Dijital Faz Modülasyonu: BPSK, QPSK, DQPSK

Radyo Frekansı Modülasyonu
Dijital faz modülasyonu, dijital verilerin kablosuz olarak aktarılması için çok yönlü ve yaygın olarak kullanılan bir yöntemdir.

Önceki sayfada, bir taşıyıcının genliğindeki veya frekansındaki farklı varyasyonları, bunları ve sıfırları temsil etmenin bir yolu olarak kullanabileceğimizi gördük. Dijital veri aşamasını kullanarak da temsil edebilmemiz şaşırtıcı değildir; bu tekniğe faz kaydırma anahtarlama (PSK) denir.

İkili Faz Kaydırma Anahtarlaması
En basit PSK tipine ikili faz kaydırma anahtarlama (BPSK) denir, burada “ikili” iki fazlı ofset (biri mantık yüksek, biri mantık düşük için) anlamına gelir.

Bu iki faz arasında daha büyük bir ayrılma olması durumunda sistemin daha sağlam olacağını sezgisel olarak tanıyabiliriz - elbette bir alıcının faz ofseti 90 ° olan bir sembol ile faz ofseti olan bir sembol arasında ayrım yapmak zor olurdu 91 ° 'dir. 

Çalışmak için sadece 360 ​​° fazımız var, bu yüzden mantık-yüksek ve mantık-düşük fazlar arasındaki maksimum fark 180 ° 'dir. Ancak bir sinüzoidi 180 ° kaydırmanın tersine çevirmekle aynı olduğunu biliyoruz; bu nedenle BPSK'yı taşıyıcıyı bir mantık durumuna yanıt olarak ters çevirmek ve diğer mantık durumuna yanıt olarak yalnız bırakmak olarak düşünebiliriz.

Bunu bir adım daha ileri götürmek için, sinüzoit ile negatif olanı çarpmanın tersine çevirmekle aynı olduğunu biliyoruz. Bu, aşağıdaki temel donanım yapılandırmasını kullanarak BPSK uygulama olasılığına yol açar:

Bununla birlikte, bu şema, taşıyıcı dalga formunda yüksek eğimli geçişlere neden olabilir: eğer taşıyıcı maksimum değerinde olduğunda mantık durumları arasındaki geçiş gerçekleşirse, taşıyıcı voltajı hızla minimum voltaja geçmelidir.




Bunlar gibi yüksek eğimli olaylar istenmez çünkü diğer RF sinyallerini etkileyebilecek daha yüksek frekanslı enerji üretir. Ayrıca, amplifikatörlerin çıkış voltajında ​​yüksek eğim değişiklikleri üretme yeteneği sınırlıdır.

Yukarıdaki uygulamayı iki ek özellik ile geliştirirsek, semboller arasında yumuşak geçişler sağlayabiliriz. İlk olarak, dijital bit süresinin bir veya daha fazla tam taşıyıcı döngüsüne eşit olmasını sağlamalıyız. 

İkincisi, dijital geçişleri taşıyıcı dalga formu ile senkronize etmemiz gerekiyor. Bu iyileştirmelerle sistemi, taşıyıcı sinyal sıfır geçişine (veya çok yakın) olduğunda 180 ° faz değişikliği olacak şekilde tasarlayabiliriz.

 

QPSK
BPSK her sembol için bir bit aktarır, bu şimdiye kadar alışık olduğumuz şeydir. Dijital modülasyon ile ilgili tartıştığımız her şey, taşıyıcı sinyalin, bir dijital voltajın mantık düşük veya mantık yüksek olmasına göre değiştirildiğini ve alıcı her sembolü 0 veya 1 olarak yorumlayarak dijital veriler oluşturduğunu varsaymıştır.

Karesel faz kaydırma anahtarlamasını (QPSK) tartışmadan önce, aşağıdaki önemli konsepti tanıtmamız gerekir: Bir sembolün sadece bir biti aktarabilmesinin bir nedeni yoktur. Dijital elektronik dünyasının, voltajın bir uçta ya da diğerinde olduğu devre etrafında inşa edildiği doğrudur, böylece voltaj her zaman bir dijital biti temsil eder. 

Ancak RF dijital değildir; bunun yerine, dijital verileri aktarmak için analog dalga formları kullanıyoruz ve analog dalga formlarının bir sembolün iki (veya daha fazla) biti temsil etmesine izin verecek şekilde kodlandığı ve yorumlandığı bir sistemi tasarlamak tamamen kabul edilebilir.

QPSK, bir sembolün iki bit veri aktarmasına izin veren bir modülasyon şemasıdır. Dört olası iki bitlik sayı vardır (00, 01, 10, 11) ve sonuç olarak dört fazlı ofsete ihtiyacımız var. Yine, bu durumda 90 ° olan faz seçenekleri arasında maksimum ayırma istiyoruz.

Avantajı daha yüksek veri hızıdır: aynı sembol periyodunu korursak, verilerin vericiden alıcıya aktarılma hızını iki katına çıkarabiliriz. Dezavantajı sistem karmaşıklığıdır. (Olası faz değerleri arasında daha az ayrım olduğu için QPSK'nın bit hatalarına BPSK'dan çok daha duyarlı olduğunu düşünebilirsiniz. Bu makul bir varsayımdır, ancak matematikten geçerseniz hata olasılıklarının aslında çok benzer.)

Varyantlar
QPSK, genel olarak, etkili bir modülasyon şemasıdır. Ancak geliştirilebilir.

Faz Atlamaları
Standart QPSK, yüksek eğimli sembol-sembol geçişlerinin olacağını garanti eder; Faz sıçramaları ± 90 ° olabileceğinden, BPSK modülasyonu tarafından üretilen 180 ° faz sıçramaları için açıklanan yaklaşımı kullanamayız.

Bu sorun, iki QPSK varyantından biri kullanılarak azaltılabilir. Modülasyon işleminde kullanılan iki dijital veri akışından birine bir gecikme eklenmesini içeren Ofset QPSK, maksimum faz sıçramasını 90 ° 'ye düşürür. Başka bir seçenek, maksimum faz sıçramasını 4 ° 'ye düşüren π / 135-QPSK'dır. Bu durumda ofset QPSK, faz süreksizliklerinin azaltılması bakımından üstündür, ancak π / 4-QPSK avantajlıdır, çünkü diferansiyel kodlamayla uyumludur (bir sonraki alt bölümde ele alınmıştır).

Sembol-sembol süreksizlikleriyle başa çıkmanın bir başka yolu, semboller arasında daha yumuşak geçişler yaratan ek sinyal işleme uygulamaktır. Bu yaklaşım, minimum kaydırma anahtarlama (MSK) adı verilen bir modülasyon şemasına dahil edilmiştir ve ayrıca MSK'da Gauss MSK olarak bilinen bir gelişme vardır.

Diferansiyel Kodlama
Diğer bir zorluk, PSK dalga formlarıyla demodülasyonun FSK dalga formlarından daha zor olmasıdır. 

Frekans değişimlerinin zamana göre sinyal değişimleri analiz edilerek yorumlanabilmesi anlamında “mutlaktır”. Bununla birlikte, faz, evrensel referansı olmadığı anlamında görecelidir - verici, zaman içindeki bir noktaya referansla faz varyasyonlarını üretir ve alıcı, faz varyasyonlarını zaman içinde ayrı bir noktaya referansla yorumlayabilir.

Bunun pratik tezahürü şöyledir: Modülasyon ve demodülasyon için kullanılan osilatörlerin fazı (veya frekansı) arasında farklılıklar varsa, PSK güvenilmez hale gelir. Ve faz farkları olacağını varsaymalıyız (alıcı taşıyıcı kurtarma devresi içermiyorsa).

Diferansiyel QPSK (DQPSK), uyumlu olmayan alıcılarla (yani demodülasyon osilatörünü modülasyon osilatörü ile senkronize etmeyen alıcılar) uyumlu bir varyanttır. 

Diferansiyel QPSK, verileri önceki sembole göre belirli bir faz kayması üreterek kodlar. Önceki sembolün fazını bu şekilde kullanarak, demodülasyon devresi bir sembolün fazını alıcı ve verici için ortak olan bir referans kullanarak analiz eder.

Özet
* İkili faz kaydırma anahtarlama, sembol başına bir bit aktarabilen basit bir modülasyon şemasıdır.

* Dörtlü faz kaydırma anahtarlaması daha karmaşıktır ancak veri hızını iki katına çıkarır (veya bant genişliğinin yarısı ile aynı veri hızına ulaşır).

* Ofset QPSK, π / 4-QPSK ve minimum kaydırma anahtarlaması, yüksek eğimli sembol-sembol voltaj değişikliklerinin etkilerini azaltan modülasyon şemalarıdır.

* Diferansiyel QPSK, verici ve alıcı arasında faz senkronizasyonu eksikliğinden kaynaklanan sorunları önlemek için bitişik semboller arasındaki faz farkını kullanır.

Mesaj bırakın 

İleti listesi