TopSłownik technicznyModulacja PSK i jej rodzaje

Modulacja PSK i jej rodzaje

PSK (Phase-Shift Keying) – cyfrowa modulacja, potocznie zwana kluczowaniem z przesuwem fazy. Kluczowanie oznacza, że proces modulacji polega na przełączaniu parametru sygnału okresowego, którym w tym przypadku jest faza. Dane są reprezentowane za pośrednictwem dyskretnych zmian fazy fali nośnej. Liczba takich zmian może być dowolna i z reguły jest równa potędze liczby 2 – w ten sposób rozróżnia się podrodzaje modulacji PSK, którymi są na przykład BPSK i jej odmiana DBPSK oraz QPSK i jej odmiana DQPSK.

 

Diagram konstelacji (wykres przesunięcia fazowego) jest graficznym odzwierciedleniem sygnału poddanego modulacji cyfrowej. Składa się z punktów konstelacyjnych. Na jego podstawie można ocenić jakość transmitowanego sygnału.

 

Sygnał zmodulowany, który został poddany procesowi transmisji, oprócz informacji użytecznej zawiera także szumy, zakłócenia i interferencje. Aby demodulator poprawnie zdemodulował bit sygnału użytecznego, odebrany symbol musi zostać dopasowany do właściwego punktu konstelacyjnego (bitu). W innym razie odebrany sygnał będzie przekłamany.

 

Rys. 1. Diagram konstelacji: (a) sygnału użytecznego idealnego, (b) sygnału przekłamanego – na przykładzie modulacji 8-PSK

 

BPSK i DBPSK 

BPSK (Binary Phase Shift Keying – binarna modulacja z kluczowaniem fazy) – modulacja koherentna, czyli wymagająca zastosowania synchronizacji między nadajnikiem a odbiornikiem. W modulacji tej stosuje się dwie wartości, jakie może przyjąć faza: –180° i +180°, co zostało zakodowane na jednym bicie w kodzie binarnym jako logiczne „0” lub „1”.

 

Rys. 2. Diagram konstelacji BPSK

 

DBPSK (Differential Binary Phase Shift Keying – różnicowa binarna modulacja z kluczowaniem fazy) –analogicznie jak BPSK w modulacji tej także stosuje się dwie wartości, jakie może przyjąć faza: –180° i +180°; w kodzie binarnym to logiczne „0” lub „1”.

 

Różnica pomiędzy BPSK a DBPSK kryje się w przesyłanej informacji, którą nie jest już faza, jak w BPSK, ale informacja o zmianie fazy sygnału nośnego. Diagram konstelacji DBPSK jest identyczny jak diagram konstelacji BPSK, ponieważ obie modulacje są binarnymi. Jeden punkt konstelacyjny (jedna cyfrowa/binarna wartość zmiany fazy) zakodowany jest w jednym bicie „0” lub „1”.

 

Prędkość modulacji BPSK i DBPSK jest równa i wynosi 1 Mbit/s.

 

Zastosowanie BPSK/DBPSK: routery Wi-Fi, punkty dostępowe.

 

QPSK i DQPSK 

Modulacja QPSK (Quaternary Phase Shift Keying – kwadraturowa modulacja z kluczowaniem fazy) – charakteryzuje się czterema wartościami przesunięć fazy, które mogą wynosić –45°, –135°, +45° oraz +135° (przesunięcie co 90°), co w kodzie binarnym zostało zapisane na dwóch bitach: 00, 01, 11 lub 10. Poniższy rysunek przedstawia diagram konstelacji modulacji QPSK, na który składają się cztery punkty konstelacyjne. Każdy punkt konstelacyjny zakodowany jest w dwóch bitach.

 

Rys. 3. Diagram konstelacji QPSK

 

Modulacje kwadraturowe (QPSK/DQPSK) wyróżniają się zastosowaniem dwóch niezależnych nośnych, dlatego ich diagramy konstelacji zawierają dwa razy więcej punktów konstelacyjnych niż modulacje binarne (BPSK/DBPSK).

 

Modulacja DQPSK (Differential Quaternary Phase Shift Keying – różnicowa kwadraturowa modulacja z kluczowaniem fazy) – podstawowa różnica między QPSK a DQPSK sprowadza się do tego, że w punktach konstelacyjnych jest zapisana informacja o zmianie fazy sygnału nośnego (nie o fazie – jak w przypadku QPSK). Diagram konstelacji DQPSK jest identyczny z diagramem konstelacji QPSK, ponieważ obie modulacje są kwadraturowe. Jeden punkt konstelacyjny jest zakodowany w dwóch bitach wynoszących 00, 01, 11 lub 10.

 

Odbiornik DQPSK jest skonstruowany tak, że porównuje fazę aktualnego sygnału z sygnałem uprzednio odebranym. Jeśli okaże się, że faza nie zmieniała się, sygnał zapamiętany zostanie jako punkt 00 w diagramie konstelacji (logiczne zero). Natomiast jeżeli faza się zmieni, to sygnał zapamiętany zostanie jako 01, 11 lub 10 w zależności od wartości zmiany fazy.

 

Podwójną liczbę punktów konstelacyjnych QPSK/DQPSK można zinterpretować jako możliwość transmisji dwukrotnie większej ilości danych w tym samym czasie w stosunku do BPSK/DBPSK. Dzieje się tak dlatego, że do dyspozycji QPSK/DQPSK jest przeznaczonych dwa razy więcej bitów. Prędkość modulacji QPSK i DQPSK jest równa i wynosi 2 Mbit/s.

 

Zastosowanie QPSK / DQPSK: routery Wi-Fi, punkty dostępowe, mierniki satelitarne, mierniki uniwersalne, modulatory DVB-T, mierniki sygnału DVB-T.

 

Problem synchronizacji modulacji PSK 

Metody BPSK i QPSK wymagają synchronizacji między nadajnikiem i odbiornikiem – są to tzw. metody koherentne. Warunki atmosferyczne, szumy, interferencje, a także zmiany wartości napięcia zasilającego negatywnie wpływają na przesyłany sygnał użyteczny i zakłócają go. Przy transmitowaniu sygnału drogą radiową na większe odległości zachowanie synchronizacji może okazać się niemożliwe. Z tego powodu metody koherentne są dedykowane do krótkich torów transmisyjnych.

 

Zastosowanie metody różnicowego kluczowania fazy (DPSK/DBPSK/DQPSK) umożliwia uniknięcie tego problemu. Są to metody niekoherentne (niewymagające synchronizacji). W odbiorniku niekoherentnym porównywane są fazy każdego przychodzącego sygnału z fazą poprzedniego sygnału. Taki proces wymaga zapamiętania jednej wartości bitu/bitów w odbiorniku, co na etapie konstruowania odbiornika nie stanowi większego problemu. Odbiorniki niekoherentne są mniej skomplikowane konstrukcyjnie, dzięki czemu również tańsze.

 

Tab. 1. Porównanie parametrów modulacji BPSK, DBPSK, QPSK, DQPSK

 

Parametr modulacji BPSK DBPSK QPSK DQPSK

Liczba bitów na symbol [bps*]

1 1 2 2

Metoda detekcji

koherentna

niekoherentna

koherentna

niekoherentna

Liczba punktów konstelacyjnych (liczba kombinacji zmian fazy)

2 2 4 4

Wymagana szerokość pasma [%]

100 100 50 50

Efektywność widmowa [bps*/Hz]

0.5 0.5 1 1

* bps – bit/symbol

 

Kiedy porównamy cztery opisane metody modulacji, widzimy, że najbardziej efektywną z nich jest DQPSK. Jej stosunek energii przypadającej na bit do gęstości szumu jest największy. W praktyce oznacza to, że sygnał zmodulowany metodą DQPSK jest najmniej podatny na szumy, interferencje i przekłamania. Dodatkowo DQPSK nie wymaga synchronizacji między nadajnikiem i odbiornikiem, a dzięki możliwości zapisu pojedynczej informacji na dwóch bitach jest bardziej efektywna widmowo w stosunku do DBPSK.

 

Należy podkreślić, że standardowe sposoby modulacji (BPSK, QPSK) nie wymagają dużego współczynnika SNR, jednocześnie nie są zdolne do szybkich transmisji. Wyższe prędkości przesyłu danych można osiągnąć tylko wtedy, gdy wartość współczynnika SNR jest na wysokim poziomie.

 

Podsumowując, można śmiało stwierdzić, że metoda różnicowego kluczowania fazy stanowi ulepszenie standardowej modulacji PSK.