Спектральная эффективность модуляции qpsk

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

Источник

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:

Зависимость фазы конечного сигнала от состояния I/Q сигналов

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.

Источник

Четырехпозиционная фазовая модуляция со сдвигом квадратур (OQPSK)

В QPSK биты в потоках, подаваемых на модуляторы квадратур I и Q, переключаются в один и тот же момент времени. Сигнал символьной синхронизации, и синхросигналы битовых потоков, подаваемых на модуляторы I и Q, синхронизированы. Это приводит к тому, что в диаграмме переходов сигнала четырехпозиционной фазовой модуляции, приведенной на рисунке 14, встречаются переходы через точку с нулевой амплитудой сигнала.

Подобное поведение амплитуды сигнала приведено на рисунке 6 для сигнала двоичной фазовой модуляции BPSK. Как уже упоминалось ранее, такой характер сигнала приводит к тому, что усилитель мощности требуется делать линейным, и к.п.д. такого усилителя будет небольшим.

В четырехпозиционной фазовой модуляции со сдвигом квадратур (OQPSK) битовые потоки, подаваемые на модуляторы квадратур I и Q, сдвинуты друг относительно друга на длительность одного бита (половина символьного интервала), как это показано на временных диаграммах, приведенных на рисунке 1.

Рисунок 1. Временные диаграммы входного битового потока, и сигналов квадратур I и Q в OQPSK модуляторе

Так как переходы по квадратурам I и Q сдвинуты на половину символьного интервала, то в конкретно взятый момент времени только один из квадратурных битовых потоков может изменять свое значение. Это создает диаграмму переходов состояний, существенно отличающуюся от диаграммы переходов состояний модуляции QPSK. Диаграмма переходов состояний сигнала OQPSK приведена на рисунке 2.

Рисунок 2. Диаграмма переходов состояний сигнала четырехпозиционной фазовой модуляции со смещением квадратур OQPSK

В OQPSK сигнальные траектории не проходят рядом с началом координат квадратурной плоскости. В результате максимальное изменение амплитуды передаваемого сигнала достигает 3 дБ. Это существенно меньше изменения амплитуды в сигналах двоичной и квадратурной модуляции. В результате удается получить существенный выигрыш по коэффициенту полезного действия усилителя мощности радиопередатчика.

Временная диаграмма радиосигнала OQPSK модуляции на выходе радиопередатчика четырехпозиционной фазовой модуляции со смещением квадратур приведена на рисунке 3.

Рисунок 3. Временная диаграмма OQPSK сигнала

Как видно из данного рисунка, выходной усилитель мощности в радиопередатчиках с этим видом модуляции можно проектировать с менее жесткими требованиями по сравнению с модуляцией QPSK. В принципе можно использовать усилители, разработанные для систем речевой связи с амплитудной модуляцией.

Спектральная эффективность модуляции OQPSK точно такая же, как и у обычной квадратурной модуляции QPSK. Это означает, что для применения этого вида модуляции в радиоканале требуется обработать исходные NRZ сигналы фильтром Найквиста. Только после подобной обработки спектр радиосигнала становится достаточно узким для использования в системах мобильной радиосвязи.

Схема модулятора OQPSK с формированием сигналов I и Q фильтром Найквиста осуществляется так же, как и в QPSK модуляторе. Отличие заключается в задержке одного из сигналов на половину периода передачи символа. Эта схема приведена на рисунке 4.

Рисунок 4. Структурная схема модулятора OQPSK с использованием фильтра Найквиста

Диаграмма переходов состояний сигнала с OQPSK модуляцией после обработки исходных сигналов фильтром Найквиста приведена на рисунке 5.

Рисунок 5. Пути переходов сигнала c OQPSK модуляцией после обработки двоичных сигналов фильтром Найквиста

Пример спектра сигнала на выходе модулятора передатчика OQPSK, смоделированный в среде программирования MATHLAB, представлен на рисунке 6.

Рисунок 6. Спектр сигнала c OQPSK модуляцией

Вывод: Четырехпозиционная фазовая модуляция со сдвигом квадратур (OQPSK) позволяет уменьшить глубину паразитной амплитудной модуляции. OQPSK реализуется за счет сдвига переключения квадратур на половину длительности передаваемого символа.

Дата последнего обновления файла 07.11.2019

Понравился материал? Поделись с друзьями!

1. Steve C. Cripps RF Power Amplifiers for Wireless Communications — ARTECH HOUSE, INC., 2006
2. Marian K. Kazimierczuk RF Power Amplifiers — John Wiley & Sons, Ltd 2008
3. Радиопередающие устройства: учебник для ВУЗов; под ред. В. В. Шахгильдяна. — 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Радио и связь, 2003.
4. Модуляция и формирование сигналов с помощью генераторов сигналов компании R&S
5. Digital modulation – OQPSK url:https://optiwave.com/

Вместе со статьей «Четырехпозиционная фазовая модуляция со сдвигом квадратур (OQPSK)» читают:

MSK-модуляция частотная с минимальным сдвигом по частоте
https://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/MSK/

Автор Микушин А. В. All rights reserved. 2001 . 2021

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.

Источник