Schimbarea de fază relativă. Modulație digitală de fază: BPSK, QPSK, DQPSK

Schimbarea de fază binară.

ÎN sisteme digitale comunicatii mobile Cel mai adesea, este utilizată tasarea cu deplasare de fază binară sau M-ary. Cel mai simplu dintre ele este VRBK

(Bipolar Phase Shift Keying) codificare binară cu schimbare de fază implementată la M=2, când semnalul modulat ia doar două valori xi(t) sau X2 (t)

Expresiile (10.32) care descriu ambele stări pot fi reprezentate ca

Unde u m (t)- Aleatoriu semnal binar cu niveluri 1 sau -1 în banda de bază la rata de biți fb = 1/Ть, A (p(t) ia valori 0 sau La.

Expresiile (10.33) pot fi interpretate ca rezultat al înmulțirii b(t) Cu semnal armonic, care este echivalent cu modularea convențională a amplitudinii cu purtătoare suprimată (BPSK AM-PN).

Evident, detectarea BPSK este posibilă numai cu utilizarea unui detector de fază coerent, care este un multiplicator al tensiunii semnalului de intrare cu tensiunea de la un oscilator de referință având o frecvență și o fază egale cu frecvența și, respectiv, faza semnalului de intrare.

Portretul de fază al unui purtător cu tasare binară de deplasare de fază arată ca (Fig. 10.24)

Orez. 10.24

Orez. 10.25

Schimbarea de fază binară se referă la antipodean modulare, când două dependențe de timp coincid una cu cealaltă, cu condiția ca legea de atribuire a fazelor (10.33) să fie opusă.

Formarea unui semnal VREK folosind secvența ca influență de modulare impulsuri dreptunghiulare BVN duce la o schimbare bruscă de fază cu ± i atunci când starea secvenței digitale se modifică 0*->1 cu o lățime de bandă infinit lată a căii digitale (Fig. 10.25). Filtrele trece-jos Nyquist sau Gaussian pornite la intrarea modulatorului reduc lățimea de bandă a căii principale (MB), precum și lățimea de bandă finită a căii radio a emițătorului, ceea ce duce la o întârziere a proceselor tranzitorii. Influența lor determină nu numai o întârziere a momentului comutării fazei la ieșirea modulatorului, ci și o modificare a amplitudinii anvelopei, datorită acțiunii mecanismului de conversie amplitudine-fază (Fig. 10.26).

Orez. 10.26

La un moment dat Тъ secvența digitală (b k) la intrarea modulatorului ia valoarea zero logic. Semnalul de la ieșirea modulatorului ar trebui să schimbe instantaneu faza, dar din cauza benzii înguste a căii, semnalul existent scade treptat, iar semnalul cu o nouă fază în acest moment G = Th va începe să crească încet. Deoarece fazele lor sunt opuse și frecvențele sunt aceleași, ele sunt scăzute și la un moment dat în timp eu -Tb+t 3 devin egale, învelișul procesului rezultat (linie groasă întreruptă) ajunge la zero și începe să crească treptat. Astfel, în timpul formării semnalului VR8K, ca și ORBC, modificarea amplitudinii la ieșirea modulatorului ajunge la 100%, ceea ce reduce drastic imunitatea semnalului la zgomot.

Pentru a detecta coerent un semnal primit, este necesar să existe partea de primire exact valoare cunoscută faza inițială, care nu este întotdeauna posibilă. În același timp, în timpul transmisiei, faza semnalului poate lua aleatoriu valori opuse din cauza interferenței, ceea ce duce la o eroare în timpul recepției în intervalul de timp înainte de următoarea defecțiune a fazei.

Configurația unui demodulator de semnal binar coerent cu schimbare de fază (BPK) este prezentată în Fig. 10.27

Semnal primit g$) diferit de semnal X(1 ), format într-un modulator echilibrat, care se datorează efectului interferenței în canalul radio și calea radio. Cu demodulație coerentă P(1 ) amestecat cu semnalul unui oscilator de referință având aceeași frecvență și fază. Circuitul care furnizează astfel de parametri semnalului oscilatorului de referință se numește circuit de recuperare a purtătorului (CR).

Un semnal modulat operează la intrarea demodulatorului

Unde II este amplitudinea semnalului primit, iar av, (7) este faza semnal transmis, luând valori 0° sau 180°. Înmulțirea tensiunii oscilatorului de referință (sowsoo?)în cel mai simplu caz cu amplitudine unitară (heterodină) şi faza zero, precum și semnalul primit, obținem

vibrația purtătorului și eliberează componenta constantă

a cărui valoare este determinată de faza semnalului recepţionat (mai precis, diferenţa de faze a semnalului recepţionat şi oscilatorul de referinţă). Când #>, (7 ) = 0°, b, (1) = +1, care corespunde unei unități binare și când (R (7) =180°, b,- (7) = - 1 (zero binar). În acest fel, demodulatorul restabilește secvența binară originală fără a reveni la zero. Rezolvator monitorizează mărimea componentei DC a semnalului primit, comparând-o cu valoarea de prag a ADC binar, exact în mijloc(Fig. 10.3) durata de trimitere, asigurând astfel cel mai bun raport semnal-zgomot și, în consecință, probabilitatea minimă de eroare.

Principalele cerințe pentru alegerea unui tip de modulație sunt minimizarea lățimii spectrului de semnal și selectarea unei secvențe de semnale elementare din diverse secvențe de informații cu diferenta maxima unul de altul (pentru formatul de măsură selectat) cu posibilitatea de detectare simplă. În fig. 10.28 arată densitățile spectrale de putere a semnalului normalizate pentru tipuri variate modulare. Caracteristicile sunt afișate numai pentru banda laterală superioară atunci când este modulată cu un semnal nefiltrat.

Lățimea lobului principal al semnalului M8K modulat este de ±3/4 7)„ iar pentru semnalul BP8K este de ± Th. Cu toate acestea, lățimea de bandă a semnalului M8K chiar și cu valoare optimă indicele de modulație ?3 =1/2 se dovedește a fi mai mare decât cea a semnalelor cu modulație ORBC (Fig. 10.28). Spectrul semnalului MBC nefiltrat este cu 1/3 mai îngust decât spectrul semnalului VBK și scade mai repede (proporțional cu f " 4) al unui semnal cu schimbare de fază binară. f" 2.

Comportamentul spectrului în afara lobului principal este foarte important atunci când se utilizează modul de funcționare neliniar al amplificatorului de putere (PA) al emițătorului, care este aproape de modul de saturație. Astfel, spectrul unui semnal cu modulație GMSK este concentrat în apropierea purtătorului cu o scădere intensă a puterii la detonare. Acest lucru permite, atunci când se generează un semnal radio cu modulație GMSK la ieșirea transmițătorului PA, să nu includă un filtru de frecvență radio.

Pentru BPSK semnal, valoarea primului maxim următor al densității spectrale este mai mică decât valoarea corespunzătoare frecvenței oscilației purtătorului. O regulă de bază binecunoscută pentru acest tip de manipulare este: 99% din puterea transmisă este în bandă egală cu rata de date. Utilizarea filtrării secvențe digitale poate reduce semnificativ lățimea de bandă a semnalului transmis. Cu toate acestea, nivelul purtătorului trebuie ales pentru a evita interferența intersimbol și apariția îmbogățirii spectrale. Teoretic, eficiența spectrală a modulației BPSK este de unu (bit/s)/Hz; în practică, o valoare de 1,4 (bit/s)/Hz poate fi atinsă numai prin utilizarea prefiltrării Nyquist.

Detectarea coerentă a semnalelor de schimbare de fază necesită generarea unui semnal de referință, care este adesea realizat prin utilizarea schemelor de recuperare a purtătorului bazate pe dublarea sau cvadruplicarea semnalului primit. Acest lucru duce la ambiguitatea de fază a purtătorului recuperat. În semnalele modulate BPSK, lipsa informațiilor despre faza inițială a semnalului duce la apariția " lucru invers» demodulator, cand semnalul demodulat este invers celui transmis, ceea ce duce la erori de 100%.

Schimbarea de fază

Combinând tehnicile de transmisie pe mai multe niveluri cu tasarea cu schimbare de fază

În ciuda vitezei mai mari de transmitere a informațiilor obținute datorită capacității crescute de informații a simbolului, transmisia pe mai multe niveluri în formă pură nu se aplica. S-a remarcat deja mai sus că interferența și zgomotul în canal, precum și restricțiile privind nivelul semnalului în amplificatoare, afectează în primul rând amplitudinea. Din acest motiv, metoda în cauză nu și-a găsit aplicație. În același timp, în combinație cu alte metode (în special, manipularea frecvenței), oferă un efect ridicat și o bună imunitate la zgomot. Cea mai răspândită combinație de transmisie pe mai multe niveluri cu modulație de fază. (Modularea este procesul de modificare a parametrilor frecvenței purtătoare (amplitudine, frecvență, fază); manipularea este procesul de influențare a parametrilor frecvenței purtătoare cu un semnal digital.) Acest lucru a făcut posibilă extinderea dramatică a lățimii de bandă la site-ul abonatului. Una dintre aceste metode este discutată mai jos - manipularea fazei.

Introducerea de fază transformă informațiile prin afectarea fazei semnal de frecventa. De exemplu, în cel mai simplu caz de transmitere a biților individuali (Fig. 29), la trecerea de la 0 la 1, faza se schimbă cu 180°. În situația prezentată în fig. 29, a, unu corespunde unei perioade pozitive la începutul ciclului, iar zero corespunde unei perioade negative.

Orez. 29. Exemple de manipulare a fazelor pentru cazurile: a) 2-FM b) 4-FM

Cu metoda de defazare 4-PM (Fig. 29, 6), defazajul este de 45° și este codificat după cum urmează:

pentru 11 - deplasare +45° (π/4);

pentru 10 - deplasare +135° (W π /4);

la 00 - deplasare +225° (-З π /4);

la 01 - deplasare 315° (-π /4).

Faza este determinată prin măsurarea valorii semnalului cosinus la începutul perioadei.

Imaginile din stânga arată diagrame circulare semnal sinusoidal (în Fig. 29, b semnalul prezintă valori cosinus și, prin urmare, este deplasat cu 90°). Modificarea valorii semnalului sinusoidal este comparată cu valoarea reprezentată pe cerc. În acest caz, pe măsură ce timpul se schimbă, vectorul imaginar (raza plasată în centrul cercului) se rotește în sens invers acelor de ceasornic. Punctul de pe cerc arată valoarea semnalului sinusoidal la un moment dat. Punctul cel mai de jos al cercului corespunde minimului valoare negativă amplitudine și este comparată cu o unitate discretă, iar punctul cel mai înalt corespunde valorii maxime și este identificat cu un zero discret. Pentru o diagramă care arată o schimbare de fază de patru ori, sunt subliniate 4 puncte.

Spre deosebire de modularea în amplitudine, modularea de fază are un impact mai mic asupra nivelului de transmisie (amplitudine) și frecvență. Este cel mai potrivit pentru transmiterea de semnale cu mai multe niveluri, care, după cum urmează din secțiunea anterioară, fac posibilă creșterea vitezei de transfer de informații fără a crește viteza liniară în canal. În același timp, este puternic influențată de parametrii inductivi și capacitivi ai cablului. De exemplu, bobinele Pupin deja menționate, în timp ce îmbunătățesc parametrii unui semnal convențional, introduc inductanță artificială, care, la rândul său, afectează semnalele comprimate cu ajutorul defazajului.

Forma semnalului modulat în timpul tasării cu schimbare de fază este determinată de formula:

unde = 2π/п este valoarea cu care diferă fazele semnalelor adiacente; tn - semnal simetric de n nivel sub formă de impulsuri curent continuu fără a reveni la zero, iar valorile nivelului sunt ±1, ±3 etc.

Ultima expresie este ușor redusă la forma:

Formula ne permite să reducem procesul de schimbare de fază la o combinație de modulare a amplitudinii a două secvențe de semnal.

Reprezentarea unei oscilații sinusoidale ca o combinație liniară de oscilații sinusoidale și cosinus cu o fază inițială zero este de obicei numită reprezentare în cuadratura.

Funcțiile sof ietf pentru fiecare ciclu de transmisie a semnalului sunt constante, ᴛ.ᴇ. joacă rolul de coeficienți care iau valori în conformitate cu nivelul semnalului. Funcțiile și joacă rolul de frecvențe purtătoare deplasate cu 90°. Prin adăugarea a două semnale modulate în amplitudine se obține o funcție modulată în fază. Semnalele cosinus sunt de obicei numite semnale „în fază” sau „B”, iar semnalele sinus sunt de obicei numite semnale „în fază” sau „K”.

Schema bloc a unui modulator de fază (PM), construit pe acest principiu, este prezentată în Fig. treizeci.

Orez. 30 Circuit modulator de fază generalizat: MB(t) - semnal B; Mk(t) - semnal K

Manipularea fazelor - concept și tipuri. Clasificarea și caracteristicile categoriei „Manipularea fazelor” 2017, 2018.

Spuneam că aceste semnale se obțin ca un caz special de modulare a frecvenței cu un semnal modulator digital sub forma unei secvențe de impulsuri corespunzătoare zerourilor și celor ale fluxului binar. Deoarece impulsurile semnalului de modulare își schimbă semnul atunci când bitul de informație se schimbă, am obținut codificarea deplasării în frecvență.
Prin analogie, putem lua în considerare semnalele cu tasta de schimbare de fază PSK dacă îl transmitem ca semnal modulator unui modulator de fază semnal digital. În acest articol vom vorbi despre tasta binară de schimbare de fază BPSK. Acest tip modulația a găsit o aplicație foarte largă datorită imunității ridicate la zgomot și simplității modulatorului și demodulatorului. În literatura internă, modularea BPSK este denumită PSK-2.

Semnale binare de introducere a deplasării de fază

Luați în considerare un semnal sub forma unei secvențe de impulsuri informatii digitale, așa cum se arată în Figura 1.

Figura 1: Semnal digital unipolar și bipolar

Graficul de sus arată un semnal digital unipolar, în care zeroul logic al informației corespunde cu , iar graficul de jos arată un semnal digital bipolar, în care zeroul logic al informațiilor corespunde .
Să aplicăm un semnal digital ca semnal modulator la modulatorul de fază, așa cum se arată în Figura 2, cu o abatere de fază egală cu rad.

Figura 2: Generarea semnalului BPSK pe baza unui modulator de fază

Deoarece ia doar valori egale cu 0 și 1, componentele în fază și în cuadratura ale anvelopei complexe a semnalului BPSK sunt egale:
iar schema bloc a modulatorului poate fi simplificată, așa cum se arată în Figura 3.

Figura 3: simplificat schema structurala Modulator BPSK

Cititorul atent va observa că acest circuit este exact același cu circuitul AM discutat anterior cu purtătoare suprimată (DSB), cu un semnal modulator. Graficele explicative ale modelului BPSK sunt prezentate în Figura 4.

Figura 4: Grafice explicative ale modulatorului BPSK

Informația este transmisă cu o viteză de biți/s, durata unui impuls de informație digitală este egală cu . Semnalul modulator original este înmulțit cu unda purtătoare (în figură) și obținem un semnal de fază cu un salt de fază de rad. Am observat același salt de fază la formarea unui semnal DSB. Astfel, modulația BPSK este un tip degenerat de schimbare de fază, care coincide cu echilibrat. modulație de amplitudine cu un semnal modulator digital bipolar.

Spectrul și diagrama vectorială a semnalului BPSK

Deoarece semnalul BPSK poate fi reprezentat ca un semnal DSB, spectrul său reprezintă spectrul unui semnal digital de modulare bipolar transferat la frecvența purtătoare. Figura 5 prezintă spectrul semnalului BPSK la rata de date și frecvența purtătoare . Din figura 5 se vede clar că spectrul semnalului BPSK are un lob principal și lobi laterali în scădere lent. Figura 6 prezintă relațiile de bază dintre spectrul BPSK și parametrii semnalului de modulare original.

Astfel, lobul principal al spectrului BPSK are o lățime egală cu dublul ratei de transmitere a informațiilor și este simetric față de frecvența purtătoare. Nivelul maximului (primul) lob lateral al spectrului este de -13 dB. Mai putem spune că lățimea lobilor laterali este egală cu .
Să ne uităm la diagrama vectorială a semnalului BPSK. Conform expresiei (1), componenta în fază a anvelopei complexe a semnalului BPSK este egală cu , iar componenta în cuadratura este . În acest caz, iau valorile, apoi diagrama vectorială a semnalului BPSK este prezentată în Figura 7.

Figura 7: Diagrama vectorială a semnalului BPSK

Vectorul plic complex poate lua una dintre cele două valori (la transmiterea unui zero de informație) și la transmiterea unei unități de informații.

Schimbarea de fază binară relativă (diferențială) (DBPSK)

Când transmiteți informații folosind BPSK, este necesar să folosiți sisteme de urmărire pentru a demodula semnalul. În acest caz, sunt adesea folosite dispozitive de recepție incoerente, care nu sunt potrivite în fază cu oscilatorul principal din partea de transmisie și, în consecință, nu pot urmări. viraj aleatoriu fază ca urmare a propagării dincolo de interval. De exemplu, luați în considerare Figura 8.

Figura 8: Explicația recepției BPSK necoerente

Diagrama vectorială BPSK originală (în cazul semnalelor PSK, diagrama vectorială este adesea numită o constelație) este prezentată în figurile 8a și 8d. Roșul indică valoarea corespunzătoare informației zero, iar albastrul indică una. Ca rezultat al propagării, semnalul va dobândi o aleatorie faza initiala iar constelația se va roti la un anumit unghi. Figura 8b arată cazul când rotația constelației se află în intervalul de la rad. În acest caz, cu recepție incoerentă, întreaga constelație va fi rotită așa cum se arată prin săgețile din Figura 8b. Apoi, după rotație, va lua constelația poziția inițială iar informatiile vor fi demodulate corect. Figura 8d arată cazul în care rotația constelației se află în intervalul de la rad. În acest caz, la recepție, constelația va fi rotită și pentru o poziție orizontală, dar după cum urmează din Figura 8e, zerourile și unurile de informații vor fi amestecate.
Pentru a elimina confuzia simbolurilor informaționale, se utilizează codificarea relativă, sau așa cum se mai numește și BPSK diferențial (DBPSK). Esența manipulării relative este că nu fragmentul de informație în sine este codificat, ci schimbarea sa. Structura unui sistem de transmisie de date folosind DBPSK este prezentată în Figura 9.

Figura 9: Structura unui sistem de transmisie de date folosind DBPSK

Fluxul de biți sursă este codificat diferențial, apoi modulat de BPSK și demodulat la capătul de recepție de un demodulator BPSK necoerent. Fluxul demodulat trece printr-un decodor diferenţial şi obţinem fluxul recepţionat.
Luați în considerare codificatorul diferenţial prezentat în Figura 10.

Figura 10: Encoder diferențial

Însumarea se realizează modulo doi, ceea ce corespunde XOR logic (OR exclusiv). Desemnarea înseamnă o întârziere de un bit de informație. Un exemplu de codificare diferențială este prezentat în Figura 11.

Figura 11: Exemplu de codificare diferenţială a fluxului de biţi

Fluxul de biți original este 011100101, la ieșirea codificatorului diferenţial am primit 010111001. Primul bit (în exemplul dat, primul 0 nu este codificat), apoi primul bit este adăugat modulo doi la bitul anterior la ieșire a codificatorului și a bitului curent la intrare. Pentru decodarea diferenţială, este necesar să se efectueze procedura inversă conform diagramei prezentate în Figura 12 (structura decodorului diferenţial este prezentată în Figura 9).

Figura 12: Exemplu de decodare diferenţială a fluxului de biţi

După cum se poate vedea din fluxul de biți codificat 010111001, am primit originalul 011100101. Acum luăm în considerare un decodor diferențial, dacă inversăm toți biții fluxului codificat pe partea de recepție, adică. în loc de 010111001 luăm 101000110. Acest lucru este arătat clar în Figura 13.

Figura 13: Exemplu de decodare diferențială la inversarea fluxului primit

Din figura 13 rezultă clar că atunci când toți biții de informație de la ieșirea unui decodor diferențial sunt amestecați, informația nu este distorsionată (cu excepția primului bit afișat în roșu), iar acesta este un avantaj incontestabil al DBPSK. , care permite simplificarea semnificativă a dispozitivelor de transmisie și recepție. Dar trebuie să vorbim și despre dezavantajele codificării diferențiale. Principalul dezavantaj al DBPSK în comparație cu BPSK este imunitatea mai scăzută la zgomot, deoarece erorile de recepție sunt propagate în timpul etapei de decodificare.
Să ne uităm la un exemplu. Lăsați fluxul original să fie 011100101, fluxul codificat să fie 010111001. Lăsați al patrulea bit al fluxului codificat să fie recepționat cu o eroare în timpul recepției, apoi intrarea decodorului va fi 010101001. Și, ca rezultat al decodării, doi biți întregi vor fi decodați cu o eroare (vezi Figura 14).

Figura 14: Propagarea erorii de primire în timpul decodării DBPSK

Astfel, am examinat semnalele binare de schimbare de fază (BPSK) și am arătat că BPSK este un caz special de PSK cu un semnal de intrare sub forma unui flux de impulsuri bipolare, care este degenerat și se reduce la un semnal DSB. Ne-am uitat la spectrul BPSK și la acesta caracteristici spectrale: latimea lobului principal, nivelul lobilor laterali. De asemenea, a fost introdus conceptul de codificare binară cu schimbare de fază relativă sau diferenţială DBPSK, care elimină inversarea simbolului în timpul recepţiei incoerente în etapa de decodificare, dar înrăutăţeşte imunitatea la zgomot a DBPSK în comparaţie cu BPSK din cauza propagării erorilor în etapa de decodificare.

Modularea digitală de fază este o tehnică versatilă și utilizată pe scară largă transmisie fără fir date digitale.

În articolul anterior, am văzut că putem folosi modificări discrete ale amplitudinii sau frecvenței unui purtător ca modalitate de a reprezenta unii și zerourile. Nu este de mirare că putem reprezenta și date digitale folosind faza; Această metodă se numește deplasare de fază (PSK).

Schimbarea de fază binară

Cel mai simplu tip de PSK se numește codare binară cu deplasare de fază (BPSK), unde „binar” se referă la utilizarea a două schimbări de fază (unul pentru unul logic și unul pentru zero logic).

Putem recunoaște intuitiv că sistemul va fi mai fiabil dacă separarea dintre aceste două faze este mare - desigur, receptorul va avea dificultăți în a distinge un simbol cu ​​un decalaj de fază de 90° de un simbol cu ​​un decalaj de fază de 91°. Avem un interval de fază de 360° cu care să lucrăm, deci diferenta maximaîntre fazele unu logic și zero logic este de 180°. Dar știm că comutarea unei undă sinusoidală la 180° este același lucru cu inversarea acesteia; Astfel, ne putem gândi la BPSK ca pur și simplu inversând semnalul purtător ca răspuns la o stare logică și lăsându-l în starea sa originală ca răspuns la o altă stare logică.

Pentru a face pasul următor, ne amintim că înmulțirea unei undă sinusoidală cu una negativă este același lucru cu inversarea acesteia. Acest lucru duce la posibilitatea implementării BPSK utilizând următoarea configurație hardware de bază:

Schema de bază pentru recepția unui semnal BPSK

Cu toate acestea, acest circuit poate duce cu ușurință la tranziții cu pantă mare în forma de undă purtătoare: dacă are loc o tranziție între stările logice în timp ce forma de undă purtătoare este la nivelul său. valoare maximă, tensiunea semnalului purtător ar trebui să se miște rapid la valoarea sa minimă.

Pantă mare în forma de undă BPSK atunci când se schimbă starea logică a semnalului în bandă de bază

Astfel de evenimente cu pantă mare sunt nedorite deoarece creează energie la componente de înaltă frecvență care pot interfera cu alte semnale RF. În plus, amplificatoarele au o capacitate limitată de a produce modificări bruște ale tensiunii de ieșire.

Dacă îmbunătățim implementarea de mai sus cu două funcții suplimentare, atunci putem oferi tranziții netedeîntre personaje. În primul rând, trebuie să ne asigurăm că perioada bitului digital este egală cu una sau mai multe perioade complete ale semnalului purtător. În al doilea rând, trebuie să sincronizăm tranzițiile digitale cu semnalul purtător. Cu aceste îmbunătățiri, am putea proiecta sistemul astfel încât să aibă loc o schimbare de fază de 180° atunci când semnalul purtător este la (sau aproape de) trecerea cu zero.

QPSK

BPSK transmite un bit per simbol, ceea ce suntem obișnuiți. Tot ce am discutat despre modulația digitală, a presupus că semnalul purtător se schimbă în funcție de dacă tensiune digitală la un nivel logic scăzut sau ridicat, iar receptorul recreează datele digitale interpretând fiecare caracter ca 0 sau 1.

Înainte de a discuta cuplarea cu deplasare de fază în cuadratură (QPSK), trebuie să introducem următorul concept important: nu există niciun motiv pentru care un simbol poate transporta doar un bit. Este adevărat că lumea electronicii digitale este construită în jurul unor circuite în care tensiunea este la un nivel extrem sau altul, astfel încât tensiunea reprezintă întotdeauna un singur bit digital. Dar semnalul radio nu este digital; mai degrabă, folosim semnale analogice pentru a transmite date digitale și este pe deplin acceptabil să se proiecteze un sistem în care semnalele analogice sunt codificate și interpretate astfel încât un caracter să reprezinte doi (sau mai mulți) biți.

Avantajul QPSK este că este mai mult de mare viteză transmiterea datelor: dacă păstrăm aceeași durată a simbolului, putem dubla rata de transfer de date de la emițător la receptor. Dezavantajul este complexitatea sistemului. (Ați putea crede că QPSK este mai susceptibil la erori de biți decât BPSK, deoarece separarea dintre valori posibile este mai puțin în el. Aceasta este o presupunere rezonabilă, dar dacă vă uitați la matematica lor, se dovedește că probabilitățile de eroare sunt de fapt foarte asemănătoare.)

Opțiuni

Modulația QPSK este, desigur metoda eficienta modulare. Dar poate fi îmbunătățit.

Salturi de fază

Modulația QPSK standard asigură că tranzițiile între simboluri au loc cu o pantă mare; Deoarece salturile de fază pot fi de ±90°, nu putem folosi abordarea descrisă pentru salturile de fază de 180° produse de modulația BPSK.

Această problemă poate fi atenuată prin utilizarea uneia dintre cele două variante de QPSK. Offset QPSK, care implică adăugarea unei întârzieri la unul dintre cele două fluxuri de date digitale utilizate în procesul de modulare, reduce saltul maxim de fază la 90°. O altă opțiune este π/4-QPSK, care reduce saltul maxim de fază la 135°. Astfel, OQPSK are un avantaj în reducerea discontinuităților de fază, dar π/4-QPSK câștigă deoarece este compatibil cu codificarea diferențială (discută mai jos).

O altă modalitate de a rezolva problemele cu decalajele dintre personaje este implementarea prelucrare suplimentară semnale, care creează tranziții mai fluide între caractere. Această abordare este inclusă într-o schemă de modulație numită modulație de frecvență minim shift keying (MSK), precum și o îmbunătățire a MSK cunoscută sub numele de Gaussian MSK.

Codare diferențială

O altă complicație este că demodularea semnalelor PSK este mai dificilă decât Semnale FSK. Frecvența este „absolută” în sensul că modificările de frecvență pot fi întotdeauna interpretate prin analizarea modificărilor semnalului în timp. Faza, totuși, este relativă în sensul că nu are un punct de referință universal - emițătorul generează schimbări de fază relativ la un moment în timp, iar receptorul poate interpreta schimbările de fază în raport cu un alt moment în timp.

Manifestarea practică a acestui lucru este că, dacă există diferențe între fazele (sau frecvențele) oscilatoarelor utilizate pentru modulare și demodulare, PSK devine nesigur. Și trebuie să presupunem că vor exista diferențe de fază (cu excepția cazului în care receptorul include un circuit de recuperare a purtătorului).

QPSK diferențial (DQPSK, QPSK diferențial) este o opțiune compatibilă cu receptoarele necoerente (adică receptoarele care nu sincronizează generatorul de demodulație cu generatorul de modulație). QPSK diferențial codifică datele prin crearea unui defazaj specific față de simbolul anterior, astfel încât circuitul de demodulare să analizeze faza simbolului folosind un punct de referință care este comun atât receptorului, cât și transmițătorului.

rezumat

• Schimbarea de fază binară (BPSK) este o tehnică simplă de modulare care poate transmite un bit per simbol.
• Quadrature phase shift keying (QPSK) este mai complexă, dar dublează rata de date (sau atinge aceeași rată de date cu jumătate din lățimea de bandă).
• Teclarea cu deplasare de fază în cuadratura (OQPSK), π/4-QPSK, modulația de frecvență Schimbarea minimă de fază (MSK) sunt scheme de modulație care atenuează efectele schimbărilor de tensiune a semnalului purtător cu pantă mare în timpul tranziției între simboluri.
• QPSK diferențial (DQPSK) utilizează diferența de fază dintre simbolurile adiacente pentru a evita problemele asociate cu lipsa blocării de fază între emițător și receptor.

AMn · FMn· KAM · FSK · GMSK
OFDM · COFDM · TCM AIM · DM · PCM · ΣΔ · PWM · PFM · FIM FHSS · DSSS · CSS

Manipularea fazelor(FMN, engleză) tastare cu deplasare de fază (PSK)) - unul dintre tipurile de modulație de fază, în care faza oscilației purtătorului se modifică brusc în funcție de mesajul de informare.

Descriere

Semnalul cu codificare de fază are următoarea formă:

$s\_m(t)=g(t)\backslash cos,$

Unde $g(t)$ determină anvelopa semnalului; $\backslash varphi\_m(t)$ este un semnal modulator. $\backslash varphi\_m(t)$ poate accepta $M$ valori discrete. $f\_c$- frecvența purtătoare; $t$- timp.

Dacă $M=2$, apoi este apelată tasarea cu schimbare de fază tastare binară cu schimbare de fază(BPSK, B-Binary - 1 bit per 1 schimbare de fază), dacă $M=4$ - tastare cu schimbare de fază în cuadratura(QPSK, Q-Quadro - 2 biți pe 1 schimbare de fază), $M=8$(8-PSK - 3 biți pe 1 schimbare de fază), etc. Astfel, numărul de biți $n$ transmisă printr-un salt de fază este puterea la care două sunt ridicate atunci când se determină numărul de faze necesare pentru transmisie $n$-număr binar ordinal.

Semnal cu cheie de schimbare de fază $sta)$ poate fi considerată ca o combinație liniară a două semnale ortonormale $y\_1$Și $y\_2$ :

$S\_m(t)=S\_1\; Y\_1+S\_2\; Y\_2,$

$Y\_1(t)=\backslash sqrt(\backslash frac(2)(E\_g))S\_1(t)\backslash cos,$ $Y\_2(t)=-\backslash sqrt(\backslash frac(2)(E\_g))S\_2(t)\backslash sin.$

Deci semnalul $S\_m(t)$ poate fi considerat un vector bidimensional $$. Dacă valorile $S\_1(m,\backslash ;M)$ trasate de-a lungul axei orizontale, iar valorile $S\_2(m,\backslash ;M)$- pe verticală, apoi puncte cu coordonate $S\_1(m,\backslash ;M)$Și $S\_2(m,\backslash ;M)$ vor forma diagramele spațiale prezentate în figuri.

BPSK Grey Coded.svg

Schimbarea de fază binară (BPSK)

QPSK Grey Coded.svg

Schimbarea de fază în cuadratura (QPSK)

8PSK Grey Coded.svg

Schimbare octală de fază (8-PSK)

Schimbarea de fază binară

Detectare coerentă

Probabilitatea de eroare de biți(Engleză) BER-Bit Rata de eroare ) cu PSK binar într-un canal cu zgomot alb Gaussian aditiv (AWGN) poate fi calculat prin formula:

$P\_b=Q\backslash left(\backslash sqrt(\backslash frac(2E\_b)(N\_0))\backslash right),$

$Q(x)=\backslash frac(1)(\backslash sqrt(2\backslash pi))\backslash int\backslash limits\_x^\backslash infty\; e^(-\backslash frac(t^2)(2))\backslash ,dt.$

Deoarece există 1 bit per simbol, probabilitatea de eroare per simbol este calculată folosind aceeași formulă.

În prezența unei schimbări de fază arbitrară introdusă de canalul de comunicație, demodulatorul nu este capabil să determine care punct de constelație corespunde cu 1 și 0. Ca rezultat, datele sunt adesea codificate diferențiat înainte de modulare.

Detectare necoerentă

În cazul detectării incoerente, se utilizează codificarea binară diferenţială de defazare.

Implementarea

Datele binare sunt adesea transferate de la următoarele semnale:

$s\_0(t)=\backslash sqrt(\backslash frac(2E\_b)(T\_b))\backslash cos(2\backslash pi\; f\_c\; t)$ pentru binar „0”; $s\_1(t)=\backslash sqrt(\backslash frac(2E\_b)(T\_b))\backslash cos(2\backslash pi\; f\_c\; t+\backslash pi)=-\backslash sqrt(\backslash frac(2E\_b)(T\_b))\backslash cos(2\backslash pi\; f\_c\; t\; )$ pentru binar "1",

Unde $f\_c$- frecvenţa vibraţiei purtătorului.

Schimbarea de fază în cuadratura

π/4-QPSK

Aici sunt prezentate două constelații separate folosind codificarea Gray, care sunt rotite la 45° una față de cealaltă. De obicei, biții pari și impari sunt utilizați pentru a determina punctele constelației corespunzătoare. Aceasta are ca rezultat o scădere a saltului maxim de fază de la 180° la 135°.

Pe de altă parte, utilizarea lui π/4-QPSK duce la o demodulare simplă și, ca urmare, este utilizat în sisteme comunicatii celulare cu împărțirea în timp a canalelor.

PSK de ordine superioare

PSK cu ordin mai mare de 8 este rar folosit.

PSK diferenţial

La implementarea PSK, problema rotației constelației poate apărea, de exemplu, în transmisia continuă fără sincronizare. Pentru solutii problema asemanatoare se poate folosi codificare care se bazează nu pe poziția fazei, ci pe schimbarea acesteia.

De exemplu, pentru DBPSK, faza se schimbă cu 180° pentru transmiterea unui „1” și rămâne neschimbată pentru transmiterea unui „0”.

Vezi si

Scrieți o recenzie despre articolul „Manipularea fazelor”

Note

Literatură

• Prokis, J. Comunicații digitale = Digital Communications / Klovsky D. D. - M.: Radio and Communications, 2000. - 800 p. - ISBN 5-256-01434-X.
• Sklar, Bernard. Comunicare digitală. Baza teoreticaȘi uz practic= Comunicații digitale: Fundamente și aplicații. - Ed. a II-a. - M.: „Williams”, 2007. - P. 1104. - ISBN 0-13-084788-7.
• Feer K. Comunicare digitală fără fir. Metode de modulare și spectru răspândit = Comunicații digitale fără fir: aplicații de modulare și spectru extins. - M.: Radio și comunicare, 2000. - 552 p. - ISBN 5-256-01444-7.

Legături

Un fragment care caracterizează manipularea fazelor

„Cum să-ți spun”, a răspuns Natasha, „eram îndrăgostită de Boris, de profesor, de Denisov, dar asta nu este deloc la fel”. Mă simt calm și ferm. Știu că nu există oameni mai buni decât el și mă simt atât de calm, de bine acum. Deloc ca înainte...
Nikolai și-a exprimat nemulțumirea lui Natasha că nunta a fost amânată cu un an; dar Natasha și-a atacat fratele cu amărăciune, demonstrându-i că nu se poate altfel, că ar fi rău să se alăture familiei împotriva voinței tatălui ei, că ea însăși și-a dorit.
„Nu înțelegi deloc”, a spus ea. Nikolai a tăcut și a fost de acord cu ea.
Fratele meu era adesea surprins când se uita la ea. Nu părea deloc o mireasă iubitoare, separată de mirele ei. Era uniformă, calmă și veselă, absolut ca înainte. Acest lucru l-a surprins pe Nikolai și chiar l-a făcut să privească cu neîncredere la potrivirea lui Bolkonsky. Nu credea că soarta ei fusese deja decisă, mai ales că nu-l văzuse cu ea pe prințul Andrei. I se părea că ceva nu era în regulă în această presupusă căsătorie.
„De ce întârzierea? De ce nu te-ai logodit?” el a crezut. După ce a vorbit odată cu mama sa despre sora lui, el, spre surprinderea sa și parțial spre plăcerea lui, a constatat că mama lui, în același fel, în adâncul sufletului ei, privea uneori această căsătorie cu neîncredere.
„Scrie”, a spus ea, arătând scrisoarea fiului ei Prințul Andrei cu acel sentiment ascuns de rea voință pe care o mamă îl are întotdeauna împotriva fericirii maritale viitoare a fiicei sale, „ea scrie că nu va sosi înainte de decembrie”. Ce fel de afaceri l-ar putea reține? Cu adevărat o boală! Sănătatea mea este foarte proastă. Nu-i spune Natasha. Nu te uita la cât de veselă este: aceasta este ultima dată când trăiește ca o fată și știu ce se întâmplă cu ea de fiecare dată când primim scrisorile lui. Dar, dacă vrea Dumnezeu, totul va fi bine”, a conchis ea de fiecare dată: „este o persoană excelentă”.

La început, Nikolai era serios și chiar plictisitor. Era chinuit de nevoia iminentă de a interveni în aceste chestiuni stupide casnice, pentru care îl chemase mama. Pentru a scăpa cât mai repede de această povară de pe umeri, în a treia zi de la sosire, el furios, fără să răspundă la întrebarea unde merge, s-a dus cu sprâncenele încruntate la anexa lui Mitenka și i-a cerut socoteală despre toate. . Ce erau aceste relatări despre toate, Nikolai știa chiar mai puțin decât Mitenka, care era în frică și nedumerire. Conversația și considerația lui Mitenka nu au durat mult. Șeful, eletivul și zemstvo, care așteptau în aripa din față, cu teamă și plăcere au auzit la început cum vocea tânărului conte a început să fredoneze și să trosnească de parcă s-ar ridica vreodată, au auzit cuvinte abuzive și cumplite revărsând una. după altul.
- Tâlhar! Creatură nerecunoscătoare!... Voi tăia câinele... nu cu tati... Am furat... - etc.
Atunci acești oameni, cu nu mai puțină plăcere și teamă, au văzut cum tânărul conte, tot roșu, cu ochii injectați de sânge, l-a scos pe Mitenka de guler, cu piciorul și genunchiul, cu mare dexteritate, la un moment convenabil, între cuvintele sale, l-a împins în fund și a strigat: „Ieși afară! pentru ca spiritul tău, ticălosule, să nu fie aici!”
Mityenka s-a repezit în jos șase trepte și a alergat într-un pat de flori. (Acest pat de flori era un loc binecunoscut pentru salvarea criminalilor din Otradnoye. Mitenka însuși, sosind beat din oraș, s-a ascuns în acest pat de flori, iar mulți locuitori din Otradnoye, ascunși de Mitenka, cunoșteau puterea salvatoare a acestui pat de flori.)
Soția și cumnatele lui Mitenka, cu fețe înspăimântate, se aplecau pe hol de la ușile camerei unde fierbea un samovar curat, iar patul înalt al funcționarului stătea sub o pătură matlasată, cusută din bucăți scurte.
Tânărul conte, gâfâind, fără să le acorde atenție, trecu pe lângă ei cu pași hotărâți și intră în casă.
Contesa, care a aflat imediat prin fete despre ce s-a întâmplat în anexă, pe de o parte, s-a liniștit în sensul că acum starea lor ar trebui să se îmbunătățească, pe de altă parte, era îngrijorată de cum va suporta fiul ei. Ea a mers în vârful picioarelor spre ușa lui de mai multe ori, ascultându-l fumând pipă după pipă.
A doua zi, bătrânul conte și-a chemat fiul deoparte și i-a spus cu un zâmbet timid:
– Știi, tu, sufletul meu, te-ai emoționat degeaba! Mitenka mi-a spus totul.
„Știam, gândi Nikolai, că nu voi înțelege niciodată nimic aici, în această lume proastă.”
– Ai fost supărat că nu a intrat în aceste 700 de ruble. La urma urmei, le-a scris în transport, dar nu te-ai uitat pe cealaltă pagină.
— Tată, e un ticălos și un hoț, știu. Și a făcut ce a făcut. Și dacă nu vrei, nu-i voi spune nimic.
- Nu, sufletul meu (s-a stânjenit și contele. A simțit că este un prost administrator al moșiei soției sale și era vinovat în fața copiilor săi, dar nu știa cum să corecteze asta) - Nu, vă rog să aveți grijă de afaceri, sunt bătrân, eu...
- Nu, tati, ma vei ierta daca ti-am facut ceva neplacut; Știu mai puțin decât tine.
„La naiba cu ei, cu acești oameni cu bani și transport pe toată pagina”, gândi el. Chiar și din colțul celor șase jackpot-uri am înțeles cândva, dar din pagina de transport nu înțeleg nimic”, și-a spus el și de atunci nu a mai intervenit în afaceri. Doar într-o zi, contesa și-a chemat fiul la ea, i-a spus că are cambia de două mii a Annei Mihailovna și l-a întrebat pe Nikolai ce are de gând să facă cu ea.
„Așa este”, a răspuns Nikolai. – Mi-ai spus că depinde de mine; Nu-mi place Anna Mikhailovna și nu-mi place Boris, dar au fost prietenoși cu noi și săraci. Deci asa este! - și a rupt nota de plată și cu acest act a făcut-o pe bătrâna contesă să plângă cu lacrimi de bucurie. După aceasta, tânărul Rostov, nemai intervenind în nicio chestiune, s-a apucat cu entuziasm pasionat de afacerea încă nouă a vânătorii de câini, care dimensiuni mari a fost început de bătrânul conte.

Era deja iarnă, gerurile de dimineață legau pământul, umezit de ploile de toamnă, verdeața era deja turtită și verde strălucitor despărțit de dungile de rumenire, vite ucise, iarnă și miriște galben deschis de primăvară cu dungi roșii de hrișcă. Vârfurile și pădurile, care la sfârșitul lunii august erau încă insule verzi între câmpurile negre de culturi de iarnă și miriște, au devenit insule aurii și roșu aprins printre culturile de iarnă de un verde strălucitor. Iepurele era deja pe jumătate uzată (năpârlit), așternuturile de vulpi începeau să se împrăștie, iar tinerii lupi erau mai mari decât câinii. A fost cea mai bună perioadă de vânătoare. Câinii tânărului vânător înflăcărat Rostov nu numai că au intrat în corpul de vânătoare, ci au fost și doborâți, astfel încât consiliu general Vânătorii au hotărât să le dea odihnă câinilor timp de trei zile și au pornit pe 16 septembrie, plecând din stejarul, unde era un pui de lup neatins.
Aceasta a fost situația pe 14 septembrie.
Toată această zi vânătoarea a fost acasă; Era geros și amar, dar seara a început să se răcească și să se dezghețe. Pe 15 septembrie, când tânărul Rostov s-a uitat dimineața pe fereastră în halatul său, a văzut o dimineață în care nimic nu poate fi mai bun pentru vânătoare: de parcă cerul se topea și cobora la pământ fără vânt. Singura mișcare care era în aer a fost mișcarea liniștită de sus în jos a picăturilor microscopice de mg sau ceață care coborau. Picături transparente atârnau pe ramurile goale ale grădinii și cădeau pe frunzele proaspăt căzute. Pământul din grădină, ca un mac, era negru lucios și umed și, la mică distanță, se îmbina cu acoperirea plictisitoare și umedă de ceață. Nikolai ieși pe veranda udă și noroioasă: mirosea a pădure uscată și a câini. Cățeaua cu pete negre și fundul lat, Milka, cu ochi mari negri proeminenti, văzându-și stăpânul, s-a ridicat, s-a întins pe spate și s-a întins ca un iepure, apoi a sărit brusc și l-a lins chiar pe nas și pe mustață. Un alt câine ogar, văzându-și stăpânul de pe poteca colorată, și-a arcuit spatele, s-a repezit repede spre verandă și, ridicând coada, a început să se frece de picioarele lui Nikolai.
- Oh, hai! - în acest moment s-a auzit acel strigăt de vânătoare inimitabil, care îmbină atât cel mai profund bas cât și cel mai subtil tenor; și de după colț venea Danilo, sosind și vânător, un vânător în stil ucrainean, cărunt, încrețit, cu părul tuns, un arapnik îndoit în mână și cu expresia aceea de independență și dispreț pentru tot ce este în lume care doar vânători. avea. Își scoase pălăria de circasian în fața maestrului și îl privi cu dispreț. Acest dispreț nu era ofensator pentru stăpân: Nikolai știa că acest Danilo, care disprețuia totul și stătea mai presus de orice, era încă omul și vânătorul lui.