Τετραγωνική πληκτρολόγηση μετατόπισης φάσης (QPSK)

Η ψηφιακή πληκτρολόγηση μετατόπισης φάσης ορίζεται συνήθως από τον αριθμό των διαφορετικών τιμών γωνίας φάσης: η απλούστερη είναι η δυαδική πληκτρολόγηση μετατόπισης φάσης BPSK, όταν ο φορέας λαμβάνει τιμές φάσης 0 ή 180°. Όταν χρησιμοποιείται μία από τις 4 τιμές γωνίας φάσης για την περιγραφή ενός παλμού σήματος διαμόρφωσης, για παράδειγμα: 45°, 135°, -45°, - 135°, τότε σε αυτήν την περίπτωση κάθε τιμή γωνίας φάσης περιέχει δύο μπιτπληροφορίες, και αυτός ο τύπος πληκτρολόγησης ονομάζεται πληκτρολόγηση τετραγωνικής μετατόπισης φάσης (QPSK).

Το κλειδί μετατόπισης φάσης τεσσάρων θέσεων (QPSK) μπορεί να υλοποιηθεί ως 4-θέση με ένα Shift O-QPSK (Offset Quadrature Phase-Shift Keying) ή ως διαφορικό τετραγωνικό πληκτρολόγιο αλλαγής φάσης DQPSK (Differential Quadrature Phase-Shift Keying).

Όταν περιγράφουμε πληκτρολόγηση μετατόπισης φάσης τετραγωνισμού QPSK, εισάγουμε την έννοια του συμβόλου. Σύμβολο- ένα ηλεκτρικό σήμα που αντιπροσωπεύει ένα ή περισσότερα δυαδικά bit.

Για μεταδιδόμενη ψηφιακή ροή

0, 1, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0,...

κάθε δύο δυαδικά 1 μπορούν να αντικατασταθούν από έναν χαρακτήρα

Η αναπαράσταση μιας ομάδας δυαδικών μονάδων με ένα σύμβολο σάς επιτρέπει να μειώσετε την ταχύτητα ροής πληροφοριών. Έτσι, ο ρυθμός συμβόλων ενός σήματος με QPSK είναι η μισή ταχύτητα ενός σήματος με BPSK. Αυτό επιτρέπει στο εύρος ζώνης που καταλαμβάνεται από ένα σήμα QPSK να μειωθεί κατά περίπου στο μισό με τον ίδιο ρυθμό μετάδοσης bit.

Μπορεί να γραφτεί ένα σήμα πληκτρολόγησης μετατόπισης φάσης τετραγωνισμού

Οπου U- πλάτος του φορέα στη συχνότητα Coo, I-φυσικός αριθμός, (λάκκος)- στιγμιαία τιμή της φάσης ταλάντωσης φορέα, που καθορίζεται από τη γωνία φάσης των τιμών λήψης διαμορφωτικού σήματος

Οπου Εγώ = 0,1,2,3.

Για να σχηματιστεί το QPSK, χρησιμοποιείται ένα κύκλωμα παρόμοιο στην αρχιτεκτονική (Εικ. 10.31) με το κύκλωμα διαμορφωτή BPSK

Σειριακή ψηφιακή ροή (σι")μετατρέπεται σε αποπολυπλέκτη (σειριακός-παράλληλος μετατροπέας) σε ζυγά και περιττά στοιχεία: σε φάση που περιέχει μόνο περιττές (δ" Κ) και τετράγωνο (δφ), συμπεριλαμβανομένων μόνο ζυγών bits, αφού περάσουν από ένα χαμηλοπερατό φίλτρο (ή επεξεργαστή σήματος) φτάνουν στις εισόδους διαμορφωτών διπλής ισορροπίας (τετραγωνικής). Οι διαμορφωτές τετραγώνου θέτουν το νόμο της αλλαγής της φάσης της ταλάντωσης του φορέα (QPSK) και μετά τη μετατροπή του αθροιστή ξανά σε σειριακή ροή πληροφοριών, το σήμα τροφοδοτείται μέσω του ενισχυτή στην είσοδο του PF. Ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης περιορίζει το εύρος ζώνης ενός ραδιοφωνικού σήματος καταστέλλοντας τις αρμονικές του.

Ας εξετάσουμε με απλοποιημένο τρόπο τη διαδικασία παραγωγής ραδιοφωνικού σήματος, επισημαίνοντας τις κύριες διαδικασίες. Στον άνω βραχίονα του διαμορφωτή τετραγωνισμού (και, κατά συνέπεια, στον κάτω) ο ζυγός αριθμός πολλαπλασιάζεται xi(t)(Περιττός XQ(t))αλληλουχίες με συνιστώσα εντός φάσης (τετραγωνικό) του φέροντος κύματος COS Ο) 0 t

Ρύζι. 10.31

Σήμα στην έξοδο του διαμορφωτή τετραγωνισμού

Μετασχηματισμός της σχέσης που προκύπτει στη μορφή όπου οι όροι μπορούν να αναπαρασταθούν στη φόρμα

Τότε η σχέση (10.49) θα πάρει τη μορφή ή

Όπως φαίνεται από το (10.54), ένας διαμορφωτής τετραγωνισμού μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη διαμόρφωση του φορέα τόσο σε πλάτος όσο και σε φάση. Εάν τα xi και xq λάβουν τιμές ±1, τότε λαμβάνουμε ένα σήμα με διαμόρφωση πλάτους και τιμή σταθερής κατάστασης ίση με V2. Συνήθως θεωρείται ότι το πλάτος του φορέα κανονικοποιείται στην ενότητα και στη συνέχεια οι τιμές πλάτους των ψηφιακών ακολουθιών xi και Το xq πρέπει να είναι ±1/%/2ή ±0,707 (Εικ. 10.32). Ένας διαμορφωτής τετραγωνισμού μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί σε περιπτώσεις όπου είναι απαραίτητο να διαμορφωθεί ταυτόχρονα το πλάτος και η φάση μιας ταλάντωσης φορέα. Για παράδειγμα, στην περίπτωση της Διαμόρφωσης Τετραγωνικού Εύρους (QAM), κάθε σύμβολο έχει διαφορετική φάση από το προηγούμενο σύμβολο ή/και διαφορετικό πλάτος.

Ρύζι. 10.32

Χάρη στην κοινή χρήση ροής bit (β κ)σε φάση και τετραγωνισμό, η φάση καθενός από αυτά αλλάζει μόνο κάθε δύο bit των 2 Tb. Η φάση της ταλάντωσης του φορέα σε αυτό το διάστημα μπορεί να λάβει μόνο μία από τις τέσσερις τιμές, ανάλογα με hf!)Και XD(1 ) (Εικ. 10.32α).

Εάν κατά το επόμενο διάστημα κανένας από τους παλμούς της ψηφιακής ροής δεν αλλάξει πρόσημο, τότε ο φορέας διατηρεί αμετάβλητη τη φάση του ραδιοφωνικού σήματος. Εάν ένας από τους παλμούς ψηφιακής ροής αλλάξει πρόσημο, τότε η φάση μετατοπίζεται ± l/2.Όταν υπάρχει ταυτόχρονη αλλαγή των παρορμήσεων στο (Με/") Και {1 ^), τότε αυτό οδηγεί σε μετατόπιση φάσης του φορέα κατά μεγάλο.Ένα άλμα φάσης 180° οδηγεί σε πτώση του περιβλήματος πλάτους στο μηδέν (παρόμοιο με το Σχ. 10.26). Είναι προφανές ότι τέτοια άλματα φάσης οδηγούν σε σημαντική επέκταση του φάσματος του μεταδιδόμενου σήματος, κάτι που είναι απαράδεκτο στα δίκτυα σταθερής γραμμής και ακόμη περισσότερο στα δίκτυα κινητής τηλεφωνίας. Το σήμα εξόδου από τον διαμορφωτή συνήθως φιλτράρεται, ενισχύεται και στη συνέχεια μεταδίδεται μέσω ενός καναλιού επικοινωνίας.

Προηγουμένως, εξετάσαμε τύπους ψηφιακής διαμόρφωσης, οι οποίοι, κατά τη μετάδοση ενός συμβόλου, μετέδιδαν ένα bit πληροφοριών. Τώρα θα εισαγάγουμε μια άλλη παράμετρο, την οποία θα ονομάσουμε συμβολικό ρυθμό μεταφοράς. Εάν ένα bit πληροφορίας κωδικοποιείται από ένα σύμβολο, ο ρυθμός μετάδοσης πληροφοριών συμπίπτει πάντα με τον ρυθμό συμβόλων του πομπού. Αλλά αν μεταδώσουμε 2 bit πληροφοριών ταυτόχρονα με ένα σύμβολο, τότε ο ρυθμός συμβόλων του πομπού είναι ίσος με . Σε αυτή την περίπτωση, τίθεται συχνά το ερώτημα: πώς να κωδικοποιήσετε δύο ωθήσεις ταυτόχρονα με μία ώθηση; Παρακάτω θα απαντήσουμε σε αυτή την ερώτηση και θα εξετάσουμε το τετράγωνο πληκτρολόγιο μετατόπισης φάσης (QPSK). Αυτό το άρθρο θα περιέχει μια μεγάλη ποσότητα επεξηγηματικού υλικού που είναι απαραίτητο για την κατανόηση της αρχής του QPSK.

Κωδικοποίηση δύο bit μεταδιδόμενων πληροφοριών με ένα σύμβολο

Η διαμόρφωση QPSK βασίζεται στην κωδικοποίηση δύο bit μεταδιδόμενων πληροφοριών σε ένα σύμβολο. Σε αυτήν την περίπτωση, ο ρυθμός συμβόλων είναι δύο φορές χαμηλότερος από τον ρυθμό μεταφοράς πληροφοριών. Για να κατανοήσετε πώς ένας χαρακτήρας κωδικοποιεί δύο bit ταυτόχρονα, εξετάστε το Σχήμα 1.

Εικόνα 1: Διανυσματικό διάγραμμα σημάτων BPSK και QPSK

Το σχήμα 1 δείχνει διανυσματικά διαγράμματα σημάτων BPSK και QPSK. Το σήμα BPSK συζητήθηκε νωρίτερα και είπαμε ότι ένα σύμβολο BPSK κωδικοποιεί ένα bit πληροφοριών, ενώ στο διανυσματικό διάγραμμα BPSK υπάρχουν μόνο δύο σημεία στον άξονα εντός φάσης, που αντιστοιχούν στο μηδέν και ένα από τις μεταδιδόμενες πληροφορίες. Το κανάλι τετραγωνισμού στην περίπτωση του BPSK είναι πάντα μηδέν. Τα σημεία στο διανυσματικό διάγραμμα σχηματίζουν έναν αστερισμό πληκτρολόγησης μετατόπισης φάσης. Για να κωδικοποιήσουμε δύο bit πληροφοριών με ένα σύμβολο, είναι απαραίτητο ο αστερισμός να αποτελείται από τέσσερα σημεία, όπως φαίνεται στο διανυσματικό διάγραμμα QPSK στην Εικόνα 1. Στη συνέχεια, λαμβάνουμε ότι και είναι διαφορετικά από το μηδέν, όλα τα σημεία του αστερισμού βρίσκονται στον κύκλο της μονάδας. Στη συνέχεια, η κωδικοποίηση μπορεί να γίνει ως εξής: χωρίστε τη ροή δυαδικών ψηφίων σε ζυγά και μονά bit, στη συνέχεια θα κωδικοποιηθούν ζυγά bit και θα κωδικοποιηθούν τα μονά bit. Δύο διαδοχικά bits πληροφοριών κωδικοποιούνται ταυτόχρονα από σήματα in-phase και quadrature. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα στα παλμογράμματα που φαίνονται στο σχήμα για τη ροή πληροφοριών «1100101101100001».

Σχήμα 2: Στοιχεία εντός φάσης και τετραγωνισμού ενός σήματος QPSK

Στο επάνω γράφημα, το ρεύμα εισόδου χωρίζεται σε ζεύγη bit που αντιστοιχούν σε ένα σημείο στον αστερισμό QPSK που φαίνεται στο Σχήμα 1. Το δεύτερο γράφημα δείχνει την κυματομορφή που αντιστοιχεί στις μεταδιδόμενες πληροφορίες. Εάν το ζυγό bit είναι 1 (σημειώστε ότι τα bit αριθμούνται από το μηδέν, όχι από ένα, οπότε το πρώτο bit στην ουρά έχει αριθμό 0, που σημαίνει ότι είναι άρτιο με τη σειρά), και εάν το άρτιο bit είναι 0 (δηλ. ). Ένα κανάλι τετραγωνισμού κατασκευάζεται με παρόμοιο τρόπο, αλλά μόνο με χρήση περιττών δυαδικών ψηφίων. Η διάρκεια ενός συμβόλου είναι διπλάσια από τη διάρκεια ενός bit της αρχικής πληροφορίας. Η συσκευή που εκτελεί τέτοια κωδικοποίηση και σύμφωνα με τον αστερισμό QPSK φαίνεται συμβατικά στο Σχήμα 3.

Σχήμα 3: Κωδικοποιητής σε φάση και τετραγωνισμού με βάση τον αστερισμό QPSK

Ανάλογα με το ζεύγος των bit στην είσοδο, λαμβάνουμε στην έξοδο σταθερά σήματα κατά τη διάρκεια αυτού του ζεύγους bit και , η τιμή των οποίων εξαρτάται από τις μεταδιδόμενες πληροφορίες.

Μπλοκ διάγραμμα ενός διαμορφωτή QPSK

Το μπλοκ διάγραμμα ενός διαμορφωτή που βασίζεται σε QPSK φαίνεται στο Σχήμα 4.

Εικόνα 4: Μπλοκ διάγραμμα ενός διαμορφωτή QPSK

Το σήμα μοιάζει με:

(1)

Οι συνιστώσες εντός φάσης και τετραγωνισμού δεν είναι τίποτα άλλο από τα πραγματικά και τα φανταστικά μέρη του σήματος QPSK, τα οποία είναι τα σήματα εισόδου του διαμορφωτή τετραγωνισμού. Τότε μπορούμε να το αναπαραστήσουμε μέσα από το περίπλοκο περίβλημά του:

Είναι σημαντικό να σημειωθεί ότι η εφαπτομένη πρέπει να υπολογιστεί λαμβάνοντας υπόψη το μιγαδικό τεταρτημόριο επίπεδο (η συνάρτηση του τόξου 2). Ο τύπος του φακέλου φάσης για τη ροή πληροφοριών "1100101101100001" φαίνεται στο Σχήμα 5.

Εικόνα 5: Φάση φακέλου ενός σήματος QPSK

Ο φάκελος φάσης είναι μια συνάρτηση βήματος του χρόνου που υφίσταται ασυνέχειες όταν αλλάζει το σύμβολο QPSK (θυμηθείτε ότι ένα σύμβολο QPSK φέρει δύο bit πληροφοριών). Επιπλέον, μέσα σε ένα σύμβολο, το διανυσματικό διάγραμμα QPSK βρίσκεται πάντα σε ένα σημείο του αστερισμού, όπως φαίνεται παρακάτω, και όταν αλλάζει ένα σύμβολο, μεταβαίνει στο σημείο που αντιστοιχεί στο επόμενο σύμβολο. Εφόσον το QPSK έχει μόνο τέσσερα σημεία στον αστερισμό, ο φάκελος φάσης μπορεί να λάβει μόνο τέσσερις τιμές: και .

Ο φάκελος πλάτους ενός σήματος QPSK μπορεί επίσης να προέλθει από τον σύνθετο φάκελο:

(4)

Σημειώστε ότι ο φάκελος πλάτους του σήματος QPSK ισούται με τη μονάδα παντού, με εξαίρεση τις στιγμές αλλαγής των μεταδιδόμενων συμβόλων, δηλαδή τις στιγμές ενός άλματος φάσης και μετάβασης στο επόμενο σημείο του αστερισμού.

Παράδειγμα παλμογράφου σήματος QPSK με ροή bit εισόδου "11001011011100001" με ρυθμό μεταφοράς πληροφοριών και μια φέρουσα συχνότητα 20 kHz φαίνεται στο σχήμα 6.

Εικόνα 6: Κυματομορφή σήματος QPSK

Σημειώστε ότι η φάση της ταλάντωσης του φορέα μπορεί να πάρει τέσσερις τιμές: και ακτίνια. Σε αυτήν την περίπτωση, η φάση του επόμενου συμβόλου σε σχέση με το προηγούμενο ενδέχεται να μην αλλάξει ή να αλλάξει κατά ή κατά ακτίνια. Σημειώνουμε επίσης ότι στον ρυθμό μεταφοράς πληροφοριών έχουμε ρυθμό συμβόλων και διάρκεια ενός συμβόλου, η οποία φαίνεται καθαρά στον παλμογράφο (το άλμα φάσης εμφανίζεται μετά από 0,2 ms).

Το σχήμα 7 δείχνει το φάσμα BPSK και φάσμα QPSK σήματα σε φέρουσα συχνότητα 100 kHz. Μπορεί να σημειωθεί ότι το πλάτος του κύριου λοβού, καθώς και των πλευρικών λοβών ενός σήματος QPSK, είναι το μισό από εκείνο ενός σήματος BPSK με τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς πληροφοριών. Αυτό συμβαίνει επειδή ο ρυθμός συμβόλων ενός σήματος QPSK είναι ο μισός του ρυθμού πληροφοριών, ενώ ο ρυθμός συμβόλων BPSK είναι ίσος με τον ρυθμό πληροφοριών. Τα επίπεδα του πλευρικού λοβού του QPSK και του BPSK είναι ίσα.

Διαμόρφωση του φάσματος ενός σήματος QPSK χρησιμοποιώντας φίλτρα Nyquist

Προηγουμένως, εξετάσαμε το ζήτημα του περιορισμού του εύρους ζώνης του σήματος κατά τη χρήση φίλτρων διαμόρφωσης Nyquist με απόκριση συχνότητας της μορφής ανυψωμένου συνημιτόνου. Τα φίλτρα διαμόρφωσης καθιστούν δυνατή τη μετάδοση ενός σήματος BPSK με ταχύτητα 1 bit/s ανά εύρος ζώνης σήματος 1 Hz, ενώ εξαλείφουν τις παρεμβολές μεταξύ των συμβόλων στην πλευρά λήψης. Ωστόσο, τέτοια φίλτρα δεν είναι εφικτά, επομένως στην πράξη χρησιμοποιούνται φίλτρα διαμόρφωσης που παρέχουν 0,5 bit/s ανά εύρος ζώνης σήματος 1 Hz. Στην περίπτωση του QPSK, ο ρυθμός μετάδοσης πληροφοριών είναι διπλάσιος από τον ρυθμό συμβόλων, τότε η χρήση φίλτρων διαμόρφωσης μας δίνει την ευκαιρία να μεταδίδουμε 0,5 σύμβολα ανά δευτερόλεπτο ανά ζώνη 1 Hz ή 1 bit/s ψηφιακών πληροφοριών ανά ζώνη 1 Hz όταν χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο με απόκριση συχνότητας τύπου ανυψωμένου συνημιτόνου. Είπαμε ότι η παλμική απόκριση του φίλτρου διαμόρφωσης Nyquist εξαρτάται από την παράμετρο και έχει τη μορφή:

(5)

Το σχήμα 8 δείχνει τα φάσματα όταν χρησιμοποιούνται φίλτρα διαμόρφωσης Nyquist με την παράμετρο .

Το σχήμα 8 δείχνει με μαύρο χρώμα το φάσμα του σήματος QPSK χωρίς τη χρήση φίλτρου διαμόρφωσης. Μπορεί να φανεί ότι η χρήση ενός φίλτρου Nyquist καθιστά δυνατή την πλήρη καταστολή των πλευρικών λοβών τόσο στο φάσμα BPSK όσο και στο φάσμα σήματος QPSK. Το μπλοκ διάγραμμα ενός διαμορφωτή QPSK που χρησιμοποιεί ένα φίλτρο διαμόρφωσης φαίνεται στο Σχήμα 9.

Εικόνα 9: Μπλοκ διάγραμμα ενός διαμορφωτή QPSK χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο διαμόρφωσης

Γραφήματα που εξηγούν τη λειτουργία του διαμορφωτή QPSK φαίνονται στο Σχήμα 10.

Εικόνα 10: Επεξηγηματικά γραφήματα

Οι ψηφιακές πληροφορίες φτάνουν με ταχύτητα και μετατρέπονται σε σύμβολα και, σύμφωνα με τον αστερισμό QPSK, η διάρκεια ενός μεταδιδόμενου συμβόλου είναι . Η γεννήτρια ρολογιού παράγει μια ακολουθία παλμών δέλτα με τελεία, αλλά σχετίζεται με το κέντρο του παλμού και, όπως φαίνεται στο τέταρτο γράφημα. Οι παλμοί της γεννήτριας ρολογιού είναι κλειστοί και χρησιμοποιώντας διακόπτες και λαμβάνουμε δείγματα και , που φαίνονται στα δύο κάτω γραφήματα, τα οποία διεγείρουν τον παρεμβολέα σχήματος φίλτρου με μια παλμική απόκριση και στην έξοδο έχουμε τις συνιστώσες εντός φάσης και τετραγωνισμού του μιγαδικού φακέλου , τα οποία τροφοδοτούνται σε έναν γενικό διαμορφωτή τετραγωνισμού. Στην έξοδο του διαμορφωτή λαμβάνουμε ένα σήμα QPSK με καταστολή των πλευρικών λοβών του φάσματος.

Λάβετε υπόψη ότι τα στοιχεία εντός φάσης και τετραγωνισμού γίνονται συνεχείς συναρτήσεις του χρόνου, ως αποτέλεσμα, το διάνυσμα μιγαδικού φακέλου QPSK δεν βρίσκεται πλέον στα σημεία αστερισμού, πηδώντας κατά τη διάρκεια μιας αλλαγής συμβόλου, αλλά κινείται συνεχώς στο μιγαδικό επίπεδο όπως φαίνεται στο Σχήμα 11 όταν χρησιμοποιείται φίλτρο ανυψωμένου συνημιτόνου με διαφορετικές παραμέτρους.

, το οποίο καταδεικνύεται ξεκάθαρα από το παλμογράφο σήματος QPSK που φαίνεται στο Σχήμα 12. Εικόνα 12: Κυματομορφή ενός σήματος QPSK χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο διαμόρφωσης Nyquist συμπεράσματα Σε αυτό το άρθρο, εισαγάγαμε μια νέα έννοια - συμβολικό ρυθμό μετάδοσης πληροφοριών και εξετάσαμε πώς είναι δυνατόν να κωδικοποιηθούν δύο bit μεταδιδόμενων πληροφοριών με ένα σύμβολο όταν χρησιμοποιείται διαμόρφωση QPSK. Εξετάστηκαν ο αστερισμός του σήματος QPSK και το μπλοκ διάγραμμα του διαμορφωτή QPSK. Αναλύσαμε επίσης το φάσμα του σήματος QPSK και πώς περιορίστηκε χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο διαμόρφωσης Nyquist (ανυψωμένο συνημίτονο). Διαπιστώθηκε ότι η ενεργοποίηση του φίλτρου διαμόρφωσης οδηγεί σε συνεχή κίνηση του διανύσματος μιγαδικού φακέλου του σήματος QPSK κατά μήκος του μιγαδικού επιπέδου, ως αποτέλεσμα του οποίου το σήμα αποκτά ένα φάκελο πλάτους. Στο επόμενο άρθρο θα συνεχίσουμε να εξοικειωνόμαστε με το QPSK, συγκεκριμένα θα εξετάσουμε τις ποικιλίες του: offset QPSK και pi/4 QPSK.

Είναι γνωστό από τη θεωρία επικοινωνίας ότι η διαμόρφωση δυαδικής φάσης BPSK έχει την υψηλότερη ανοσία θορύβου. Ωστόσο, σε ορισμένες περιπτώσεις, μειώνοντας την ατρωσία θορύβου του καναλιού επικοινωνίας, είναι δυνατό να αυξηθεί η απόδοσή του. Επιπλέον, με την εφαρμογή κωδικοποίησης ανθεκτικής στο θόρυβο, η περιοχή που καλύπτεται από ένα σύστημα κινητής επικοινωνίας μπορεί να σχεδιαστεί με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Η διαμόρφωση φάσης τεσσάρων θέσεων χρησιμοποιεί τέσσερις τιμές φάσης φορέα. Σε αυτήν την περίπτωση, η φάση y(t) του σήματος που περιγράφεται από την έκφραση (25) θα πρέπει να λάβει τέσσερις τιμές: 0°, 90°, 180° και 270°. Ωστόσο, άλλες τιμές φάσης χρησιμοποιούνται πιο συχνά: 45°, 135°, 225° και 315°. Αυτός ο τύπος αναπαράστασης της διαμόρφωσης τετραγωνικής φάσης φαίνεται στο Σχήμα 1.

Σχήμα 1. Πολικό διάγραμμα ενός σήματος διαμόρφωσης φάσης τεσσάρων θέσεων QPSK.

Το ίδιο σχήμα δείχνει τις τιμές bit που μεταφέρονται από κάθε κατάσταση φάσης φορέα. Κάθε κατάσταση μεταδίδει δύο bit χρήσιμων πληροφοριών ταυτόχρονα. Στην περίπτωση αυτή, τα περιεχόμενα των δυαδικών ψηφίων επιλέγονται με τέτοιο τρόπο ώστε η μετάβαση σε μια γειτονική κατάσταση της φέρουσας φάσης λόγω ενός σφάλματος λήψης να οδηγεί σε όχι περισσότερο από ένα μόνο σφάλμα bit.

Τυπικά, ένας διαμορφωτής τετραγωνισμού χρησιμοποιείται για τη δημιουργία ενός σήματος διαμόρφωσης QPSK. Για να εφαρμόσετε έναν διαμορφωτή τετραγωνισμού, θα χρειαστείτε δύο πολλαπλασιαστές και . Οι είσοδοι πολλαπλασιαστή μπορούν να παρέχονται με ροές bit εισόδου απευθείας στον κώδικα NRZ. ένας τέτοιος διαμορφωτής φαίνεται στο σχήμα 2.

Εικόνα 2. Μπλοκ διάγραμμα του διαμορφωτή QPSK – NRZ

Εφόσον σε αυτήν την περίπτωση δύο bit του ρεύματος bit εισόδου μεταδίδονται ταυτόχρονα κατά τη διάρκεια ενός διαστήματος συμβόλων, ο ρυθμός συμβόλων αυτού του τύπου διαμόρφωσης είναι 2 bit ανά σύμβολο. Αυτό σημαίνει ότι κατά την εφαρμογή ενός διαμορφωτή, το ρεύμα εισόδου θα πρέπει να χωρίζεται σε δύο συνιστώσες - τη συνιστώσα εντός φάσης I και τη συνιστώσα τετραγωνισμού Q. Τα επόμενα μπλοκ θα πρέπει να συγχρονίζονται με ρυθμό συμβόλων.

Με αυτήν την υλοποίηση, το φάσμα του σήματος στην έξοδο του διαμορφωτή είναι απεριόριστο και η κατά προσέγγιση μορφή του φαίνεται στο Σχήμα 3.

Σχήμα 3. Φάσμα ενός σήματος QPSK που διαμορφώνεται από ένα σήμα NRZ.

Φυσικά, αυτό το σήμα μπορεί να περιοριστεί σε φάσμα χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο διέλευσης ζώνης που περιλαμβάνεται στην έξοδο του διαμορφωτή, αλλά αυτό δεν γίνεται ποτέ. Το φίλτρο Nyquist είναι πολύ πιο αποτελεσματικό. Το μπλοκ διάγραμμα ενός διαμορφωτή τετραγωνισμού σήματος QPSK, που έχει κατασκευαστεί χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο Nyquist, φαίνεται στο Σχήμα 4.

Εικόνα 4. Μπλοκ διάγραμμα ενός διαμορφωτή QPSK χρησιμοποιώντας ένα φίλτρο Nyquist

Το φίλτρο Nyquist μπορεί να εφαρμοστεί μόνο με τη χρήση ψηφιακής τεχνολογίας, επομένως στο κύκλωμα που φαίνεται στο Σχήμα 4, παρέχεται ένας μετατροπέας ψηφιακού σε αναλογικό (DAC) μπροστά από τον διαμορφωτή τετραγωνισμού. Μια ιδιαιτερότητα της λειτουργίας του φίλτρου Nyquist είναι ότι στα διαστήματα μεταξύ των σημείων αναφοράς δεν πρέπει να υπάρχει σήμα στην είσοδό του, επομένως στην είσοδό του υπάρχει ένας διαμορφωτής παλμών που εξάγει σήμα στην έξοδο του μόνο τη στιγμή των σημείων αναφοράς. Τον υπόλοιπο χρόνο υπάρχει μηδενικό σήμα στην έξοδο του.

Ένα παράδειγμα του σχήματος του μεταδιδόμενου ψηφιακού σήματος στην έξοδο του φίλτρου Nyquist φαίνεται στο Σχήμα 5. Το σήμα στο γράφημα εμφανίζεται συνεχές λόγω της αρκετά υψηλής συχνότητας δειγματοληψίας.

Εικόνα 5. Παράδειγμα διαγράμματος χρονισμού σήματος Q για διαμόρφωση φάσης QPSK τεσσάρων θέσεων

Δεδομένου ότι ένα φίλτρο Nyquist χρησιμοποιείται στη συσκευή εκπομπής για να περιορίσει το φάσμα του ραδιοφωνικού σήματος, δεν υπάρχει παραμόρφωση διασυμβόλων στο σήμα μόνο σε σημεία σήματος. Αυτό φαίνεται ξεκάθαρα από το οφθαλμικό διάγραμμα σήματος Q που φαίνεται στην Εικόνα 6.

Εικόνα 6. Οφθαλμικό διάγραμμα του σήματος στην είσοδο του διαμορφωτή Q

Εκτός από τον περιορισμό του φάσματος του σήματος, η χρήση ενός φίλτρου Nyquist οδηγεί σε αλλαγή στο πλάτος του παραγόμενου σήματος. Στα διαστήματα μεταξύ των σημείων αναφοράς του σήματος, το πλάτος μπορεί είτε να αυξηθεί σε σχέση με την ονομαστική τιμή είτε να μειωθεί σχεδόν στο μηδέν.

Για να παρακολουθείτε τις αλλαγές τόσο στο πλάτος του σήματος QPSK όσο και στη φάση του, είναι καλύτερο να χρησιμοποιήσετε ένα διανυσματικό διάγραμμα. Το διάγραμμα φάσης του ίδιου σήματος που φαίνεται στα Σχήματα 5 και 6 φαίνεται στο Σχήμα 7.

Σχήμα 7 διανυσματικό διάγραμμα ενός σήματος QPSK με α = 0,6

Η αλλαγή στο πλάτος του σήματος QPSK είναι επίσης ορατή στο παλμογράφημα του σήματος QPSK στην έξοδο του διαμορφωτή. Το πιο χαρακτηριστικό τμήμα του διαγράμματος χρονισμού σήματος που φαίνεται στα Σχήματα 6 και 7 φαίνεται στο Σχήμα 8. Σε αυτό το σχήμα, και οι δύο βυθίσεις στο πλάτος του διαμορφωμένου φορέα σήματος και μια αύξηση στην τιμή του σε σχέση με το ονομαστικό επίπεδο είναι καθαρά ορατές.

Εικόνα 8. Διάγραμμα χρονισμού σήματος QPSK με α = 0,6

Τα σήματα στα Σχήματα 5...8 φαίνονται για την περίπτωση χρήσης φίλτρου Nyquist με συντελεστή στρογγυλοποίησης a = 0,6. Όταν χρησιμοποιείτε ένα φίλτρο Nyquist με χαμηλότερη τιμή αυτού του συντελεστή, η επίδραση των πλευρικών λοβών της κρουστικής απόκρισης του φίλτρου Nyquist θα έχει ισχυρότερη επίδραση και οι τέσσερις διαδρομές σήματος που είναι σαφώς ορατές στα Σχήματα 6 και 7 θα συγχωνευθούν σε μια συνεχή ζώνη . Επιπλέον, οι υπερτάσεις στο πλάτος του σήματος θα αυξηθούν σε σχέση με την ονομαστική τιμή.

Σχήμα 9 – φασματόγραμμα σήματος QPSK με α = 0,6

Η παρουσία διαμόρφωσης πλάτους του σήματος οδηγεί στο γεγονός ότι σε συστήματα επικοινωνίας που χρησιμοποιούν αυτόν τον τύπο διαμόρφωσης, είναι απαραίτητο να χρησιμοποιηθεί ένας εξαιρετικά γραμμικός ενισχυτής ισχύος. Δυστυχώς, τέτοιοι ενισχυτές ισχύος έχουν χαμηλή απόδοση.

Η διαμόρφωση συχνότητας με ελάχιστη απόσταση συχνότητας καθιστά δυνατή τη μείωση του εύρους ζώνης συχνότητας που καταλαμβάνεται από ένα ψηφιακό ραδιοφωνικό σήμα στον αέρα. Ωστόσο, ακόμη και αυτός ο τύπος διαμόρφωσης δεν ικανοποιεί όλες τις απαιτήσεις για σύγχρονα κινητά ραδιοφωνικά συστήματα. Συνήθως, το σήμα MSK στον ραδιοπομπό φιλτράρεται με ένα συμβατικό φίλτρο. Γι' αυτό έχει εμφανιστεί ένας άλλος τύπος διαμόρφωσης με ακόμη στενότερο φάσμα ραδιοσυχνοτήτων στον αέρα.

Βιβλιογραφία:

1. «Σχεδιασμός συσκευών λήψης ραδιοφώνου» εκδ. Α.Π. Sivers - M.: "Γυμνάσιο" 1976 σελ
2. Palshkov V.V. "Ραδιοφωνικές συσκευές" - Μ.: "Ραδιόφωνο και Επικοινωνίες" 1984 σελ. 32

Μαζί με το άρθρο "Διαμόρφωση φάσης τεσσάρων θέσεων (QPSK)" διαβάστε:

http://site/UGFSvSPS/modul/DQPSK/

http://site/UGFSvSPS/modul/BPSK/

http://site/UGFSvSPS/modul/GMSK/

http://site/UGFSvSPS/modul/FFSK/

• Με διαμόρφωση τετραγωνικής μετατόπισης QPSK (Offset QPSK) Οι μονοφασικές (ταυτόχρονες) κινήσεις του σημείου σήματος περιορίζονται στις 90 μοίρες. Οι ταυτόχρονες κινήσεις του κατά μήκος των καναλιών I και Q, δηλ. η μετάβαση στις 180 μοίρες είναι αδύνατη, γεγονός που εξαλείφει την κίνηση του σημείου σήματος μέσω του μηδενός

Ένα από τα μειονεκτήματα της κανονικής διαμόρφωσης τετραγωνικής φάσης είναι ότι όταν τα σύμβολα και στα δύο κανάλια διαμορφωτή τετραγωνισμού αλλάζουν ταυτόχρονα, το σήμα QPSK προκαλεί ένα άλμα 180° στη φάση φορέα. Όταν παράγεται ένα συμβατικό σήμα QPSK, αυτή τη στιγμή το σημείο σήματος κινείται στο μηδέν, δηλαδή το σημείο σήματος μετακινείται κατά 180 μοίρες. Τη στιγμή μιας τέτοιας κίνησης συμβαίνει μείωση του πλάτους του παραγόμενου σήματος RFστο μηδέν.

Τέτοιες σημαντικές αλλαγές σήματος είναι ανεπιθύμητες επειδή αυξάνουν το εύρος ζώνης του σήματος. Για την ενίσχυση ενός τέτοιου σήματος, το οποίο έχει σημαντική δυναμική, απαιτούνται εξαιρετικά γραμμικές διαδρομές μετάδοσης και, ειδικότερα, ενισχυτές ισχύος. Η εξαφάνιση του σήματος RF τη στιγμή που το σημείο σήματος διασχίζει το μηδέν υποβαθμίζει επίσης την ποιότητα λειτουργίας των συστημάτων συγχρονισμού ραδιοεξοπλισμού.

Το παρακάτω σχήμα συγκρίνει την κίνηση του σημείου σήματος στο διανυσματικό διάγραμμα για τα δύο πρώτα σύμβολα της ακολουθίας - από την κατάσταση 11 έως το 01 για το παραδοσιακό QPSK και για το offset QPSK.

Σύγκριση κινήσεων σημείου σήματος με QPSK (αριστερά) και OQPSK (δεξιά) για δύο σύμβολα 11 01

Ένας αριθμός όρων χρησιμοποιούνται για να δηλώσουν OQPSK: μετατόπιση QPSK, μετατόπιση QPSK, μετατόπιση διαμόρφωση QPSK, τετραφασικό PM με μετατόπιση. Αυτή η διαμόρφωση χρησιμοποιείται, για παράδειγμα, σε συστήματα CDMA για την οργάνωση ενός ανοδικού καναλιού επικοινωνίας σε τυπικές συσκευές ZigBee.

• Συγκρότηση ΟΚΠΣΚ
  

Η διαμόρφωση OQPSK χρησιμοποιεί την ίδια κωδικοποίηση σήματος με το QPSK. Η διαφορά είναι ότι η μετακίνηση από μια κατάσταση διαμόρφωσης σε άλλη (από ένα σημείο του αστερισμού σε άλλο) εκτελείται σε δύο βήματα. Πρώτα, τη στιγμή του ρολογιού, το στοιχείο I αλλάζει στην αρχή του συμβόλου και το στοιχείο Q αλλάζει μετά το μισό σύμβολο (ή το αντίστροφο).
Για να γίνει αυτό, οι συνιστώσες του τετραγωνισμού της αλληλουχίας πληροφοριών I(t) και Q(t) μετατοπίζονται χρονικά κατά τη διάρκεια ενός στοιχείου πληροφοριών T=Ts/2, δηλ. για το ήμισυ της διάρκειας του συμβόλου, όπως φαίνεται στο σχήμα.

Δημιουργία σημάτων QPSK και OQPSK για την ακολουθία 1101001011110010011

Με μια τέτοια μετατόπιση των συστατικών σημάτων, κάθε αλλαγή στη φάση του παραγόμενου σήματος, που παράγεται με τη σειρά του από σήματα τετραγωνισμού, καθορίζεται από ένα μόνο στοιχείο της αρχικής ακολουθίας πληροφοριών και όχι ταυτόχρονα από δύο (δυαδικά ψηφία), όπως με το QPSK. Ως αποτέλεσμα, δεν υπάρχουν μεταβάσεις φάσης 180°, καθώς κάθε στοιχείο της αρχικής ακολουθίας πληροφοριών που φθάνει στην είσοδο του διαμορφωτή καναλιού εντός φάσης ή τετραγωνισμού μπορεί να προκαλέσει αλλαγή φάσης μόνο 0, +90° ή -90°.

Οι απότομες κινήσεις φάσης του σημείου σήματος κατά τη δημιουργία ενός σήματος OQPSK συμβαίνουν δύο φορές πιο συχνά σε σύγκριση με το QPSK, καθώς τα σήματα συνιστωσών δεν αλλάζουν ταυτόχρονα, αλλά είναι θολά. Με άλλα λόγια, το μέγεθος των μεταβάσεων φάσης στο OQPSK είναι μικρότερο σε σύγκριση με το QPSK, αλλά η συχνότητά τους είναι διπλάσια.

Συχνότητα μετάβασης φάσης των σημάτων QPSK και OQPSK για μια επαναλαμβανόμενη ακολουθία bit 1101

Σε ένα παραδοσιακό κύκλωμα διαμορφωτή τετραγωνισμού, ο σχηματισμός ενός σήματος QPSK μπορεί να επιτευχθεί χρησιμοποιώντας μια καθυστέρηση των στοιχείων ψηφιακού σήματος κατά τη διάρκεια του bit T σε ένα από τα κανάλια ελέγχου τετραγωνισμού.

Εάν χρησιμοποιείται ένα κατάλληλο φίλτρο κατά τη δημιουργία του OQPSK, η κίνηση μεταξύ διαφορετικών σημείων στον αστερισμό σημάτων μπορεί να εκτελεστεί σχεδόν εξ ολοκλήρου σε κύκλο (Εικόνα). Ως αποτέλεσμα, το πλάτος του παραγόμενου σήματος παραμένει σχεδόν σταθερό.

Το σήμα με κλειδί φάσης έχει τη μορφή:

όπου και είναι σταθερές παράμετροι, και είναι η φέρουσα συχνότητα.

Οι πληροφορίες μεταδίδονται μέσω φάσης. Εφόσον κατά τη συνεκτική αποδιαμόρφωση υπάρχει ένας φορέας στον δέκτη, η τρέχουσα μετατόπιση φάσης υπολογίζεται συγκρίνοντας το σήμα (3.21) με το φορέα. Η αλλαγή φάσης σχετίζεται ένα προς ένα με το σήμα πληροφοριών.

Δυαδική πληκτρολόγηση μετατόπισης φάσης(BPSK – Δυαδική πληκτρολόγηση μετατόπισης φάσης)

Σε ένα σύνολο τιμών σημάτων πληροφοριών εκχωρείται μια μοναδική αντιστοιχία σε ένα σύνολο αλλαγών φάσης. Όταν η τιμή του σήματος πληροφοριών αλλάζει, η φάση του ραδιοφωνικού σήματος αλλάζει κατά 180º. Έτσι, το σήμα BPSK μπορεί να γραφτεί ως

Ως εκ τούτου, . Έτσι, για την υλοποίηση του BPSK, αρκεί να πολλαπλασιάσουμε το σήμα φορέα με το σήμα πληροφοριών, το οποίο έχει πολλές τιμές. Τα σήματα εξόδου του διαμορφωτή

, .

Ρύζι. 3.38. Σχήμα χρόνου και αστερισμός σήματος του σήματος BPSK:

α – ψηφιακό μήνυμα. β – σήμα διαμόρφωσης. c – διαμορφωμένη ταλάντωση HF. d – αστερισμός σήματος

Το σχήμα του χρόνου του σήματος και ο αστερισμός του φαίνονται στο Σχ. 3.38.

Ένας υποτύπος της οικογένειας BPSK είναι το διαφορικό (σχετικό) BPSK (DBPSK). Η ανάγκη για σχετική διαμόρφωση οφείλεται στο γεγονός ότι τα περισσότερα σχήματα ανάκτησης συχνότητας φορέα οδηγούν σε ασάφεια φάσης του ανακτημένου φορέα. Ως αποτέλεσμα της ανάκτησης, μπορεί να σχηματιστεί μια μόνιμη μετατόπιση φάσης πολλαπλάσιο των 180º. Η σύγκριση του λαμβανόμενου σήματος με τον ανακατασκευασμένο φορέα θα οδηγήσει σε αυτή την περίπτωση σε αντιστροφή (αλλαγή των τιμών όλων των bit στο αντίθετο). Αυτό μπορεί να αποφευχθεί με την κωδικοποίηση όχι της απόλυτης μετατόπισης φάσης, αλλά της αλλαγής της σε σχέση με την τιμή στο προηγούμενο διάστημα bit. Για παράδειγμα, εάν στο τρέχον διάστημα bit η τιμή του bit έχει αλλάξει σε σύγκριση με το προηγούμενο, τότε η τιμή φάσης του διαμορφωμένου σήματος αλλάζει επίσης κατά 180º εάν παραμείνει η ίδια, τότε η φάση επίσης δεν αλλάζει.

Η φασματική πυκνότητα ισχύος του σήματος BPSK συμπίπτει με την πυκνότητα του σήματος OOK, εκτός από την απουσία σήματος φέρουσας συχνότητας στο φάσμα:

, (3,22)

Τετραγωνική πληκτρολόγηση μετατόπισης φάσης(QPSK – Τετραγωνική μετατόπιση φάσης)

Το πληκτρολόγιο τετραγωνικής μετατόπισης φάσης είναι ένα πληκτρολόγιο μετατόπισης φάσης τεσσάρων επιπέδων (=4) στο οποίο η φάση μιας ταλάντωσης υψηλής συχνότητας μπορεί να λάβει 4 διαφορετικές τιμές σε προσαυξήσεις π/2.

Η σχέση μεταξύ της μετατόπισης φάσης μιας διαμορφωμένης ταλάντωσης από ένα σύνολο και ένα σύνολο συμβόλων (dibit) ενός ψηφιακού μηνύματος καθορίζεται σε κάθε συγκεκριμένη περίπτωση από το πρότυπο για το ραδιοφωνικό κανάλι και εμφανίζεται από τον αστερισμό σημάτων στο Σχ. 3.39. Τα βέλη υποδεικνύουν πιθανές μεταβάσεις από μια κατάσταση φάσης σε μια άλλη.

Το σχήμα δείχνει ότι η αντιστοιχία μεταξύ των τιμών των συμβόλων και της φάσης του σήματος καθορίζεται με τέτοιο τρόπο ώστε σε γειτονικά σημεία του αστερισμού σημάτων οι τιμές των αντίστοιχων συμβόλων να διαφέρουν μόνο σε ένα bit. Κατά τη μετάδοση σε συνθήκες θορύβου, το πιο πιθανό σφάλμα θα είναι ο προσδιορισμός της φάσης ενός παρακείμενου σημείου αστερισμού. Με αυτήν την κωδικοποίηση, παρόλο που έχει προκύψει σφάλμα στον προσδιορισμό της σημασίας ενός συμβόλου, αυτό θα αντιστοιχεί σε ένα σφάλμα σε ένα (όχι δύο) bits πληροφοριών. Έτσι, επιτυγχάνεται μείωση της πιθανότητας σφάλματος bit. Αυτή η μέθοδος κωδικοποίησης ονομάζεται Γκρι κώδικας.

Κάθε τιμή φάσης του διαμορφωμένου σήματος αντιστοιχεί σε 2 bit πληροφοριών και επομένως η αλλαγή στο σήμα διαμόρφωσης με διαμόρφωση QPSK συμβαίνει 2 φορές λιγότερο συχνά από ότι με τη διαμόρφωση BPSK με τον ίδιο ρυθμό μεταφοράς πληροφοριών. Είναι γνωστό ότι η φασματική πυκνότητα ισχύος ενός σήματος πολλαπλών επιπέδων συμπίπτει με τη φασματική πυκνότητα ισχύος ενός δυαδικού σήματος όταν αντικαθίσταται το διάστημα συμβόλων με ένα διάστημα συμβόλων . Για διαμόρφωση τεσσάρων επιπέδων =4 και επομένως .

Η φασματική πυκνότητα ισχύος ενός σήματος QPSK με σήμα διαμόρφωσης με ορθογώνιους παλμούς με βάση το (3.22) καθορίζεται από την έκφραση:

.

Από αυτόν τον τύπο είναι σαφές ότι η απόσταση μεταξύ των πρώτων μηδενικών της φασματικής πυκνότητας ισχύος του σήματος QPSK είναι ίση με , η οποία είναι 2 φορές μικρότερη από ό,τι για το σήμα BPSK. Με άλλα λόγια, η φασματική απόδοση της τετραγωνικής διαμόρφωσης QPSK είναι 2 φορές υψηλότερη από αυτή της δυαδικής διαμόρφωσης BPSK.

Το σήμα QPSK μπορεί να γραφτεί ως

Οπου .

Το σήμα QPSK μπορεί να αναπαρασταθεί ως στοιχεία εντός φάσης και τετραγωνισμού

Οπου - σε φάση συστατικό του συμβόλου -ου,