Phase-shift keying

diagrama constelației pentru QPSK cu codificare Gri. Fiecare simbol adiacent diferă doar cu un bit.

uneori, acest lucru este cunoscut sub numele de cvadrifază PSK, 4-PSK sau 4-QAM. (Deși conceptele rădăcină ale QPSK și 4-QAM sunt diferite, undele radio modulate rezultate sunt exact aceleași.) QPSK folosește patru puncte pe diagrama constelației, echispaced în jurul unui cerc. Cu patru faze, QPSK poate codifica doi biți pe simbol, prezentat în diagrama cu codificare gri pentru a minimiza rata de eroare de biți (BER) – uneori percepută greșit ca de două ori BER a BPSK.analiza matematică arată că QPSK poate fi utilizat fie pentru a dubla rata de date în comparație cu un sistem BPSK menținând în același timp aceeași lățime de bandă a semnalului, fie pentru a menține rata de date a BPSK, dar reducând la jumătate lățimea de bandă necesară. În acest din urmă caz, BER din QPSK este exact același cu BER din BPSK-și a crede diferit este o confuzie obișnuită atunci când se analizează sau se descrie QPSK. Transportatorul transmis poate suferi un număr de modificări de fază.

având în vedere că canalele de comunicații radio sunt alocate de agenții precum Comisia Federală de comunicații care oferă o lățime de bandă prescrisă (maximă), avantajul QPSK față de BPSK devine evident: QPSK transmite de două ori rata de date într – o lățime de bandă dată în comparație cu BPSK-în același BER. Pedeapsa de inginerie care se plătește este că emițătoarele și receptoarele QPSK sunt mai complicate decât cele pentru BPSK. Cu toate acestea, cu tehnologia electronică modernă, pedeapsa în cost este foarte moderată.

ca și în cazul BPSK, există probleme de ambiguitate de fază la capătul receptor, iar QPSK codificat diferențiat este adesea folosit în practică.

Implementareedit

implementarea QPSK este mai generală decât cea a BPSK și indică, de asemenea, implementarea PSK de ordin superior. Scrierea simbolurilor din diagrama constelației în termeni de unde sinusoidale și cosinus utilizate pentru transmiterea lor:

s n ( t ) = 2 E S T S cos ( 2 , 2 , 3 , 4), N = 1, 2, 3, 4. {\displaystyle s_{n}(t)={\sqrt {\frac {2e_{s}}{t_{s}}}\cos \stânga(2\pi f_{c} t+(2n-1){\frac {\pi} {4}}\dreapta),\quad n=1,2,3,4.}

Acest randamentele cele patru faze π/4, 3π/4, 5π/4 și 7π/4 după cum este necesar.

Acest lucru duce la o de două-dimensional semnal spațiu cu unitatea de bază funcții

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

prima funcție de bază este utilizată ca componentă în fază a semnalului, iar a doua ca componentă cuadratură a semnalului.

prin urmare, constelația semnalului este formată din spațiul-semnal 4 puncte

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

factorii de 1/2 indică faptul că puterea totală este împărțită în mod egal între cei doi purtători.

compararea acestor funcții de bază cu cea pentru BPSK arată clar modul în care QPSK poate fi privit ca două semnale BPSK independente. Rețineți că punctele spațiu-semnal pentru BPSK nu trebuie să împartă energia simbolului (bitului) peste cei doi purtători din schema prezentată în diagrama constelației BPSK.sistemele QPSK pot fi implementate în mai multe moduri. O ilustrare a componentelor majore ale structurii emițătorului și receptorului este prezentată mai jos.

structura transmițătorului Conceptual pentru QPSK. Fluxul de date binare este împărțit în componentele fazei în fază și cuadratură. Acestea sunt apoi modulate separat pe două funcții de bază ortogonale. În această implementare se utilizează două sinusoide. După aceea, cele două semnale sunt suprapuse, iar semnalul rezultat este semnalul QPSK. Rețineți Utilizarea codificării polar non-return-to-zero. Aceste codificatoare pot fi plasate înainte pentru sursa de date binare, dar au fost plasate după pentru a ilustra diferența conceptuală dintre semnalele digitale și analogice implicate în modularea digitală.

structura receptorului pentru QPSK. Filtrele potrivite pot fi înlocuite cu corelatori. Fiecare dispozitiv de detectare utilizează o valoare prag de referință pentru a determina dacă este detectat un 1 sau 0.

probabilitatea de eroare

deși QPSK poate fi privit ca o modulare cuaternară, este mai ușor să o vedem ca doi purtători de cvadratură modulați independent. Cu această interpretare, biții par (sau impari) sunt folosiți pentru a modula componenta în fază a transportatorului, în timp ce biții impari (sau par) sunt folosiți pentru a modula componenta în fază cuadratură a transportatorului. BPSK este utilizat pe ambii transportatori și poate fi demodulat independent.

ca rezultat, probabilitatea de eroare de biți pentru QPSK este aceeași ca și pentru BPSK:

P b = Q ( 2 e b n 0 ) {\displaystyle P_{b}=q\stânga({\sqrt {\frac {2e_{b}}{n_{0}}}}\dreapta)}

cu toate acestea, pentru a obține aceeași probabilitate de eroare de biți ca BPSK, QPSK folosește de două ori puterea (deoarece doi biți sunt transmiși simultan).

rata de eroare a simbolului este dată de:

P s = 1 − ( 1 − P b ) 2 = 2 Q ( E S N 0 ) − 2 . {\displaystyle {\begin {aliniat}P_{s} &=1-\stânga(1-p_{b}\dreapta)^{2}\\&=2Q\stânga({\sqrt {\frac {E_{s}}{n_{0}}}}\dreapta)-\stânga^{2}.\ end{aliniat}}}

dacă raportul semnal-zgomot este ridicat (așa cum este necesar pentru sistemele practice QPSK) probabilitatea erorii simbolului poate fi aproximată:

p s 2 Q ( E S N 0 ) = erfc ( E S 2 n 0 ) = erfc ( e b n 0 ) {\displaystyle P_{s}\aprox 2Q\stânga({\sqrt {\frac {E_{s}}{n_{0}}}}\dreapta)=\nume Operator {erfc} \stânga({\sqrt {\frac {E_{s}}{2n_{0}}}}\dreapta)=\nume Operator {erfc} \stânga({\sqrt {\frac {E_{s}}{2n_{0}}}}\dreapta)=\operatorname {Erfc}\Left ({\sqrt{\frac {e_ {B}} {n_{0}}}} \right)}

semnalul modulat este prezentat mai jos pentru un segment scurt al unui date binare-flux. Cele două unde purtătoare sunt o undă cosinus și o undă sinusoidală, așa cum este indicat de analiza spațiului semnal de mai sus. Aici, biții cu număr impar au fost atribuiți componentei în fază și biții cu număr par componentei cuadratură (luând primul bit ca număr 1). Semnalul total – suma celor două componente-este afișat în partea de jos. Salturile în fază pot fi văzute ca PSK schimbă faza pe fiecare componentă la începutul fiecărei perioade de biți. Forma de undă cea mai de sus se potrivește cu descrierea dată pentru BPSK de mai sus.

diagrama de sincronizare pentru QPSK. Fluxul de date binare este afișat sub axa timpului. Cele două componente de semnal cu atribuirile lor de biți sunt afișate în partea de sus, iar semnalul total combinat în partea de jos. Rețineți schimbările abrupte în fază la unele dintre limitele perioadei de biți.

datele binare care sunt transmise de această formă de undă sunt: 11000110.

• biții impari, evidențiați aici, contribuie la componenta în fază: 11000110
• chiar biți, evidențiate aici, contribuie la componenta cuadratură fază: 11000110

VariantsEdit

Offset QPSK (OQPSK)Edit

semnalul nu trece prin origine, deoarece doar un bit al simbolului este schimbat la un moment dat.

Offset quadrature Phase-shift keying (Oqpsk) este o variantă de modulare keying phase-shift folosind patru valori diferite ale fazei de transmis. Acesta este uneori numit eșalonate quadrature Phase-shift keying (SQPSK).

diferența de fază dintre QPSK și OQPSK

luarea a patru valori ale fazei (doi biți) la un moment dat pentru a construi un simbol QPSK poate permite fazei semnalului să sară cu mai mult ca 180 la un moment dat. Când semnalul este filtrat low-pass (așa cum este tipic într-un emițător), aceste schimbări de fază au ca rezultat fluctuații mari de amplitudine, o calitate nedorită în sistemele de comunicații. Prin compensarea momentului biților impari și par cu o perioadă de biți sau o jumătate de perioadă de simbol, componentele în fază și cuadratură nu se vor schimba niciodată în același timp. În diagrama constelației prezentată în dreapta, se poate observa că acest lucru va limita trecerea de fază la nu mai mult de 90 de procente la un moment dat. Acest lucru produce fluctuații de amplitudine mult mai mici decât QPSK non-offset și este uneori preferat în practică.

Imaginea din dreapta arată diferența în comportamentul fazei dintre QPSK obișnuit și OQPSK. Se poate observa că în primul complot faza se poate schimba cu 180 de Centimetre simultan, în timp ce în OQPSK modificările nu sunt niciodată mai mari de 90 de Centimetre.

semnalul modulat este prezentat mai jos pentru un segment scurt al unui flux de date binar aleatoriu. Rețineți compensarea jumătății simbol-perioadă între cele două unde componente. Schimbările bruște de fază apar de aproximativ două ori mai des decât pentru QPSK (deoarece semnalele nu se mai schimbă împreună), dar sunt mai puțin severe. Cu alte cuvinte, magnitudinea salturilor este mai mică în OQPSK în comparație cu QPSK.

diagrama de sincronizare pentru offset-QPSK. Fluxul de date binare este afișat sub axa timpului. Cele două componente de semnal cu sarcinile lor de biți sunt afișate în partea de sus și semnalul total, combinat în partea de jos. Rețineți decalajul de jumătate de perioadă dintre cele două componente ale semnalului.

SOQPSKEdit

QPSK în formă de offset fără licență (SOQPSK) este interoperabil cu QPSK patentat de Feher (FQPSK), în sensul că un detector QPSK offset integrat și descărcat produce aceeași ieșire indiferent de tipul de transmițător utilizat.

aceste modulații modelează cu atenție formele de undă I și Q astfel încât să se schimbe foarte ușor, iar semnalul rămâne constant-amplitudine chiar și în timpul tranzițiilor semnalului. (În loc să călătorească instantaneu de la un simbol la altul, sau chiar liniar, călătorește lin în jurul cercului de amplitudine constantă de la un simbol la altul.) Modularea SOQPSK poate fi reprezentată ca hibridul QPSK și MSK: SOQPSK are aceeași constelație de semnal ca QPSK, cu toate acestea faza SOQPSK este întotdeauna staționară.

descrierea standard a SOQPSK-TG implică simboluri ternare. SOQPSK este una dintre cele mai răspândite scheme de modulare în aplicarea comunicațiilor prin satelit LEO.

/4-qpskedit

diagrama constelației duale pentru Irak / 4-QPSK. Aceasta arată cele două constelații separate cu codificare gri identică, dar rotite cu 45 de centime unul față de celălalt.

această variantă a QPSK folosește două constelații identice care sunt rotite cu 45 de radiani, de unde și numele, în raport unul cu celălalt. De obicei, simbolurile pare sau impare sunt folosite pentru a selecta puncte dintr-una dintre constelații, iar celelalte simboluri Selectează puncte din cealaltă constelație. Acest lucru reduce, de asemenea, deplasările de fază de la un maxim de 180 de centimetrii, dar numai la un maxim de 135 de centimetrii și astfel fluctuațiile de amplitudine de la oqpsk / 4 {\displaystyle \pi /4}

-QPSK sunt între oqpsk și non-offset QPSK.

o proprietate pe care o posedă această schemă de modulare este că, dacă semnalul modulat este reprezentat în domeniul complex, tranzițiile dintre simboluri nu trec niciodată prin 0. Cu alte cuvinte, semnalul nu trece prin origine. Acest lucru scade gama dinamică de fluctuații ale semnalului, care este de dorit atunci când semnalele de comunicații de inginerie.

pe de altă parte,

-QPSK se pretează la demodulare ușoară și a fost adoptat pentru utilizare, de exemplu, în sistemele de telefonie mobilă TDMA.

semnalul modulat este prezentat mai jos pentru un segment scurt al unui flux de date binar aleatoriu. Construcția este aceeași ca mai sus pentru QPSK obișnuit. Simbolurile succesive sunt preluate din cele două constelații prezentate în diagramă. Astfel, primul simbol (1 1) este preluat din constelația „albastră”, iar al doilea simbol (0 0) este preluat din constelația „verde”. Rețineți că magnitudinile celor două unde componente se schimbă pe măsură ce comută între constelații, dar magnitudinea semnalului total rămâne constantă (plic constant). Schimbările de fază sunt între cele ale celor două diagrame de sincronizare anterioare.

diagrama de timp pentru Irak / 4-QPSK. Fluxul de date binare este afișat sub axa timpului. Cele două componente de semnal cu sarcinile lor de biți sunt afișate în partea de sus și semnalul total, combinat în partea de jos. Rețineți că simbolurile succesive sunt luate alternativ din cele două constelații, începând cu cea „albastră”.

DPQPSKEdit

dual-polarizare quadrature faza shift keying (DPQPSK) sau dual-polarizare QPSK – implică multiplexarea polarizare a două semnale diferite QPSK, îmbunătățind astfel eficiența spectrală cu un factor de 2. Aceasta este o alternativă rentabilă la utilizarea 16-PSK, în loc de QPSK pentru a dubla eficiența spectrală.