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°.

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:

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.

Теги