Четырехпозиционная фазовая модуляция (QPSK)
Из теории связи известно, что наивысшей помехоустойчивостью обладает двоичная фазовая модуляция BPSK. Однако в ряде случаев за счет уменьшения помехоустойчивости канала связи можно увеличить его пропускную способность. Более того, при применении помехоустойчивого кодирования можно более точно планировать зону, охватываемую системой мобильной связи.
В четырехпозиционной фазовой модуляции используются четыре значения фазы несущего колебания. В этом случае фаза y(t) сигнала, описываемого выражением (25) должна принимать четыре значения: 0°, 90°, 180° и 270°. Однако чаще используются другие значения фаз: 45°, 135°, 225° и 315°. Такой вид представления квадратурной фазовой модуляции приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. Полярная диаграмма сигнала четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK
На этом же рисунке представлены значения бит, передаваемых каждым состоянием фазы несущего колебания. Каждое состояние осуществляет передачу сразу двух бит полезной информации. При этом содержимое бит выбрано таким образом, чтобы переход к соседнему состоянию фазы несущего колебания за счет ошибки приема приводил не более чем к одиночной битовой ошибке.
Обычно для формирования сигнала QPSK модуляции используется квадратурный модулятор. Для реализации квадратурного модулятора потребуется два умножителя и сумматор сигналов. На входы умножителей можно подавать входные битовые потоки непосредственно в коде NRZ. Структурная схема такого модулятора приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Структурная схема модулятора QPSK – NRZ
Так как при этом виде модуляции в течение одного символьного интервала передается сразу два бита входного битового потока, то символьная скорость этого вида модуляции составляет 2 бита на символ. Это означает, что при реализации модулятора следует разделять входной поток на две составляющих — синфазную составляющую I и квадратурную составляющую Q. Синхронизацию последующих блоков следует вести с символьной скоростью.
При такой реализации спектр сигнала на выходе модулятора получается ничем не ограниченный и его примерный вид приведен на рисунке 3.
Рисунок 3. Спектр сигнала четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK, модулированного сигналом NRZ
Естественно, этот сигнал можно ограничить по спектру при помощи полосового фильтра, включенного на выходе модулятора, однако так никогда не делают. Намного эффективнее работает фильтр Найквиста. Структурная схема квадратурного модулятора сигнала QPSK, построенная с использованием фильтра Найквиста приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Структурная схема модулятора QPSK с использованием фильтра Найквиста
Фильтр Найквиста можно реализовать только с использованием цифровой техники, поэтому в схеме, приведенной на рисунке 4, перед квадратурным модулятором предусмотрен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Особенностью работы фильтра Найквиста является то, что в промежутках между отсчетными точками сигнал на его входе должен отсутствовать, поэтому на его входе стоит формирователь импульсов, выдающий сигнал на свой выход только в момент отсчетных точек. Все остальное время на его выходе присутствует нулевой сигнал.
Пример формы передаваемого цифрового сигнала на выходе фильтра Найквиста приведен на рисунке 5. Сигнал на графике выглядит непрерывным благодаря достаточно высокой частоте дискретизации.
Рисунок 5. Пример временной диаграммы сигнала Q при четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK
Так как для сужения спектра радиосигнала в передающем устройстве используется фильтр Найквиста, то межсимвольные искажения в сигнале отсутствуют только в сигнальных точках. Это отчетливо видно по глазковой диаграмме сигнала Q, приведенной на рисунке 6.
Рисунок 6. глазковая диаграмма сигнала на входе Q модулятора
Кроме сужения спектра сигнала, применение фильтра Найквиста приводит к изменению амплитуды формируемого сигнала. В промежутках между отсчетными точками сигнала амплитуда может, как возрастать по отношению к номинальному значению, так и уменьшаться почти до нулевого значения.
Для того чтобы отследить изменения, как амплитуды сигнала QPSK, так и его фазы лучше воспользоваться векторной диаграммой. Векторная диаграмма того же самого сигнала, что приведен на рисунках 5 и 6, показана на рисунке 7.
Рисунок 7 векторная диаграмма QPSK сигнала c α = 0.6
Изменение амплитуды сигнала QPSK видно и на осциллограмме сигнала QPSK на выходе модулятора. Наиболее характерный участок временной диаграммы сигнала, приведенного на рисунках 6 и 7, показан на рисунке 8. На этом рисунке отчетливо видны как провалы амплитуды несущей модулированного сигнала, так и увеличение ее значения относительно номинального уровня.
Рисунок 8. временная диаграмма QPSK сигнала c α = 0.6
Рисунок 9 – спектрограмма QPSK сигнала c α = 0.6
Присутствие амплитудной модуляции сигнала приводит к тому, что в системах связи, использующих этот вид модуляции, приходится использовать высоколинейный усилитель мощности. К сожалению, такие усилители мощности обладают низким кпд.
Частотная модуляция с минимальным разносом частот MSK позволяет уменьшить ширину полосы частот, занимаемых цифровым радиосигналом в эфире. Однако даже этот вид модуляции не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам мобильной связи. Обычно сигнал MSK в радиопередатчике дофильтровывают обычным фильтром. Именно поэтому появился еще один вид модуляции с еще более узким спектром радиочастот в эфире.
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Четырехпозиционная фазовая модуляция (QPSK)» читают:
MSK-модуляция частотная с минимальным сдвигом по частоте
https://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/MSK/
Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
Понятие дифференциальной квадратурной фазовой манипуляции (DQPSK модуляции)
В данном кратком техническом обзоре объясняется, что такое дифференциальная QPSK (DQPSK) модуляция, и почему она может быть более выигрышной по сравнению с обычной QPSK модуляцией.
Теоретически QPSK является отличной схемой радиочастотной связи. Она концептуально прямолинейна, на каждый символ она передает два бита вместо одного, и ее можно удобно реализовать с использованием методов I/Q модуляции.
Однако, как обычно, реальная жизнь не такая точная и аккуратная, как ее теоретическая версия. Конкретная проблема, о которой здесь идет речь, – это дополнительный сдвиг фазы, вызванный отсутствием фазовой или частотной синхронизации между аппаратным обеспечением передатчика и аппаратным обеспечением приемника.
QPSK передатчик имеет в своем составе гетеродин, который генерирует синусоиду, используемую в качестве сигнала несущей. Приемник имеет в своем составе гетеродин, который генерирует синусоиду, используемую для демодуляции входящего сигнала. В идеале эти два генератора имеют точно одинаковые фазу и частоту.
В действительности, конечно, будут расхождения. Частоты могут быть хорошо подобраны благодаря высокоточным генераторным устройствам, но синхронизация фазы не так проста. Смещение фазы или частоты между принимаемым сигналом и гетеродином приемника приведет к ошибке в фазе принятых сигналов, и эта ошибка может привести к тому, что приемник назначит конкретному символу неверный двухбитовый код.
Можно создать приемник, который будет извлекать фазу и частоту входящей несущей. Этот процесс известен как восстановление несущей, и его можно использовать для достижения когерентной (то есть синхронизированной по фазе и частоте) демодуляции. Проблема в том, что когерентные приемники сложнее и дороже. Многие системы выиграли бы от схемы модуляции, которая позволит избежать ошибки, связанной со смещением фазы или частоты, но не потребует дополнительных затрат и сложности восстановления несущей.
Именно здесь вступает в действие дифференциальная квадратурная фазовая манипуляция (DQPSK модуляция).
В QPSK информация передается абсолютной фазой каждого символа. DQPSK, напротив, передает информацию, устанавливая определенную фазу одного символа относительно предыдущего символа. Следующая диаграмма иллюстрирует это различие:
Пояснение принципа действия DQPSK модуляции
Относительная фаза – это просто фаза текущего символа минус фаза предыдущего символа. Если мы используем стандартные четыре значения фазы QPSK (45°, 135°, 225° и 315°), варианты фазы DQPSK становятся следующими: 0°, 90°, –90° и 180° (или, что эквивалентно, –180°).
При использовании относительной фазы, вместо абсолютной, на DQPSK не влияет фиксированное смещение фазы, возникающее из-за отсутствия фазовой синхронизации между передатчиком и приемником; фиксированное смещение фазы одинаково влияет на оба символа и исключается в процессе вычитания. DQPSK также устойчива к несоответствиям частот передатчика и приемника.
Несмотря на то, что смещение частоты вводит изменяющуюся во времени фазу, пока эта ошибка изменяется медленно относительно скорости передачи символов, дифференциальная фаза от одного символа к следующему будет оставаться достаточно точной для надежной передачи данных.
По сравнению с восстановлением несущей, этот процесс детектирования разности фаз не требует существенного увеличения сложности приемника; это особенно актуально, если преобразование из аналогового сигнала основной полосы в цифровые данные выполняется программно.
Однако одним из недостатков, которые следует иметь в виду, является влияние шума: теоретически, согласованная (когерентная) система QPSK с идеальным опорным сигналом будет иметь более низкую частоту битовых ошибок, тогда как в DQPSK один зашумленный символ сравнивается с другим зашумленным символом.
Теория радиоволн: аналоговая модуляция
Амплитудная модуляция
При амплитудной модуляции, огибающая амплитуд несущего колебания изменяется по закону, совпадающему с законом передаваемого сообщения. Частота и фаза несущего колебания при этом не меняется.
Одним из основных параметров АМ, является коэфициент модуляции(M).
Коэффициент модуляции — это отношение разности между максимальным и минимальным значениями амплитуд модулированного сигнала к сумме этих значений(%).
Проще говоря, этот коэффициент показывает, насколько сильно значение амплитуда несущего колебания в данный момент отклоняется от среднего значения.
При коэффициенте модуляции больше 1, возникает эффект перемодуляции, в результате чего происходит искажение сигнала.
Данный спектр свойственен для модулирующего колебания постоянной частоты.
На графике, по оси Х представлена частота, по оси У — амплитуда.
Для АМ, кроме амплитуды основной частоты, находящейся в центре, представлены также значения амплитуд справа и слева от частоты несущей. Это так называемые левая и правая боковые полосы. Они отнесены от частоты несущей на расстояние равное частоте модуляции.
Расстояние от левой до правой боковой полосы называют ширина спектра.
В нормальном случае, при коэффициенте модуляции
Понятие квадратурной фазовой манипуляции (QPSK модуляции)
Данный краткий технический обзор охватывает основные характеристики схемы цифровой модуляции, известной как квадратурная фазовая манипуляция (QPSK, quadrature phase shift keying).
В мире проводной электроники аналоговые сигналы демонстрируют непрерывные изменения, тогда как цифровые сигналы предполагают (в идеале) одно из двух дискретных состояний. Это различие можно распространить на системы, которые передают данные через электромагнитное излучение, а не через электрический ток, проходящий через провода.
При использовании аналоговых сигналов частотная модуляция и амплитудная модуляция приводят к непрерывным изменениям частоты или амплитуды сигнала несущей. Когда методы модуляции используются для цифровой связи, изменения, применяемые к несущей, имеют ограничения в соответствии с передаваемой дискретной информацией.
Примерами обычных типов цифровой модуляции являются амплитудная манипуляция OOK (on/off keying, манипуляция включен/выключен), амплитудная манипуляция ASK (amplitude shift keying) и частотная манипуляция FSK (frequency shift keying). Эти схемы заставляют несущую принимать одно из двух возможных состояний в зависимости от того, должна ли схема передавать двоичную 1 или двоичный 0; каждое дискретное состояние несущей называется символом.
Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) – это еще один метод модуляции, и он особенно интересен, поскольку он фактически передает два бита в одном символе. Другими словами, QPSK символ не представляет собой 0 или 1, он представляет собой 00, 01, 10 или 11.
Эта производительность с двумя битами на символ возможна, поскольку изменения несущей не ограничены двумя состояниями. Например, в ASK амплитуда несущей равна либо варианту амплитуды A (представляющему 1), либо варианту амплитуды B (представляющему 0). В QPSK несущая изменяется по фазе, а не по частоте, и существует четыре возможных фазовых сдвига.
Какими должны быть эти четыре возможных фазовых сдвига, мы можем определить интуитивно. Сначала напомним, что модуляция – это только начало процесса связи; приемник должен иметь возможность извлекать из модулированного сигнала исходную информацию. Далее, имеет смысл найти максимальное разделение между четырьмя вариантами фазы, чтобы приемнику было проще отличить одно состояние от другого. У нас есть 360° фазы для работы с четырьмя фазовыми состояниями, и, следовательно, разделение должно составлять 360°/4=90°. Таким образом, наши четыре фазовых сдвига QPSK составляют 45°, 135°, 225° и 315°.
Четыре возможных состояния фазы QPSK сигнала
Примечание. Приведенное выше соответствие фазового сдвига и цифровых данных является логичным, но произвольным выбором, поскольку передатчик и приемник соглашаются интерпретировать сдвиги фазы одинаковым способом, и могут использоваться различные схемы соответствия.
Есть еще одна причина, почему имеет смысл выбрать 45°, 135°, 225° и 315°: они легко генерируются с помощью методом I/Q модуляции, потому что суммирование сигналов I и Q, которые либо инвертированы, либо не инвертированы, приводит к этим четырем фазовым сдвигам. Следующая таблица должна прояснить это:
| I | Q | Фазовый сдвиг I+Q |
|---|---|---|
| не инвертирован | не инвертирован | 45° |
| инвертирован | не инвертирован | 135° |
| инвертирован | инвертирован | 225° |
| не инвертирован | инвертирован | 315° |
По сравнению со схемами модуляции, которые передают один бит на символ, QPSK обладает преимуществом с точки зрения эффективности занимаемой ширины полосы частот. Например, представьте аналоговый сигнал основной полосы частоты в системе BPSK (двоичная фазовая манипуляция). BPSK использует два возможных фазовых сдвига вместо четырех, и поэтому она может передавать только один бит на символ. Сигнал основной полосы частот имеет определенную частоту, и в течение продолжительности каждого символа может передаваться один бит. QPSK система может использовать сигнал основной полосы с той же частотой, но при этом передает два бита в течение продолжительности каждого символа. Таким образом, эффективность полосы частот у QPSK (в идеале) в два раза выше.
Цифровая фазовая модуляция: BPSK, QPSK, DQPSK
Цифровая фазовая модуляция – это универсальный и широко используемый метод беспроводной передачи цифровых данных.
В предыдущей статье мы видели, что мы можем использовать дискретные изменения амплитуды или частоты несущей как способ представления единиц и нулей. Неудивительно, что мы также можем представлять цифровые данные с помощью фазы; этот метод называется фазовой манипуляцией (PSK, phase shift keying).
Двоичная фазовая манипуляция
Наиболее простой тип PSK называется двоичной фазовой манипуляцией (BPSK, binary phase shift keying), где «двоичный» относится к использованию двух фазовых смещений (одно для логической единицы и одно для логического нуля).
Мы интуитивно можем признать, что система будет более надежной, если разделение между этими двумя фазами будет большим – конечно, приемнику будет сложно различать символ со смещением фазы 90° от символа со смещением фазы 91°. Для работы у нас есть диапазон фаз 360°, поэтому максимальная разница между фазами логической единицы и логического нуля составляет 180°. Но мы знаем, что переключение синусоиды на 180° – это то же самое, что ее инвертирование; таким образом, мы можем думать о BPSK как о простом инвертировании сигнала несущей в ответ на одно логическое состояние и оставление ее в исходном состоянии в ответ на другое логическое состояние.
Чтобы сделать следующий шаг, мы вспомним, что умножение синусоиды на отрицательную единицу – это то же самое, что ее инвертирование. Это приводит к возможности внедрения BPSK с использованием следующей базовой аппаратной конфигурации:
Базовая схема получения BPSK сигнала
Однако эта схема легко может привести к переходам с высоким наклоном в форме сигнала несущей частоты: если переход между логическими состояниями происходит, когда сигнал несущей находится в своем максимальном значении, напряжение сигнала несущей должно быстро перейти к минимальному значению.
Высокий наклон в форме BPSK сигнала при изменении логического состояния модулирующего сигнала
Такие события с высоким наклоном нежелательны, потому что они создают энергию на высокочастотных составляющих, которые могут помешать другим радиочастотным сигналам. Кроме того, усилители имеют ограниченную способность производить резкие изменения в выходном напряжении.
Если мы усовершенствуем вышеприведенную реализацию двумя дополнительными функциями, то сможем обеспечить плавные переходы между символами. Во-первых, нам необходимо убедиться, что период цифрового бита равен одному или нескольким полным периодам сигнала несущей. Во-вторых, нам необходимо синхронизировать цифровые переходы с сигналом несущей. Благодаря этим усовершенствованиям мы могли бы разработать систему таким образом, чтобы изменение фазы на 180° происходило, когда сигнал несущей частоты находится в пересечении нуля (или близко к нему).
BPSK сигнал; нет резкого скачка напряжения сигнала несущей при изменении логического состояния модулирующего сигнала
BPSK передает один бит на символ, к чему мы и привыкли. Всё, что мы обсуждали в отношении цифровой модуляции, предполагало, что сигнал несущей изменяется в зависимости от того, находится ли цифровое напряжение на низком или высоком логическом уровне, и приемник воссоздает цифровые данные, интерпретируя каждый символ как 0 или 1.
Прежде чем обсуждать квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK, quadrature phase shift keying), нам необходимо ввести следующую важную концепцию: нет причин, по которым один символ может передавать только один бит. Это правда, что мир цифровой электроники строится вокруг схем, в которых напряжение находится на одном или другом экстремальном уровне, так что напряжение всегда представляет собой один цифровой бит. Но радиосигнал не является цифровым; скорее, мы используем аналоговые сигналы для передачи цифровых данных, и вполне приемлемо разработать систему, в которой аналоговые сигналы кодируются и интерпретируются таким образом, чтобы один символ представлял два (или более) бита.
QPSK сигнал во временной области
Преимущество QPSK заключается в более высокой скорости передачи данных: если мы сохраняем одну и ту же длительность символа, то можем удвоить скорость передачи данных от передатчика к приемнику. Недостатком является сложность системы. (Вы можете подумать, что QPSK более восприимчив к битовым ошибкам, чем BPSK, поскольку разделение между возможными значениями в нем меньше. Это разумное предположение, но если вы рассмотрите их математику, то оказывается, что вероятности ошибок на самом деле очень похожи.)
Варианты
QPSK модуляция, конечно, является эффективным методом модуляции. Но ее можно улучшить.
Скачки фазы
Стандартная QPSK модуляция гарантирует, что переходы между символами будут происходить с высоким наклоном; поскольку скачки фазы могут составлять ±90°, мы не можем использовать подход, описанный для скачков фазы на 180°, создаваемых BPSK модуляцией.
Эту проблему можно смягчить, используя один из двух вариантов QPSK. Квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом квадратур (OQPSK, Offset QPSK), которая включает в себя добавление задержки к одному из двух потоков цифровых данных, используемых в процессе модуляции, уменьшает максимальный скачок фазы до 90°. Другим вариантом является π/4-QPSK, которая уменьшает максимальный скачок фазы до 135°. Таким образом, OQPSK обладает преимуществом в уменьшении разрывов фазы, но π/4-QPSK выигрывает, поскольку она совместима с дифференциальном кодированием (обсуждается ниже).
Другим способом решения проблем с разрывами между символами является реализация дополнительной обработки сигналов, которая создает более плавные переходы между символами. Этот подход включен в схему модуляции, называемую частотной модуляцией минимального фазового сдвига (MSK, minimum shift keying), а также улучшение MSK, известное как Гауссовская MSK (GMSK, Gaussian MSK).
Дифференциальное кодирование
Еще одна сложность заключается в том, что демодуляция PSK сигналов сложнее, чем FSK сигналов. Частота является «абсолютной» в том смысле, что изменения частоты всегда можно интерпретировать, анализируя изменения сигнала во времени. Фаза, однако, относительна в том смысле, что она не имеет универсальной опорной точки – передатчик генерирует изменения фазы относительно одного момента времени, а приемник может интерпретировать изменения фазы относительно другого момента времени.
Практическое проявление этого заключается в следующем: если между фазами (или частотами) генераторов, используемых для модуляции и демодуляции, существуют различия, PSK становится ненадежной. И мы должны предположить, что будут разности фаз (если приемник не включает в себя схему восстановления несущей).
Дифференциальная QPSK (DQPSK, differential QPSK) – это вариант, который совместим с некогерентными приемниками (т.е. приемниками, которые не синхронизируют генератор демодуляции с генератором модуляции). Дифференциальная QPSK кодирует данные, создавая определенный сдвиг фазы относительно предыдущего символа таким образом, чтобы схема демодуляции анализировала фазу символа, используя опорную точку, которая является общей и для приемника, и для передатчика.
Пояснение принципа действия DQPSK модуляции
