Binarne Kluczowanie Fazy (BPSK)

Zasada Działania BPSK

BPSK jest binarną odmianą . Określenie "Binarne" wskazuje, że używa ona tylko dwóch odrębnych stanów do reprezentacji dwóch cyfr binarnych: '0' i '1'. Czyni ją to schematem kodowania "jeden do jednego", gdzie jeden odpowiada dokładnie jednemu bitowi informacji.

BPSK wykorzystuje dwa stany fazowe o stałej częstotliwości do reprezentacji danych. Oba stany są przeciwne fazowo, a różnica faz wynosi 180 stopni $(\pi \text{ radianów})$ . Odległość euklidesowa osiąga wtedy maksimum przy ustalonej energii symbolu.

Kodowanie '0' i '1'

Przesunięcie fazy o 180° zmienia znak nośnej. Przykładowe mapowanie ma postać:

Bit '1' jest kodowany fazą 0°. Fala nośna jest kontynuowana bez żadnych zmian.
Bit '0' jest kodowany fazą 180°. Fala nośna jest odwracana na początku trwania bitu.

Wybór mapowania (np. '1' na 0° i '0' na 180°, lub odwrotnie) jest dowolny, pod warunkiem, że zarówno nadajnik, jak i odbiornik zgadzają się na tę samą konwencję.

Diagram Konstelacji BPSK

Standardowym sposobem wizualizacji schematów modulacji cyfrowej jest . Odwzorowuje on symbole na dwuwymiarowej mapie zdefiniowanej przez .

Dwa Punkty: Ponieważ BPSK ma tylko dwa symbole, jego konstelacja składa się z zaledwie dwóch punktów.
Stała Amplituda: Oba symbole mają tę samą amplitudę i energię symbolu, więc leżą w tej samej odległości od początku układu współrzędnych.
Położenie na osi I:Ponieważ używane fazy to 0° i 180°, oba punkty leżą na poziomej osi I. Symbol dla fazy 0° (np. bit '1') znajduje się po stronie dodatniej, a symbol dla 180° (np. bit '0') po stronie ujemnej. Nie ma składowej Q.

BPSK: Odporność na Szum i Zastosowania

Odporność na Błędy

Dla konstelacji BPSK na osi I detekcja koherentna wykorzystuje znak składowej I, a granicą decyzyjną jest pionowa oś Q przy I = 0. Dwa przeciwne punkty mają największą odległość przy ustalonej energii symbolu, co ogranicza wpływ szumu addytywnego. Dla równoprawdopodobnych bitów, dwustronnej gęstości widmowej mocy szumu AWGN $N_0/2$ , energii bitu $E_b$ oraz idealnej synchronizacji czasu i nośnej BER wynosi $P_b = Q(\sqrt{2E_b/N_0}) = \frac{1}{2}\operatorname{erfc}(\sqrt{E_b/N_0})$ . Dla przebiegu bezszumowego stałe przesunięcie fazy spełniające $|\phi| < 90^{\circ}$ zachowuje znak decyzji, natomiast błędy synchronizacji i zaniki zmieniają ten wynik. Wzór pokazuje, jak stosunek $E_b/N_0$ wpływa na .

Wydajność Widmowa i Zastosowania

Ta charakterystyka szumowa wiąże się z niską . Ponieważ każdy symbol przenosi jeden bit, BPSK ma mniejszą przepływność niż modulacje wyższego rzędu. Jej niezawodność odpowiada łączom, w których integralność danych ma pierwszeństwo przed przepływnością.

Typowe zastosowania obejmują:

Komunikacja satelitarna: Stosowana w systemach, gdzie moc sygnału jest ograniczona, a kanał jest zaszumiony.
Sondy kosmiczne: Telemetria dalekiego zasięgu NASA wykorzystuje modulacje fazy, w tym BPSK z nośną resztkową, w łączach o małej przepływności, takich jak Voyager.
Interfejsy bezkontaktowe: Niektóre systemy, w tym ISO/IEC 14443 typu B, wykorzystują BPSK na podnośnej.
Podstawa złożonych modulacji: QPSK można zrealizować za pomocą dwóch niezależnych gałęzi BPSK dla składowych w fazie i kwadraturowej.