модуляция qpsk что это
Четырехпозиционная фазовая модуляция (QPSK)
Из теории связи известно, что наивысшей помехоустойчивостью обладает двоичная фазовая модуляция BPSK. Однако в ряде случаев за счет уменьшения помехоустойчивости канала связи можно увеличить его пропускную способность. Более того, при применении помехоустойчивого кодирования можно более точно планировать зону, охватываемую системой мобильной связи.
В четырехпозиционной фазовой модуляции используются четыре значения фазы несущего колебания. В этом случае фаза y(t) сигнала, описываемого выражением (25) должна принимать четыре значения: 0°, 90°, 180° и 270°. Однако чаще используются другие значения фаз: 45°, 135°, 225° и 315°. Такой вид представления квадратурной фазовой модуляции приведен на рисунке 1.
Рисунок 1. Полярная диаграмма сигнала четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK
На этом же рисунке представлены значения бит, передаваемых каждым состоянием фазы несущего колебания. Каждое состояние осуществляет передачу сразу двух бит полезной информации. При этом содержимое бит выбрано таким образом, чтобы переход к соседнему состоянию фазы несущего колебания за счет ошибки приема приводил не более чем к одиночной битовой ошибке.
Обычно для формирования сигнала QPSK модуляции используется квадратурный модулятор. Для реализации квадратурного модулятора потребуется два умножителя и сумматор сигналов. На входы умножителей можно подавать входные битовые потоки непосредственно в коде NRZ. Структурная схема такого модулятора приведена на рисунке 2.
Рисунок 2. Структурная схема модулятора QPSK – NRZ
Так как при этом виде модуляции в течение одного символьного интервала передается сразу два бита входного битового потока, то символьная скорость этого вида модуляции составляет 2 бита на символ. Это означает, что при реализации модулятора следует разделять входной поток на две составляющих — синфазную составляющую I и квадратурную составляющую Q. Синхронизацию последующих блоков следует вести с символьной скоростью.
При такой реализации спектр сигнала на выходе модулятора получается ничем не ограниченный и его примерный вид приведен на рисунке 3.
Рисунок 3. Спектр сигнала четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK, модулированного сигналом NRZ
Естественно, этот сигнал можно ограничить по спектру при помощи полосового фильтра, включенного на выходе модулятора, однако так никогда не делают. Намного эффективнее работает фильтр Найквиста. Структурная схема квадратурного модулятора сигнала QPSK, построенная с использованием фильтра Найквиста приведена на рисунке 4.
Рисунок 4. Структурная схема модулятора QPSK с использованием фильтра Найквиста
Фильтр Найквиста можно реализовать только с использованием цифровой техники, поэтому в схеме, приведенной на рисунке 4, перед квадратурным модулятором предусмотрен цифро-аналоговый преобразователь (ЦАП). Особенностью работы фильтра Найквиста является то, что в промежутках между отсчетными точками сигнал на его входе должен отсутствовать, поэтому на его входе стоит формирователь импульсов, выдающий сигнал на свой выход только в момент отсчетных точек. Все остальное время на его выходе присутствует нулевой сигнал.
Пример формы передаваемого цифрового сигнала на выходе фильтра Найквиста приведен на рисунке 5. Сигнал на графике выглядит непрерывным благодаря достаточно высокой частоте дискретизации.
Рисунок 5. Пример временной диаграммы сигнала Q при четырехпозиционной фазовой модуляции QPSK
Так как для сужения спектра радиосигнала в передающем устройстве используется фильтр Найквиста, то межсимвольные искажения в сигнале отсутствуют только в сигнальных точках. Это отчетливо видно по глазковой диаграмме сигнала Q, приведенной на рисунке 6.
Рисунок 6. глазковая диаграмма сигнала на входе Q модулятора
Кроме сужения спектра сигнала, применение фильтра Найквиста приводит к изменению амплитуды формируемого сигнала. В промежутках между отсчетными точками сигнала амплитуда может, как возрастать по отношению к номинальному значению, так и уменьшаться почти до нулевого значения.
Для того чтобы отследить изменения, как амплитуды сигнала QPSK, так и его фазы лучше воспользоваться векторной диаграммой. Векторная диаграмма того же самого сигнала, что приведен на рисунках 5 и 6, показана на рисунке 7.
Рисунок 7 векторная диаграмма QPSK сигнала c α = 0.6
Изменение амплитуды сигнала QPSK видно и на осциллограмме сигнала QPSK на выходе модулятора. Наиболее характерный участок временной диаграммы сигнала, приведенного на рисунках 6 и 7, показан на рисунке 8. На этом рисунке отчетливо видны как провалы амплитуды несущей модулированного сигнала, так и увеличение ее значения относительно номинального уровня.
Рисунок 8. временная диаграмма QPSK сигнала c α = 0.6
Рисунок 9 – спектрограмма QPSK сигнала c α = 0.6
Присутствие амплитудной модуляции сигнала приводит к тому, что в системах связи, использующих этот вид модуляции, приходится использовать высоколинейный усилитель мощности. К сожалению, такие усилители мощности обладают низким кпд.
Частотная модуляция с минимальным разносом частот MSK позволяет уменьшить ширину полосы частот, занимаемых цифровым радиосигналом в эфире. Однако даже этот вид модуляции не удовлетворяет всем требованиям, предъявляемым к современным радиосистемам мобильной связи. Обычно сигнал MSK в радиопередатчике дофильтровывают обычным фильтром. Именно поэтому появился еще один вид модуляции с еще более узким спектром радиочастот в эфире.
Понравился материал? Поделись с друзьями!
Вместе со статьей «Четырехпозиционная фазовая модуляция (QPSK)» читают:
MSK-модуляция частотная с минимальным сдвигом по частоте
https://digteh.ru/UGFSvSPS/modul/MSK/
Предыдущие версии сайта:
http://neic.nsk.su/
Об авторе:
к.т.н., доц., Александр Владимирович Микушин
Кандидат технических наук, доцент кафедры САПР СибГУТИ. Выпускник факультета радиосвязи и радиовещания (1982) Новосибирского электротехнического института связи (НЭИС).
А.В.Микушин длительное время проработал ведущим инженером в научно исследовательском секторе НЭИС, конструкторско технологическом центре «Сигнал», Научно производственной фирме «Булат». В процессе этой деятельности он внёс вклад в разработку систем радионавигации, радиосвязи и транкинговой связи.
Научные исследования внедрены в аппаратуре радинавигационной системы Loran-C, комплексов мобильной и транкинговой связи «Сигнал-201», авиационной системы передачи данных «Орлан-СТД», отечественном развитии системы SmarTrunkII и радиостанций специального назначения.
Цифровая фазовая модуляция: BPSK, QPSK, DQPSK
Цифровая фазовая модуляция – это универсальный и широко используемый метод беспроводной передачи цифровых данных.
В предыдущей статье мы видели, что мы можем использовать дискретные изменения амплитуды или частоты несущей как способ представления единиц и нулей. Неудивительно, что мы также можем представлять цифровые данные с помощью фазы; этот метод называется фазовой манипуляцией (PSK, phase shift keying).
Двоичная фазовая манипуляция
Наиболее простой тип PSK называется двоичной фазовой манипуляцией (BPSK, binary phase shift keying), где «двоичный» относится к использованию двух фазовых смещений (одно для логической единицы и одно для логического нуля).
Мы интуитивно можем признать, что система будет более надежной, если разделение между этими двумя фазами будет большим – конечно, приемнику будет сложно различать символ со смещением фазы 90° от символа со смещением фазы 91°. Для работы у нас есть диапазон фаз 360°, поэтому максимальная разница между фазами логической единицы и логического нуля составляет 180°. Но мы знаем, что переключение синусоиды на 180° – это то же самое, что ее инвертирование; таким образом, мы можем думать о BPSK как о простом инвертировании сигнала несущей в ответ на одно логическое состояние и оставление ее в исходном состоянии в ответ на другое логическое состояние.
Чтобы сделать следующий шаг, мы вспомним, что умножение синусоиды на отрицательную единицу – это то же самое, что ее инвертирование. Это приводит к возможности внедрения BPSK с использованием следующей базовой аппаратной конфигурации:
Базовая схема получения BPSK сигнала
Однако эта схема легко может привести к переходам с высоким наклоном в форме сигнала несущей частоты: если переход между логическими состояниями происходит, когда сигнал несущей находится в своем максимальном значении, напряжение сигнала несущей должно быстро перейти к минимальному значению.
Высокий наклон в форме BPSK сигнала при изменении логического состояния модулирующего сигнала
Такие события с высоким наклоном нежелательны, потому что они создают энергию на высокочастотных составляющих, которые могут помешать другим радиочастотным сигналам. Кроме того, усилители имеют ограниченную способность производить резкие изменения в выходном напряжении.
Если мы усовершенствуем вышеприведенную реализацию двумя дополнительными функциями, то сможем обеспечить плавные переходы между символами. Во-первых, нам необходимо убедиться, что период цифрового бита равен одному или нескольким полным периодам сигнала несущей. Во-вторых, нам необходимо синхронизировать цифровые переходы с сигналом несущей. Благодаря этим усовершенствованиям мы могли бы разработать систему таким образом, чтобы изменение фазы на 180° происходило, когда сигнал несущей частоты находится в пересечении нуля (или близко к нему).
BPSK сигнал; нет резкого скачка напряжения сигнала несущей при изменении логического состояния модулирующего сигнала
BPSK передает один бит на символ, к чему мы и привыкли. Всё, что мы обсуждали в отношении цифровой модуляции, предполагало, что сигнал несущей изменяется в зависимости от того, находится ли цифровое напряжение на низком или высоком логическом уровне, и приемник воссоздает цифровые данные, интерпретируя каждый символ как 0 или 1.
Прежде чем обсуждать квадратурную фазовую манипуляцию (QPSK, quadrature phase shift keying), нам необходимо ввести следующую важную концепцию: нет причин, по которым один символ может передавать только один бит. Это правда, что мир цифровой электроники строится вокруг схем, в которых напряжение находится на одном или другом экстремальном уровне, так что напряжение всегда представляет собой один цифровой бит. Но радиосигнал не является цифровым; скорее, мы используем аналоговые сигналы для передачи цифровых данных, и вполне приемлемо разработать систему, в которой аналоговые сигналы кодируются и интерпретируются таким образом, чтобы один символ представлял два (или более) бита.
QPSK сигнал во временной области
Преимущество QPSK заключается в более высокой скорости передачи данных: если мы сохраняем одну и ту же длительность символа, то можем удвоить скорость передачи данных от передатчика к приемнику. Недостатком является сложность системы. (Вы можете подумать, что QPSK более восприимчив к битовым ошибкам, чем BPSK, поскольку разделение между возможными значениями в нем меньше. Это разумное предположение, но если вы рассмотрите их математику, то оказывается, что вероятности ошибок на самом деле очень похожи.)
Варианты
QPSK модуляция, конечно, является эффективным методом модуляции. Но ее можно улучшить.
Скачки фазы
Стандартная QPSK модуляция гарантирует, что переходы между символами будут происходить с высоким наклоном; поскольку скачки фазы могут составлять ±90°, мы не можем использовать подход, описанный для скачков фазы на 180°, создаваемых BPSK модуляцией.
Эту проблему можно смягчить, используя один из двух вариантов QPSK. Квадратурная фазовая манипуляция со сдвигом квадратур (OQPSK, Offset QPSK), которая включает в себя добавление задержки к одному из двух потоков цифровых данных, используемых в процессе модуляции, уменьшает максимальный скачок фазы до 90°. Другим вариантом является π/4-QPSK, которая уменьшает максимальный скачок фазы до 135°. Таким образом, OQPSK обладает преимуществом в уменьшении разрывов фазы, но π/4-QPSK выигрывает, поскольку она совместима с дифференциальном кодированием (обсуждается ниже).
Другим способом решения проблем с разрывами между символами является реализация дополнительной обработки сигналов, которая создает более плавные переходы между символами. Этот подход включен в схему модуляции, называемую частотной модуляцией минимального фазового сдвига (MSK, minimum shift keying), а также улучшение MSK, известное как Гауссовская MSK (GMSK, Gaussian MSK).
Дифференциальное кодирование
Еще одна сложность заключается в том, что демодуляция PSK сигналов сложнее, чем FSK сигналов. Частота является «абсолютной» в том смысле, что изменения частоты всегда можно интерпретировать, анализируя изменения сигнала во времени. Фаза, однако, относительна в том смысле, что она не имеет универсальной опорной точки – передатчик генерирует изменения фазы относительно одного момента времени, а приемник может интерпретировать изменения фазы относительно другого момента времени.
Практическое проявление этого заключается в следующем: если между фазами (или частотами) генераторов, используемых для модуляции и демодуляции, существуют различия, PSK становится ненадежной. И мы должны предположить, что будут разности фаз (если приемник не включает в себя схему восстановления несущей).
Дифференциальная QPSK (DQPSK, differential QPSK) – это вариант, который совместим с некогерентными приемниками (т.е. приемниками, которые не синхронизируют генератор демодуляции с генератором модуляции). Дифференциальная QPSK кодирует данные, создавая определенный сдвиг фазы относительно предыдущего символа таким образом, чтобы схема демодуляции анализировала фазу символа, используя опорную точку, которая является общей и для приемника, и для передатчика.
Пояснение принципа действия DQPSK модуляции
Понятие квадратурной фазовой манипуляции (QPSK модуляции)
Данный краткий технический обзор охватывает основные характеристики схемы цифровой модуляции, известной как квадратурная фазовая манипуляция (QPSK, quadrature phase shift keying).
В мире проводной электроники аналоговые сигналы демонстрируют непрерывные изменения, тогда как цифровые сигналы предполагают (в идеале) одно из двух дискретных состояний. Это различие можно распространить на системы, которые передают данные через электромагнитное излучение, а не через электрический ток, проходящий через провода.
При использовании аналоговых сигналов частотная модуляция и амплитудная модуляция приводят к непрерывным изменениям частоты или амплитуды сигнала несущей. Когда методы модуляции используются для цифровой связи, изменения, применяемые к несущей, имеют ограничения в соответствии с передаваемой дискретной информацией.
Примерами обычных типов цифровой модуляции являются амплитудная манипуляция OOK (on/off keying, манипуляция включен/выключен), амплитудная манипуляция ASK (amplitude shift keying) и частотная манипуляция FSK (frequency shift keying). Эти схемы заставляют несущую принимать одно из двух возможных состояний в зависимости от того, должна ли схема передавать двоичную 1 или двоичный 0; каждое дискретное состояние несущей называется символом.
Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK) – это еще один метод модуляции, и он особенно интересен, поскольку он фактически передает два бита в одном символе. Другими словами, QPSK символ не представляет собой 0 или 1, он представляет собой 00, 01, 10 или 11.
Эта производительность с двумя битами на символ возможна, поскольку изменения несущей не ограничены двумя состояниями. Например, в ASK амплитуда несущей равна либо варианту амплитуды A (представляющему 1), либо варианту амплитуды B (представляющему 0). В QPSK несущая изменяется по фазе, а не по частоте, и существует четыре возможных фазовых сдвига.
Какими должны быть эти четыре возможных фазовых сдвига, мы можем определить интуитивно. Сначала напомним, что модуляция – это только начало процесса связи; приемник должен иметь возможность извлекать из модулированного сигнала исходную информацию. Далее, имеет смысл найти максимальное разделение между четырьмя вариантами фазы, чтобы приемнику было проще отличить одно состояние от другого. У нас есть 360° фазы для работы с четырьмя фазовыми состояниями, и, следовательно, разделение должно составлять 360°/4=90°. Таким образом, наши четыре фазовых сдвига QPSK составляют 45°, 135°, 225° и 315°.
Четыре возможных состояния фазы QPSK сигнала
Примечание. Приведенное выше соответствие фазового сдвига и цифровых данных является логичным, но произвольным выбором, поскольку передатчик и приемник соглашаются интерпретировать сдвиги фазы одинаковым способом, и могут использоваться различные схемы соответствия.
Есть еще одна причина, почему имеет смысл выбрать 45°, 135°, 225° и 315°: они легко генерируются с помощью методом I/Q модуляции, потому что суммирование сигналов I и Q, которые либо инвертированы, либо не инвертированы, приводит к этим четырем фазовым сдвигам. Следующая таблица должна прояснить это:
| I | Q | Фазовый сдвиг I+Q |
|---|---|---|
| не инвертирован | не инвертирован | 45° |
| инвертирован | не инвертирован | 135° |
| инвертирован | инвертирован | 225° |
| не инвертирован | инвертирован | 315° |
По сравнению со схемами модуляции, которые передают один бит на символ, QPSK обладает преимуществом с точки зрения эффективности занимаемой ширины полосы частот. Например, представьте аналоговый сигнал основной полосы частоты в системе BPSK (двоичная фазовая манипуляция). BPSK использует два возможных фазовых сдвига вместо четырех, и поэтому она может передавать только один бит на символ. Сигнал основной полосы частот имеет определенную частоту, и в течение продолжительности каждого символа может передаваться один бит. QPSK система может использовать сигнал основной полосы с той же частотой, но при этом передает два бита в течение продолжительности каждого символа. Таким образом, эффективность полосы частот у QPSK (в идеале) в два раза выше.
Понятие I/Q сигналов и квадратурной модуляции
Узнайте об «I/Q» сигналах, о том, как они используются, и чем они полезны в радиочастотных системах.
Данная глава не будет полной без статьи о квадратурной демодуляции. Однако, прежде чем мы рассмотрим квадратурную демодуляцию, нам нужно хотя бы кратко обсудить квадратурную модуляцию. А прежде чем мы обсудим квадратурную модуляцию, нам нужно узнать об I/Q сигналах.
Синфазный и квадратурный
Термин «I/Q» является аббревиатурой от «in-phase» (синфазный) и «quadrature» (квадратурный). К сожалению, уже здесь у нас проблема с терминологией. Прежде всего, «синфазный» и «квадратурный» сами по себе не имеют никакого значения; фаза является относительной, и что-то может быть «в фазе» или «не в фазе» относительно другого сигнала или установленной опорной точки. Кроме того, теперь у нас есть слово «квадратурный», применяемое как к сигналу, так и к способам модуляции/демодуляции, связанным с этим сигналом.
В любом случае «синфазный» и «квадратурный» относятся к двум синусоидам, которые имеют одинаковую частоту и сдвиг по фазе 90°. По соглашению, I-сигнал является сигналом косинусоиды, а Q-сигнал представляет собой сигнал синусоиды. Как вы знаете, волна синусоиды (без какой-либо дополнительной фазы) сдвинута относительно волны косинусоиды на 90°. Другой способ выразить это состоит в том, что сигналы синусоиды и косинусоиды являются квадратурными сигналами.
Первое, что нужно знать об I/Q сигналах, заключается в том, что они всегда модулируются по амплитуде, а не по частоте или фазе. Однако амплитудная I/Q модуляция отличается от способа амплитудной модуляции, обсуждаемой в главе 4: в I/Q модуляторе сигналы, которые модулируют I/Q синусоиды, не смещаются по напряжению, поэтому они всегда положительны. Другими словами, I/Q модуляция включает в себя умножение I/Q сигналов на модулирующие сигналы, которые могут иметь отрицательные значения напряжения, и, следовательно, «амплитудная» модуляция может привести к фазовому сдвигу на 180°. Позже мы рассмотрим эту проблему подробнее.
Так в чем преимущество двух модулированных по амплитуде синусоид, которые имеют расхождение по фазе 90°? Почему так широко распространены I/Q модуляция и демодуляция? Читайте дальше.
Суммирование I и Q
Сигналы I и Q сами по себе не очень интересны. Интересное происходит при сложении осциллограмм сигналов I и Q. Оказывается, что любая форма модуляции может быть выполнена просто путем изменения амплитуды (только амплитуды) сигналов I и Q, а затем их суммирования.
Если вы возьмете сигналы I и Q равной амплитуды и сложите их, результатом будет синусоида с фазой, которая находится точно между фазой сигнала I и фазой сигнала Q.
Сложение сигналов I и Q
Другими словами, если вы считаете, что фаза сигнала I равна 0°, а фаза сигнала Q равна 90°, то сигнал после складывания будет иметь фазу 45°. Если вы хотите использовать эти I и Q сигналы для создания амплитудно-модулированного сигнала, вам необходима просто модулировать по амплитуде отдельные сигналы I и Q. Очевидно, сигнал будет увеличиваться или уменьшаться по амплитуде, если он создается путем сложения двух сигналов, которые одновременно увеличиваются или уменьшаются по амплитуде. Тем не менее, вы должны быть уверены, что амплитудная модуляция, применяемая к сигналу I, идентична амплитудной модуляции, применяемой к сигналу Q, потому что, если они не будут идентичны, вы получите фазовый сдвиг. А это приводит нас к следующему свойству I/Q сигналов.
От амплитуды к фазе
Фазовая модуляция (в форме фазовой манипуляции) является важной технологией в современных радиочастотных системах, и она может быть реализована путем изменения амплитуды сигналов I/Q. Рассмотрим следующие диаграммы:
Реализация фазовой манипуляции с помощью I/Q сигналов 
Реализация фазовой манипуляции с помощью I/Q сигналов
Как вы можете видеть, увеличение амплитуды одного из сигналов относительно другого приводит к смещению результирующего сигнала по фазе в сторону сигнала с более высокой амплитудой. И это интуитивно понятно: если вы устранили, например, Q-сигнал, то сигнал, полученный в результате сложения, будет полностью сдвинут на фазу I-сигнала, потому что (очевидно) добавление I-сигнала к нулю приведет к тому, что сигнал сложения будет идентичен I-сигналу.
Из приведенного выше обсуждения видно, что I/Q сигналы могут использоваться только для сдвига сигнала на 90° (т.е. 45° в каждом направлении): если амплитуда Q-сигнала уменьшается до нуля, результирующий сигнал смещается до фазы I-сигнала; если амплитуда I-сигнала уменьшается до нуля, результирующий сигнал смещается до фазы Q-сигнала. Как же тогда мы могли бы использовать I/Q сигналы для получения (например) квадратурной фазовой манипуляции (QPSK), которая использует значения фазы, охватывающие диапазон 270°? Обсудим это в следующем разделе.
Квадратурная модуляция
Термин «квадратурная модуляция» относится к модуляции, которая основана на суммировании двух сигналов, которые находятся в квадратуре. Другими словами, это модуляция на основе I/Q сигналов. В качестве примера того, как работает квадратурная модуляция, мы будем использовать QPSK, и в этом процессе мы увидим, как амплитудная модуляция I/Q сигналов может создавать сдвиги фазы более 90°.
Структурная схема QPSK модулятора
Это базовая структурная схема QPSK модулятора. Во-первых, поток цифровых данных обрабатывается так, что два последовательных бита становятся двумя параллельными битами. Оба этих бита будут передаваться одновременно; другими словами, как упоминалось в этой статье, QPSK позволяет одному символу передавать два бита. Гетеродин генерирует несущую синусоиду. Сам сигнал гетеродина становится несущей I, а для создания несущей Q применяется фазовый сдвиг на 90°. Несущие I и Q умножаются на потоки данных I и Q, и два сигнала, полученные в результате этих умножений, суммируются для получения QPSK-модулированного сигнала.
Потоки данных I и Q модулируют по амплитуде несущие I и Q, и, как объяснялось выше, эти отдельные амплитудные модуляции могут использоваться для получения фазовой модуляции в конечном сигнале. Если потоки данных I и Q являются типовыми цифровыми сигналами, изменяющимися от потенциала земли до некоторого положительного напряжения, мы будем применять для несущих I и Q манипуляцию «включено-выключено», и наш фазовый сдвиг будет ограничен до значения 45° в любом направлении. Однако, если потоки данных I и Q являются биполярными сигналами (т.е. они изменяются от отрицательного напряжения до положительного напряжения), наша «амплитудная модуляция» будет фактически инвертировать сигнал несущей, когда входные данные будут на низком логическом уровне (поскольку отрицательное входное напряжение, умноженное на сигнал несущей, приводит к инверсии). Это означает, что у нас будет четыре состояния I/Q:
Что мы получим при суммировании в каждом из этих случаев? (Обратите внимание, что на следующих диаграммах частота сигналов выбрана так, чтобы количество секунд на оси x было таким же, как фазовый сдвиг в градусах.)
I – нормальный, Q – нормальный 
I – нормальный, Q – инвертированный 
I – инвертированный, Q – нормальный 
I – инвертированный, Q – инвертированный
Как вы можете видеть, сложение в этих четырех случаях как раз то, что нам нужно для QPSK сигнала: фазовые сдвиги 45°, 135°, 225° и 315°.