Digital fasmodulering: BPSK, QPSK, DQPSK

Radiofrekvensmodulering
Digital fasmodulering är en mångsidig och allmänt använd metod för trådlös överföring av digital data.

På föregående sida såg vi att vi kan använda diskreta variationer i en bärares amplitud eller frekvens som ett sätt att representera sådana och nollor. Det borde inte överraska att vi också kan representera digitala data med hjälp av fas; denna teknik kallas fasskiftnyckling (PSK).

Binär fasförskjutning
Den vanligaste typen av PSK kallas binär fasskiftnyckling (BPSK), där "binär" avser användningen av två fasförskjutningar (en för hög logik, en för logik låg).

Vi kan intuitivt inse att systemet kommer att vara mer robust om det finns större skillnad 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 av 91 °. 

Vi har bara 360 ° fas att arbeta med, så den maximala skillnaden mellan de logiska höga och logiska låga faserna är 180 °. Men vi vet att att flytta en sinusoid med 180 ° är detsamma som att invertera den; Vi kan alltså tänka på BPSK som helt enkelt att invertera bäraren som svar på ett logiskt tillstånd och lämna det ensam som svar på det andra logiska tillståndet.

För att ta detta ett steg längre, vet vi att att multiplicera en sinus med negativ är samma som att invertera den. Detta leder till möjligheten att implementera BPSK med hjälp av följande grundläggande hårdvarukonfiguration:

Emellertid kan detta schema lätt resultera i övergångar med hög lutning i bärvågformen: om övergången mellan logiska tillstånd inträffar när bäraren har sitt högsta värde måste bärarspänningen snabbt flytta till minsta spänning.




Händelser med hög lutning som dessa är oönskade eftersom de genererar högfrekvent energi som kan störa andra RF-signaler. Förstärkare har också begränsad förmåga att producera höga lutningsändringar i utspänningen.

Om vi ​​förfinar implementeringen ovan med ytterligare två funktioner kan vi säkerställa smidiga övergångar mellan symboler. Först måste vi se till att den digitala bitperioden är lika med en eller flera kompletta bärcykler. 

För det andra måste vi synkronisera de digitala övergångarna med bärvågformen. Med dessa förbättringar kan vi utforma systemet så att 180 ° -fasändringen inträffar när bärarsignalen är vid (eller mycket nära) nollkorsningen.

 

QPSK
BPSK överför en bit per symbol, vilket är vad vi är vana vid hittills. Allt vi har diskuterat med avseende på digital modulering har antagit att bärarsignalen modifieras beroende på om en digital spänning är logisk låg eller logisk hög, och mottagaren konstruerar digital data genom att tolka varje symbol som antingen en 0 eller en 1.

Innan vi diskuterar kvadraturfasskiftnyckling (QPSK) måste vi införa följande viktiga koncept: Det finns ingen anledning till att en symbol bara kan överföra en bit. Det är sant att världen av digital elektronik är uppbyggd kring kretsar där spänningen är vid ena extrema eller den andra, så att spänningen alltid representerar en digital bit. 

Men RF är inte digital; snarare använder vi analoga vågformer för att överföra digitala data, och det är helt acceptabelt att utforma ett system där de analoga vågformerna är kodade och tolkade på ett sätt som gör att en symbol kan representera två (eller flera) bitar.

QPSK är ett moduleringsschema som gör att en symbol kan överföra två bitar data. Det finns fyra möjliga tvåbitsnummer (00, 01, 10, 11), och därför behöver vi fyra fasförskjutningar. Återigen vill vi ha maximal åtskillnad mellan fasalternativen, som i detta fall är 90 °.

Fördelen är högre datahastighet: om vi bibehåller samma symbolperiod kan vi fördubbla hastigheten vid vilken data flyttas från sändare till mottagare. Nackdelen är systemkomplexiteten. (Du kanske tror att QPSK också är betydligt mer känslig för bitfel än BPSK, eftersom det finns mindre skillnad mellan möjliga fasvärden. Detta är ett rimligt antagande, men om du går igenom matematiken visar det sig att felsannolikheterna faktiskt är väldigt lik.)

varianter
QPSK är totalt sett ett effektivt moduleringsschema. Men det kan förbättras.

Fashopp
Standard QPSK garanterar att övergång mellan symboler och symboler med hög lutning kommer att ske; eftersom fashopparna kan vara ± 90 °, kan vi inte använda den metod som beskrivs för 180 ° fashopp som produceras genom BPSK-modulering.

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 två digitala dataströmmar som används i moduleringsprocessen, minskar det maximala fashoppet till 90 °. Ett annat alternativ är π / 4-QPSK, vilket minskar det maximala fashoppet till 135 °. Offset QPSK är alltså överlägset med avseende på 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 avbrott från symbol till symbol är att implementera ytterligare signalbehandling som skapar mjukare övergångar mellan symboler. Detta tillvägagångssätt är integrerat i ett moduleringsschema som kallas minimum shift keying (MSK), och det finns också en förbättring på MSK, känd som Gaussian MSK.

Differentialkodning
En annan svårighet är att demodulering med PSK-vågformer är svårare än med FSK-vågformer. 

Frekvens är "absolut" i den meningen att frekvensändringar alltid kan tolkas genom att analysera signalvariationerna med avseende på tid. Fasen är emellertid relativ i den meningen att den inte har någon universalreferens - sändaren genererar fasvariationerna med referens till en tidpunkt, och mottagaren kan tolka fasvariationerna med hänvisning till en separat tidpunkt.

Den praktiska manifestationen av detta är följande: Om det finns skillnader mellan fas (eller frekvens) för oscillatorerna som används för modulering och demodulering blir PSK opålitlig. Och vi måste anta att det kommer att finnas fasskillnader (såvida inte mottagaren har bärare-återhämtningskretsar).

Differential QPSK (DQPSK) är en variant som är kompatibel med icke-koherenta mottagare (dvs mottagare som inte synkroniserar demoduleringsoscillatorn med moduleringsoscillatorn). 

Differential QPSK kodar data genom att producera en viss fasförskjutning i förhållande till föregående symbol. Genom att använda fasen för den föregående symbolen på detta sätt analyserar demoduleringskretsarna fasen av en symbol med en referens som är gemensam för mottagaren och sändaren.

Sammanfattning
* Binär fasskiftnyckling är ett enkelt moduleringsschema som kan överföra en bit per symbol.

* Kvadraturfasskiftning är mer komplex men fördubblar datahastigheten (eller uppnår samma datahastighet med halva bandbredden).

* Offset QPSK, π / 4-QPSK och minimiskiftnyckling är moduleringsscheman som mildrar effekterna av hög-lutande symbol-till-symbol spänningsförändringar.

* Differential QPSK använder fasskillnaden mellan angränsande symboler för att undvika problem i samband med brist på fasesynkronisering mellan sändare och mottagare.

Lämna ett meddelande 

meddelande~~POS=TRUNC