Фазовая манипуляция


Фазовая манипуляция
Технологии модуляции  п·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
Модулирующий сигнал, несущая и фазоманипулированный сигнал системы спутниковой навигации NAVSTAR GPS

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.

Содержание

Описание

Фазоманипулированный сигнал имеет следующий вид:

s_m(t)=g(t)\cos[2\pi f_c t+\varphi_m(t)],

где g(t) определяет огибающую сигнала; \varphi_m(t) является модулирующим сигналом. \varphi_m(t) может принимать M дискретных значений. f_c — частота несущей; t — время. Если M=2, то фазовая манипуляция называется двоичной фазовой манипуляцией ((BPSK, B-Binary — 1 бит на 1 смену фазы), если M=4 — квадратурной фазовой манипуляцией (QPSK, Q-Quadro — 2 бита на 1 смену фазы), M=8 (8-PSK — 3 бита на 1 смену фазы) и т. д. Таким образом, количество бит n, передаваемых одним перескоком фазы, является степенью, в которую возводится двойка при определении числа фаз, требующихся для передачи n-порядкового двоичного числа.

Фазоманипулированный сигнал s_i(t) можно рассматривать как линейную комбинацию двух ортонормированных сигналов y_1 и y_2[1]:

S_m(t)=S_1 Y_1+S_2 Y_2,

где

Y_1(t)=\sqrt{\frac{2}{E_g}}g(t)\cos[2\pi f_c t+\varphi_m(t)],
Y_2(t)=-\sqrt{\frac{2}{E_g}}g(t)\sin[2\pi f_c t+\varphi_m(t)].

Таким образом, сигнал S_m(t) можно считать двухмерным вектором [S_1(m,\;M);\;\;S_2(m,\;M)]. Если значения S_1(m,\;M) отложить по горизонтальной оси, а значения S_2(m,\;M) — по вертикальной, то точки с координатами S_1(m,\;M) и S_2(m,\;M) будут образовывать пространственные диаграммы, показанные на рисунках.


Двоичная фазовая манипуляция

Фазовое созвездие для двоичной ФМн
Осциллограммы сигналов при двоичной фазовой демодуляции

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 \pi (180°). Двоичную фазовую манипуляцию можно также рассматривать как частный случай квадратурной манипуляции (QAM-2).

Когерентное детектирование

Вероятность ошибки на бит (BER) в зависимости от Eb/N0

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:

P_b=Q\left(\sqrt{\frac{2E_b}{N_0}}\right),

где

Q(x)=\frac{1}{\sqrt{2\pi}}\int\limits_x^\infty e^{-\frac{t^2}{2}}\,dt.

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.

Некогерентное детектирование

В случае некогерентного детектирования используется дифференциальная двоичная фазовая манипуляция.

Реализация

Двоичные данные часто передаются со следующими сигналами:

s_0(t)=\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}\cos(2\pi f_c t) для двоичного «0»;
s_1(t)=\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}\cos(2\pi f_c t+\pi)=-\sqrt{\frac{2E_b}{T_b}}\cos(2\pi f_c t) для двоичной «1»,

где f_c — частота несущего колебания.

Квадратурная фазовая манипуляция

Фазовое созвездие для квадратурной ФМн.

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 I, а нечётные (чётные) — квадратурной составляющей несущей Q. Так как BPSK используется для обеих составляющих несущей, то они могут быть демодулированы независимо.

Когерентное детектирование

При когерентном детектировании вероятность ошибки на бит для QPSK такая же, как и для BPSK:

P_b=Q\left(\sqrt{\frac{2E_b}{N_0}}\right).

Однако, так как в символе два бита, то значение символьной ошибки возрастает:

P_s=1-(1-P_b)^2=2Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{N_0}}\right)-Q^2\left(\sqrt{\frac{E_s}{N_0}}\right).

При высоком отношении сигнал/шум (это необходимо для реальных QPSK систем) вероятность символьной ошибки может быть оценена приблизительно по следующей формуле:

P_s\approx 2Q\left(\sqrt{\frac{E_s}{N_0}}\right).

Некогерентное детектирование

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 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.

π/4-QPSK

Фазовое созвездие для квадратурной π/4 ФМн.

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.

Сравнение OQPSK и QPSK


ФМн более высоких порядков

Фазовое созвездие для восьмеричной ФМн

ФМн с порядком больше 8 используют редко.

Дифференциальная ФМн

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».

См. также

Примечания

  1. Прокис Дж. Цифровая связь. — Пер. с англ. // Под ред. Д. Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. — 800 с. — стр. 151.

слово манипуляция корректней всего заменить на слово модуляция

Литература

  • Прокис Дж. Цифровая связь. — Пер. с англ. // Под ред. Д. Д. Кловского. — М.: Радио и связь, 2000. — 800 с. — ISBN 5-256-01434-X.
  • Скляр Б. Цифровая связь. Теоретические основы и практическое применение. — Пер. с англ. — М.: Издательский дом «Вильямс», 2003. — 1104 с. — ISBN 5-8459-0497-8.
  • Феер К. Беспроводная цифровая связь: методы модуляции. — Пер. с англ. // Под. ред. В. И. Журавлёва. — М.: Радио и связь, 2000. — 520 с. — ISBN 5-256-01444-7.

Ссылки



Wikimedia Foundation. 2010.

Смотреть что такое "Фазовая манипуляция" в других словарях:

  • фазовая манипуляция — (МСЭ R F.763 5). [http://www.iks media.ru/glossary/index.html?glossid=2400324] Тематики электросвязь, основные понятия EN phase shift keyingPSK …   Справочник технического переводчика

  • фазовая манипуляция — 06.01.46 фазовая манипуляция [ phase shift keying; PSK]: Угловая модуляция, при которой каждое мгновенно значащее положение в модулирующем сигнале дискретного времени представляется посредством определенной разности фаз модулированного сигнала и… …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • фазовая манипуляция — fazės manipuliavimas statusas T sritis automatika atitikmenys: angl. phase shift keying vok. Phasentastung, f rus. фазовая манипуляция, f pranc. modulation par déplacement de phase, f …   Automatikos terminų žodynas

  • фазовая манипуляция — fazinė manipuliacija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. phase manipulation vok. Phasentastung, f rus. фазовая манипуляция, f pranc. manipulation par déplacement de phase, f; manipulation par déviation de phase, f …   Fizikos terminų žodynas

  • фазовая манипуляция несущей — фазовая манипуляция Манипуляция несущей, при которой изменяемым параметром является фаза колебаний. [ГОСТ 24375 80] Тематики радиосвязь Обобщающие термины радиопередача Синонимы фазовая манипуляция …   Справочник технического переводчика

  • фазовая манипуляция со сдвигом — — [Л.Г.Суменко. Англо русский словарь по информационным технологиям. М.: ГП ЦНИИС, 2003.] Тематики информационные технологии в целом EN offset phase shift keyingstaggered phase shift keyingSPSK …   Справочник технического переводчика

  • Фазовая манипуляция несущей — 153. Фазовая манипуляция несущей Фазовая манипуляция Источник: ГОСТ 24375 80: Радиосвязь. Термины и определения оригинал документа …   Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

  • фазовая манипуляция с расширенным спектром — plėstinio spektro fazės manipuliavimas statusas T sritis radioelektronika atitikmenys: angl. spread spectrum phase shift keying vok. Phasentastung mit Spektralausbreitung, f rus. фазовая манипуляция с расширенным спектром, f pranc. modulation par …   Radioelektronikos terminų žodynas

  • Фазовая манипуляция несущей — 1. Манипуляция несущей, при которой изменяемым параметром является фаза колебаний Употребляется в документе: ГОСТ 24375 80 …   Телекоммуникационный словарь

  • Квадратурная фазовая манипуляция — Технологии модуляции  п· …   Википедия


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.