Modulare de faze digitale: BPSK, QPSK, DQPSK

Modularea frecvenței radio
Modulația digitală a fazelor este o metodă versatilă și utilizată pe scară largă de transfer wireless a datelor digitale.

În pagina precedentă, am văzut că putem folosi variații discrete în amplitudinea sau frecvența transportatorului ca mod de reprezentare a celor și a zerourilor. Nu ar trebui să surprindem că putem reprezenta și date digitale folosind faza; această tehnică poartă denumirea de modificare a fazelor (PSK).

Tastarea schimbării de faze binare
Cel mai simplu tip de PSK se numește binare schimbare de faze (BPSK), unde „binar” se referă la utilizarea de compensări în două faze (una pentru logică ridicată, alta pentru logică scăzută).

Putem 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 decalaj de fază de 90 ° și un simbol cu ​​un decalaj de fază de 91 °. 

Avem doar 360 ° de fază cu care vom lucra, deci diferența maximă între fazele logică-înaltă și cea mică-logică este de 180 °. Știm însă că schimbarea unui sinusoid cu 180 ° este aceeași cu inversarea acestuia; astfel, putem gândi BPSK ca doar o inversare a purtătorului ca răspuns la o stare logică și lăsând-o singură ca răspuns la cealaltă stare logică.

Pentru a face acest pas mai departe, știm că înmulțirea unui sinusoid cu unul negativ este aceeași cu inversarea acestuia. Aceasta duce la posibilitatea implementării BPSK utilizând 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 purtătorului: dacă tranziția dintre stările logice are loc atunci când transportatorul este la valoarea maximă, tensiunea purtătorului trebuie să se deplaseze rapid la tensiunea minimă.




Evenimentele cu pantă înaltă, 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 modificări în pantă mare a tensiunii de ieșire.

Dacă perfecționăm implementarea de mai sus cu două caracteristici suplimentare, putem asigura tranziții fluide între simboluri. În primul rând, trebuie să ne asigurăm că perioada de biți digitali este egală cu unul sau mai multe cicluri complete de purtător. 

În al doilea rând, trebuie să sincronizăm tranzițiile digitale cu forma de undă a purtătorului. Cu aceste îmbunătățiri, am putea proiecta sistemul astfel încât schimbarea de fază de 180 ° să aibă loc atunci când semnalul transportatorului este la (sau foarte aproape) trecerea la zero.

 

QPSK
BPSK transferă un bit pe simbol, ceea ce suntem obișnuiți până acum. Tot ceea ce am discutat în ceea ce privește modularea digitală a presupus că semnalul purtătorului este modificat în funcție de faptul că o tensiune digitală este mică sau logic ridicată, iar receptorul construiește date digitale interpretând fiecare simbol ca 0 sau 1.

Înainte de a discuta despre trimiterea în fază de quadratură (QPSK), trebuie să introducem următorul concept important: Nu există niciun motiv pentru care un simbol să poată transfera un singur bit. Este adevărat că lumea electronică digitală este construită în jurul circuitelor în care tensiunea este la o extremă sau alta, astfel încât tensiunea reprezintă întotdeauna un bit digital. 

Dar RF nu este digital; mai degrabă, utilizăm forme de undă analogice pentru a transfera date digitale și este perfect acceptabil să proiectăm un sistem în care formele de undă analogice să fie codificate și interpretate într-un mod care să permită unui simbol să reprezinte doi (sau mai mulți) biți.

QPSK este o schemă de modulare care permite unui simbol să transfere doi biți de date. Există patru posibile numere de doi biți (00, 01, 10, 11) și, în consecință, avem nevoie de compensări în patru faze. Din nou, dorim o separare maximă între opțiunile de fază, care în acest caz este de 90 °.

Avantajul este rata de date mai mare: dacă menținem aceeași perioadă de simbol, putem dubla rata cu care datele sunt mutate de la emițător la receptor. Dezavantajul este complexitatea sistemului. (S-ar putea crede că QPSK este, de asemenea, semnificativ mai susceptibil la erori de biți decât BPSK, deoarece există o mai mică separare între valorile de fază posibile. Aceasta este o presupunere rezonabilă, dar dacă parcurgeți matematica, se dovedește că probabilitățile de eroare sunt de fapt foarte asemanator.)

variante
QPSK este, în general, o schemă de modulare eficientă. Dar poate fi îmbunătățit.

Salturi de fază
Standard QPSK garantează că vor avea loc tranziții de pantă înaltă la simbol; deoarece salturile de fază pot fi de ± 90 °, nu putem folosi abordarea descrisă pentru salturile de fază de 180 ° produse prin modularea BPSK.

Această problemă poate fi atenuată folosind una dintre cele două variante QPSK. Offset QPSK, care implică adăugarea unei întârzieri la unul din cele două fluxuri de date digitale utilizate în procesul de modulare, reduce saltul maxim de fază la 90 °. O altă opțiune este π / 4-QPSK, care reduce saltul de fază maxim la 135 °. QPSK compensat este astfel superior în ceea ce privește reducerea întreruperilor de fază, dar π / 4-QPSK este avantajos, deoarece este compatibil cu codificarea diferențială (discutat în subsecțiunea următoare).

Un alt mod de a face față întreruperilor simbol-simbol este de a implementa procesarea suplimentară a semnalului care creează tranziții mai ușoare între simboluri. Această abordare este încorporată într-o schemă de modulare numită minuschimbare (MSK) și există, de asemenea, o îmbunătățire a MSK cunoscută sub numele de Gaussian MSK.

Codificare diferențială
O altă dificultate este că demodularea cu forme de undă PSK este mai dificilă decât în ​​cazul undelor FSK. 

Frecvența este „absolută” în sensul că schimbările de frecvență pot fi interpretate întotdeauna prin analizarea variațiilor semnalului în timp. Totuși, faza este relativă în sensul că nu are nicio referință universală - emițătorul generează variații de fază cu referire la un punct în timp, iar receptorul poate interpreta variațiile de fază cu referire la un punct separat în timp.

Manifestarea practică este următoarea: Dacă există diferențe între faza (sau frecvența) oscilatoarelor utilizate pentru modulare și demodulare, PSK devine nesigură. Și trebuie să presupunem că vor exista diferențe de fază (cu excepția cazului în care receptorul încorporează circuite de recuperare a purtătorului).

QPSK diferențial (DQPSK) este o variantă care este compatibilă cu receptoarele necoerente (adică, receptoarele care nu sincronizează oscilatorul de demodulare cu oscilatorul de modulare). 

QPSK diferențial codifică datele producând o anumită deplasare de fază în raport cu simbolul precedent. Folosind în acest fel faza simbolului precedent, circuitele de demodulare analizează faza unui simbol folosind o referință comună pentru receptor și emițător.

Rezumat
* Tastarea schimbării de faze binare este o schemă de modulare simplă care poate transfera un bit pe simbol.

* Încadrarea în deplasare în fază quadratură este mai complexă, dar dublează rata de date (sau atinge aceeași rată de date cu jumătate de lățime de bandă).

* QPSK, π / 4-QPSK și compensarea deplasării minime sunt scheme de modulare care atenuează efectele modificărilor de tensiune de la o pantă mare la simbol.

* QPSK diferențial folosește diferența de fază între simbolurile adiacente pentru a evita problemele asociate cu o lipsă de sincronizare de fază între emițător și receptor.

Lăsaţi un mesaj 

Lista de mesaje