Кіріспе

Деректерді кодтау түрі

Фазалық манипуляция (PSK) – тұрақты жиіліктік тасымалдаушы толқынның фазасын өзгерту (модуляциялау) арқылы деректерді жеткізетін цифрлық модуляция процесі. Модуляция нақты уақытта синус және косинус кірістерін өзгерту арқылы жүзеге асырылады. Ол сымсыз LAN, RFID және Bluetooth байланыстарында кеңінен қолданылады. Кез келген цифрлық модуляция схемасы цифрлық деректерді көрсету үшін шектеулі сандағы ерекше сигналдарды пайдаланады. PSK шектеулі сандағы фазаларды қолданады, олардың әрқайсысына бірегей екілік сандар тізбегі сәйкес келеді. Әдетте, әрбір фаза бірдей сандағы биттерді кодтайды. Биттердің әрбір тізбегі белгілі бір фазамен көрсетілетін символ құрайды. Модуляторда қолданылатын символдар жинағына арналған демодулятор алынған сигналдың фазасын анықтап, оны көрсеткен символға қайтарады, осылайша бастапқы деректерді қалпына келтіреді. Бұл қабылдағыштан алынған сигналдың фазасын эталондық сигналмен салыстыру қабілетін талап етеді, мұндай жүйе когерентті деп аталады (және CPSK деп белгіленеді). CPSK күрделі демодуляторды қажет етеді, өйткені ол алынған сигналдан эталондық толқынды бөліп алып, оны қадағалап, әрбір үлгіні салыстыру керек. Балама ретінде, әрбір жіберілген символдың фазалық ауысуын алдыңғы жіберілген символдың фазасына қатысты өлшеуге болады. Символдар кезекті үлгілер арасындағы фаза айырмашылығымен кодталғандықтан, бұл дифференциалдық фазалық манипуляция (DPSK) деп аталады. DPSK қарапайым PSK-ға қарағанда әлдеқайда оңайрақ іске асырылуы мүмкін, өйткені бұл «когерентті емес» схема, яғни демодулятор эталондық толқынды қадағалау қажеттілігі жоқ. Бірақ, мұның кемшілігі – демодуляция қателерінің көбеюі.

Кіріспе

Цифрлық түрде бейнеленген деректерді беру үшін қолданылатын цифрлық модуляция техникаларының үш негізгі класы бар:

Амплитудалық қалыптау (ASK)
Жиіліктік қалыптау (FSK)
Фазалық қалыптау (PSK)

Барлығы дерек сигналына жауап ретінде базалық сигналдың – тасымалдаушы толқынның (әдетте синусоиданың) кейбір аспектілерін өзгерту арқылы деректерді жеткізеді. PSK жағдайында фаза дерек сигналын көрсету үшін өзгертіледі. Сигналдың фазасын осылай пайдаланудың екі негізгі тәсілі бар:

Фазаның өзін ақпарат жеткізуші ретінде қарастыру, онда демодулятор алынған сигналдың фазасын салыстыру үшін эталондық сигналға ие болуы керек; немесе
Фазаның өзгеруін ақпарат жеткізуші дифференциалдық схемалар ретінде қарастыру, олардың кейбіреулеріне белгілі бір деңгейде эталондық тасымалдаушы қажет болмайды. PSK схемаларын көрсетудің ыңғайлы әдісі – шоқжұлдыздық диаграмма. Бұл күрделі жазықтықтағы нүктелерді көрсетеді, мұнда нақты және жолғанатқан осьтер 90° бұрышпен бөлінуіне байланысты сәйкесінше фазалық және квадраттық осьтер деп аталады. Перпендикуляр осьтердегі мұндай бейнелеу тікелей жүзеге асыруға қолайлы. Фазалық ось бойындағы әрбір нүктенің амплитудасы косинус (немесе синус) толқынын модуляциялау үшін, ал квадраттық ось бойындағы амплитудасы синус (немесе косинус) толқынын модуляциялау үшін қолданылады. Конвенция бойынша, фазалық косинусты, ал квадраттық синусты модуляциялайды. PSK-да шоқжұлдыздық нүктелер әдетте шеңбердің айналасында біртекті бұрыштық аралықпен орналастырылады. Бұл жақын орналасқан нүктелер арасында максималды фазалық айырмашылықты қамтамасыз етеді, соның салдарынан сыбайлас жемқорлыққа қарсы тұру қабілеті артады. Олар шеңберде орналасады, сондықтан олардың барлығы бірдей энергиямен берілуі мүмкін. Осылайша, олар көрсететін комплекс сандардың модульдері бірдей болады, демек косинус және синус толқындары үшін қажетті амплитудалар да солай болады. Екі кең таралған мысал – екі фазаны пайдаланатын «бинарлық фазалық қалыптау» (BPSK) және төрт фазаны пайдаланатын «квадраттық фазалық қалыптау» (QPSK), бірақ кез келген фазалар саны қолданылуы мүмкін. Жіберілетін деректер көбінесе екілік болғандықтан, PSK схемасы әдетте шоқжұлдыздық нүктелер саны екінің дәрежесімен жасалады.

Бинарлық фазалық ауысуды кілттеу (BPSK)

BPSK (кейде PRK, фазалық кері кілттеу немесе 2PSK деп те аталады) – фазалық ауысу кілттеуінің (PSK) ең қарапайым түрі. Ол 180° бұрылыспен бөлінген екі фазаны пайдаланады, сондықтан оны 2 PSK деп те атауға болады. Констелляция нүктелерінің нақты қайда орналасқаны аса маңызды емес, және бұл суретте олар 0° және 180° бұрыштарында нақты осьте көрсетілген. Осының арқасында демодулятор қате шешімге келмес бұрын ең жоғары шу деңгейіне немесе бұрмалауға төтеп бере алады. Бұл оны барлық PSK түрлерінің ішінде ең сенімдісі етеді. Дегенмен, ол тек 1 бит/символ (суретте көрсетілгендей) модуляциялай алады, сондықтан жоғары жылдамдықты деректерді беруге қолайлы емес. Коммуникация арнасының енгізген кез келген фазалық ауысуы болған жағдайда, демодулятор (мысалы, Костас тізбегін қараңыз) констелляцияның қай нүктесінің қайсы екенін анықтай алмайды. Сондықтан деректер көбінесе модуляцияға дейін дифференциалды түрде кодталады. BPSK функционалды түрде 2 QAM модуляциясына балама болып табылады.

Квадраттық фазалық ауысуды кілттеу (QPSK)

Кейде бұл төрт фазалы PSK, 4 PSK немесе 4 QAM деп аталады. (QPSK және 4 QAM түбірлік ұғымдары әртүрлі болғанымен, нәтижесінде модульденген радио толқындар бірдей болады.) QPSK шоқжұлдыз диаграммасындағы төрт нүктені пайдаланады, олар шеңбердің айналасында тең аралықта орналасқан. Төрт фазасы бар QPSK әр символға екі битті кодтай алады, бұл диаграммада Грей кодтау арқылы биттік қателік деңгейін (BER) азайту үшін көрсетілген, кейде BPSK-нің BER-інен екі есе төмен деп жаңылыс түсініледі. Математикалық талдау QPSK-ті сигналдың енінің сол деңгейін сақтай отырып, BPSK жүйесімен салыстырғанда деректерді беру жылдамдығын екі есе арттыру үшін немесе BPSK деректерді беру жылдамдығын сақтап, қажетті енді жартылай азайту үшін қолдануға болатынын көрсетеді. Бұл жағдайда QPSK-ның BER-і BPSK-ның BER-імен бірдей, және QPSK-ны қарастырғанда немесе сипаттағанда мұны қате түсіну жиі кездеседі. Жіберілген тасымалдаушы фазалық өзгерістерге ұшырауы мүмкін. Радиобайланыс арналарын Федералды байланыс комиссиясы сияқты агенттіктер белгілі бір (максималды) енмен бөліп береді, сондықтан QPSK-ның BPSK-ға қарағанда артықшылығы анық: QPSK берілген енде BPSK-ға қарағанда екі есе көп деректерді жібереді, ал BER бірдей болады. QPSK таратушылары мен қабылдағыштары BPSK-ге қарағанда күрделірек – бұл инженерлік құн. Алайда, қазіргі заманғы электроника технологиясымен бұл құн өте шамалы. BPSK-дегідей, қабылдаушы жағында фазалық беймаздық мәселелері де болады, сондықтан дифференциалды кодталған QPSK практикада жиі қолданылады.

ҚҚҚСК (ОҚҚСК)

Оффсеттік квадратуралық фазалық модуляция (OQPSK) – фазалық модуляцияның бір түрі, ол сигналды беру үшін төрт түрлі фазалық мәнді пайдаланады. Кейде бұл қадамды квадратуралық фазалық модуляция (SQPSK) деп те аталады. QPSK символын құру үшін фазаның төрт мәнін (екі бит) бір уақытта қолданғанда, сигнал фазасы бірден 180°-қа дейін өзгеруі мүмкін. Сигнал төмен өткішті сүзгіден өткенде (мұндай жағдайлар беріліс құрылғыларында жиі кездеседі), мұндай фазалық өзгерістер үлкен амплитудалық тербелістерге алып келеді, бұл байланыс жүйелері үшін қабылдаусыз. Бір және екі биттің уақытын бір бит периодына немесе жарты символ периодына ығыстыру арқылы, фазалық және квадратуралық компоненттер бір уақытта өзгермейді. Оң жақтағы шоқжұлдыздық диаграммада фазалық ауысу бір уақытта 90°-тан аспайтыны көрінеді. Бұл, офсеттік QPSK-та амплитудалық тербелістердің азаюын қамтамасыз етеді және кейде практикалық қолдануда артықшылыққа ие болады. Оң жақтағы суретте қарапайым QPSK және OQPSK арасындағы фазаның өзгеруінің айырмашылығы көрсетілген. Бірінші графикте фаза бірден 180°-қа өзгеруі мүмкін, ал OQPSK-та өзгерістер 90°-тан аспайды. Модуляцияланған сигнал кездейсоқ екілік деректер ағынының қысқа бөлігі үшін төменде көрсетілген. Екі компоненттік толқын арасындағы жарты символ периодының ығысуына назар аударыңыз. Фазалық ауысулар QPSK-қа қарағанда шамамен екі есе жиі болады (сигналдар енді бір уақытта өзгермейтіндіктен), бірақ олардың күші аз. Яғни, OQPSK-та секірулердің мөлшері QPSK-мен салыстырғанда кішірек.

SOQPSK

Лицензиясыз формалы офсеттік QPSK (SOQPSK) Feher патенттелген QPSK (FQPSK) жүйесімен үйлесімді, себебі интегралдау және жинақтау офсеттік QPSK детекторы, қандай транслятор қолданылса да, бірдей нәтиже береді. Бұл модуляциялар I және Q толқын формаларын мұқият қалыптастырады, осылайша олар өте тегіс өзгеріп, сигнал өту кезінде де тұрақты амплитуданы сақтайды. (Бір символдан екіншісіне тікелей немесе тіпті сызықты емес, тұрақты амплитуда шеңбері бойымен бірте-бірте өтеді.) SOQPSK модуляциясын QPSK және MSK гибриді ретінде қарастыруға болады: SOQPSK-тың сигнал шоқжұлдызы QPSK-қа ұқсас, бірақ SOQPSK фазасы әрқашан тұрақты. SOQPSK TG стандартты сипаттамасында үштік символдар қолданылады. SOQPSK – LEO спутниктік байланысында қолданылатын ең көп таралған модуляция схемаларының бірі.

π/4-QPSK

QPSK-ның бұл түрі екі бірдей шоқжұлдызды қолданады, олар бір-біріне қатысты 45° (радиан, сондықтан осылай аталады) бұрылған. Әдетте, жұп немесе тақ символдар шоқжұлдыздардың бірінен нүктелерді таңдау үшін, ал қалған символдар екінші шоқжұлдыздан нүктелерді таңдау үшін пайдаланылады. Бұл фазалық ығысуларды ең көп 180°-тан 135°-қа дейін азайтады, сондықтан QPSK амплитудасының өзгеруі OQPSK және оффсетсіз QPSK арасында болады. Бұл модуляция схемасының бір ерекшелігі – модуляцияланған сигнал комплекс доменде көрсетілгенде, символдар арасындағы өтулер ешқашан 0-ден өтпейді. Яғни, сигнал нөлдік нүктеден өтпейді. Бұл коммуникация сигналдарын жасау кезінде қажетті сигналдың динамикалық диапазонын төмендетуге мүмкіндік береді. Екінші жағынан, QPSK оңай демодуляцияға бейім және, мысалы, TDMA ұялы телефон жүйелерінде қолдануға қабылданған. Модуляцияланған сигнал кездейсоқ екілік деректер ағынының қысқа бөлігі үшін төменде көрсетілген. Құрылысы қарапайым QPSK үшін жоғарыда сипатталғандай. Бірінен соң бірі келетін символдар диаграммада көрсетілген екі шоқжұлдыздан алынады. Осылайша, бірінші символ (1 1) "көк" шоқжұлдызынан, ал екінші символ (0 0) "жасыл" шоқжұлдызынан алынады. Екі компоненттік толқынның амплитудасы шоқжұлдыздар арасында ауысқанда өзгеретінін, бірақ сигналдың жалпы амплитудасы тұрақты болатынын (тұрақты конверт) ескеріңіз. Фазалық ығысулар алдыңғы екі уақыт диаграммасы арасындағы мәндерге сәйкес келеді.

DPQPSK

Қос поляризациялық квадратуралық фазалық модуляция (DPQPSK) немесе қос поляризациялық QPSK екі түрлі QPSK сигналын поляризациялық мультиплекстеуді қамтиды, соның арқасында спектрлік тиімділік 2 есеге артады. Бұл, спектрлік тиімділікті екі есеге арттыру үшін QPSK орнына 16 PSK қолдануға қарағанда тиімді әлтернатива болып табылады.

Жоғары деңгейдегі PSK

PSK шоқжұлдызын құру үшін кез келген санды фаза қолдануға болады, бірақ 8 PSK көбінесе қолданылатын ең жоғары ретті PSK шоқжұлдызы болып табылады. 8 фазадан астам болғанда қателік деңгейі тым жоғары болады, сондықтан квадратуралық амплитудалық модуляция (QAM) сияқты, күрделі болғанымен, тиімдірек модуляциялар қолданылады. Кез келген санды фаза қолдануға болатындықтан, шоқжұлдыз көбінесе екілік деректермен жұмыс істейтінін ескерсек, символдар саны символға арналған біттердің толық санын қамтамасыз ету үшін әдетте 2-нің дәрежесі болады.

Дифференциалдық кодтау

Дифференциалдық фазалық модуляция (DPSK) – тасымалдаушы толқынның фазасын өзгерту арқылы деректерді жеткізетін фазалық модуляцияның кең таралған түрі. BPSK және QPSK үшін айтылғандай, егер шоқжұлдыз сигналды байланыс арнасының әсерінен бұру нәтижесінде фазаның белгісіздігі туындаса, оны жоюға болады. Бұл мәселені фазаны белгілеудің орнына деректерді өзгерту арқылы шешуге болады. Мысалы, дифференциалды кодталған BPSK-да, екілік "1" ағымдағы фазаға 180° қосылып, екілік "0" ағымдағы фазаға 0° қосылып жіберіледі. DPSK-ның тағы бір түрі – симметриялық дифференциалдық фазалық модуляция (SDPSK), онда "1" үшін +90°, ал "0" үшін -90° кодталады. Дифференциалды кодталған QPSK (DQPSK) үшін фазалық ауысымдар 0°, 90°, 180°, -90° шамасына тең, бұл сәйкесінше "00", "01", "11", "10" деректеріне сәйкес келеді. Мұндай кодтауды дифференциалдық емес PSK сияқты демодуляциялауға болады, бірақ фазалық белгісіздіктерді ескермеуге болады. Осылайша, әрбір алынған символ шоқжұлдыздағы бір нүктеге демодуляцияланады, ал салыстырғыш осы алынған сигнал мен алдыңғы сигналдың арасындағы фаза айырмасын есептейді. Айырма жоғарыда сипатталғандай деректерді кодтайды. Симметриялық дифференциалдық квадратуралық фазалық модуляция (SDQPSK) DQPSK-қа ұқсас, бірақ кодтау симметриялы, фазалық ауысымдардың мәндері -135°, -45°, +45° және +135° болып табылады. Модуляцияланған сигнал DBPSK және DQPSK үшін жоғарыда сипатталғандай төменде көрсетілген. Суретте сигналдың нөлдік фазадан басталатыны болжанады, сондықтан екі сигналдың да фазалық ауысымы бар. Талдау көрсетседі, дифференциалдық кодтау қарапайым PSK-мен салыстырғанда қателік деңгейін шамамен екі есеге арттырады, бірақ оны аздаған арттыру арқылы жеңуге болады. Сонымен қатар, бұл талдау (және төмендегі графикалық нәтижелер) тек адитивті ақ Гаусс шуы (AWGN) бар жүйеге негізделген. Дегенмен, байланыс жүйесінде таратқыш пен қабылдағыш арасында физикалық арна да болады. Бұл арна, әдетте, PSK сигналына белгісіз фазалық ауысым енгізеді; мұндай жағдайларда дифференциалдық схемалар дәл фазалық ақпаратқа сенеген қарапайым схемаларға қарағанда жақсы қателік деңгейін қамтамасыз ете алады. DPSK-ның ең танымал қолданыстарының бірі – Bluetooth стандарты, онда DQPSK және 8 DPSK іске асырылған.

Қолданбалар

PSK-ның қарапайымдылығы, әсіресе оның бәсекелес квадратуралық амплитудалық модуляциямен салыстырғанда, қазіргі технологияларда кеңінен қолданылады. Сымсыз LAN стандарты IEEE 802.11b 1999, қажетті деректер жылдамдығына байланысты әртүрлі PSK түрлерін қолданады. 1 Мбит/с негізгі жылдамдықта ол DBPSK (дифференциалдық BPSK) қолданады. 2 Мбит/с кеңейтілген жылдамдықты қамтамасыз ету үшін DQPSK қолданылады. 5,5 Мбит/с және толық 11 Мбит/с жылдамдыққа жету үшін QPSK қолданылады, бірақ оны қосымша кодты кілттеумен (complementary code keying) үйлестіру қажет. Жоғары жылдамдықты сымсыз LAN стандарты IEEE 802.11g 2003 сегіз деректер жылдамдығына ие: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 және 54 Мбит/с. 6 және 9 Мбит/с режимдерінде әрбір субтасымалдаушы BPSK модуляцияланған OFDM модуляциясы қолданылады. 12 және 18 Мбит/с режимдерінде QPSK-мен OFDM қолданылады. Ең жылдам төрт режимде квадратуралық амплитудалық модуляцияның түрлерімен OFDM қолданылады. Қарапайымдылығының арқасында BPSK төмен құнды пассивті хабар таратушылар үшін қолайлы және биометриялық паспорттар, American Express ExpressPay сияқты кредиттік карталар және көптеген басқа да қолданбалар үшін қабылданған ISO/IEC 14443 сияқты RFID стандарттарында қолданылады. Bluetooth 2 төменгі жылдамдықта (2 Мбит/с) DQPSK, ал жоғары жылдамдықта (3 Мбит/с) 8 DPSK қолданады, егер екі құрылғы арасындағы байланыс жеткілікті деңгейде берік болса. Bluetooth 1 Gaussian minimum shift keying, екілік схемамен модуляциялайды, сондықтан 2-ші нұсқадағы модуляция таңдауы жоғары деректер жылдамдығын қамтамасыз етеді. Осыған ұқсас технология, IEEE 802.15.4 (Zigbee қолданатын сымсыз стандарт) да PSK-ге екі жиілік диапазонында сүйенеді: 868–915 МГц BPSK-мен және 2,4 ГГц OQPSK-мен. QPSK және 8PSK спутниктік хабар таратуда кеңінен қолданылады. QPSK әлі де SD спутниктік арналарды және кейбір HD арналарды таратуда кеңінен қолданылады. Жоғары сапалы бағдарламалар HD бейнелердің жоғары битреті және спутниктік жолақтың жоғары құны себепті көбінесе 8PSK арқылы беріледі. DVB S2 стандарты QPSK және 8PSK қолдауын талап етеді. Жаңа спутниктік топтық қораптарда қолданылатын чипсеттер, мысалы Broadcom 7000 сериясы 8PSK қолдайды және ескі стандартпен кері үйлесімді. Тарихи тұрғыдан алғанда, Bell 201, 208 және 209, сондай-ақ CCITT V.26, V.27, V.29, V.32 және V.34 дауыс жолақты синхронды модемдер PSK-ды қолданды.