Modulasi kuadratur dan karakteristiknya (QPSK, QAM)

Pertimbangkan penguncian pergeseran fasa kuadratur (QPSK). Aliran data asli dk(t)=d0, d1, d2,… terdiri dari pulsa bipolar, yaitu dk ambil nilai +1 atau -1 (Gbr. 3.5.a)), mewakili biner satu dan biner nol. Aliran pulsa ini dibagi menjadi aliran sefasa dI(t) dan aliran kuadratur - dQ(t), seperti ditunjukkan pada Gambar. 3.5.b).

dI(t)=d0, d2, d4,… (bit genap)

dQ(t)=d1, d3, d5,… (bit ganjil)

Implementasi ortogonal yang nyaman dari sinyal QPSK dapat diperoleh dengan menggunakan modulasi amplitudo aliran dalam fase dan kuadratur pada fungsi sinus dan kosinus pembawa.

Dengan menggunakan identitas trigonometri, s(t) dapat direpresentasikan dalam bentuk berikut: s(t)=cos(2рf0t+и(t)). Modulator QPSK ditunjukkan pada Gambar. 3.5.c), menggunakan penjumlahan suku sinus dan cosinus. Aliran pulsa dI(t) digunakan untuk modulasi amplitudo(dengan amplitudo +1 atau -1) gelombang kosinus.

Ini setara dengan menggeser fase gelombang kosinus sebesar 0 atau p; maka hasilnya adalah sinyal BPSK. Demikian pula, aliran pulsa dQ(t) memodulasi gelombang sinus, yang menghasilkan sinyal BPSK yang ortogonal terhadap sinyal sebelumnya. Dengan menjumlahkan kedua komponen pembawa ortogonal ini, diperoleh sinyal QPSK. Nilai u(t) akan sesuai dengan salah satu dari empat kemungkinan kombinasi dI(t) dan dQ(t) dalam ekspresi untuk s(t): u(t)=00, ±900 atau 1800; vektor sinyal yang dihasilkan ditunjukkan dalam ruang sinyal pada Gambar. 3.6. Karena cos(2pf0t) dan sin(2pf0t) ortogonal, kedua sinyal BPSK dapat dideteksi secara terpisah. QPSK memiliki sejumlah keunggulan dibandingkan BPSK: karena dengan modulasi QPSK, satu pulsa mentransmisikan dua bit, kemudian kecepatan transfer data menjadi dua kali lipat, atau pada kecepatan transfer data yang sama seperti pada skema BPSK, digunakan setengah pita frekuensi; dan juga meningkatkan kekebalan kebisingan, karena Pulsanya dua kali lebih panjang sehingga lebih bertenaga dibandingkan pulsa BPSK.

Beras. 3.5.

Beras. 3.6.

Modulasi amplitudo kuadratur (KAM, QAM) dapat dianggap sebagai kelanjutan logis dari QPSK, karena sinyal QAM juga terdiri dari dua pembawa termodulasi amplitudo independen.

Dengan modulasi amplitudo kuadratur, fase dan amplitudo sinyal berubah, yang memungkinkan Anda meningkatkan jumlah bit yang dikodekan dan pada saat yang sama secara signifikan meningkatkan kekebalan kebisingan. Representasi sinyal kuadratur nyaman dan memadai obat universal deskripsi mereka. Representasi kuadratur adalah untuk mengekspresikan getaran kombinasi linier dua komponen ortogonal - sinusoidal dan kosinus (dalam fase dan kuadratur):

s(t)=A(t)cos(шt + ц(t))=x(t)sinоt + y(t)cosоt, dimana

x(t)=A(t)(-sinс(t)),y(t)=A(t)cosс(t)

Modulasi (manipulasi) diskrit semacam itu dilakukan melalui dua saluran, pada pembawa yang digeser 900 relatif satu sama lain, yaitu. terletak di kuadratur (karena itu namanya).

Mari kita jelaskan pengoperasian rangkaian kuadratur dengan menggunakan contoh pembangkitan sinyal PM (PM-4) empat fase (Gbr. 3.7).

Beras. 3.7.

Beras. 3.8. 16

Urutan asli simbol biner durasi T dibagi, menggunakan register geser, menjadi pulsa ganjil y, yang diumpankan ke saluran kuadratur (cosсht), dan pulsa genap - x, dimasukkan ke saluran dalam fase (sinхt). Kedua rangkaian pulsa disuplai ke input pembentuk pulsa yang dimanipulasi, pada output yang menghasilkan rangkaian pulsa bipolar x(t) dan y(t) dengan amplitudo ±Um dan durasi 2T. Pulsa x(t) dan y(t) tiba di input pengganda saluran, pada output yang terbentuk osilasi dua fase (0, p) PM. Setelah dijumlahkan, mereka membentuk sinyal FM-4.

Pada Gambar. 3.8. menunjukkan ruang sinyal dua dimensi dan sekumpulan vektor sinyal yang dimodulasi oleh hex QAM dan diwakili oleh titik-titik yang disusun dalam susunan persegi panjang.

Dari Gambar. 3.8. terlihat bahwa jarak antar vektor sinyal pada ruang sinyal dengan QAM lebih besar dibandingkan dengan QPSK, oleh karena itu QAM lebih tahan terhadap noise dibandingkan dengan QPSK,

Modulasi sinyal radio

• Blog perusahaan Yota

Dalam komentarnya pada artikel tersebut, ia mengeluhkan kurangnya artikel yang menjelaskan sisi fisik transmisi informasi melalui saluran radio.
Kami memutuskan untuk memperbaiki kelalaian ini dan menulis serangkaian postingan tentang transmisi nirkabel data.
Pada bagian pertama, kita akan berbicara tentang aspek utama transmisi informasi melalui sinyal radio - modulasi.


Modulasi (lat. modulatio - dimensi) adalah proses mengubah satu atau lebih parameter osilasi pembawa frekuensi tinggi menurut hukum sinyal informasi frekuensi rendah.
Informasi yang dikirimkan terkandung dalam sinyal kontrol, dan peran pembawa informasi dimainkan oleh osilasi frekuensi tinggi yang disebut pembawa.
Modulasi dapat dilakukan dengan mengubah amplitudo, fase, atau frekuensi pembawa frekuensi tinggi.
Teknik ini menawarkan beberapa keuntungan penting:

1. Memungkinkan Anda menghasilkan sinyal radio yang memiliki properti yang sesuai dengan properti frekuensi pembawa. Tentang sifat-sifat gelombang yang berbeda rentang frekuensi Anda dapat membaca, misalnya, .
2. Memungkinkan penggunaan antena berukuran kecil, karena ukuran antena harus proporsional dengan panjang gelombang.
3. Memungkinkan Anda menghindari interferensi dengan sinyal radio lainnya.

Antena sepanjang 24 kilometer sepertinya kurang nyaman digunakan.
Jika kita mengirimkan sinyal ini ditumpangkan pada frekuensi pembawa 2,5 GHz (frekuensi yang digunakan di Yota WiMax), maka kita memerlukan antena sepanjang 12 cm.

Modulasi analog.

Modulasi digital dan jenisnya.

1. ASK – Penguncian pergeseran amplitudo.
2. FSK – Penguncian pergeseran frekuensi.
3. PSK – Penguncian pergeseran fase.
4. BERTANYA/PSK.

• ASK bagus dalam hal efisiensi bandwidth, namun rentan terhadap distorsi dengan adanya noise dan tidak terlalu efisien dalam hal konsumsi daya.
• FSK justru sebaliknya, hemat energi, namun tidak efisien bandwidth.
• PSK bagus dalam kedua aspek tersebut.
• ASK/PSK merupakan kombinasi dari dua skema. Hal ini memungkinkan penggunaan pita frekuensi yang lebih baik.

Modulasi sinyal di jaringan WiMax.

Kesimpulan.

Diketahui dari teori komunikasi bahwa modulasi fasa biner BPSK mempunyai kekebalan terhadap kebisingan yang paling tinggi. Namun, dalam beberapa kasus, dengan mengurangi kekebalan kebisingan pada saluran komunikasi, throughputnya dapat ditingkatkan. Selain itu, saat menggunakan pengkodean tahan kebisingan, Anda dapat merencanakan area yang dicakup oleh sistem dengan lebih akurat komunikasi seluler.

Modulasi fase empat posisi menggunakan empat nilai fase pembawa. Dalam hal ini, fase y(t) dari sinyal yang dijelaskan oleh ekspresi (25) harus mengambil empat nilai: 0°, 90°, 180° dan 270°. Namun, nilai fase lain yang lebih umum digunakan: 45°, 135°, 225° dan 315°. Jenis representasi modulasi fase kuadratur ditunjukkan pada Gambar 1.

Gambar yang sama menunjukkan nilai bit yang disampaikan oleh setiap keadaan fase pembawa. Setiap negara mengirimkan dua bit sekaligus informasi yang berguna. Dalam hal ini, isi bit dipilih sedemikian rupa sehingga transisi ke keadaan fase pembawa yang berdekatan karena kesalahan penerimaan menyebabkan tidak lebih dari satu kesalahan bit.

Biasanya, modulator kuadratur digunakan untuk menghasilkan sinyal modulasi QPSK. Untuk mengimplementasikan modulator kuadratur, Anda memerlukan dua pengali dan . Input pengganda dapat diberikan dengan aliran bit input langsung dalam kode NRZ. modulator seperti itu ditunjukkan pada Gambar 2.

Karena dalam hal ini dua bit aliran bit masukan ditransmisikan sekaligus selama satu interval simbol, maka tingkat simbol Jenis modulasi ini adalah 2 bit per simbol. Ini berarti bahwa ketika mengimplementasikan modulator, aliran input harus dibagi menjadi dua komponen - komponen sefasa I dan komponen kuadratur Q. Blok berikutnya harus disinkronkan pada kecepatan simbol.

Dengan implementasi ini, spektrum sinyal pada keluaran modulator menjadi tidak terbatas dan tidak terbatas tampilan perkiraan ditunjukkan pada Gambar 3.

Secara alami, sinyal ini dapat dibatasi penggunaan spektrumnya filter bandpass, diaktifkan pada output modulator, tetapi hal ini tidak pernah dilakukan. Filter Nyquist jauh lebih efisien. Diagram blok modulator kuadratur sinyal QPSK, yang dibuat menggunakan filter Nyquist, ditunjukkan pada Gambar 4.

Filter Nyquist hanya dapat diimplementasikan menggunakan teknologi digital, oleh karena itu, pada rangkaian yang ditunjukkan pada Gambar 4, terdapat a konverter digital-ke-analog(DAC). Keunikan pengoperasian filter Nyquist adalah pada interval antar titik acuan tidak boleh ada sinyal pada masukannya, oleh karena itu pada masukannya terdapat pembentuk pulsa yang mengeluarkan sinyal ke keluarannya hanya pada waktu titik acuan. Selebihnya, ada sinyal nol pada outputnya.

Contoh bentuk yang ditransmisikan sinyal digital keluaran filter Nyquist ditunjukkan pada Gambar 5. Sinyal pada grafik muncul kontinu karena mencukupi frekuensi tinggi contoh.

Karena filter Nyquist digunakan pada perangkat transmisi untuk mempersempit spektrum sinyal radio, tidak ada distorsi antarsimbol pada sinyal hanya pada titik sinyal. Hal ini terlihat jelas dari diagram mata sinyal Q yang ditunjukkan pada Gambar 6.

Selain mempersempit spektrum sinyal, penggunaan filter Nyquist menyebabkan perubahan amplitudo sinyal yang dihasilkan. Dalam interval antara titik referensi sinyal, amplitudo dapat meningkat sehubungan dengan nilai nominal atau menurun hingga hampir nol.

Untuk melacak perubahan amplitudo sinyal QPSK dan fasenya, lebih baik menggunakan diagram vektor. Diagram fasor dari sinyal yang sama ditunjukkan pada Gambar 5 dan 6 ditunjukkan pada Gambar 7.

Perubahan amplitudo sinyal QPSK juga terlihat pada osilogram sinyal QPSK pada keluaran modulator. Bagian paling khas dari diagram pengaturan waktu sinyal yang ditunjukkan pada Gambar 6 dan 7 ditunjukkan pada Gambar 8. Gambar ini menunjukkan penurunan amplitudo pembawa sinyal termodulasi dan peningkatan nilainya relatif terhadap level nominal.

Sinyal pada Gambar 5...8 ditunjukkan untuk kasus penggunaan filter Nyquist dengan faktor pembulatan a = 0,6. Saat menggunakan filter Nyquist dengan nilai koefisien yang lebih rendah, pengaruh lobus samping dari respons impuls filter Nyquist akan memiliki efek yang lebih kuat dan empat jalur sinyal yang terlihat jelas pada Gambar 6 dan 7 akan bergabung menjadi satu zona kontinu. . Selain itu, lonjakan amplitudo sinyal akan meningkat relatif terhadap nilai nominalnya.

Kehadiran modulasi amplitudo sinyal mengarah pada fakta bahwa dalam sistem komunikasi yang menggunakan jenis modulasi ini, perlu menggunakan penguat daya yang sangat linier. Sayangnya, power amplifier tersebut memiliki efisiensi yang rendah.

Modulasi frekuensi dengan jarak frekuensi minimal memungkinkan pengurangan bandwidth frekuensi yang ditempati oleh sinyal radio digital di udara. Namun, jenis modulasi ini pun tidak memenuhi semua persyaratan untuk sistem radio bergerak modern. Biasanya sinyal MSK pada pemancar radio disaring dengan filter konvensional. Itulah sebabnya jenis modulasi lain muncul dengan spektrum frekuensi radio yang lebih sempit di udara.

Literatur:

1. "Desain perangkat penerima radio" ed. AP Sivers - M.: " sekolah pascasarjana" 1976 hal. 6
2. Palshkov V.V. "Perangkat Penerima Radio" - M.: "Radio dan Komunikasi" 1984 hal

Bersamaan dengan artikel "Modulasi fase empat posisi (QPSK)" baca:

http://situs/UGFSvSPS/modul/DQPSK/

http://situs/UGFSvSPS/modul/BPSK/

http://situs/UGFSvSPS/modul/GMSK/

http://situs/UGFSvSPS/modul/FFSK/

Seperti namanya, quadrature Phase Shift Keying (QPSK) merupakan modifikasi dari Binary Phase Shift Keying (BPSK). Ingatlah bahwa BPSK sebenarnya adalah modulasi DSBSC dengan pesan digital sebagai sinyal modulasinya. Penting untuk dicatat bahwa dengan modulasi BPSK, informasi dikirimkan secara berurutan sedikit demi sedikit. QPSK juga merupakan jenis modulasi DSBSC, namun mentransmisikan dua bit pada setiap interval waktu tanpa menggunakan frekuensi pembawa lain.

Karena QPSK mentransmisikan bit berpasangan, tampaknya kecepatan transmisinya dua kali lebih cepat dari BPSK. Faktanya, mengubah rangkaian bit tunggal menjadi rangkaian bit ganda tentu mengurangi kecepatan transmisi hingga setengahnya, sehingga tidak memungkinkan adanya peningkatan kecepatan apa pun.

Lalu mengapa metode modulasi ini diperlukan? Dengan mengurangi separuh laju transmisi sinyal, metode QPSK memungkinkannya menempati setengah spektrum frekuensi radio dibandingkan sinyal BPSK. Hal ini memungkinkan untuk meningkatkan jumlah pelanggan di saluran komunikasi.

Gambar 1 menunjukkan diagram blok implementasi model matematika modulator QPSK.

Pada masukan modulator, bit genap (bernomor 0, 2, 4, dst.) diekstraksi dari aliran data menggunakan “pemisah bit” dan dikalikan dengan pembawa untuk membentuk sinyal BPSK, yang disebut PSKI. Pada saat yang sama, bit ganjil (bernomor 1, 3, 5, dst.) juga diekstraksi dari aliran data dan dikalikan dengan pembawa yang sama, digeser 90°, membentuk sinyal BPSK kedua, yang diberi nama PSK Q. Ini adalah prinsip operasi modulator QPSK.

Sebelum sinyal QPSK ditransmisikan, kedua sinyal BPSK dijumlahkan dan, karena keduanya mempunyai frekuensi pembawa yang sama, sinyal-sinyal tersebut menempati bagian spektrum yang sama. Namun, untuk memisahkan sinyal yang pembawanya digeser 90º, diperlukan penerima dengan pembeda fasa.

Gambar 2 menunjukkan diagram blok implementasi model matematika demodulator QPSK.

Pada skema di atas, demodulasi dua sinyal BPSK dilakukan secara mandiri dan simultan oleh dua detektor berdasarkan multiplier. Pada keluaran detektor, pasangan bit data asli muncul, yang dibersihkan dari distorsi menggunakan komparator, dan dirangkai menjadi urutan asli menggunakan konverter paralel-ke-serial 2-bit.

Untuk memahami bagaimana setiap detektor memilih hanya satu sinyal BPSK dan bukan keduanya, ingatlah bahwa deteksi sinyal DSBSC “sensitif” terhadap pergeseran fasa. Dengan demikian, penerimaan pesan akan optimal hanya jika osilasi pembawa pemancar dan penerima berada dalam fase yang tepat. Penting untuk dicatat bahwa dengan ketidaksesuaian fase 90º, penerimaan pesan menjadi tidak mungkin, karena amplitudo sinyal yang direkonstruksi menjadi nol. Dengan kata lain, pesan tersebut disembunyikan sepenuhnya.

Demodulator QPSK mengubah keadaan ini menjadi keuntungan. Perhatikan bahwa detektor produk pada Gambar 2 menggunakan pembawa tunggal, tetapi untuk salah satu detektor pembawa digeser sebesar 90°. Dalam hal ini, satu detektor memulihkan data dari satu sinyal BPSK sambil menolak sinyal BPSK lainnya, dan detektor kedua memulihkan sinyal BPSK kedua sambil menolak sinyal BPSK yang pertama.