Phase-shift keying

konstelačního diagramu pro QPSK s Šedá kódování. Každý sousední symbol se liší pouze o jeden bit.

někdy se to nazývá kvadrifáza PSK, 4-PSK nebo 4-QAM. (Ačkoli kořenové pojmy QPSK a 4-QAM jsou různé, výsledné modulované rádiové vlny jsou přesně stejné.) QPSK používá čtyři body na souhvězdí diagramu, vyrovnané kolem kruhu. Se čtyřmi fázemi může QPSK kódovat dva bity na symbol, znázorněné na diagramu se šedým kódováním, aby se minimalizovala bitová chybovost (BER) – někdy nesprávně vnímána jako dvojnásobek BER BPSK.

matematická analýza ukazuje, že QPSK může být použit buď zdvojnásobit rychlost přenosu dat v porovnání s BPSK systému při zachování stejné šířky pásma signálu, nebo k udržení dat rychlost BPSK, ale snížit šířku pásma potřebné. V tomto druhém případě je ber QPSK přesně stejný jako BER BPSK – a věřit jinak je běžný zmatek při zvažování nebo popisu QPSK. Přenášený nosič může podstoupit řadu fázových změn.

Vzhledem k tomu, že rádiové komunikační kanály jsou přidělovány prostřednictvím agentur, jako jsou Federální Komunikační Komise dává předepsané (maximální) šířky pásma, výhodou QPSK přes BPSK zřejmé: QPSK přenáší dvakrát rychlost přenosu dat v dané šířce pásma v porovnání s BPSK – ve stejné NAŘÍZENÍ o blokových výjimkách. Inženýrská pokuta, která se platí, spočívá v tom, že vysílače a přijímače QPSK jsou komplikovanější než u BPSK. S moderní elektronikou je však trest v ceně velmi mírný.

stejně jako u BPSK existují na přijímacím konci fázové nejednoznačnosti a v praxi se často používá diferencovaně kódované QPSK.

Implementaceedit

implementace QPSK je obecnější než implementace BPSK a také naznačuje implementaci PSK vyššího řádu. Psaní symbolů v souhvězdí diagram, pokud jde o sinus a kosinus vlny používané pro přenos je:

s, n ( t ) = 2 E s T y cos ⁡ ( 2 π f c t + ( 2 n − 1 ) π 4 ) , n = 1 , 2 , 3 , 4. {\displaystyle s_{n}(t)={\sqrt {\frac {2E_{s}}{T_{y}}}}\cos \left(2\pi f_{c}t+(2n-1){\frac {\pi }{4}}\right),\quad n=1,2,3,4.}

tím se získá čtyři fáze π/4, 3π/4, 5π/4 a 7π / 4 podle potřeby.

výsledkem je dvourozměrný signál prostoru s jednotkou základě funkce,

ϕ 1 ( t ) = 2 T y cos ⁡ ( 2 π f c t ) ϕ 2 ( t ) = 2 T sin ⁡ ( 2 π f c t ) {\displaystyle {\begin{aligned}\phi _{1}(t)&={\sqrt {\frac {2}{T_{y}}}}\cos \left(2\pi f_{c}t\right)\\\phi _{2}(t)&={\sqrt {\frac {2}{T_{y}}}}\sin \left(2\pi f_{c}t\right)\end{aligned}}}

první základ je použita funkce jako v-fáze složku signálu a druhý jako kvadraturní složku signálu.

souhvězdí signálu se tedy skládá ze 4 bodů signálového prostoru

( ± E s 2 ± E s 2). {\displaystyle {\begin{pmatrix}\pm {\sqrt {\frac {E_{s}}{2}}}&\pm {\sqrt {\frac {E_{s}}{2}}}\end{pmatrix}}.}

faktory 1/2 ukazují, že celkový výkon je rozdělen rovnoměrně mezi dva nosiče.

porovnání těchto základních funkcí s funkcí pro BPSK jasně ukazuje, jak lze QPSK považovat za dva nezávislé signály BPSK. Všimněte si, že body signálního prostoru pro BPSK nemusí rozdělovat energii symbolu (bit) na dva nosiče ve schématu zobrazeném v diagramu souhvězdí BPSK.

systémy QPSK lze implementovat mnoha způsoby. Ilustrace hlavních součástí struktury vysílače a přijímače jsou uvedeny níže.

Koncepční vysílač strukturu pro QPSK. Binární datový tok je rozdělen na složky ve fázi a kvadraturní fáze. Ty jsou pak Samostatně modulovány na dvě ortogonální bázové funkce. Při této implementaci se používají dva sinusoidy. Poté se oba signály překrývají a výsledným signálem je signál QPSK. Všimněte si použití polárního kódování bez návratu na nulu. Tyto kodéry mohou být umístěny dříve pro binární zdroj dat, ale byly umístěny poté, aby ilustrovaly koncepční rozdíl mezi digitálními a analogovými signály spojenými s digitální modulací.

Přijímač strukturu pro QPSK. Odpovídající filtry lze nahradit korelátory. Každé detekční zařízení používá referenční prahovou hodnotu k určení, zda je detekována hodnota 1 nebo 0.

Pravděpodobnost chybyedit

ačkoli QPSK lze považovat za kvartérní modulaci, je snazší ji vidět jako dva nezávisle modulované kvadraturní nosiče. Při této interpretaci se sudé (nebo liché) bity používají k modulaci fázové složky nosiče, zatímco liché (nebo sudé) bity se používají k modulaci kvadraturní fázové složky nosiče. BPSK se používá na obou nosičích a lze je Samostatně demodulovat.

v důsledku toho je pravděpodobnost bitové chyby pro QPSK stejná jako u BPSK:

P b = Q ( 2 E b N 0 ) {\displaystyle P_{b}=Q\left({\sqrt {\frac {2E_{b}}{N_{0}}}}\right)}

Nicméně, za účelem dosažení stejné bit-pravděpodobnost chyby jako BPSK, QPSK používá dvakrát moc (vzhledem k tomu, dva bity jsou přenášeny současně).

chybovost symbolu je dána:

P s = 1 − (1-P b ) 2 = 2 Q (E s N 0) – 2 . {\displaystyle {\begin{aligned}P_{s}&=1-\left(1-P_{b}\right)^{2}\\&=2Q\left({\sqrt {\frac {E_{s}}{N_{0}}}}\right)-\left^{2}.\end{aligned}}}

Pokud je poměr signálu k šumu vysoký (jak je to nutné pro praktické systémy QPSK), pravděpodobnost chyby symbolu může být aproximována:

P s ≈ 2 Q ( E s N 0 ) = erfc ⁡ ( E s 2 N 0 ) = erfc ⁡ ( E b N 0 ) {\displaystyle P_{s}\approx 2Q\left({\sqrt {\frac {E_{s}}{N_{0}}}}\right)=\operatorname {erfc} \left({\sqrt {\frac {E_{s}}{2N_{0}}}}\right)=\operatorname {erfc} \left({\sqrt {\frac {E_{b}}{N_{0}}}}\right)}

modulovaného signálu je uveden níže pro krátký úsek náhodného binární datový tok. Dvě nosné vlny jsou Kosinová vlna a sinusová vlna, jak je naznačeno výše uvedenou analýzou signálního prostoru. Zde byly liché bity přiřazeny komponentě ve fázi a sudé bity kvadraturní komponentě (přičemž první bit je číslo 1). Celkový signál-součet obou složek-je zobrazen dole. Skoky ve fázi lze vidět, jak PSK mění fázi na každé komponentě na začátku každého bitového období. Samotný Nejvyšší průběh odpovídá popisu uvedenému pro BPSK výše.

časový diagram pro QPSK. Binární datový tok je zobrazen pod časovou osou. Dvě komponenty signálu s jejich přiřazením bitů jsou zobrazeny nahoře a celkový kombinovaný signál dole. Všimněte si náhlých změn ve fázi na některých hranicích bitové periody.

binární data, která jsou přenášena tímto průběhem, jsou: 11000110.

• zde zvýrazněné liché bity přispívají ke komponentě ve fázi: 11000110
• i kousky, zde zdůrazněno, přispívají k kvadraturní fázové složky: 11000110

VariantsEdit

Offset QPSK (OQPSK)Upravit

Signál neprojde skrz původu, protože pouze jeden bit na symbol se změní najednou.

Offset kvadraturní fázový posun klíčování (Oqpsk) je varianta fázového posunu klíčování modulace pomocí čtyř různých hodnot fáze pro přenos. Někdy se nazývá střídavý kvadraturní fázový posun (SQPSK).

Rozdíl fáze mezi QPSK a OQPSK

čtyři hodnoty fáze (dva bity) v době postavit QPSK symbol může dovolit fáze signálu na skok až o 180° v čase. Je-li signál low-pass filtrování (jak je typické ve vysílači), tyto fázové posuny mít za následek velké výkyvy amplitudy, což je nežádoucí vlastnost v komunikačních systémech. Vyrovnáním časování lichých a sudých bitů o jednu bitovou periodu nebo polovinu symbolové periody se komponenty ve fázi a kvadratuře nikdy nezmění současně. V diagramu souhvězdí zobrazeném vpravo je vidět, že to omezí fázový posun na ne více než 90° najednou. To dává mnohem nižší amplitudové výkyvy než non-offset QPSK a je někdy výhodné v praxi.

obrázek vpravo ukazuje rozdíl v chování fáze mezi běžným QPSK a OQPSK. Je vidět,že v prvním grafu se fáze může změnit o 180° najednou, zatímco v OQPSK změny nejsou nikdy větší než 90°.

modulovaný signál je uveden níže pro krátký segment náhodného binárního datového toku. Všimněte si posunutí poloviny symbolu-období mezi dvěma složkovými vlnami. Náhlé fázové posuny se vyskytují přibližně dvakrát častěji než u QPSK (protože signály se již nemění společně), ale jsou méně závažné. Jinými slovy, velikost skoků je v OQPSK menší ve srovnání s QPSK.

časový diagram pro kompenzaci-QPSK. Binární datový tok je zobrazen pod časovou osou. Dvě signálové komponenty s jejich přiřazením bitů jsou zobrazeny nahoře a celkový kombinovaný signál dole. Všimněte si poločasového posunu mezi dvěma komponentami signálu.

SOQPSKEdit

licence-zdarma tvarované-offset QPSK (SOQPSK) je interoperabilní s Feher-patentovaný QPSK (FQPSK), v tom smyslu, že integrovat-a-dump offset QPSK detektor produkuje stejný výstup bez ohledu na to, jaký vysílač se používá.

tyto modulace pečlivě tvarují průběhy I A Q tak, že se mění velmi hladce a signál zůstává konstantní amplitudou i během přechodů signálu. (Spíše než okamžitě cestovat z jednoho symbolu do druhého, nebo dokonce lineárně, cestuje hladce kolem kruhu s konstantní amplitudou z jednoho symbolu na druhý.) Soqpsk modulace může být reprezentována jako hybrid QPSK a MSK: SOQPSK má stejnou konstelaci signálu jako QPSK, nicméně fáze SOQPSK je vždy stacionární.

standardní popis SOQPSK-TG zahrnuje ternární symboly. SOQPSK je jedním z nejrozšířenějších modulačních schémat v aplikaci na satelitní komunikaci LEO.

π/4-QPSKEdit

Duální konstelační diagram pro π/4-QPSK. To ukazuje dvě samostatná souhvězdí se stejným šedým kódováním, ale otočená o 45° vůči sobě navzájem.

Tato varianta z QPSK používá dva identické souhvězdí, které jsou otočeny o 45° ( π / 4 {\displaystyle \pi /4}

radiány, odtud název) s ohledem na jednoho jiný. Obvykle, buď sudé nebo liché symboly se používají k výběru bodů z jednoho ze souhvězdí a ostatní symboly vybrat body z druhého souhvězdí. To také snižuje fáze-směny od max. o 180°, ale pouze na maximálně 135° a amplituda kolísání π / 4 {\displaystyle \pi /4}

-QPSK jsou mezi OQPSK a non-offset QPSK.

Jedna vlastnost této modulace režim disponuje, je, že pokud modulovaný signál je reprezentován v komplexním oboru, přechody mezi symboly nikdy projít 0. Jinými slovy, signál neprochází původem. Tím se snižuje dynamický rozsah kolísání signálu, který je žádoucí při inženýrských komunikačních signálech.

Na druhou stranu, π / 4 {\displaystyle \pi /4}

-QPSK půjčuje sebe k snadné demodulace a byl schválen pro použití, například, TDMA mobilní telefonní systémy.

modulovaný signál je uveden níže pro krátký segment náhodného binárního datového toku. Konstrukce je stejná jako u běžného QPSK. Postupné symboly jsou převzaty ze dvou souhvězdí znázorněných na obrázku. První symbol (1 1) je tedy převzat z“ modré „souhvězdí a druhý symbol (0 0) je převzat ze“ zelené “ souhvězdí. Všimněte si, že veličiny dvou komponentních vln se mění při přepínání mezi souhvězdími, ale celková velikost signálu zůstává konstantní (konstantní obálka). Fázové posuny jsou mezi dvěma předchozími časovými diagramy.

časový diagram pro π/4-QPSK. Binární datový tok je zobrazen pod časovou osou. Dvě signálové komponenty s jejich přiřazením bitů jsou zobrazeny nahoře a celkový kombinovaný signál dole. Všimněte si, že po sobě jdoucí symboly se střídají střídavě ze dvou souhvězdí, počínaje „modrým“.

DPQPSKEdit

Dual-polarizace kvadraturní phase shift keying (DPQPSK) nebo dual-polarizace QPSK – zahrnuje polarizační multiplexování dvou různých QPSK signálů, a tím zlepšení spektrální účinnosti o faktor 2. Jedná se o nákladově efektivní alternativu k využití 16-PSK, namísto QPSK pro zdvojnásobení spektrální účinnosti.