigur, ar fi dificil pentru un receptor să distingă între un simbol cu un defazaj de 90° și un simbol cu un defazaj de 91°. Avem la dispoziție doar 360° de fază pentru a lucra, astfel încât diferența maximă între fazele logic-high și logic-low este de 180°. Dar știm că decalarea unei sinusoide cu 180° este același lucru cu inversarea ei; astfel, ne putem gândi la BPSK ca la simpla inversare a purtătoarei ca răspuns la o stare logică și lăsând-o în pace ca răspuns la cealaltă stare logică.
Pentru a face un pas mai departe, știm că înmulțirea unei sinusoide cu unu negativ este același lucru cu inversarea ei. Acest lucru conduce la posibilitatea de a implementa BPSK folosind următoarea configurație hardware de bază:
Cu toate acestea, această schemă ar putea duce cu ușurință la tranziții cu pantă mare în forma de undă a purtătoarei: dacă tranziția între stările logice are loc atunci când purtătoarea se află la valoarea sa maximă, tensiunea purtătoarei trebuie să se deplaseze rapid spre tensiunea minimă.
Evenimentele cu pantă mare, cum ar fi acestea, sunt nedorite deoarece generează energie de frecvență mai mare care ar putea interfera cu alte semnale RF. De asemenea, amplificatoarele au o capacitate limitată de a produce schimbări cu pantă mare în tensiunea de ieșire.
Dacă perfecționăm implementarea de mai sus cu două caracteristici suplimentare, putem asigura tranziții netede între simboluri. În primul rând, trebuie să ne asigurăm că perioada bitului digital este egală cu unul sau mai multe cicluri complete ale purtătoarei. În al doilea rând, trebuie să sincronizăm tranzițiile digitale cu forma de undă a purtătoarei. Cu aceste îmbunătățiri, am putea proiecta sistemul astfel încât schimbarea de fază de 180° să aibă loc atunci când semnalul purtătoarei se află la (sau foarte aproape de) trecerea pe zero.
QPSK
BPSK transferă un bit pe simbol, ceea ce este ceea ce ne-am obișnuit până acum. Tot ceea ce am discutat cu privire la modulația digitală a presupus că semnalul purtător este modificat în funcție de faptul dacă o tensiune digitală este logic scăzută sau logic ridicată, iar receptorul construiește datele digitale prin interpretarea fiecărui simbol ca fiind fie un 0, fie un 1.
Înainte de a discuta despre modularea cu deplasare de fază în cuadratură (QPSK), trebuie să introducem următorul concept important: Nu există nici un motiv pentru care un simbol poate transfera doar un singur bit. Este adevărat că lumea electronicii digitale este construită în jurul circuitelor în care tensiunea se află la o extremă sau la cealaltă, astfel încât tensiunea reprezintă întotdeauna un bit digital. Dar radiofrecvența nu este digitală; mai degrabă, folosim forme de undă analogice pentru a transfera date digitale și este perfect acceptabil să proiectăm un sistem în care formele de undă analogice sunt codificate și interpretate într-un mod care permite ca un simbol să reprezinte doi (sau mai mulți) biți.
QPSK este o schemă de modulație care permite ca un simbol să transfere doi biți de date. Există patru numere posibile pe doi biți (00, 01, 10, 11) și, în consecință, avem nevoie de patru decalaje de fază. Din nou, dorim o separație maximă între opțiunile de fază, care în acest caz este de 90°.
Avantajul este o viteză de transfer de date mai mare: dacă menținem aceeași perioadă de simbol, putem dubla viteza cu care datele sunt mutate de la emițător la receptor. Dezavantajul este complexitatea sistemului. (Ați putea crede că QPSK este, de asemenea, semnificativ mai susceptibil la erori de bit decât BPSK, deoarece există o separare mai mică între valorile posibile ale fazei. Aceasta este o presupunere rezonabilă, dar dacă parcurgeți calculele matematice se dovedește că probabilitățile de eroare sunt de fapt foarte asemănătoare.)
Variante
QPSK este, în general, o schemă de modulație eficientă. Dar poate fi îmbunătățită.
Salturile de fază
QPSK standard garantează că vor avea loc tranziții simbol-simbol cu pantă mare între simboluri; deoarece salturile de fază pot fi de ±90°, nu putem folosi abordarea descrisă pentru salturile de fază de 180° produse de modulația BPSK.
Această problemă poate fi atenuată prin utilizarea uneia dintre cele două variante QPSK. Offset QPSK, care presupune adăugarea unei întârzieri la unul dintre cele două fluxuri de date digitale utilizate în procesul de modulație, reduce saltul de fază maxim la 90°. O altă opțiune este π/4-QPSK, care reduce saltul de fază maxim la 135°. Offset QPSK este astfel superior în ceea ce privește reducerea discontinuităților de fază, dar π/4-QPSK este avantajos pentru că este compatibil cu codificarea diferențială (discutată în următoarea subsecțiune).
O altă modalitate de a trata discontinuitățile de la simbol la simbol este de a implementa o procesare suplimentară a semnalului care creează tranziții mai netede între simboluri. Această abordare este încorporată într-o schemă de modulație numită minimum shift keying (MSK) și există, de asemenea, o îmbunătățire a MSK cunoscută sub numele de Gaussian MSK.
Codificarea diferențială
O altă dificultate este că demodularea cu forme de undă PSK este mai dificilă decât cu forme de undă FSK. Frecvența este „absolută” în sensul că modificările de frecvență pot fi întotdeauna interpretate prin analiza variațiilor semnalului în raport cu timpul. Cu toate acestea, faza este relativă, în sensul că nu are o referință universală – emițătorul generează variațiile de fază cu referire la un punct în timp, iar receptorul ar putea interpreta variațiile de fază cu referire la un punct separat în timp.
Manifestarea practică a acestui lucru este următoarea: Dacă există diferențe între faza (sau frecvența) oscilatoarelor utilizate pentru modulație și demodulație, PSK devine nesigură. Și trebuie să presupunem că vor exista diferențe de fază (cu excepția cazului în care receptorul încorporează circuite de recuperare a purtătoarei).
QPSK diferențial (DQPSK) este o variantă care este compatibilă cu receptoarele necoerente (adică receptoarele care nu sincronizează oscilatorul de demodulare cu oscilatorul de modulație). QPSK diferențial codifică datele prin producerea unei anumite deplasări de fază în raport cu simbolul precedent. Utilizând în acest mod faza simbolului precedent, circuitul de demodulare analizează faza unui simbol folosind o referință comună pentru receptor și emițător.
Rezumat
- Modularea cu deplasare de fază binară este o schemă de modulație simplă care poate transfera un bit pe simbol.
- Modularea cu deplasare de fază în cuadratură este mai complexă, dar dublează rata de date (sau obține aceeași rată de date cu jumătate din lățimea de bandă).
- Offset QPSK, π/4-QPSK și minimum shift keying sunt scheme de modulație care atenuează efectele schimbărilor de tensiune cu pantă mare de la un simbol la altul.
- QPSK diferențial utilizează diferența de fază între simbolurile adiacente pentru a evita problemele asociate cu lipsa sincronizării de fază între emițător și receptor.
.