Digital fasemodulasjon: BPSK, QPSK, DQPSK

Radiofrekvensmodulering
Digital fasemodulasjon er en allsidig og mye brukt metode for trådløs overføring av digitale data.

På forrige side så vi at vi kan bruke diskrete variasjoner i en bærers amplitude eller frekvens som en måte å representere en og nuller på. Det skal ikke komme som noen overraskelse at vi også kan representere digitale data ved hjelp av fase; denne teknikken kalles phase shift keying (PSK).

Binærfaseskifttasting
Den mest enkle typen PSK kalles binærfaseskifttasting (BPSK), der "binær" refererer til bruk av to faseforskyvninger (en for logisk høy, en for logisk lav).

Vi kan intuitivt erkjenne at systemet vil være mer robust hvis det er større skille mellom disse to fasene - selvfølgelig ville det være vanskelig for en mottaker å skille mellom et symbol med en faseforskyvning på 90 ° og et symbol med en faseforskyvning av 91 °. 

Vi har bare 360 ​​° fase å jobbe med, så den maksimale forskjellen mellom de logiske høye og logiske lave fasene er 180 °. Men vi vet at å skifte en sinus med 180 ° er det samme som å snu den. Dermed kan vi tenke på BPSK som bare å invertere transportøren som svar på den ene logiske tilstanden og la den være i fred som den andre logiske tilstanden.

For å ta dette et skritt videre, vet vi at å multiplisere en sinus med negativ er det samme som å snu den. Dette fører til muligheten for å implementere BPSK ved å bruke følgende grunnleggende maskinvarekonfigurasjon:

Imidlertid kan dette skjemaet lett føre til overganger med høye skråninger i bærebølgeformen: hvis overgangen mellom logiske tilstander skjer når bæreren er på sin maksimale verdi, må bærerspenningen raskt bevege seg til minimumsspenningen.




Hendelser med høy skråning som disse er uønskede fordi de genererer høyere frekvensen energi som kan forstyrre andre RF-signaler. Forsterkere har også begrenset mulighet til å produsere høye skråninger i utgangsspenningen.

Hvis vi avgrenser implementeringen ovenfor med to tilleggsfunksjoner, kan vi sikre jevn overgang mellom symboler. Først må vi sikre at den digitale bitperioden er lik en eller flere komplette bæresykluser. 

For det andre må vi synkronisere de digitale overgangene med bærebølgeformen. Med disse forbedringene kan vi utforme systemet slik at 180 ° faseendringen skjer når bæresignalet er ved (eller veldig nær) nullkrysset.

 

QPSK
BPSK overfører en bit per symbol, og det er det vi er vant til så langt. Alt vi har diskutert med hensyn til digital modulasjon har antatt at bæresignalet er modifisert i henhold til om en digital spenning er logisk lav eller logisk høy, og mottakeren konstruerer digitale data ved å tolke hvert symbol som enten 0 eller 1.

Før vi diskuterer quadrature phase shift keying (QPSK), må vi introdusere følgende viktige konsept: Det er ingen grunn til at ett symbol bare kan overføre en bit. Det er sant at verdenen av digital elektronikk er bygget opp rundt kretsløp der spenningen er på det ene eller det andre, slik at spenningen alltid representerer en digital bit. 

Men RF er ikke digital; snarere bruker vi analoge bølgeformer for å overføre digitale data, og det er helt akseptabelt å designe et system der de analoge bølgeformene er kodet og tolket på en måte som gjør at ett symbol kan representere to (eller flere) biter.

QPSK er et modulasjonsskjema som lar ett symbol overføre to biter med data. Det er fire mulige to-bits tall (00, 01, 10, 11), og derfor trenger vi fire faseforskyvninger. Igjen, vi ønsker maksimal skille mellom fasealternativene, som i dette tilfellet er 90 °.

Fordelen er høyere datahastighet: hvis vi opprettholder den samme symbolperioden, kan vi doble hastigheten som data flyttes fra sender til mottaker. Ulempen er systemkompleksiteten. (Du kan tro at QPSK også er betydelig mer utsatt for bitfeil enn BPSK, siden det er mindre skille mellom de mulige faseverdiene. Dette er en rimelig antagelse, men hvis du går gjennom regnestykket viser det seg at feilsannsynlighetene faktisk er veldig lik.)

varianter
QPSK er samlet sett et effektivt modulasjonsskjema. Men det kan forbedres.

Fasehopp
Standard QPSK garanterer at overganger mellom symboler og symboler med høy helning vil skje; fordi faseshoppene kan være ± 90 °, kan vi ikke bruke den tilnærmingen som er beskrevet for 180 ° fasehopp produsert av BPSK-modulasjon.

Dette problemet kan dempes ved å bruke en av to QPSK-varianter. Offset QPSK, som innebærer å legge til en forsinkelse til en av to digitale datastrømmer som brukes i modulasjonsprosessen, reduserer det maksimale fasespranget til 90 °. Et annet alternativ er π / 4-QPSK, som reduserer det maksimale fasespranget til 135 °. Offset QPSK er således overlegen med hensyn til å redusere fasefeil, men π / 4-QPSK er fordelaktig fordi det er kompatibelt med differensialkoding (omtalt i neste underavsnitt).

En annen måte å håndtere diskontinuiteter fra symbol til symbol er å implementere ekstra signalbehandling som skaper jevnere overganger mellom symboler. Denne tilnærmingen er integrert i et modulasjonsskjema som kalles minimum shift keying (MSK), og det er også en forbedring på MSK kjent som Gaussian MSK.

Differensiell koding
En annen vanskelighet er at demodulering med PSK-bølgeformer er vanskeligere enn med FSK-bølgeformer. 

Frekvens er "absolutt" i den forstand at frekvensendringer alltid kan tolkes ved å analysere signalvariasjonene med hensyn til tid. Fase er imidlertid relativ i den forstand at den ikke har noen universell referanse - senderen genererer fasevariasjoner med referanse til et tidspunkt, og mottakeren kan tolke fasevariasjonene med referanse til et eget tidspunkt.

Den praktiske manifestasjonen av dette er følgende: Hvis det er forskjeller mellom fasen (eller frekvensen) til oscillatorene som brukes til modulering og demodulering, blir PSK upålitelig. Og vi må anta at det vil være faseforskjeller (med mindre mottakeren har transport-utvinningskretser).

Differensial QPSK (DQPSK) er en variant som er kompatibel med ikke-koherente mottakere (dvs. mottakere som ikke synkroniserer demodulasjonsoscillatoren med modulasjonsoscillatoren). 

Differensiell QPSK koder for data ved å produsere en viss faseforskyvning i forhold til foregående symbol. Ved å bruke fasen til det foregående symbolet på denne måten, analyserer demoduleringskretsene fasen til et symbol ved å bruke en referanse som er felles for mottakeren og senderen.

Oppsummering
* Binærfaseskifttasting er et greit modulasjonsskjema som kan overføre en bit per symbol.

* Kvadraturfaseskifting er mer komplisert, men dobler datahastigheten (eller oppnår den samme datahastigheten med halve båndbredden).

* Offset QPSK, π / 4-QPSK og minimum shift-tasting er modulasjonsskjemaer som demper effekten av høye skråninger fra symbol til symbol spenningsendringer.

* Differensial QPSK bruker faseforskjellen mellom tilstøtende symboler for å unngå problemer forbundet med mangel på fasesynkronisering mellom sender og mottaker.

Legg igjen en beskjed 

Meldingsliste