Квадратурная фазовая манипуляция

Квадратурные фазовый или четыре-фазовая модуляция (английский квадратурные фазовая манипуляция или четвертичные фазовая манипуляция , КФМно ) представляет собой цифровой метод модуляции в технологии связи , и форма фазовой манипуляции (PSK) . С помощью QPSK можно передавать два бита на символ . Это удваивает использование доступной полосы пропускания ( спектральная эффективность ) по сравнению с двоичной фазовой манипуляцией (PSK ).

свойство

Диаграмма созвездия QPSK (также известная как 4- QAM )

Спектр сигнала QPSK

Существенным свойством является то, что четыре точки символа, нарисованные на комплексной плоскости на соседней диаграмме созвездия , находятся на одинаковом расстоянии от нулевой точки с точки зрения количества. Это означает, что амплитуда не несет никакой информации, только фаза . Отсюда и произошло название этого метода модуляции . Каждая информационная точка является носителем двух информационных битов. QPSK дает те же результаты, что и 4- QAM . Однако при использовании QAM две взаимно ортогональные несущие одной и той же частоты модулируются по своей амплитуде. Результирующая обеих несущих снова имеет амплитуду и фазу, которые затем связываются с символом - однако с точки зрения технологии передачи фазовая модуляция отсутствует с QAM, а есть QDSB (AM с подавленной несущей).

На следующих рисунках показаны два сигнала DVB-S. В случае более слабого сигнала можно увидеть, что с большим количеством точек четкое присвоение диаграмме созвездия, показанной справа, больше невозможно, что означает, что почти 8% данных потеряно. Благодаря упреждающему исправлению ошибок канал может быть просмотрен, по крайней мере, с сильными артефактами , в то время как все ошибки могут быть исправлены с помощью сигнала средней силы и может быть воспроизведено безошибочное изображение.

• 

  Слабый сигнал DVB-S (сильный шум)

• 

  Средне сильный сигнал DVB-S (слабый шум)

функция

Последовательный поток данных сигнала NRZ сначала разделяется на два параллельных тракта с помощью демультиплексора . Теперь можно обрабатывать два бита, так называемые дибиты . Этим дибитам возлагается функция сложного символа с действительной и мнимой частями. В качестве несущих используются два синусоидальных сигнала одинаковой частоты, один из которых сдвинут по фазе на 90 ° (косинусоидальный сигнал). Сигнал QPSK - это добавление двух сигналов PSK . Процесс приема работает в обратном порядке.

QPSK используется для передачи сигнала в цифровых спутниковых каналах (например, DVB-S ), для наземного вещания цифровых сигналов, а также для проводных методов передачи.

варианты

π / 4-QPSK

Наборы точек созвездия, показанные двумя цветами, повернутые друг к другу на π / 4

Основным расширением QPSK является π / 4-QPSK. При использовании обычного QPSK существует проблема, заключающаяся в том, что переход между двумя диагональными точками символа передачи в комплексной плоскости ведет через нулевую точку. При переходе между этими символами диагональной передачи это означает, что амплитуда, так называемая огибающая, уменьшается практически до нуля. На стороне приемника это затрудняет необходимую синхронизацию и из-за нелинейностей тракта передачи способствует искажению сигнала и нежелательной интермодуляции .

Временная диаграмма для сигнала π / 4 QPSK

Одним из способов решения этой проблемы является π / 4-QPSK.Независимо от пользовательских данных после каждого символа передачи выполняется дополнительный скачок фазы на π / 4 (45 °) и изменение направления. Это приводит к появлению двух чередующихся диаграмм созвездий, как показано на соседнем рисунке двумя цветами. Это гарантирует, что переход между двумя символами никогда не проходит через начало координат, т.е. ЧАС. всегда отправляется достаточно большая амплитуда несущей. Кроме того, синхронизация часов на стороне приемника упрощается, поскольку, независимо от полезных данных и их кодирования, в принимаемом сигнале всегда есть регулярные скачки фазы.

Смещение QPSK (OQPSK)

При смещении QPSK каждый полушаг находится в точке созвездия

Временная диаграмма для смещенного сигнала QPSK

Другая возможность избежать прохождения через нулевую точку, т. Е. Уменьшения амплитуды, обеспечивается с помощью QPSK смещения. Реальная часть и мнимая часть комплексного символа отправляются со смещением на половину длительности символа, так что максимальное изменение с половинным шагом составляет всего 90 ° вместо 180 °, как при обычном QPSK. Можно ясно представить, что ход переходов между состояниями повторяет форму квадрата, ограниченного четырьмя состояниями, и больше не может проходить диагональный путь через нулевую точку. И наоборот, точка созвездия, в которой расположен сигнал, изменяется с удвоенной скоростью, превышающей длительность символа. Если рассматривается только компонент I или Q, отображается только скорость изменения, равная длительности символа.

Дифференциальный QPSK (DQPSK)

При дифференциальной QPSK используется восходящее дифференциальное кодирование, чтобы избежать неоднозначности фазовых точек в приемнике. При дифференциальной QPSK информация не назначается отдельным символам на диаграмме созвездия, а передается с относительным изменением положения фазы по отношению к предыдущему символу. Это приводит к четырем возможным относительным поворотам фазы на 0 (0 °), π / 2 (90 °), π (180 °) и 3π / 2 (270 °) относительно предыдущего символа, что означает, что информация о двух битах на символ может быть передана. . Преимущество ненужной синхронизации положения фазы между передатчиком и приемником достигается за счет увеличения частоты ошибок по битам и снижения производительности любой прямой коррекции ошибок , поскольку каждая ошибка приема может повлиять на два символа, всего четыре бита.

Приложения

Факсимильные аппараты : хорошо известное приложение, в котором сигнал QPSK также может быть услышан, - это передача черно-белых изображений ( факсимильных сообщений ) по телефонной сети. Немодулированная несущая будет звучать как чистый синусоидальный тон. Модуляция делает сигнал более широкополосным. Несущая, которая набирается быстро и непрерывно, звучит как шум.

Этот тип модуляции теперь также используется в технологии HSDPA в сетях UMTS . Здесь скорость передачи данных увеличена с 384 кбит / с до примерно 2 Мбит / с.

литература

• Герман Ролинг : Введение в теорию информации и кодирования. Teubner-Verlag, Штутгарт, 1995, ISBN 3-519-06174-0 .