Điều chế pha kỹ thuật số: BPSK, QPSK, DQPSK

Điều chế tần số vô tuyến
Điều chế pha kỹ thuật số là một phương pháp linh hoạt và được sử dụng rộng rãi để truyền dữ liệu số không dây.

Trong trang trước, chúng ta đã thấy rằng chúng ta có thể sử dụng các biến thể rời rạc trong biên độ hoặc tần số của carer như một cách biểu diễn các số và số không. Không có gì ngạc nhiên khi chúng ta cũng có thể biểu diễn dữ liệu số bằng cách sử dụng pha; kỹ thuật này được gọi là khóa dịch pha (PSK).

Phím Shift pha nhị phân
Loại PSK đơn giản nhất được gọi là khóa dịch pha nhị phân (BPSK), trong đó, nhị phân mật ngữ đề cập đến việc sử dụng hai độ lệch pha (một cho mức logic cao, một cho mức logic thấp).

Chúng ta có thể nhận ra một cách trực giác rằng hệ thống sẽ mạnh mẽ hơn nếu có sự phân tách lớn hơn giữa hai pha này, dĩ nhiên người nhận sẽ khó phân biệt giữa một biểu tượng có độ lệch pha 90 ° và biểu tượng có độ lệch pha là 91 °. 

Chúng tôi chỉ có 360 ° pha để làm việc, vì vậy sự khác biệt tối đa giữa các pha logic cao và thấp logic là 180 °. Nhưng chúng ta biết rằng việc dịch chuyển một hình sin bằng 180 ° cũng giống như đảo ngược nó; do đó, chúng ta có thể nghĩ về BPSK chỉ đơn giản là đảo ngược sóng mang để đáp ứng với một trạng thái logic và để nó một mình để đáp ứng với trạng thái logic khác.

Để tiến xa hơn một bước, chúng ta biết rằng nhân một hình sin với âm là giống như đảo ngược nó. Điều này dẫn đến khả năng triển khai BPSK bằng cách sử dụng cấu hình phần cứng cơ bản sau:

Tuy nhiên, sơ đồ này có thể dễ dàng dẫn đến sự chuyển đổi độ dốc cao trong dạng sóng mang: nếu quá trình chuyển đổi giữa các trạng thái logic xảy ra khi sóng mang ở giá trị cực đại của nó, điện áp sóng mang phải nhanh chóng di chuyển đến điện áp tối thiểu.




Các sự kiện có độ dốc cao như thế này là không mong muốn vì chúng tạo ra năng lượng tần số cao hơn có thể gây nhiễu các tín hiệu RF khác. Ngoài ra, các bộ khuếch đại có khả năng hạn chế để tạo ra sự thay đổi độ dốc cao trong điện áp đầu ra.

Nếu chúng tôi tinh chỉnh việc thực hiện ở trên với hai tính năng bổ sung, chúng tôi có thể đảm bảo chuyển tiếp suôn sẻ giữa các biểu tượng. Đầu tiên, chúng ta cần đảm bảo rằng chu kỳ bit kỹ thuật số bằng một hoặc nhiều chu kỳ sóng mang hoàn chỉnh. 

Thứ hai, chúng ta cần đồng bộ hóa các chuyển đổi kỹ thuật số với dạng sóng mang. Với những cải tiến này, chúng tôi có thể thiết kế hệ thống sao cho sự thay đổi pha 180 ° xảy ra khi tín hiệu sóng mang ở (hoặc rất gần) giao thoa XNUMX.

 

QPSK
BPSK chuyển một bit cho mỗi ký hiệu, đó là những gì chúng ta đã quen từ trước đến nay. Tất cả mọi thứ chúng ta đã thảo luận liên quan đến điều chế kỹ thuật số đã giả định rằng tín hiệu sóng mang được sửa đổi tùy theo điện áp kỹ thuật số là logic thấp hay logic cao và máy thu xây dựng dữ liệu kỹ thuật số bằng cách hiểu từng ký hiệu là 0 hoặc 1.

Trước khi chúng ta thảo luận về khóa dịch pha cầu phương (QPSK), chúng ta cần đưa ra khái niệm quan trọng sau: Không có lý do tại sao một biểu tượng chỉ có thể chuyển một bit. Đúng là thế giới của thiết bị điện tử kỹ thuật số được xây dựng xung quanh mạch điện trong đó điện áp ở cực này hay cực khác, sao cho điện áp luôn đại diện cho một bit kỹ thuật số. 

Nhưng RF không phải là kỹ thuật số; thay vào đó, chúng tôi đang sử dụng các dạng sóng tương tự để truyền dữ liệu kỹ thuật số và việc thiết kế một hệ thống trong đó các dạng sóng tương tự được mã hóa và diễn giải theo cách cho phép một biểu tượng đại diện cho hai (hoặc nhiều) bit là hoàn toàn chấp nhận được.

QPSK là sơ đồ điều chế cho phép một ký hiệu truyền hai bit dữ liệu. Có bốn số hai bit có thể có (00, 01, 10, 11) và do đó chúng ta cần bốn độ lệch pha. Một lần nữa, chúng tôi muốn tách tối đa giữa các tùy chọn pha, trong trường hợp này là 90 °.

Ưu điểm là tốc độ dữ liệu cao hơn: nếu chúng ta duy trì cùng một khoảng thời gian ký hiệu, chúng ta có thể tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu được chuyển từ máy phát sang máy thu. Nhược điểm là hệ thống phức tạp. (Bạn có thể nghĩ rằng QPSK cũng dễ bị lỗi bit hơn đáng kể so với BPSK, vì có ít sự phân tách giữa các giá trị pha có thể. Đây là một giả định hợp lý, nhưng nếu bạn thực hiện toán học thì hóa ra xác suất lỗi thực sự là rất tương đồng.)

Biến thể
QPSK, về tổng thể, là một sơ đồ điều chế hiệu quả. Nhưng nó có thể được cải thiện.

Nhảy pha
QPSK tiêu chuẩn đảm bảo rằng các chuyển đổi từ biểu tượng sang biểu tượng có độ dốc cao sẽ xảy ra; bởi vì bước nhảy pha có thể là ± 90 °, chúng ta không thể sử dụng phương pháp được mô tả cho bước nhảy pha 180 ° được tạo ra bởi điều chế BPSK.

Vấn đề này có thể được giảm thiểu bằng cách sử dụng một trong hai biến thể QPSK. Bù đắp QPSK, bao gồm thêm độ trễ vào một trong hai luồng dữ liệu số được sử dụng trong quy trình điều chế, làm giảm bước nhảy pha tối đa xuống 90 °. Một tùy chọn khác là π / 4-QPSK, giúp giảm bước nhảy tối đa xuống 135 °. Do đó, QPSK bù đắp vượt trội hơn trong việc giảm sự gián đoạn pha, nhưng π / 4-QPSK có lợi vì nó tương thích với mã hóa vi sai (được thảo luận trong tiểu mục tiếp theo).

Một cách khác để đối phó với sự gián đoạn từ biểu tượng đến biểu tượng là triển khai xử lý tín hiệu bổ sung để tạo ra sự chuyển tiếp mượt mà hơn giữa các biểu tượng. Cách tiếp cận này được kết hợp vào một sơ đồ điều chế gọi là khóa dịch chuyển tối thiểu (MSK), và cũng có một cải tiến về MSK được gọi là Gaussian MSK.

Mã hóa vi sai
Một khó khăn khác là việc giải điều chế với dạng sóng PSK khó khăn hơn so với dạng sóng FSK. 

Tần số là tuyệt đối, theo nghĩa là thay đổi tần số luôn có thể được diễn giải bằng cách phân tích các biến đổi tín hiệu theo thời gian. Tuy nhiên, pha tương đối theo nghĩa là nó không có tham chiếu phổ quát. Máy phát tạo ra các biến thể pha có tham chiếu đến một điểm trong thời gian và người nhận có thể diễn giải các biến thể pha với tham chiếu đến một điểm riêng biệt theo thời gian.

Biểu hiện thực tế của điều này là như sau: Nếu có sự khác biệt giữa pha (hoặc tần số) của bộ dao động được sử dụng để điều chế và giải điều chế, PSK trở nên không đáng tin cậy. Và chúng ta phải giả định rằng sẽ có sự lệch pha (trừ khi máy thu kết hợp mạch phục hồi sóng mang).

QPSK vi sai (DQPSK) là một biến thể tương thích với các máy thu không kết hợp (nghĩa là các máy thu không đồng bộ hóa bộ dao động giải điều chế với bộ dao động điều chế). 

QPSK khác biệt mã hóa dữ liệu bằng cách tạo ra sự dịch pha nhất định so với ký hiệu trước. Bằng cách sử dụng pha của ký hiệu trước theo cách này, mạch giải điều chế sẽ phân tích pha của ký hiệu bằng cách sử dụng một tham chiếu chung cho máy thu và máy phát.

Tổng kết
* Khóa dịch pha nhị phân là sơ đồ điều chế đơn giản có thể chuyển một bit cho mỗi ký hiệu.

* Khóa dịch chuyển pha cầu phương phức tạp hơn nhưng tăng gấp đôi tốc độ dữ liệu (hoặc đạt được cùng tốc độ dữ liệu với một nửa băng thông).

* Offset QPSK, π / 4-QPSK và khóa shift tối thiểu là các sơ đồ điều chế làm giảm tác động của thay đổi điện áp từ biểu tượng sang biểu tượng có độ dốc cao.

* QPSK khác biệt sử dụng độ lệch pha giữa các ký hiệu liền kề để tránh các vấn đề liên quan đến việc thiếu đồng bộ pha giữa máy phát và máy thu.

Để lại lời nhắn 

Danh sách tin nhắn