Digitaalinen vaihemodulaatio: BPSK, QPSK, DQPSK

Radiotaajuusmodulointi
Digitaalinen vaihemodulaatio on monipuolinen ja laajalti käytetty menetelmä digitaalisen datan siirtämiseksi langattomasti.

Edellisellä sivulla näimme, että voimme käyttää erillisiä variaatioita kantoaallon amplitudissa tai taajuudessa keinona edustaa niitä ja nollia. Ei pitäisi olla yllättävää, että pystymme edustamaan digitaalista dataa myös vaiheella; tätä tekniikkaa kutsutaan vaihesiirtoavaimiseksi (PSK).

Binaarivaihteen näppäin
Yksinkertaimpaa tyyppiä olevaa PSK-tyyppiä kutsutaan binaariseksi vaihesiirtoavaimiseksi (BPSK), jossa ”binaarinen” tarkoittaa kahden vaihesiirtymän käyttöä (yksi logiikan korkealle, toinen logiikan matalalle).

Voimme intuitiivisesti tunnistaa, että järjestelmä on vankempi, jos näiden kahden vaiheen välillä on suurempi etäisyys - vastaanottimen olisi tietysti vaikea erottaa symboli, jonka vaihesiirto on 90 °, ja symboli, jonka vaihesiirto on 91 °. 

Meillä on vain 360 ° vaihetta työskennellä, joten logiikan korkean ja logiikan alhaisen vaiheen välinen ero on enintään 180 °. Mutta tiedämme, että sinusoidin siirtäminen 180 ° on sama kuin sen kääntäminen; siten, voimme ajatella BPSK: ta yksinkertaisesti kääntävän kantoaallon vastauksena yhteen loogiseen tilaan ja jättäen sen yksin vastauksena toiseen loogiseen tilaan.

Jotta otamme tämän askeleen pidemmälle, tiedämme, että kertomalla sinusoidi negatiivisella on sama kuin käännä se. Tämä johtaa mahdollisuuteen toteuttaa BPSK käyttämällä seuraavia peruslaitteiston määrityksiä:

Tämä kaavio voisi kuitenkin helposti johtaa kantajan aaltomuodon kalteviin siirtymiin: Jos siirtyminen loogisten tilojen välillä tapahtuu, kun kantoaalto on maksimiarvossa, kantoaallon jännitteen on siirryttävä nopeasti minimijännitteeseen.




Tällaiset korkean kaltevuuden tapahtumat eivät ole toivottavia, koska ne tuottavat korkeamman taajuuden energiaa, joka voi häiritä muita RF-signaaleja. Lisäksi vahvistimilla on rajoitettu kyky tuottaa suurjänniteisiä muutoksia lähtöjännitteessä.

Jos tarkennamme yllä olevaa toteutusta kahdella lisäominaisuudella, voimme varmistaa sujuvan siirtymisen symbolien välillä. Ensinnäkin meidän on varmistettava, että digitaalinen bittijakso on yhtä suuri kuin yksi tai useampi täydellinen kantoaalojakso. 

Toiseksi meidän on synkronoitava digitaaliset siirtymät kantoaallon muodon kanssa. Näillä parannuksilla voisimme suunnitella järjestelmän siten, että 180 °: n vaihemuutos tapahtuu, kun kantoaaltosignaali on nollapisteessä (tai hyvin lähellä).

 

QPSK
BPSK siirtää yhden bitin symbolia kohti, mihin olemme tottuneet tähän mennessä. Kaikki mitä olemme keskustelleet digitaalisen modulaation suhteen, ovat oletaneet, että kantoaaltosignaalia modifioidaan sen mukaan, onko digitaalinen jännite logiikan alhainen vai logiikan korkea, ja vastaanotin rakentaa digitaalisen datan tulkitsemalla jokaisen symbolin joko 0: ksi tai 1: ksi.

Ennen kuin keskustelemme kvadratuurivaihesiirtoavainnuksesta (QPSK), meidän on otettava käyttöön seuraava tärkeä käsite: Ei ole mitään syytä, miksi yksi symboli voi siirtää vain yhden bitin. On totta, että digitaalisen elektroniikan maailma on rakennettu piirien ympärille, joissa jännite on joko äärimmäisessä tai toisessa, niin että jännite edustaa aina yhtä digitaalista bittiä. 

Mutta RF ei ole digitaalinen; Käytämme pikemminkin analogisia aaltomuotoja digitaalisen datan siirtämiseen, ja on täysin hyväksyttävää suunnitella järjestelmä, jossa analogiset aaltomuodot koodataan ja tulkitaan tavalla, joka sallii yhden symbolin edustaa kahta (tai useampaa) bittiä.

QPSK on modulaatiojärjestelmä, joka sallii yhden symbolin siirtää kaksi bittiä dataa. Mahdollisia kaksibittisiä numeroita on neljä (00, 01, 10, 11), joten tarvitsemme neljä vaihesiirtymää. Haluamme jälleen kerran, että vaihevaihtoehtojen välinen etäisyys on suurin, mikä tässä tapauksessa on 90 °.

Etuna on suurempi tiedonsiirtonopeus: jos ylläpidämme samaa symbolijaksoa, voimme kaksinkertaistaa nopeuden, jolla data siirretään lähettimestä vastaanottajalle. Haittapuoli on järjestelmän monimutkaisuus. (Saatat ajatella, että QPSK on myös huomattavasti alttiimpi bittivirheille kuin BPSK, koska mahdollisten vaihearvojen välinen ero on vähemmän. Tämä on kohtuullinen oletus, mutta jos suoritat matematiikan, käy ilmi, että virhetodennäköisyydet ovat todellisuudessa hyvin samankaltainen.)

Variantteja
QPSK on kaiken kaikkiaan tehokas modulaatiojärjestelmä. Mutta sitä voidaan parantaa.

Vaihehyppy
Vakio QPSK takaa korkean kaltevuuden symboli-symbolimuutokset tapahtuvan; koska vaihehypyt voivat olla ± 90 °, emme voi käyttää kuvattua lähestymistapaa BPSK-modulaation tuottamiin 180 ° vaihehyppyihin.

Tätä ongelmaa voidaan lievittää käyttämällä yhtä kahdesta QPSK-variantista. Offset QPSK, johon sisältyy viiveen lisääminen jompaan kumpaan modulaatioprosessissa käytetystä digitaalisesta datavirrasta, vähentää maksimivaihehyppyä 90 °: seen. Toinen vaihtoehto on π / 4-QPSK, joka laskee suurimman vaihehypyn 135 °: seen. Offset QPSK on siten parempi verrattuna vaihe-epäjatkuvuuksien vähentämiseen, mutta π / 4-QPSK on edullinen, koska se on yhteensopiva differentiaalikoodauksen kanssa (jota käsitellään seuraavassa alajaksossa).

Toinen tapa käsitellä symbolien välisiä epäjatkuvuuksia on toteuttaa lisäsignaalinkäsittely, joka luo sujuvammat siirrot symbolien välillä. Tämä lähestymistapa on sisällytetty modulaatiojärjestelmään, jota kutsutaan vähimmäissiirtoavaimeksi (MSK), ja myös parannusta MSK: hen, joka tunnetaan nimellä Gaussian MSK.

Differentiaalinen koodaus
Toinen vaikeus on, että demodulointi PSK-aaltomuotojen kanssa on vaikeampaa kuin FSK-aaltomuotojen kanssa. 

Taajuus on ”ehdoton” siinä mielessä, että taajuuden muutokset voidaan aina tulkita analysoimalla signaalin vaihtelut ajan suhteen. Vaihe on kuitenkin suhteellinen siinä mielessä, että sillä ei ole yleistä referenssiä - lähetin generoi vaihevaihteluita ajankohtaan viitaten, ja vastaanotin saattaa tulkita vaihevaihteluita viitaten erilliseen ajankohtaan.

Tämän käytännöllinen ilmenemismuoto on seuraava: Jos modulaatioon ja demodulointiin käytettyjen oskillaattorien vaiheessa (tai taajuudessa) on eroja, PSK: sta tulee epäluotettava. Ja meidän on oletettava, että vaiheissa on eroja (ellei vastaanotin sisällä kantoaalto-palautuspiirejä).

Differentiaalinen QPSK (DQPSK) on variantti, joka on yhteensopiva ei-koherenttiviestien (ts. Vastaanottimien, jotka eivät synkronoi demodulointioskillaattorin modulaatiooskillaattorin kanssa) kanssa. 

Differentiaalinen QPSK koodaa dataa tuottamalla tietyn vaihesiirron suhteessa edelliseen symboliin. Käyttämällä edellisen symbolin vaihetta tällä tavalla, demodulointipiiri analysoi symbolin vaiheen käyttämällä referenssiä, joka on yhteinen vastaanottimelle ja lähettimelle.

Yhteenveto
* Binaarinen vaihesiirtoavainnus on suoraviivainen modulaatiokaavio, joka voi siirtää yhden bitin symbolia kohti.

* Kvadratuurivaihesiirtoavainnus on monimutkaisempi, mutta kaksinkertaistaa datanopeuden (tai saavuttaa saman datanopeuden puolella kaistanleveydestä).

* Offset QPSK, π / 4-QPSK ja vähimmäissiirtoavain ovat modulaatiojärjestelmiä, jotka lieventävät korkean kaltevuuden symbolien välisiä jännitemuutosten vaikutuksia.

* Differentiaalinen QPSK käyttää vaihe-eroa vierekkäisten symbolien välillä, jotta vältetään ongelmat, jotka johtuvat vaihesynkronoinnin puutteesta lähettimen ja vastaanottimen välillä.

Jätä viesti 

viestiluettelo