Введение

Тип кодирования данных

Фазовая манипуляция (PSK) — это процесс цифровой модуляции, который передает данные путем изменения (модуляции) фазы несущей волны постоянной частоты. Модуляция достигается путем изменения синусоидальных и косинусоидальных входных сигналов в определенный момент времени. Она широко используется в беспроводных локальных сетях, RFID и Bluetooth-коммуникациях. Любая схема цифровой модуляции использует конечное число различных сигналов для представления цифровых данных. PSK использует конечное число фаз, каждой из которых соответствует уникальная комбинация двоичных цифр. Обычно каждая фаза кодирует одинаковое количество битов. Каждая комбинация битов формирует символ, который представлен определенной фазой. Демодулятор, разработанный специально для набора символов, используемого модулятором, определяет фазу принятого сигнала и сопоставляет ее с соответствующим символом, тем самым восстанавливая исходные данные. Для этого приемнику необходимо сравнивать фазу принятого сигнала с опорным сигналом. Такая система называется когерентной (и обозначается как CPSK). CPSK требует сложного демодулятора, поскольку он должен извлекать опорную волну из принятого сигнала и отслеживать ее для сравнения с каждым образцом. В качестве альтернативы, сдвиг фазы каждого отправленного символа можно измерить относительно фазы предыдущего отправленного символа. Поскольку символы кодируются разностью фаз между последовательными образцами, это называется дифференциальной фазовой манипуляцией (DPSK). DPSK может быть значительно проще в реализации, чем обычная PSK, поскольку это «некогерентная» схема, то есть демодулятору не требуется отслеживать опорную волну. Однако компромиссом является большее количество ошибок демодуляции.

Введение

Существует три основных класса цифровых методов модуляции, используемых для передачи данных в цифровом виде: амплитудная манипуляция (ASK), частотная манипуляция (FSK), фазовая манипуляция (PSK). Все они передают данные, изменяя некоторые характеристики базового сигнала, несущей волны (обычно синусоиды), в соответствии с сигналом данных. В случае PSK фаза изменяется для представления сигнала данных. Существует два основных способа использования фазы сигнала таким образом:

Рассматривая саму фазу как несущую информацию, в этом случае демодулятору требуется опорный сигнал для сравнения фазы принятого сигнала; или рассматривая изменение фазы как несущее информацию – дифференциальные схемы, некоторые из которых в определенной степени не нуждаются в опорной несущей. Удобным способом представления схем PSK является диаграмма созвездия. Она отображает точки на комплексной плоскости, где в данном контексте действительная и мнимая оси называются, соответственно, фазовой (in-phase) и квадратурной (quadrature) осями из-за их разделения на 90°. Такое представление на перпендикулярных осях упрощает реализацию. Амплитуда каждой точки вдоль фазовой оси используется для модуляции косинусоидальной (или синусоидальной) волны, а амплитуда вдоль квадратурной оси – для модуляции синусоидальной (или косинусоидальной) волны. По соглашению, фазовая компонента модулирует косинус, а квадратурная – синус. В PSK выбранные точки созвездия обычно располагаются с равномерным угловым интервалом по окружности. Это обеспечивает максимальное разделение фаз между соседними точками и, следовательно, наилучшую устойчивость к искажениям. Они располагаются на окружности таким образом, чтобы все они могли передаваться с одинаковой энергией. В этом случае модули комплексных чисел, которые они представляют, будут одинаковы, а значит, и амплитуды, необходимые для косинусоидальных и синусоидальных волн. Два распространенных примера – "бинарная фазовая манипуляция" (BPSK), использующая две фазы, и "квадратурная фазовая манипуляция" (QPSK), использующая четыре фазы, хотя может использоваться любое количество фаз. Поскольку передаваемые данные обычно двоичные, схема PSK обычно разрабатывается с числом точек созвездия, являющимся степенью двойки.

Бинарная клавиатура с переходом фазы (BPSK)

BPSK (также иногда называемый PRK, phase reversal keying, или 2PSK) — это простейшая форма фазовой манипуляции (PSK). Он использует две фазы, разделенные на 180°, и поэтому может также называться 2PSK. Точное расположение точек созвездия не имеет существенного значения, и на рисунке они показаны на действительной оси в точках 0° и 180°. Благодаря этому он способен выдерживать самый высокий уровень шума или искажений до того, как демодулятор примет неверное решение. Это делает его наиболее устойчивым из всех видов PSK. Однако он может модулировать только 1 бит/символ (как видно на рисунке), что делает его непригодным для приложений, требующих высокой скорости передачи данных. При наличии произвольного сдвига фазы, вносимого каналом связи, демодулятор (например, схема Костаса) не может определить, какая точка созвездия соответствует какому значению. Поэтому данные часто подвергаются дифференциальному кодированию перед модуляцией. BPSK функционально эквивалентен модуляции 2QAM.

Квадратное фазовое сдвижение (QPSK)

Иногда это называют четырехфазной модуляцией PSK, 4 PSK или 4 QAM. (Хотя базовые принципы QPSK и 4 QAM различны, результирующие модулированные радиоволны идентичны.) QPSK использует четыре точки на диаграмме созвездия, равноудаленные друг от друга по окружности. Благодаря четырем фазам, QPSK может кодировать два бита на символ, что показано на диаграмме с использованием серого кодирования для минимизации битовой ошибки (BER), которую иногда ошибочно принимают за удвоенную BER BPSK. Математический анализ показывает, что QPSK можно использовать либо для удвоения скорости передачи данных по сравнению с системой BPSK при сохранении той же полосы пропускания сигнала, либо для поддержания скорости передачи данных BPSK, но при этом уменьшая необходимую полосу пропускания вдвое. В последнем случае BER QPSK точно такая же, как BER BPSK, и ошибочное мнение об обратном – распространенная путаница при рассмотрении или описании QPSK. Передаваемый несущий сигнал может претерпевать множество фазовых сдвигов. Учитывая, что радиочастотные каналы распределяются такими организациями, как Федеральная комиссия по связи, с установленной (максимальной) полосой пропускания, преимущество QPSK перед BPSK становится очевидным: QPSK передает в два раза большую скорость передачи данных в заданной полосе пропускания по сравнению с BPSK при той же BER. Инженерным компромиссом является то, что передатчики и приемники QPSK сложнее, чем для BPSK. Однако, благодаря современной электронной технике, увеличение стоимости незначительно. Как и в случае с BPSK, на приемной стороне возникают проблемы с неопределенностью фазы, поэтому на практике часто используется дифференциально кодированный QPSK.

Оффсет QPSK (OQPSK)

Оффсетная квадратурная фазовая манипуляция (OQPSK) — это вариант фазовой манипуляции, использующий четыре различных значения фазы для передачи данных. Иногда её называют сдвинутой квадратурной фазовой манипуляцией (SQPSK). Использование четырех значений фазы (двух бит) одновременно для формирования символа QPSK может приводить к скачкам фазы сигнала до 180° за раз. При фильтрации сигнала низкочастотным фильтром (что типично для передатчика), такие сдвиги фазы вызывают значительные колебания амплитуды, что нежелательно в системах связи. Смещение времени нечетных и четных битов на один период бита, или половину периода символа, предотвращает одновременное изменение квадратурных компонент. На диаграмме созвездия, представленной справа, видно, что это ограничивает сдвиг фазы до 90° за раз. Это обеспечивает значительно меньшие колебания амплитуды по сравнению с QPSK без смещения и часто предпочтительнее на практике. Рисунок справа демонстрирует разницу в поведении фазы между обычной QPSK и OQPSK. Видно, что на первом графике фаза может изменяться на 180° мгновенно, в то время как в OQPSK изменения никогда не превышают 90°. Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайной двоичной последовательности данных. Обратите внимание на смещение на половину периода символа между двумя составляющими волнами. Резкие сдвиги фазы происходят примерно в два раза чаще, чем при QPSK (поскольку сигналы больше не изменяются одновременно), но они менее выражены. Иными словами, величина скачков фазы меньше в OQPSK по сравнению с QPSK.

SOQPSK

Лицензионный формат офсетной QPSK (SOQPSK) совместим с запатентованной Feher QPSK (FQPSK) в том смысле, что интегрально-сбросный детектор QPSK выдает одинаковый результат независимо от используемого передатчика. Эти методы модуляции тщательно формируют I и Q-сигналы таким образом, чтобы они изменялись очень плавно, и амплитуда сигнала оставалась постоянной даже во время переключений. (Вместо мгновенного или даже линейного перехода от одного символа к другому, сигнал плавно перемещается по окружности постоянной амплитуды от одного символа к следующему.) Модуляция SOQPSK может быть представлена как гибрид QPSK и MSK: SOQPSK имеет ту же диаграмму созвездия, что и QPSK, однако фаза SOQPSK всегда стационарна. Стандартное описание SOQPSK TG использует троичные символы. SOQPSK является одной из наиболее распространенных схем модуляции при использовании в системах спутниковой связи на низких околоземных орбитах (LEO).

π/4-QPSK

В этом варианте QPSK используются два идентичных созвездия, повернутых на 45° (в радианах, отсюда и название) относительно друг друга. Как правило, для выбора точек из одного созвездия используются чётные или нечётные символы, а остальные символы выбирают точки из другого созвездия. Это также уменьшает фазовые сдвиги с максимума 180° до максимума 135°, поэтому амплитудные колебания QPSK находятся между OQPSK и QPSK без сдвига фазы. Особенностью этой схемы модуляции является то, что при представлении модулированного сигнала в комплексной плоскости переходы между символами никогда не проходят через точку 0. Иными словами, сигнал не проходит через начало координат. Это снижает динамический диапазон колебаний сигнала, что является желательным при разработке сигналов связи. С другой стороны, QPSK легко демодулируется и используется, например, в системах сотовой связи TDMA. Модулированный сигнал показан ниже для короткого сегмента случайной двоичной последовательности данных. Построение такое же, как и для обычного QPSK. Последовательные символы выбираются из двух созвездий, показанных на диаграмме. Таким образом, первый символ (1 1) взят из "синего" созвездия, а второй символ (0 0) – из "зелёного" созвездия. Обратите внимание, что амплитуды двух компонентных волн изменяются при переключении между созвездиями, но амплитуда общего сигнала остаётся постоянной (постоянная огибающая). Фазовые сдвиги находятся между фазовыми сдвигами, показанными на двух предыдущих диаграммах.

DPQPSK

Двойная поляризация квадратурной фазовой манипуляции (DPQPSK) или двойная поляризация QPSK предполагает поляризационное мультиплексирование двух различных сигналов QPSK, что позволяет увеличить спектральную эффективность в два раза. Это экономически выгодная альтернатива использованию 16 PSK вместо QPSK для достижения двукратного увеличения спектральной эффективности.

PSK высшего порядка

Для построения созвездия PSK может быть использовано любое количество фаз, но 8-PSK обычно является созвездием PSK с наибольшим числом фаз, которое применяется на практике. При использовании более 8 фаз вероятность ошибок становится слишком высокой, и существуют более эффективные, хотя и более сложные, методы модуляции, такие как квадратурная амплитудная модуляция (QAM). Несмотря на то, что может быть использовано любое количество фаз, тот факт, что созвездие обычно работает с двоичными данными, означает, что число символов, как правило, является степенью двойки, чтобы обеспечить целое число бит на символ.

Дифференциальная кодировка

Дифференциальная фазовая манипуляция (DPSK) — это распространенная форма фазовой модуляции, которая передает данные путем изменения фазы несущей волны. Как упоминалось для BPSK и QPSK, существует неопределенность фазы, если диаграмма рассеяния вращается из-за какого-либо эффекта в канале связи, через который проходит сигнал. Эту проблему можно решить, используя данные для изменения, а не для задания фазы. Например, в дифференциально кодированном BPSK двоичная "1" может передаваться путем добавления 180° к текущей фазе, а двоичный "0" — путем добавления 0° к текущей фазе. Другой вариант DPSK — симметричная дифференциальная фазовая манипуляция, SDPSK, где кодирование будет +90° для "1" и −90° для "0". В дифференциально кодированном QPSK (DQPSK) фазовые сдвиги составляют 0°, 90°, 180°, −90°, соответствующие данным "00", "01", "11", "10". Этот тип кодирования может быть демодулирован таким же образом, как и для недифференциальной PSK, но неопределенности фазы можно игнорировать. Таким образом, каждый принятый символ демодулируется в одну из точек диаграммы рассеяния, а затем компаратор вычисляет разность фаз между этим принятым сигналом и предыдущим. Разность кодирует данные, как описано выше. Симметричная дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (SDQPSK) аналогична DQPSK, но кодирование симметрично, с использованием значений фазового сдвига −135°, −45°, +45° и +135°. Модулированный сигнал показан ниже для DBPSK и DQPSK, как описано выше. На рисунке предполагается, что сигнал начинается с нулевой фазы, поэтому в обоих сигналах наблюдается сдвиг фазы. Анализ показывает, что дифференциальное кодирование примерно удваивает вероятность ошибки по сравнению с обычной PSK, но этого можно избежать лишь небольшим увеличением. Кроме того, этот анализ (и графические результаты ниже) основаны на системе, в которой единственным искажением является аддитивный белый гауссовский шум (AWGN). Однако между передатчиком и приемником в системе связи также будет физический канал. Этот канал, как правило, вносит неизвестный фазовый сдвиг в сигнал PSK; в этих случаях дифференциальные схемы могут обеспечить более низкую вероятность ошибки, чем обычные схемы, которые полагаются на точную информацию о фазе. Одним из наиболее популярных применений DPSK является стандарт Bluetooth, в котором были реализованы DQPSK и 8 DPSK.

Приложения

Благодаря простоте PSK, особенно по сравнению с модуляцией квадратурной амплитуды (QAM), он широко используется в существующих технологиях. Стандарт беспроводной локальной сети IEEE 802.11b 1999 использует различные виды PSK в зависимости от требуемой скорости передачи данных. При базовой скорости 1 Мбит/с используется DBPSK (дифференциальный BPSK). Для обеспечения расширенной скорости 2 Мбит/с используется DQPSK. Для достижения скорости 5,5 Мбит/с и полной скорости 11 Мбит/с используется QPSK, но он должен быть объединен с кодовым мультиплексированием. Стандарт высокоскоростной беспроводной локальной сети IEEE 802.11g 2003 имеет восемь скоростей передачи данных: 6, 9, 12, 18, 24, 36, 48 и 54 Мбит/с. В режимах 6 и 9 Мбит/с используется модуляция OFDM, где каждая поднесущая модулируется BPSK. В режимах 12 и 18 Мбит/с используется OFDM с QPSK. Самые быстрые четыре режима используют OFDM с различными видами QAM. Благодаря своей простоте BPSK подходит для недорогих пассивных передатчиков и используется в стандартах RFID, таких как ISO/IEC 14443, который применяется для биометрических паспортов, кредитных карт, таких как American Express ExpressPay, и многих других приложений. Bluetooth 2 использует DQPSK при более низкой скорости (2 Мбит/с) и 8 DPSK при более высокой скорости (3 Мбит/с), когда соединение между двумя устройствами достаточно устойчиво. Bluetooth 1 использует Gaussian minimum shift keying, бинарную схему, поэтому любой выбор модуляции в версии 2 обеспечит более высокую скорость передачи данных. Аналогичная технология, IEEE 802.15.4 (беспроводной стандарт, используемый Zigbee), также использует PSK в двух диапазонах частот: 868–915 МГц с BPSK и 2,4 ГГц с OQPSK. Как QPSK, так и 8PSK широко используются в спутниковом вещании. QPSK по-прежнему широко используется для потоковой передачи спутниковых каналов SD и некоторых HD-каналов. Программы высокой четкости передаются почти исключительно в 8PSK из-за более высоких битрейтов HD-видео и высокой стоимости спутниковой полосы пропускания. Стандарт DVB-S2 требует поддержки как QPSK, так и 8PSK. Чипсеты, используемые в новых спутниковых приставках, такие как серия Broadcom 7000, поддерживают 8PSK и обратно совместимы со старым стандартом. Исторически, голосовые синхронные модемы, такие как Bell 201, 208 и 209, а также CCITT V.26, V.27, V.29, V.32 и V.34 использовали PSK.