Цифровая фазовая модуляция: BPSK, QPSK, DQPSK

Радиочастотная модуляция
Цифровая фазовая модуляция является универсальным и широко используемым методом беспроводной передачи цифровых данных.

На предыдущей странице мы увидели, что мы можем использовать дискретные изменения амплитуды или частоты несущей как способ представления единиц и нулей. Неудивительно, что мы также можем представлять цифровые данные с использованием фазы; эта техника называется фазовой манипуляцией (PSK).

Двоичная фазовая манипуляция
Самый простой тип PSK называется двоичной фазовой манипуляцией (BPSK), где «двоичный» относится к использованию двух сдвигов фазы (один для высокого логического уровня, один для низкого логического уровня).

Мы можем интуитивно признать, что система будет более устойчивой, если будет большее разделение между этими двумя фазами - конечно, получателю будет трудно различить символ с фазовым смещением 90 ° и символ с фазовым смещением 91 °. 

У нас есть только 360 ° фазы для работы, поэтому максимальная разница между фазами с высокой и низкой логической составляющей составляет 180 °. Но мы знаем, что смещение синусоиды на 180 ° - это то же самое, что и ее инверсия; таким образом, мы можем думать о BPSK как об просто инвертировании несущей в ответ на одно логическое состояние и оставлении его одного в ответ на другое логическое состояние.

Чтобы сделать этот шаг дальше, мы знаем, что умножение синусоиды на отрицательную равносильно ее инвертированию. Это приводит к возможности реализации BPSK с использованием следующей базовой конфигурации оборудования:

Однако эта схема может легко привести к переходам с высоким наклоном в форме сигнала несущей: если переход между логическими состояниями происходит, когда несущая достигает своего максимального значения, напряжение несущей должно быстро перейти к минимальному напряжению.




Такие события с большим уклоном нежелательны, поскольку они генерируют высокочастотную энергию, которая может создавать помехи другим РЧ-сигналам. Кроме того, усилители имеют ограниченную способность производить изменения выходного напряжения при высоких уклонах.

Если мы уточним приведенную выше реализацию двумя дополнительными функциями, мы сможем обеспечить плавный переход между символами. Во-первых, нам нужно убедиться, что цифровой битовый период равен одному или нескольким полным циклам несущей. 

Во-вторых, нам нужно синхронизировать цифровые переходы с сигналом несущей. С этими усовершенствованиями мы могли бы спроектировать систему так, чтобы изменение фазы на 180 ° происходило, когда сигнал несущей находится на (или очень близко) пересечении нуля.

 

QPSK
BPSK передает один бит на символ, к чему мы привыкли до сих пор. Все, что мы обсуждали в отношении цифровой модуляции, предполагало, что сигнал несущей изменяется в зависимости от того, является ли цифровое напряжение логическим низким или логическим высоким, и приемник создает цифровые данные, интерпретируя каждый символ как 0 или 1.

Прежде чем мы обсудим квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK), нам необходимо ввести следующую важную концепцию: Нет причины, по которой один символ может передавать только один бит. Это правда, что мир цифровой электроники построен на схемах, в которых напряжение на одном пределе или другом, так что напряжение всегда представляет один цифровой бит. 

Но RF не является цифровым; скорее мы используем аналоговые сигналы для передачи цифровых данных, и вполне приемлемо спроектировать систему, в которой аналоговые сигналы кодируются и интерпретируются таким образом, чтобы один символ представлял два (или более) бита.

QPSK - это схема модуляции, которая позволяет одному символу передавать два бита данных. Существует четыре возможных двухбитных числа (00, 01, 10, 11), и, следовательно, нам нужно четыре сдвига фаз. Опять же, мы хотим максимальное расстояние между вариантами фазы, которое в этом случае составляет 90 °.

Преимущество заключается в более высокой скорости передачи данных: если мы поддерживаем одинаковый период символа, мы можем удвоить скорость, с которой данные передаются от передатчика к приемнику. Недостатком является сложность системы. (Вы можете подумать, что QPSK также значительно более восприимчив к битовым ошибкам, чем BPSK, так как существует меньшее разделение между возможными фазовыми значениями. Это разумное предположение, но если перейти к математике, окажется, что вероятности ошибок на самом деле очень похожий.)

Варианты
QPSK - это эффективная схема модуляции. Но это можно улучшить.

Фазовые прыжки
Стандарт QPSK гарантирует, что переходы между символами в символы с высоким уклоном будут иметь место; поскольку скачки фазы могут составлять ± 90 °, мы не можем использовать подход, описанный для скачков фазы 180 °, создаваемых модуляцией BPSK.

Эту проблему можно решить, используя один из двух вариантов QPSK. Смещение QPSK, которое включает добавление задержки к одному из двух потоков цифровых данных, используемых в процессе модуляции, уменьшает максимальный скачок фазы до 90 °. Другой вариант - π / 4-QPSK, который уменьшает максимальный скачок фазы до 135 °. Смещение QPSK, таким образом, лучше в отношении уменьшения разрывов фазы, но π / 4-QPSK является преимуществом, поскольку оно совместимо с дифференциальным кодированием (обсуждается в следующем подразделе).

Другой способ справиться с разрывами между символами - это реализовать дополнительную обработку сигналов, которая создает более плавные переходы между символами. Этот подход включен в схему модуляции, называемую минимальной сменой ключа (MSK), и также имеется улучшение в MSK, известное как гауссовское MSK.

Дифференциальное кодирование
Другая трудность заключается в том, что демодуляция с помощью сигналов PSK более сложна, чем с сигналами FSK. 

Частота является «абсолютной» в том смысле, что изменения частоты всегда можно интерпретировать, анализируя изменения сигнала во времени. Фаза, однако, относительна в том смысле, что она не имеет универсальной привязки - передатчик генерирует изменения фазы относительно точки времени, а приемник может интерпретировать изменения фазы относительно отдельной точки времени.

Практическое проявление этого заключается в следующем: если существуют различия между фазой (или частотой) генераторов, используемых для модуляции и демодуляции, PSK становится ненадежным. И мы должны предположить, что будут разности фаз (если в приемнике нет схемы восстановления несущей).

Дифференциальный QPSK (DQPSK) - это вариант, который совместим с некогерентными приемниками (то есть приемниками, которые не синхронизируют генератор демодуляции с генератором модуляции). 

Дифференциальный QPSK кодирует данные, создавая определенный сдвиг фазы относительно предыдущего символа. Используя таким образом фазу предыдущего символа, схема демодуляции анализирует фазу символа с использованием эталона, который является общим для приемника и передатчика.

Обзор
* Бинарная фазовая манипуляция - это простая схема модуляции, которая может передавать один бит на символ.

* Квадратурная фазовая манипуляция является более сложной, но удваивает скорость передачи данных (или достигает той же скорости передачи данных с половиной полосы пропускания).

* Смещение QPSK, π / 4-QPSK и минимальная манипуляция сдвига являются схемами модуляции, которые смягчают влияние изменений напряжения между символами с большим наклоном.

* Дифференциальный QPSK использует разность фаз между соседними символами, чтобы избежать проблем, связанных с отсутствием фазовой синхронизации между передатчиком и приемником.

Оставить сообщение 

Список сообщений