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.
Вспомогательная информация
- Если вы не знакомы с QPSK модуляцией, то можете начать со статьи «Понятие квадратурной фазовой манипуляции (QPSK модуляции)».
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:
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.