Digital fasmodulation är en mångsidig och allmänt använd metod för trådlös överföring av digitala data.
På föregående sida såg vi att vi kan använda diskreta variationer i en bärares amplitud eller frekvens som ett sätt att representera ettor och nollor. Det borde inte komma som någon överraskning att vi också kan representera digitala data med hjälp av fas; denna teknik kallas phase shift keying (PSK).
Binary Phase Shift Keying
Den mest okomplicerade typen av PSK kallas binär fasförskjutning (BPSK), där ”binär” hänvisar till att man använder sig av två fasförskjutningar (en för logiskt hög, en för logiskt låg).
Vi kan intuitivt inse att systemet blir mer robust om det finns en större separation mellan dessa två faser – naturligtvis skulle det vara svårt för en mottagare att skilja mellan en symbol med en fasförskjutning på 90° och en symbol med en fasförskjutning på 91°. Vi har bara 360° fas att arbeta med, så den maximala skillnaden mellan logiskt höga och logiskt låga faser är 180°. Men vi vet att förskjutning av en sinusoid med 180° är detsamma som att invertera den; därför kan vi tänka oss att BPSK helt enkelt inverterar bäraren som svar på ett logiskt tillstånd och låter den vara oförändrad som svar på det andra logiska tillståndet.
För att ta detta ett steg längre vet vi att multiplicering av en sinusoid med negativ ett är detsamma som att invertera den. Detta leder till möjligheten att genomföra BPSK med hjälp av följande grundläggande hårdvarukonfiguration:
Detta system kan dock lätt resultera i övergångar med hög lutning i bärvågsformen: om övergången mellan logiska tillstånd inträffar när bärvågsformen har sitt maximala värde, måste bärvågsspänningen snabbt gå över till den lägsta spänningen.
Höglängeshändelser som dessa är oönskade eftersom de genererar högfrekvent energi som kan störa andra RF-signaler. Dessutom har förstärkare begränsad förmåga att producera förändringar med hög lutning i utgångsspänningen.
Om vi förfinar ovanstående implementering med två ytterligare funktioner kan vi säkerställa smidiga övergångar mellan symboler. För det första måste vi se till att den digitala bitperioden är lika med en eller flera kompletta bärvågscykler. För det andra måste vi synkronisera de digitala övergångarna med bärvågsformen. Med dessa förbättringar kan vi utforma systemet så att 180°-fasändringen sker när bärarsignalen befinner sig vid (eller mycket nära) nollgenomgången.
QPSK
BPSK överför en bit per symbol, vilket är vad vi är vana vid hittills. Allt vi har diskuterat när det gäller digital modulering har utgått från att bärarsignalen modifieras beroende på om en digital spänning är logiskt låg eller logiskt hög, och mottagaren konstruerar digitala data genom att tolka varje symbol som antingen en 0 eller en 1.
För att vi ska kunna diskutera QPSK (Quadrature Phase Shift Keying) måste vi introducera följande viktiga begrepp: Det finns ingen anledning till att en symbol kan överföra endast en bit. Det är sant att den digitala elektronikens värld är uppbyggd kring kretsar där spänningen befinner sig i den ena eller andra ytterligheten, så att spänningen alltid representerar en digital bit. Men RF är inte digitalt; vi använder snarare analoga vågformer för att överföra digitala data, och det är helt acceptabelt att utforma ett system där de analoga vågformerna kodas och tolkas på ett sätt som gör det möjligt för en symbol att representera två (eller fler) bitar.
QPSK är ett modulationsschema som gör det möjligt för en symbol att överföra två databitar. Det finns fyra möjliga tvåbitarstal (00, 01, 10, 11) och följaktligen behöver vi fyra fasförskjutningar. Återigen vill vi ha maximal separation mellan fasalternativen, vilket i det här fallet är 90°.
Fördelen är högre datahastighet: om vi behåller samma symbolperiod kan vi fördubbla den hastighet med vilken data överförs från sändare till mottagare. Nackdelen är systemets komplexitet. (Man kan tro att QPSK också är betydligt känsligare för bitfel än BPSK, eftersom det finns mindre separation mellan de möjliga fasvärdena. Detta är ett rimligt antagande, men om man går igenom matematiken visar det sig att felsannolikheterna faktiskt är mycket lika.)
Varianter
QPSK är överlag ett effektivt modulationsschema. Men det kan förbättras.
Fashopp
Standard-QPSK garanterar att övergångar från symbol till symbol med hög lutning kommer att inträffa; eftersom fashoppen kan vara ±90° kan vi inte använda det tillvägagångssätt som beskrivs för 180°-fashopp som produceras av BPSK-modulation.
Detta problem kan mildras genom att använda en av två QPSK-varianter. Offset QPSK, som innebär att man lägger till en fördröjning till en av de två digitala dataströmmar som används i modulationsprocessen, minskar det maximala fashoppet till 90°. Ett annat alternativ är π/4-QPSK, som minskar det maximala fassprånget till 135°. Offset-QPSK är alltså överlägsen när det gäller att minska fasavbrott, men π/4-QPSK är fördelaktigt eftersom det är kompatibelt med differentiell kodning (diskuteras i nästa underavsnitt).
Ett annat sätt att hantera symbol-till-symbol-avbrott är att implementera ytterligare signalbehandling som skapar mjukare övergångar mellan symboler. Detta tillvägagångssätt ingår i ett modulationsschema som kallas minimum shift keying (MSK), och det finns också en förbättring av MSK som kallas Gaussian MSK.
Differentiell kodning
En annan svårighet är att det är svårare att demodulera med PSK-vågformer än med FSK-vågformer. Frekvens är ”absolut” i den meningen att frekvensförändringar alltid kan tolkas genom att analysera signalens variationer i förhållande till tiden. Fas däremot är relativ i den meningen att den inte har någon universell referens – sändaren genererar fasvariationerna med hänvisning till en tidpunkt och mottagaren kan tolka fasvariationerna med hänvisning till en annan tidpunkt.
Den praktiska manifestationen av detta är följande: Om det finns skillnader mellan fasen (eller frekvensen) hos de oscillatorer som används för modulering och demodulering blir PSK opålitligt. Och vi måste anta att det kommer att finnas fasskillnader (om inte mottagaren innehåller kretsar för bäraråterställning).
Differential QPSK (DQPSK) är en variant som är kompatibel med icke-sammanhängande mottagare (dvs. mottagare som inte synkroniserar demoduleringsoscillatorn med moduleringsoscillatorn). Differentiell QPSK kodar data genom att producera en viss fasförskjutning i förhållande till den föregående symbolen. Genom att använda fasen hos den föregående symbolen på detta sätt analyserar demoduleringskretsen fasen hos en symbol med hjälp av en referens som är gemensam för mottagaren och sändaren.
Sammanfattning
- Binary phase shift keying är ett okomplicerat modulationsschema som kan överföra en bit per symbol.
- Quadrature phase shift keying är mer komplext men fördubblar dataöverföringshastigheten (eller uppnår samma dataöverföring med halverad bandbredd).
- Offset QPSK, π/4-QPSK och minimum shift keying är moduleringsscheman som mildrar effekterna av spänningsändringar från symbol till symbol med hög lutning.
- Differential QPSK använder sig av fasskillnaden mellan intilliggande symboler för att undvika problem som är förknippade med bristande fassynkronisering mellan sändare och mottagare.