| Технологии модуляции |
|---|
| Аналоговая модуляция |
| AM · SSB · ЧМ (FM) · ЛЧМ · ФМ (PM) · СКМ |
| Цифровая модуляция |
| АМн · ФМн · КАМ · ЧМн · GMSK OFDM · COFDM · TCM |
| Импульсная модуляция |
| АИМ · ДМ · ИКМ · ΣΔ · ШИМ · ЧИМ · ФИМ |
| Расширение спектра |
| FHSS · DSSS |
| См. также: Демодуляция |
Фа́зовая манипуля́ция (ФМн, англ. phase-shift keying (PSK)) — один из видов фазовой модуляции, при которой фаза несущего колебания меняется скачкообразно в зависимости от информационного сообщения.
Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:
где определяет огибающую сигнала; является модулирующим сигналом. может принимать дискретных значений. — частота несущей; t — время. Если , то фазовая манипуляция называется двоичной фазовой манипуляцией (BPSK, B-Binary — 1 бит на 1 смену фазы), если — квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK, Q-Quadro — 2 бита на 1 смену фазы), (8-PSK — 3 бита на 1 смену фазы) и т. д. Таким образом, количество бит , передаваемых одним перескоком фазы, является степенью, в которую возводится двойка при определении числа фаз, требующихся для передачи -порядкового двоичного числа.
Фазоманипулированный сигнал можно рассматривать как линейную комбинацию двух ортонормированных сигналов и [1]:
где
Таким образом, сигнал можно считать двухмерным вектором . Если значения отложить по горизонтальной оси, а значения — по вертикальной, то точки с координатами и будут образовывать пространственные диаграммы, показанные на рисунках.
Двоичная фазовая манипуляция (BPSK)
Квадратурная фазовая манипуляция (QPSK)
Восьмеричная фазовая манипуляция (8-PSK)
Двоичная фазовая манипуляция (англ. BPSK — binary phase-shift keying) — самая простая форма фазовой манипуляции. Работа схемы двоичной ФМн заключается в смещении фазы несущего колебания на одно из двух значений, нуль или (180°). Двоичную фазовую манипуляцию можно также рассматривать как частный случай квадратурной манипуляции (QAM-2).
Эта модуляция является самой помехоустойчивой из всех видов ФМн, то есть при использовании бинарной ФМн вероятность ошибки при приёме данных наименьшая. Однако каждый символ несет только 1 бит информации, что обуславливает наименьшую в этом методе модуляции скорость передачи информации.
Вероятность ошибки на бит (англ. BER — Bit Error Rate) при бинарной ФМн в канале с аддитивным белым гауссовским шумом (АБГШ) может быть вычислена по формуле:
где
Так как на символ приходится 1 бит, то по этой же формуле вычисляется и вероятность ошибки на символ.
В присутствии произвольного изменения фазы, введенного каналом связи, демодулятор не способен определить, какая точка созвездия соответствует 1 и 0. В результате данные часто дифференциально кодируются до модуляции.
В случае некогерентного детектирования используется дифференциальная двоичная фазовая манипуляция.
Двоичные данные часто передаются со следующими сигналами:
где — частота несущего колебания.
При квадратурной фазовой манипуляции (англ. QPSK — Quadrature Phase Shift Keying или 4-PSK) используется созвездие из четырёх точек, размещённых на равных расстояниях на окружности. Используя 4 фазы, в QPSK на символ приходится два бита, как показано на рисунке. Анализ показывает, что скорость может быть увеличена в два раза относительно BPSK при той же полосе сигнала, либо оставить скорость прежней, но уменьшить полосу вдвое.
Хотя QPSK можно считать квадратурной манипуляцией (QAM-4), иногда её проще рассматривать в виде двух независимых модулированных несущих, сдвинутых на 90°. При таком подходе чётные (нечётные) биты используются для модуляции синфазной составляющей , а нечётные (чётные) — квадратурной составляющей несущей . Так как BPSK используется для обеих составляющих несущей, то они могут быть демодулированы независимо.
При когерентном детектировании вероятность ошибки на бит для QPSK такая же, как и для BPSK:
Однако, так как в символе два бита, то значение символьной ошибки возрастает:
При высоком отношении сигнал/шум (это необходимо для реальных QPSK систем) вероятность символьной ошибки может быть оценена приблизительно по следующей формуле:
Как и при BPSK, существует проблема неопределённости начальной фазы в приёмнике. Поэтому при некогерентном детектировании QPSK с дифференциальным кодированием на практике используется чаще.
Отличие QPSK от первых видов модуляции (АМн, ЧМн) в том, что плотность передаваемой информации в расчёте на частотную ширину канала (на символ, на герц) выше единицы.
Например, в АМн плотность много меньше единицы (0,1—0,001 бит/Гц) — это связано с необходимостью накопления энергии в фильтрах в первых малочувствительных приёмниках (например русский изобретатель радио А. С. Попов использовал АМн в первом в мире приёмнике). В ЧМн этот показатель приближается к единице (0,1—1) бит/символ (бит/Гц). Например в GMSK, применяемому в GSM плотность информации равняется 1.
Этот вид модуляции используется, например, в стандарте сотовой связи CDMA2000 1X EV-DO.
Здесь изображены два отдельных созвездия использующие кодирование Грея, которые повёрнуты на 45° относительно друг друга. Обычно, чётные и нечётные биты используются для определения точек соответствующего созвездия. Это приводит к уменьшению максимального скачка фазы с 180° до 135°.
С другой стороны, использование π/4-QPSK приводит к простой демодуляции и вследствие этого она используется в системах сотовой связи с временным разделением каналов.
ФМн с порядком больше 8 используют редко.
При реализации PSK может возникнуть проблема поворота созвездия, например в непрерывной передаче без синхронизации. Для решения подобной проблемы может быть использовано кодирование, основанное не на положении фазы, а на её изменении.
Например для DBPSK фаза изменяется на 180° для передачи «1» и остается неизменной для передачи «0».
Qpsk a\/v wisi ov77a, сравнение qpsk и oqpsk, qpsk qam-16 qam-64 для cofdm 2k\/8k, qpsk modulation.
